無定向學堂：3D掃描修復古蹟 點雲重組文物建築
【明報專訊】眼見巴黎聖母院的尖塔在熊熊烈火燒得通紅，再折斷倒下，全球不知有多少人低呼「冇喇冇喇……」隨後有人翻出《國家地理雜誌》二○一五年關於聖母院激光掃描的專題報道，介紹藝術史學者Andrew Tallon已用這項技術詳細記錄歷史建築的內外結構，讓世界感到幾分安慰，「好彩之前有記低」。
在香港，原來都有小隊在做這樣的工作。記得去年九月香港人也為颱風「山竹」毁了都爹利街的百年煤氣燈心痛不已，好彩，古物古蹟辦事處的三維掃描小組已存起煤氣燈與石階的檔案。
三維掃描如何掃？掃了又如何？領導這個六人小隊的古蹟辦土地測量師（古物古蹟）景紹岐受訪時做示範，在古蹟辦辦事處這座超過百年歷史的法定古蹟側面一個空間，豎起三腳架，放上掃描器，按一個掣，儀器中間的鏡子轉個飛快，不一會，掃描器的小熒幕上就顯示出空間的全景圖像。「聽同事說，以前即使是做一個簡單的site，亦要坐在那兒做兩個月，就是手描或量度。」現在一次掃描最快八分鐘完成，若建築結構簡單，在現場將掃描器放置二三十個不同方位，一般已足夠為建築內外做個記錄，當然視乎結構有多複雜，「複雜的，可能只外面已要設置三十次，沒客觀的數字，視乎實際情况」。
坐地式三維激光掃描儀 發放雷射脈衝
這個三維掃描小組的頭號法寶以三腳架定位，「裏面有摩打控制兩塊鏡及一個雷射器，會將雷射脈衝（laser pulse）打在建築上，然後反射回來」。景紹岐指指我們對面的牆，牆前放了一個大櫃。掃描器就似超人的眼發射激光，如果將掃描器放在牆及櫃的正對面，因為櫃與掃描器距離較近，激光到櫃面再反射回來的時間，會比激光到牆的表面短，因此從激光來回的時間，就可計算牆、櫃跟掃描器的距離，也就是說，以這個擺放角度，就記錄到一個平面上（牆）有一個突出物（櫃）。激光射出是一點，而一次掃描操作約有九千萬點，組合成一組點雲數據（point cloud），織出掃描器「眼前所見」的空間結構。
球狀反射器 扣連數據
將掃描器當作人眼來想像，站在建築物外面繞一圈，會見到建築在不同角度的面貌，要得出立體形象，就要把掃描器放在建築各個角度蒐集到的數據拼合。比如五個人同場合照，a、b、c、d、e排排企，一張拍到a、b、c，另一張拍到c、d、e，兩張共通處是都有c，只要將兩張照片中的c重疊，就可得出五人的合照。球狀反射器就是c的角色，能靠它把兩個位置錄得的數據扣連起來，景紹岐說，因為三維空間又比平面多一個維度，所以至少會放三個球，掃描器從一個位置取得某個範圍的數據，再移到下一個位置記錄另一個範圍，在這兩個範圍擺放的掃描器，都要「見到」同樣三個球，兩組數據就可拼合。
手提式三維激光掃描儀 提高精準度
坐地掃描器的測距誤差是+/-2mm，如果要掃描中式建築的細緻雕刻或其他細部，「像廣福義祠的陶塑，起伏或已少於2mm」，精準度達誤差只有+/-0.03mm的手提掃描器就能派上用場。這個工具會配備電腦即場運算數據，可即時知道有沒有掃漏什麼位置，立即補回。而白球的任務就會用反射貼紙代替，「貼紙黑圈內有銀或白點，光照上去會有很高對比度，透過這個對比度就可計算貼紙的中心在哪」，用中心點來拼合數據，就更精確。
記錄中環煤氣燈數據 協助修復
「二三十年前已有這項技術，不過那時的儀器性能、速度或精準度都不是太好，機器也比較大件、耗電。」Andrew Tallon從五十個位置記錄聖母院，《國家地理雜誌》報道提及他蒐集超過十億點的數據，其實今天掃描小組記錄一座文物建築，「閒閒地都十億點，數據以GB計」。景紹岐說掃描小組在古蹟辦屬於支援角色，視乎復修團隊或同事的要求，向結構工程師、建築師等提供「可靠、全面、精準的數據」。去年中環都爹利街煤氣燈因為颱風損毁，幸而小組去年年頭已取得掃描數據。他透露相關政府部門仍在研究修復方案，風後撿起的石梯碎片，「有時完整的兩塊大型碎件好似樣，我們有方法知道它們的原來位置，以3D打印按比例做出微縮模型，從而建構整個場景」。沒有模型的話，若要工人將碎件搬到現場，trial and error逐塊互拼，便相當浪費時間。本欄上集有關聖母院的復修，建築師黎雋維與我們討論未必要按火災前的模樣重建，景紹岐說：「如何復修有不同說法，以測量角度，像我們的角色是提供數據，若決定要回復到火燒前的那個模樣，數據一定有幫助。」
監測建築變化 盡早保育
「我們希望趁有什麼冬瓜豆腐之前，先把數據拿回辦公室。」而且有了第一次取得的數據，隔一年半載再取一次，才有比較，可以監測文物建築的變化。他以一塊石刻為例，在颱風前後都掃描過，將兩組數據比對，就可準確地知道分別。「看前後有沒有顯著分別，若幅度大過誤差，如正常誤差是一厘米，差別的幅度卻有五厘米，那一定不是測量誤差的問題，而是實則有變化，可以適時介入，做一些工序。」他取出一張中式祠堂牆壁的圖片，只見像氣溫變化圖般，上方及外圍是藍色，向內漸變成下方中央的紅色，「顏色是由我們定的，紅色最遠離（掃描器放置點），藍色最近」，顯示牆身並非垂直，上方比下方向外傾，「結構工程師便因應這些數據，看會否有危險，是否需要即時做補救工作」。而以往只可在建築以取樣方式挑幾個點量度，有機會遺漏點與點之間範圍的問題，掃描也可得到更全面的數據，就如上述圖片，便看到某部分呈紅色，「這個位特別與牆整體不同，該處就似『大咗肚』」。
處理數據花工夫 非愈多愈好
是不是取得愈多點就愈好，廿億點好過十億點？其實最頭痕不是數據不夠多，「問題是大量數據，現時的電腦處理這些數據都吃力，那些點是more than redundant（多餘），比需要的更多」。景紹岐說後續工作更花工夫，「現場做掃描最多四、五日，回到辦公室做拼合，可能兩星期做完，但如為一個建築群製作模型，就更花心力。掃描會得到一堆點，對人來說，純粹見到好多點也沒意義，我們要從中抽取有用的資料」。他強調將數據輕量化也是項重要工作，舉例作教育用途如展覽，製造展出的模型或紀念品，便不需用上所有數據；製作讓公眾能在手機看到的圖，太多數據，要load很長時間，也影響到用家經驗。在保育工作上，也未必多「點」更好：「一幅牆四四方方，也許四點已可代表到。數據除了XYZ三維坐標，還有信號強度，激光打落石材、木材，甚至不同的木材，都有不同的強度，這對測量師意義不大，但對建築師或工程師，如需對物料有相關研究，這項資訊便可能有用。」
掃描要清場嗎？
一部掃描器由一名測量主任運作，小組共有兩部座地掃描器，手提有一部，通常行動會把兩部坐地掃描器都帶出去，出動兩名測量主任，由兩名仗量員支援。記者在景紹岐示範掃描器運作期間走近去看，但心裏當成了拍戲現場，想躲開機器「掃射」以免壞事。是不是每次掃描都要清場？原來是記者多心，他解釋：「不用特別清場，人行過沒有問題，只要不企定定，機器轉得那麼快，人顯示出來只是一條線，就算真的擋到，掃描器放在第二個位置工作時也能補足。」
文 // 曾曉玲
圖 // 古物古蹟辦事處、曾曉玲
編輯 // 王翠麗