《Visual Informatics》：DanqingScan: Low-cost 3D scanning for traditional Chinese painting analysis
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摘要
随着三维扫描技术的进步，对于用于文化遗产保存的低成本、高质量三维扫描解决方案的需求日益增长。具体而言，精确的三维表面细节采集能够显著支持研究人员和修复人员评估中国绘画的表面损伤及修复状况。这进而促进了进一步的保护工作以及诸如数字记录、笔触分析和其他形式的
摘要
随着三维扫描技术的进步，对于用于文化遗产保存的低成本、高质量三维扫描解决方案的需求日益增长。具体而言，精确的三维表面细节采集能够显著支持研究人员和修复人员评估中国绘画的表面损伤及修复状况。这进而促进了进一步的保护工作以及诸如数字记录、笔触分析和其他形式的技术检验等相关任务。然而，现有的用于文化遗产保存的三维扫描解决方案往往面临成本高昂、缺乏用户友好性以及精度相对较低的问题。为解决上述局限，本文提出了一种专门针对传统中国画设计的鲁棒且低成本的结构光三维扫描系统。该系统完全由现成的消费级硬件组件构建。基于梯度光照技术，该系统能够实现高质量的表面扫描，并生成所扫描画作的高分辨率表面法线图（surface normal maps）。这些法线图可进一步转换为精细的三维表面模型。为增强用户友好性，研究人员还开发了一个交互式用户界面，使用户能够观察、分析并标注诸如笔触、损伤及先前修复痕迹等关键特征。为验证该方法的有效性，研究人员通过对真实古代中国画进行扫描开展了大量实验。实验结果表明，该系统在支持广泛的文化遗产应用（包括笔触分析、损伤评估和绘画修复）方面具有巨大潜力。
**基于梯度光照的低成本三维扫描技术与传统中国画数字化分析**
## 1. 研究背景与问题
数字成像技术通过揭示文化资产的关键信息，极大地增强了保护科学家和考古学家的能力，从而有助于保存和展现其历史价值。然而，以往的大多数研究集中于二维图像领域，缺乏用于深入考古分析的三维结构信息。尽管部分研究者已探索将三维成像技术应用于艺术品和遗产对象，但这些方法往往面临成本过高或扫描质量不足、无法捕捉精细表面细节的问题。
针对上述局限，研究人员提出了DanqingScan——一个专门用于古代中国画数字化和分析的综合低成本三维扫描系统。该系统利用消费级硬件，确保可访问性和易部署性。系统基于梯度光照（Gradient Illumination, GI）技术，该技术是结构光三维重建和主动三维成像的一种变体。整个图像采集过程约需一秒，且几乎不需要专业经验或复杂的校准流程。为进一步支持文化遗产保护应用，研究人员还开发了一个交互式用户界面，允许用户可视化、检查和标注恢复的三维表面细节。据研究人员所知，该系统是首个实用的低成本中国画三维扫描系统。
## 2. 相关工作与技术创新
在三维扫描领域，现有方法可分为被动式和主动式两类。被动式方法通过多视图图像推断三维几何，包括运动恢复结构（Structure-from-Motion, SfM）、多视图立体（Multi-View Stereo, MVS）以及基于学习的方法如神经辐射场（Neural Radiance Fields, NeRF）和三维高斯泼溅（3D Gaussian Splatting, 3DGS）。虽然这些方法适用于大规模几何重建，但往往难以捕捉精细表面细节，尤其是在无纹理或反射区域。
主动式方法通过在图像采集过程中引入受控照明来增强几何重建。光度立体（Photometric Stereo, PS）方法通过已知方向和强度的光源序列来求解表面法线图和反射率图。Ma等人（2007）展示了显示强度梯度的屏幕可替代多个光源，由此产生的梯度光照方法可利用带偏振透镜的单个相机和半球形光源恢复精确的三维信息。然而，这些方法仍需要定制硬件（如偏振光和球形LED面板），阻碍了实际部署。Riviere等人（2014）提出了利用平板屏幕显示梯度的移动扩展方案。
在文化遗产保护应用中，现有三维扫描方法通常依赖定制硬件或涉及复杂耗时的采集流程，且主要针对具有明显几何特征的对象进行优化。相比之下，传统中国画呈现更细微的表面变化和独特材料属性，特别是其反射行为与油画和浮雕有显著差异。现有的大多数古代中国画数字化方法集中于二维细节研究，尚未揭示画作的三维表面细节。
## 3. 主要关键技术方法
研究人员主要采用以下几项关键技术方法：
**（1）梯度光照结构光系统**：利用可编程平面显示器作为光源，通过显示水平和垂直方向的线性梯度图案（正负方向各一组，共四幅图像），并结合两幅附加图像（全亮和全暗）进行归一化，从采集图像中求解表面法线分量。
**（2）辐射标定**：通过拍摄Macbeth色卡图像估算相机伽马值，消除伽马引起的非线性效应，这是系统唯一需要的校准步骤。
**（3）基于SIFT特征和RANSAC的图像拼接**：以反照率图（albedo map）为参考模态，利用尺度不变特征变换（Scale-Invariant Feature Transform, SIFT）提取鲁棒关键点，通过随机采样一致性（Random Sample Consensus, RANSAC）算法估计段间相机变换矩阵，采用梯度域融合技术实现无缝拼接。
**（4）Frankot–Chellappa算法**：将表面法线图转换为深度图，通过Delaunay三角剖分和多边形网格简化生成三维表面模型。
**（5）Web交互式界面**：开发基于Web的用户界面，支持用户上传输入图像、自动执行三维重建流程、实时查看结果。
实验样本包括两幅真实古代中国画：一幅矿物颜料莲花画和一幅传统水墨茄子画。
## 4. 实验结果
### 4.1 表面细节重建结果
通过扫描两幅真实古代中国画，研究人员成功恢复了画作的表面细节。矿物颜料画作的莲花花瓣和花蕊清晰可辨，多层矿物颜料产生的层状结构也被忠实捕获。水墨画作的结果不仅揭示了整体表面形状，还呈现了修复区域的放大视图，估计的表面法线突出了修复区域内材料和厚度的局部变化，提供了标准二维成像无法辨别的诊断信息。
### 4.2 拼接质量评估
通过计算关键点匹配成功率和峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR）两个指标，研究人员验证了拼接技术的有效性。实验结果显示，该方法的平均匹配成功率为0.85，平均PSNR为23.3 dB，证明即使在相机视场角相对有限的情况下，拼接流程也能实现大幅画卷的高质量重建。
### 4.3 空间分辨率测量
研究人员设计了已知地面真实几何的参考对象，该对象宽60毫米，包含五个台阶，高度增量分别为0.1毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.8毫米和1.0毫米。参考对象采用聚酰胺材料经高精度计算机数控（Computer Numerical Control, CNC）加工制成。在重建的法线图中，除最小台阶（0.1毫米）外所有台阶均清晰可辨，证明该系统的有效空间分辨率介于0.1毫米至0.3毫米之间。
### 4.4 与现有方法的对比评估
研究人员将DanqingScan与现有的最先进（State-of-the-Art, SOTA）无标定光度立体方法UniPS和SDM-UniPS进行了定量和定性比较。由于先验方法的GPU内存限制，其输入图像被降采样至512×512（UniPS）和2048×2048（SDM-UniPS），而所提出的系统可直接处理高达6000×4000像素的高分辨率输入。在无参考图像质量指标（盲/无参考空间质量评估器BRISQUE、自然度图像质量评估器NIQE、基于感知的图像质量评估器PIQE）方面，该系统均优于现有方法。在计算效率方面，UniPS需要约16.4秒和约10 GB GPU内存，SDM-UniPS消耗32.5秒和约11 GB GPU内存，而该方法在约4秒内完成法线估计，仅使用约2.2 GB GPU内存。
### 4.5 纺织样品泛化性实验
为评估系统对其他类型文化遗产文物的泛化能力，研究人员对纺织样品进行了额外实验。定量评估和定性比较均表明，该系统能准确恢复纺织样品的复杂表面细节和纹理，而现有最先进方法无法捕获这些特征，展示了该系统在扫描古代织物、丝绸和其他精细文化遗产材料方面的潜力。
### 4.6 领域专家初步评估
研究人员按照先前工作的程序，邀请了来自不同机构的两名中国画修复领域专家（E1和E2）进行结构化初步评估。每位专家的评估会时约60分钟，分为三个连续阶段：教程介绍（10分钟）、系统实操（20分钟）、开放式访谈（30分钟）。两位专家均报告该系统能有效可视化微观表面特征，如单个笔触、颜料堆积和修复区域——这些细节在传统二维成像模态中通常难以察觉。专家们对系统的可访问性、极简硬件要求和低部署成本给予积极评价，并与电子显微镜或拉曼光谱等传统分析仪器进行了比较。E1指出该系统可作为传统中国画鉴定和修复的有价值的辅助工具，E2认可该系统作为参考工具的潜力，特别是在无法直接接触原作的远程或教育场景中。
## 5. 讨论与局限性
研究人员通过制备不同纯墨与水比例（1:2、1:1和纯墨）的墨水并施加于纺织样品表面，系统性地研究了墨迹厚度对重建质量的影响。观察结果显示，随着墨水浓度的增加，重建质量逐渐恶化。当墨与水的比例在1:2时，估计的法线图开始出现明显退化；当比例超过1:1时，法线估计失败，产生噪声输出。这一局限的根源在于厚墨区域无法反射足够的光线，从而违反了作为结构光三维重建基础的朗伯反射模型（Lambertian reflection model）。
## 6. 结论
研究人员提出了DanqingScan，一个面向古代中国画的低成本三维扫描系统。通过构建基于结构光的三维扫描装置和交互式用户界面，用户可以使用消费级硬件方便地扫描和观察中国画的三维表面细节。在真实古代中国画上的实验结果表明，该系统能够揭示画作表面细节。当画作表面覆盖厚墨时仍存在挑战。未来工作将引入更鲁棒的表面积反射模型替代当前纯漫反射模型以消除厚墨的影响，并扩大专家评估范围，探索系统在更广泛文化遗产文物上的应用潜力。
