TLS技術(shù)在表面復(fù)雜文物三維重建中的應(yīng)用研究

萬怡平，習(xí)曉環(huán)，王 成，王方建

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

TLS技術(shù)在表面復(fù)雜文物三維重建中的應(yīng)用研究

萬怡平1，2，習(xí)曉環(huán)1，王 成1，王方建1，2

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

以北京大學(xué)西門內(nèi)一尊華表的數(shù)字化和三維建模為例，分析了地面三維激光掃描(TLS)技術(shù)在表面復(fù)雜紋理地物三維重建中的難點(diǎn)，并提出相應(yīng)的解決方案，包括數(shù)據(jù)獲取時(shí)掃描儀選擇，反射片與表面無法完全貼合對多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的影響，站點(diǎn)位置和脈沖頻率對模型和紋理映射的影響，真三維模型構(gòu)建中三維模型與二維紋理的準(zhǔn)確映射問題等。該研究對地面三維激光掃描技術(shù)在其他文化遺產(chǎn)的記錄、保存和建模中的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

地面三維激光掃描(TLS)技術(shù)；華表；數(shù)字化；紋理；三維建模

一、引 言

華表、石獅、石刻等文化遺產(chǎn)是古人留給我們的寶貴財(cái)富，蘊(yùn)含著豐富的文化內(nèi)涵和歷史底蘊(yùn)，如華表是我國古代宮殿、陵墓等大型建筑物前用于裝飾的巨大石柱，一般由底座、蟠龍柱、承露盤和其上的蹲獸犼組成，柱身多雕刻龍鳳等圖案，表面往往具有復(fù)雜而豐富的紋理信息，對其進(jìn)行數(shù)字化和真三維建模，不僅可以從形式上進(jìn)行全方位的展現(xiàn)，而且對于保護(hù)和傳播華表石刻文化具有重要的意義。

地面三維激光掃描(terrestrial laser scanner，TLS)技術(shù)可以直接、快速獲取地物表面高精度、高密度的三維空間信息，結(jié)合儀器攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)，能夠十分逼真地保留物體及其細(xì)部特征信息，因此自其面世就被廣泛用于文化遺產(chǎn)的記錄和保護(hù)中。1999年美國斯坦福大學(xué)利用TLS技術(shù)對米開朗基羅雕像進(jìn)行了數(shù)字化[1]。2007年德國漢堡大學(xué)利用TLS技術(shù)獲取了太平洋復(fù)活島上石像不同年份的高密度點(diǎn)云信息，分別構(gòu)建了三維數(shù)字模型，進(jìn)而分析了石像隨時(shí)間的變形情況[2]。故宮博物院聯(lián)合北京建筑工程學(xué)院利用TLS技術(shù)開展了“古建筑數(shù)字化測量技術(shù)研究”，對故宮太和殿等主要建筑進(jìn)行了精細(xì)數(shù)字化，并構(gòu)建三維模型[3-5]。周偉等利用TLS技術(shù)對北京頤和園佛香閣進(jìn)行了整體掃描，探討了TLS技術(shù)在大型古建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用和可行性[6]。2011年中國文化遺產(chǎn)研究院采用TLS技術(shù)對重慶大足石刻的千手觀音進(jìn)行了數(shù)字化掃描，為其搶救性恢復(fù)提供了精確的模型支持[7]。鄧非等利用TLS技術(shù)對武漢大學(xué)老圖書館進(jìn)行了掃描和拍照，通過在點(diǎn)云和圖像上分別提取特征直線，利用共面條件，解算了各張照片相對于激光掃描坐標(biāo)系的方位元素；然后利用已配準(zhǔn)的兩種傳感器數(shù)據(jù)，提取建筑物框架并映射紋理，生成了圖書館的三維模型[8]。2012年國家社會科學(xué)基金重大項(xiàng)目“中國石窟寺考古中3D數(shù)字技術(shù)的理論、方法和應(yīng)用研究”立項(xiàng)[9]，嘗試將三維激光掃描技術(shù)用于石窟等的考古調(diào)查，并建立了石窟的真實(shí)三維數(shù)字模型。已有的這些研究對于表面復(fù)雜、凹凸不平的地物的精細(xì)建模以及對其中的關(guān)鍵問題探討方面的內(nèi)容很少，TLS技術(shù)在石獅、華表等紋理豐富地物數(shù)字化和建模中的應(yīng)用也很少有報(bào)道。

本文以北京大學(xué)西門內(nèi)的一尊華表為例，利用地面三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)字化和三維建模，分析了建模中的關(guān)鍵技術(shù)和需要注意的問題，以期為表面細(xì)節(jié)豐富地物的數(shù)字化和建模提供技術(shù)支持，推動TLS技術(shù)在文化遺產(chǎn)記錄和保護(hù)中的深入應(yīng)用。

二、掃描對象與數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)所用設(shè)備為奧地利Riegl公司生產(chǎn)的Riegl-VZ1000地面三維激光掃描儀，最大脈沖頻率30 KHz，可以水平360°、垂直100°掃描，最大射程1400 m，測距誤差在100 m處為5 mm。圖1為北京大學(xué)西門內(nèi)的一尊華表，高約8 m、下方有1 m多高的八方形底座，表面纏繞的蟠龍和其他紋理細(xì)節(jié)非常豐富，如圖2所示。

圖1 華表

圖2 華表柱身豐富的紋理

根據(jù)華表特點(diǎn)在掃描時(shí)架設(shè)了3個(gè)站點(diǎn)，即以華表底部為圓心，均勻分布在半徑為10 m左右的圓周上，并在底座及柱身粘貼一定數(shù)量的反射片作為控制點(diǎn)，以利于后期數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)多站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)。首先進(jìn)行水平方向360°粗掃，在此基礎(chǔ)上選定目標(biāo)物所在區(qū)域進(jìn)行精掃，設(shè)置點(diǎn)密度為0.003 mrad；同時(shí)利用外置高分辨率數(shù)碼相機(jī)獲取華表表面影像，始終保持同一曝光條件，便于后期紋理貼圖。

三、數(shù)據(jù)處理與三維重建

基于TLS技術(shù)的地物三維重建主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、重采樣構(gòu)三角網(wǎng)，以及紋理映射構(gòu)建真三維數(shù)字模型等。

1.數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于多站點(diǎn)掃描時(shí)獲取的是每個(gè)測站局部坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，為了獲取華表完整的空間信息，需要對多站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，使其統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下。本研究利用RiScan Pro的多站點(diǎn)配準(zhǔn)軟件，并進(jìn)行聯(lián)合平差，得到完整的華表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 華表原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.構(gòu)建網(wǎng)格模型

經(jīng)過去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以用于構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)模型。由于所獲取華表的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度高、數(shù)據(jù)量大，且存在較大冗余，因此在構(gòu)網(wǎng)前需要對點(diǎn)云進(jìn)行重采樣。最直接的方法是對一定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云按照設(shè)定的閾值進(jìn)行等間隔重采樣，優(yōu)點(diǎn)是速度快，但其弊端也是顯而易見的，即無差別的重采樣會使紋理豐富、曲率變化明顯的地方產(chǎn)生變形，并丟失部分重要信息，尤其是對于表面細(xì)節(jié)豐富的地物。另一種方法是自適應(yīng)性的，即在表面平緩區(qū)域適當(dāng)加強(qiáng)抽稀程度，曲率變化明顯區(qū)域簡化力度直至不簡化。本研究利用劉慶元等提出的針對機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化的距離—梯度法[10]，在紋理變化小的區(qū)域?qū)c(diǎn)云采用最小距離簡化法，對于變化幅度大的區(qū)域，計(jì)算梯度并比較梯度值與閾值的大小來決定點(diǎn)的刪除與保留，進(jìn)而構(gòu)造三角網(wǎng)和封裝，即完成了模型的初步外形搭建，如圖4所示。

圖4 華表三角網(wǎng)格模型(部分)

3.構(gòu)建真三維數(shù)字模型

上述過程得到的僅為華表網(wǎng)格模型，還需要將其與同步獲取的二維影像及紋理信息準(zhǔn)確配準(zhǔn)和貼圖，即建立網(wǎng)格模型上各頂點(diǎn)與圖像像素間的對應(yīng)關(guān)系，才能得到華表真實(shí)的三維數(shù)字模型。本研究利用Geomagic軟件提供的紋理貼圖功能，通過在三角網(wǎng)模型與影像上尋找多個(gè)同名點(diǎn)，從而將影像的紋理信息映射到三維模型上，如圖5所示。

圖5 華表三維數(shù)字模型

四、問題與討論

從圖5可以明顯看出，該模型的效果與華表本身有一定差距，如表面細(xì)節(jié)不夠豐富、色彩差異等，一方面與獲取的數(shù)據(jù)有關(guān)，如有數(shù)據(jù)缺失、紋理細(xì)節(jié)豐富區(qū)域的點(diǎn)云密度不夠高等，也與后期建模所采用的方法有關(guān)，具體分析如下。

1.掃描儀選擇

本研究利用的Riegl VZ 1000為脈沖式掃描儀，相對于相位式(如Faro FOCUS3D)掃描儀，其優(yōu)點(diǎn)是掃描距離遠(yuǎn)，但脈沖頻率低(后者可達(dá)100萬點(diǎn)/ s)。因此對于表面凹凸不平、細(xì)節(jié)豐富的地物，采用相位式掃描系統(tǒng)可以在同樣的時(shí)間內(nèi)獲取地物高密度、更為豐富的三維信息。此外，對于局部細(xì)節(jié)有時(shí)還需要借助手持式掃描儀(如Handyscan3D等)才能獲取更精細(xì)的數(shù)據(jù)和模型。

2.掃描站點(diǎn)及反射片布設(shè)

為了獲取地物完整的三維信息，通常需要在不同的角度架設(shè)多個(gè)掃描站點(diǎn)，并通過粘貼一定數(shù)量的反射片來實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。本研究在地面設(shè)置3個(gè)站點(diǎn)，反射片均位于人站在地面可以觸及的部位，這樣華表頂部的信息無法獲取，難以保證地物上部點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度。因此對于此類地物，需要通過塔架均勻布設(shè)反射片并從高處進(jìn)行掃描，以便獲取更完整的信息。

3.地物表面凹凸不平

由于華表柱身紋理細(xì)節(jié)非常豐富，而且凹凸不平，這樣反射片很難與柱身完全貼合，在華表表面形成一個(gè)個(gè)小凸包(圖6中的發(fā)射片1和2)，特別是紋理細(xì)節(jié)非常豐富的部位，導(dǎo)致配準(zhǔn)出現(xiàn)一定誤差，從而影響最終模型的紋理細(xì)節(jié)不夠豐富和逼真，結(jié)合手持式如Handyscan3D等對局部進(jìn)行完善可以得到更好的效果。

圖6 反射片在點(diǎn)云中的顯示效果(并非平面)

4.紋理映射

紋理映射一般通過人機(jī)交互在三維模型和影像上采集同名點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過程難免會產(chǎn)生誤差，進(jìn)而對紋理貼圖的效果產(chǎn)生直接影響，如接縫處紋理錯(cuò)位、變形、紋理貼合位置與真實(shí)位置出現(xiàn)偏差等，其中同名點(diǎn)的選取起決定作用。對于表面紋理細(xì)節(jié)十分豐富的華表，同名點(diǎn)應(yīng)在紋理豐富且邊界拐角信息明顯處選取，不能出現(xiàn)在同一直線上，最好還要確保Z值方向有一定的落差，只有均勻合理分布的同名點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)影像在模型上的準(zhǔn)確無變形定位。同時(shí)，影像的優(yōu)劣也決定紋理貼圖的效果。所獲取影像應(yīng)是正射影像，且影像間保持一定的重疊度，曝光條件一致，否則在紋理貼圖中必然產(chǎn)生變形和色彩差異。

五、結(jié)束語

本文通過對一尊華表的掃描，探討了TLS技術(shù)對紋理復(fù)雜地物的數(shù)字化和三維建模，對其中的問題進(jìn)行了分析，對于表面凹凸不平、紋理細(xì)節(jié)十分豐富的局部區(qū)域，需要結(jié)合手持式高密度三維激光掃描儀，這樣才能獲得高精度、完整的地物數(shù)字模型。當(dāng)前TLS在文化遺產(chǎn)尤其是石刻類遺產(chǎn)記錄、保存和修復(fù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，因此研究結(jié)果對于TLS技術(shù)在文物中的應(yīng)用有重要的參考價(jià)值。本文從視覺效果方面對所構(gòu)建模型進(jìn)行了分析，未能采用合理有效的定量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模型的精度評價(jià)，需要利用全站儀等儀器來協(xié)助分析，這也是目前TLS技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的問題。

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3D Reconstruction of Ornamental Column Based on Terrestrial Laser Scanning Data

WAN Yiping，XI Xiaohuan，WANG Cheng，WANG Fangjian

P234.5

B

0494-0911(2014)11-0057-03

2013-11-23

國家自然科學(xué)基金(41301485；41171267)

萬怡平(1990—)，男，江西南昌人，碩士生，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)三維建模。

萬怡平，習(xí)曉環(huán)，王成，等.TLS技術(shù)在表面復(fù)雜文物三維重建中的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào)，2014(11)：57-59.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0363