三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護中的應(yīng)用研究

彭勇，姚曉偉，胡勇杰

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊　83000)

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三維激光掃描技術(shù)在石質(zhì)文物保護中的應(yīng)用研究

彭勇*，姚曉偉，胡勇杰

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊83000)

摘要：石質(zhì)文物是我國古代歷史文化的重要傳承資料，隨著時代和環(huán)境的變化，石質(zhì)文物的保護工作也在與時俱進。簡要介紹三維激光掃描技術(shù)的原理以及利用三維激光掃描技術(shù)獲取石質(zhì)文物三維模型的整個流程。通過實例獲取了石質(zhì)文物的三維模型，并利用重構(gòu)的三維模型進行紋理貼圖，獲取了石質(zhì)文物的真實感三維數(shù)字化模型，達到預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：石質(zhì)文物保護；三維激光掃描；三維模型重構(gòu)

1引言

石質(zhì)文物作為古代文物的重要組成部分，是歷史文化的見證，也是古代藝術(shù)家們智慧的結(jié)晶。我國石質(zhì)文物總量很大，多數(shù)處于深山、崖壁等環(huán)境比較惡劣的地域。其形態(tài)多樣、構(gòu)造復(fù)雜，有石雕、石刻及石窟等大型藝術(shù)品，也有石刀、石斧等小型器械。據(jù)第三次全國文物普查顯示，我國擁有石窟、寺及石雕、石刻類文物共 24 422處[1]。其中，像龍門石窟、敦煌石刻、樂山大佛等都是古代藝術(shù)精品。近些年，隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，石質(zhì)文物的保護環(huán)境發(fā)生了急劇變化，石質(zhì)文物保護工作面臨著很嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，石質(zhì)文物的保護研究成為目前文物保護工作領(lǐng)域最為緊迫的研究課題之一。從而對為石質(zhì)文物保護工作提供基礎(chǔ)信息的測繪技術(shù)，也有了更高的技術(shù)要求。

2三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)也可稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是一種高度自動化的高精度立體掃描技術(shù)[2]。該技術(shù)可對任意可見目標進行覆蓋式表面掃描，快速準確的獲取石質(zhì)文物的空間三維信息，在其掃描過程中不需要人為接觸目標。三維激光掃描技術(shù)獲取石質(zhì)文物的空間三維信息的方式是采用獲取三維坐標數(shù)據(jù)和數(shù)碼照片的方式。有效地應(yīng)用了逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)，結(jié)合計算機的數(shù)據(jù)重構(gòu)功能將三維坐標數(shù)據(jù)進行重構(gòu)以獲得目標的三維數(shù)據(jù)模型。并且得到的石質(zhì)文物三維數(shù)字模型與本體的特性極其相近，即可以通過此模型完成石質(zhì)文物尺寸的量測，還可進行有效地掃描精度分析。石質(zhì)文物的距離、角度、半徑、體積、斷面等特征數(shù)據(jù)都可通過模型直接提取，為石質(zhì)文物的保護和修復(fù)提供第一手資料。三維激光掃描技術(shù)作為一種最先進的測繪及信息技術(shù)代表，在石質(zhì)文物的精細測繪及相關(guān)的研究保護工作中得到快速的推廣應(yīng)用。

三維激光掃描原理，如圖1所示，激光掃描儀主要是由一部快速準確的激光測距儀、一組可導(dǎo)引激光以等速度掃描的反光棱鏡，和高清晰攝像機組成。激光測距儀采用脈沖式測量，可以主動發(fā)射激光同時接受來自自然物體的反射信號進行測距，掃描儀對測站到每一個掃描點間的距離進行測算，配合掃描時的各點的水平角和豎直角，可以求得每一掃描點與測站點之間的坐標差，若測站點和一個定向點的坐標為已知值，則可以求的每一掃描點的三維坐標[3]。計算公式如式(1)：

(1)

3石質(zhì)文物三維模型重構(gòu)

3.1點云數(shù)據(jù)的獲取

數(shù)據(jù)獲取是后期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，按要求獲取高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，可減少數(shù)據(jù)處理的工作量，提高石質(zhì)文物三維模型重構(gòu)的精度。掃描工作要選取足夠精度的三維激光掃描儀，減少人為因數(shù)和自然因素對掃描結(jié)果的影響。掃描時應(yīng)注意以下問題：

(1)布設(shè)標靶

在兩個不同的掃描站點上，必須保證至少有3個公共標靶，且為了保證拼接時的點云精度，標靶不能處于一條直線上，若放置4個及4個以上的標靶，則其位置不應(yīng)分布在同一個平面上[4]。在對同一個目標進行掃描時，每個公共標靶應(yīng)盡可能和多個測站點保持通視，減少標靶點的移動次數(shù)。

(2)坐標系的選擇

每次掃描，獲取到的點云數(shù)據(jù)的坐標系都是不同的，在點云數(shù)據(jù)合并時就會存在拼接誤差，影響整體的點云數(shù)據(jù)精度。因此掃描前要進行合理安排，選擇好參考坐標系。

(3)現(xiàn)場環(huán)境影響

因為三維激光掃描技術(shù)是由光電測距原理發(fā)展而來，現(xiàn)實中，激光在穿越濕度高的空氣時，空氣中的水蒸氣會吸收激光的能量，使激光衰減一部分，而且被測目標表面附著的水也會產(chǎn)生鏡面反射使發(fā)射的激光和接收時的激光差別變大，使掃描儀的測量距離降低，影響掃描獲得的點云數(shù)據(jù)精度，所以掃描時要選擇合適的天氣環(huán)境，盡量避免在潮濕的區(qū)域掃描。

3.2石質(zhì)文物的點云數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描儀獲取被測目標的點云數(shù)據(jù)后，還要進行后期的數(shù)據(jù)處理才能獲得被測目標的三維立體模型。整個數(shù)據(jù)處理過程概括來講，主要包括點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)消噪、三維立體模型重構(gòu)。點云數(shù)據(jù)的拼接、消噪屬于數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段，為后續(xù)三維立體模型重構(gòu)和紋理映射提供精確可靠的點云模型，加快立體模型重構(gòu)的速度、降低立體模型重構(gòu)的難度，提高重構(gòu)后立體模型的準確度。三維立體模型重構(gòu)過程是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵部分，主要分為點云模型階段、多邊形模型階段和曲面模型階段，涉及的內(nèi)容有點云模型的重采樣、模型的修補、模型簡化和紋理映射等。整個數(shù)據(jù)處理工作具體流程如下：

(1)點云拼接

在實際掃描作業(yè)中，一處完整的石質(zhì)文物只用一個測站掃描往往是不能完整的獲取其空間信息的，這需要進行多測站式掃描，如此就會引發(fā)多測站間掃描數(shù)據(jù)的拼接匹配問題[5]。點云拼接就是把不同測站的點云數(shù)據(jù)拼接成完整的實體點云數(shù)據(jù)，才能繼續(xù)進行后續(xù)的模型重構(gòu)工作。

(2)點云去噪

將初始數(shù)據(jù)中不屬于掃描對象的多余數(shù)據(jù)進行去除的工作就是點云去噪。拼接后的三維點云數(shù)據(jù)中，并不是所有的點云都是有效和有用的，因此、需要對獲取的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除原始點云中與被測物無關(guān)的點云數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用某些濾波算法剔除初始點云中的錯誤點和誤差點。從而使點云數(shù)據(jù)更加精簡、有效，節(jié)省了計算機的存儲空間和后續(xù)數(shù)據(jù)的處理速度[6～8]。

(3)三維模型重構(gòu)

對消噪后的點云數(shù)據(jù)利用軟件或算法進行封裝處理。三維激光掃描儀掃描獲取的文物點云數(shù)據(jù)模型，是由一團雜亂的空間離散點組合而成的，由于掃描儀的掃描間隔致使這些空間離散點之間存有空隙，并沒有構(gòu)成文物的實際表面。所以要得到有拓撲關(guān)系的佛像真實表面，還要通過一些特殊的算法模型來恢復(fù)佛像表面的這種拓撲關(guān)系。三維模型重構(gòu)就是完成點云數(shù)據(jù)到曲面模型的轉(zhuǎn)換過程，可將其分為以下三個方面。

①多邊形階段

封裝后，模型構(gòu)建就進入多邊形階段。多邊形階段也叫三角網(wǎng)模型，在構(gòu)建三角網(wǎng)模型時，由于一些原因會造成構(gòu)建三角網(wǎng)模型出現(xiàn)許多空洞。需要修補好這些空洞后才能進行下面的重建工作[9]。由于石質(zhì)文物點云數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量不佳(也就是有噪音)而消噪處理時又沒濾除干凈，從而造成由點云數(shù)據(jù)生成的多邊形模型表面某些部位會有毛糙并不光滑。既影響石質(zhì)文物模型的美觀也影響后期文物模型的精度。

②曲面重構(gòu)階段

在整個石質(zhì)文物三維模型重構(gòu)的過程中，模型的曲面重構(gòu)是其中最為關(guān)鍵、復(fù)雜的部分。其實質(zhì)是利用前面建立好的石質(zhì)文物空間拓撲信息，將采集的空間離散點云進行擬合來構(gòu)建石質(zhì)文物的近似三維模型。其原理是通過尋找某種數(shù)學(xué)描述形式，再利用某種恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)算法擬合出石質(zhì)文物的原始形態(tài)模型[10]。

根據(jù)重構(gòu)時采用的曲面拓撲形式的不同，曲面重構(gòu)的方法可分為基于Bezier(貝塞爾)三角曲面的重構(gòu)方法和基于B-Spline曲面或非均勻有理B樣條(NURBS)曲面的矩形域參數(shù)擬合方法兩種。近年來，NURBS曲面重構(gòu)方法得到專家學(xué)者的深入研究和拓展，如今市場上絕大多數(shù)CAD/CAM軟件系統(tǒng)的三維模型重構(gòu)功能都是采用基于NURBS曲面的重構(gòu)方法。

③紋理映射

在石質(zhì)文物的三維模型重構(gòu)完成后，為了使重構(gòu)模型看起來更逼真，達到接近現(xiàn)實的效果，必須對重構(gòu)模型進行渲染。目前，常用的模型渲染方法有兩種，第一種方法是利用模型顏色的漸變效果，例如從藍色到紅色的變化過程。另外一種渲染方法是對重構(gòu)模型進行紋理映射，得到的模型的真實感強。其紋理數(shù)據(jù)一般來源于掃描時獲取的文物影像數(shù)據(jù)。

4實例分析

本文以某石質(zhì)佛像為例，通過三維激光掃描技術(shù)獲取此佛像的點云數(shù)據(jù)，采用Leica公司的Scan Station 2掃描儀。Scan Station 2采用360°×270°掃描視場角，最長的測距距離為 300 m，模型表面掃描精度誤差達到 ±2 mm。圖2為獲取的佛像點云數(shù)據(jù)。

將獲取的佛像點云數(shù)據(jù)按照上述處理流程進行處理，獲取到佛像的三維數(shù)字化模型。其中本次佛像模型點云數(shù)據(jù)的消噪處理采用的是B樣條(Biorthogonal)小波濾波方法來處理的，處理效果如圖3所示。

佛像的紋理映射工作是采用高像素相機獲取的影像數(shù)據(jù)，通過建立影像數(shù)據(jù)與文物模型的空間特征對應(yīng)關(guān)系，完成整個重構(gòu)模型的紋理貼圖。圖4為獲取的佛像三維原始模型，圖5為紋理映射后得到的佛像三維數(shù)字化模型。

本次模型的精度評價采用局部量化的方法來進行，利用Geomagic Studio軟件的測距功能測得文物任意兩個特征點之間的距離，然后比較實地多次測量的距離。如表1所示：

還可通過Geomagic Studio軟件的3D比較功能，生成反映兩個模型之間誤差的彩色3D模型，同時給出兩個模型之間的最大偏差、平均偏差以及標準偏差。將石質(zhì)文物點云模型與多邊形模型作為測試對象，兩者偏差比較結(jié)果如圖6所示，再將石質(zhì)文物點云模型與CAD曲面模型作比較，兩者偏差比較結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)以上精度評價，可以表明基于三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建的石質(zhì)文物數(shù)字三維模型具有很高的精度，能夠精確的反映石質(zhì)文物的保存狀況，研究人員可以通過構(gòu)建的三維模型得到石質(zhì)文物的精確的尺寸參數(shù)、幾何拓撲關(guān)系、外部紋理等現(xiàn)狀信息與歷史遺留數(shù)據(jù)相結(jié)合，獲取石質(zhì)文物的損毀情況，對石質(zhì)文物的雕刻工藝、歷史文化價值進行專業(yè)分析，建立石質(zhì)文物復(fù)原評估體系，為石質(zhì)文物的保護工作服務(wù)。在這個過程中，根據(jù)石質(zhì)文物的損毀情況，獲取文物修復(fù)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的石質(zhì)文物復(fù)原工作提供數(shù)據(jù)支持。

5結(jié)論

論文闡述了利用地面三維激光掃描技術(shù)采集石質(zhì)文物的現(xiàn)狀信息以及進行石質(zhì)文物的三維模型重構(gòu)的整個流程，探討了基于三維激光掃描技術(shù)的石質(zhì)文物保護工作。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，作為獲取石質(zhì)文物的三維空間信息的測繪工作有了全新的技術(shù)手段。通過采集石質(zhì)文物表面的點云數(shù)據(jù)并結(jié)合文物自身幾何特征進行三維模型重構(gòu)，改變了石質(zhì)文物測繪的工作方式，提高了石質(zhì)文物的測繪效率。

參考文獻

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The Application Research of 3D Laser Scanning technology on Rocky Historical Relics Conservation

Peng Yong，Yao Xiaowei，Hu Yongjie

(XPCC Surveying & Designing Institute(Group)Co.，Ltd，Urumqi 830000，China)

Key words：stone cultural relics protection；3D laser scanning；3D model reconstruction

Abstract：Stone relics is an important heritage of ancient history and culture of china. As the change of era and environment，protection of stone relics in advancing with The Times. This paper briefly introduces the principle of 3 d laser scanning technology. Whole the process of get the 3D model of stone relics by using 3D laser scanning technology. Through the instance for the 3 d model of stone relics. And use the texture map reconstruction of 3 d model，obtained the realistic three-dimensional digital model of stone relics，achieve the desired effect.

文章編號：1672-8262(2016)03-97-04

中圖分類號：P234.4

文獻標識碼：B

*收稿日期：2016—01—13

作者簡介：彭勇(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事工程測量工作。