TLS技術(shù)在表面復(fù)雜文物三維重建中的應(yīng)用

岳文朝+劉友芹

摘 要：現(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)科學(xué)得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的三維掃描設(shè)備也得到了很大的發(fā)展和提高。并且，計(jì)算機(jī)還有一個(gè)好處，是用虛擬的技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)，這些技術(shù)在文物的修復(fù)上面有很大的應(yīng)用，促進(jìn)了現(xiàn)代文物修復(fù)的完成，這樣，就保護(hù)了我們國家的歷史文物古跡。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 文物保護(hù) 三維重建

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（b）-0036-02

第三次世界科技革命到來了，在我們身邊明顯的改變就是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)改變了我們的生活方式，所以，現(xiàn)在很難想像沒有計(jì)算機(jī)電腦網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，我們是怎么樣生活的。計(jì)算機(jī)改變了我們傳統(tǒng)的工作和生活方式，越來越多地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)里面。在對(duì)于文物進(jìn)行修復(fù)方面來說，現(xiàn)在非常流行文物的數(shù)字化，在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的三維掃描儀器能夠準(zhǔn)確地獲得文物的數(shù)據(jù)。現(xiàn)如今，有很多的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸發(fā)展并成熟起來，比如：計(jì)算機(jī)繪圖、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展等。對(duì)于在文物的研究上，文物數(shù)字化得到了專家的青睞，因此，在很多國家都開始關(guān)注文物的數(shù)字化建設(shè)。最早的時(shí)候，美國開始建設(shè)數(shù)字化的博物館，經(jīng)過多年的發(fā)展，越來越多的國家重視在這方面的研究。我們國家雖然起步較晚，但是經(jīng)過了一段時(shí)間的發(fā)展，也取得了很大進(jìn)步。在數(shù)字化博物館里面，有很多寶貴的資源，比如：圖書、文獻(xiàn)等，建立了一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)庫。這個(gè)數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在被用在文物保護(hù)上面，進(jìn)行了很多的文物遺產(chǎn)的數(shù)字化研究。本文就對(duì)一個(gè)大型的仿古建筑物進(jìn)行了三維激光掃描的重建進(jìn)行了分析和探討。

1 三維激光掃描的原理和技術(shù)分析

地面三維激光掃描（Terrestrial 3D Laser Scan），是現(xiàn)在科技含量非常高的一項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗狭斯鈱W(xué)、電學(xué)還有計(jì)算機(jī)的技術(shù)為一體。激光束發(fā)射出去和回來是需要一定時(shí)間的，根據(jù)這個(gè)時(shí)間就能夠把距離的觀測(cè)值算出來，這就是S，并且一些非常精密的儀器，比如：編碼器能夠測(cè)量出橫向的掃描角度觀測(cè)值，也就是α，還有豎直方向的掃描角度的準(zhǔn)確觀測(cè)值，也就是θ。這里需要說明的是，因?yàn)槭侨S建模，所以，坐標(biāo)是三維坐標(biāo)系。顧名思義，原點(diǎn)就是激光束的發(fā)射地點(diǎn)，Z軸是豎直的方向，X軸是儀器掃描的橫向，Y軸是和X軸在同一個(gè)平面內(nèi)的，并且垂直于X軸，Z軸垂直于X軸和Y軸在一起的平面。這3個(gè)軸構(gòu)成了一個(gè)右手的坐標(biāo)系，Y軸的正方向是指向物體的。這樣就形成了一個(gè)建模的基礎(chǔ)。三維激光掃描能夠同時(shí)得到不同方向的點(diǎn)，這樣比傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集的速度快多了，可以形成很密集的點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而繪制出物體。這種方法比之前的好，因?yàn)榭梢跃_量得建筑物的數(shù)據(jù)，并且速度還非?？?。

2 三維激光掃描的工作流程

三維激光掃描站工作的時(shí)候，一般有幾個(gè)步驟，首先，把要繪制什么寫出一個(gè)計(jì)劃表，這樣就能夠直接得到建筑物的信息，得到點(diǎn)云了。我們?cè)诶L制之前，一定要做好詳細(xì)的規(guī)劃，主要是，知道掃描對(duì)象需要的精度，還有它的特點(diǎn)，這樣才能設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的方法以及測(cè)量的站數(shù)，同時(shí)就了解到合理的采集密度了。在獲得數(shù)據(jù)的時(shí)候，也是有不同的階段的，主要有云數(shù)據(jù)，還有一些建筑上面的紋理數(shù)據(jù)等。我們一定要保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的正確性，因?yàn)檫@直接決定著以后的處理效果。所以，對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還是要再次確定的。數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，就是有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)先處理，還有形成網(wǎng)格，然后是三維建模等步驟。

3 三維激光掃描在文物保護(hù)里的使用

3.1 得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)

就對(duì)之前做過的一個(gè)仿古的大門為例子，進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在這里面，用的是Leica ScanStation2三維激光掃描儀進(jìn)行掃描的，然后是用Cyclone6.0和它配套的軟件做數(shù)據(jù)采集和處理工作。我們?cè)趻呙璧臅r(shí)候，用是多個(gè)測(cè)量工作站進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)槟繕?biāo)物比較大。所以，掃描的時(shí)候一共有21個(gè)工作站，而且石雕的密度是2mm，別的地方是5mm。我們?cè)跍y(cè)量的時(shí)候，充分保證了精度，有5%的重疊度，而且用能夠識(shí)別的標(biāo)靶來當(dāng)作鄰近的控制點(diǎn)，所以，最后建筑物的拼接精度為1～3mm。

3.2 三維建模

用點(diǎn)繪制圖有很大的好處，因?yàn)槟軌虬涯繕?biāo)的真實(shí)情況表現(xiàn)出來。這里面也有缺點(diǎn)，比如：表達(dá)能力不是很好。所以，還需要其他的模型，如TIN模型。在建立模型之前，一定要統(tǒng)一進(jìn)行采樣處理，然后形成網(wǎng)格，把空洞填好，最后形成紋理的映射。在去除噪聲方面，三維激光掃描儀能把原始的一些數(shù)據(jù)得到，但是這里面的數(shù)據(jù)沒有一個(gè)規(guī)律，是很亂的。掃描的時(shí)候，一定要仔細(xì)，避免激光設(shè)備亂動(dòng)與激光的散射，因?yàn)檫@樣就會(huì)在一定程度上影響測(cè)量的數(shù)據(jù)，形成沒有效果的數(shù)據(jù)，這也就是我們通常說的噪聲點(diǎn)，這些內(nèi)容可以占用一些空間，所以，會(huì)影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)營，同時(shí)對(duì)計(jì)算的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。建模之前一定要進(jìn)行去噪聲的處理，否則會(huì)影響結(jié)果。然后是采樣，一定要進(jìn)行統(tǒng)一的采樣處理。掃描儀采樣的時(shí)候，利用分站的掃描方法，所以，我們上面也說了，兩個(gè)挨著的掃描儀會(huì)有掃描重疊部分，這樣就會(huì)形成多的數(shù)據(jù)。另外，采樣的精度也有區(qū)別，一些點(diǎn)離掃描儀比較遠(yuǎn)的時(shí)候，密度就比那些離得近的點(diǎn)密度小，這是無法避免的。所以，根據(jù)這種情況，就需要我們手工進(jìn)行以下重采樣。重復(fù)采樣能夠有更多更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，方便我們進(jìn)行建模。在形成網(wǎng)格填補(bǔ)空洞方面，我們知道，掃描儀得到的那些點(diǎn)，不是在建筑物上面存在的點(diǎn)，是一些離散的點(diǎn)，那么這些點(diǎn)就需要進(jìn)一步處理，才能代表建筑物上面的情況。這時(shí)就要構(gòu)建一種三角網(wǎng)，這種方法非常簡(jiǎn)單，并且也很實(shí)用。我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，再先進(jìn)的設(shè)備也不能把所有大數(shù)據(jù)都采集到。因?yàn)橛幸恍┧澜窃诓杉臅r(shí)候，是不能獲得數(shù)據(jù)的，所以，這樣就形成了一些數(shù)據(jù)的空洞。我們?cè)诮５臅r(shí)候，不要漏掉這些數(shù)據(jù)，要用一些數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，這樣，建筑物的完整模型就能夠得到了。有時(shí)候，建筑物周圍的環(huán)境也會(huì)造成影響，比如：有別的建筑物的時(shí)候，或者是有樹木的時(shí)候，這樣就擋住了一部分?jǐn)?shù)據(jù)。我們要用合適的方法進(jìn)行填補(bǔ)，采用紋理映射，主要是形成一個(gè)模型和影響之間的合理關(guān)系。有了這個(gè)點(diǎn)和像素的關(guān)系以后，再用相機(jī)進(jìn)行處理，就形成了一個(gè)完整的三維模型。

4 結(jié)語

現(xiàn)在，三維建模非常流行，但是國內(nèi)文物保護(hù)方面的三維建模技術(shù)還不是很好，相關(guān)的工作人員也不是很多。所以，我們?nèi)孕枰粩嗤度耄M(jìn)一步發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。

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