三維激光掃描支持下的文化遺產(chǎn)建模應(yīng)用分析

余培永，劉昭華

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

中國作為四大文明古國之一，擁有許多絢麗多彩的文化遺產(chǎn)。文化遺產(chǎn)是人類社會(huì)發(fā)展的集中體現(xiàn)，具有歷史的、社會(huì)的、科技的、經(jīng)濟(jì)的和審美的價(jià)值，是社會(huì)發(fā)展不可或缺的物證[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了一些市政建設(shè)、商業(yè)建設(shè)、工業(yè)建設(shè)，加上一些自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致很多文化遺產(chǎn)受到了損壞甚至毀滅。因此，對(duì)于一些古建筑進(jìn)行數(shù)字化建模、存檔等工作刻不容緩[2]。

利用傳統(tǒng)測量方法得到數(shù)據(jù)不僅精度過低而且消耗的時(shí)間過長，而且還可能對(duì)文化遺產(chǎn)造成二次破壞。近幾年備受關(guān)注的三維激光數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確、快速地獲取對(duì)象x、y、z信息，直觀反映對(duì)象情況。但掃描儀只能掃描出視角以內(nèi)的區(qū)域，存在一定視角盲區(qū)，除此之外還存在遮擋物的因素，導(dǎo)致點(diǎn)云模型空洞現(xiàn)象的發(fā)生；并且三維激光掃描儀自帶的照相機(jī)獲取的色彩紋理信息并不能滿足模型數(shù)字化的要求[3]。為了彌補(bǔ)這些缺陷，結(jié)合近景攝影測量方法，獲取物體表面點(diǎn)坐標(biāo)，并稱之為影像數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀存在缺陷是自主性不夠，這和近景攝影測量技術(shù)正好完美互補(bǔ)，利用近景攝影測量技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)主動(dòng)性強(qiáng)，結(jié)合三維激光掃描的精度高特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地建立古建筑的三維模型，并且能夠真實(shí)地反映古建筑的三維信息和紋理信息[4]。

三維激光技術(shù)出現(xiàn)較早，很多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了研究。早在20世紀(jì)60年代，國外學(xué)者已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究。Kersten.T. H等對(duì)漢堡市政大廳進(jìn)行了掃描，并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型[5]；J.A.Beraldin等將三維激光技術(shù)與近景攝影測量結(jié)合做出了意大利圣克里斯蒂娜地下室及壁畫的三維精細(xì)模型[6]。國內(nèi)學(xué)者也于20世紀(jì)90年代對(duì)三維激光技術(shù)進(jìn)行了研究。彭文博等對(duì)古建筑進(jìn)行了模型重建[7]；還有學(xué)者對(duì)首都博物館中四十多件館藏品進(jìn)行了掃描，將館藏品進(jìn)行了數(shù)字化處理，并對(duì)一些破碎瓷片拼接進(jìn)行分析處理，避免二次破壞。本文以朱德故居修復(fù)與保護(hù)項(xiàng)目為依托，采用近景攝影測量技術(shù)與三維激光技術(shù)相結(jié)合，建立精細(xì)的三維模型，將偉人故居數(shù)字化保存，以便定期的修復(fù)保護(hù)，避免二次破壞。

1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

三維激光掃描修復(fù)的步驟主要為：①獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過三維激光掃描儀和高分相機(jī)分別獲取建筑物的點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過算法將不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除(以免遮擋文物數(shù)據(jù))，并將其數(shù)據(jù)拼接；而影像數(shù)據(jù)則可以通過SFM算法生成三維點(diǎn)集。③點(diǎn)云空洞修復(fù)。由于數(shù)據(jù)遮擋原因，點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在著丟失，通過比對(duì)三維點(diǎn)集將點(diǎn)云空洞修復(fù)。④建立三維模型。通過Delaunay三角剖分算法，利用修復(fù)后的完整點(diǎn)云建立三角網(wǎng)，進(jìn)而建立建筑物的三維模型[8]。⑤紋理映射。利用高分相機(jī)獲取的影像信息進(jìn)行紋理貼圖，從而完成逼真的文物三維模型。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

為了確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，本文運(yùn)用了傳統(tǒng)測繪方式結(jié)合三維激光掃描儀進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)根據(jù)地形情況，故居外部架設(shè)了3站，故居內(nèi)部架設(shè)了15站。設(shè)站點(diǎn)全部通過RTK及全站儀測出坐標(biāo)，然后將Trimble TX8架設(shè)在已知點(diǎn)上進(jìn)行作業(yè)。相鄰測站保持了10%以上的重疊度，測站與測站之間相距20～50 m，采用2 mm的點(diǎn)密度進(jìn)行作業(yè)，保持點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠完好地拼接。一些特殊的壁畫、雕刻采用超精密掃描，點(diǎn)密度為1 mm,這樣能保證一些有歷史意義的歷史遺跡能夠完好地保存下來。

掃描同時(shí)使用高分相機(jī)將故居里每個(gè)特征物(包括字畫、雕刻、裝飾物等)拍攝下來，保證每個(gè)特征物照片盡量全，盡量多，防止一些影像信息的丟失。拍攝時(shí)應(yīng)該保持正射拍攝，同一塊特征物盡量在一張照片上體現(xiàn)。影像信息過多時(shí)，應(yīng)進(jìn)行編號(hào)處理，保持每個(gè)細(xì)節(jié)的完整性。修復(fù)流程如圖1所示。

圖1 修復(fù)流程圖

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于每一站掃描出來的數(shù)據(jù)屬于各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，因此需要通過配準(zhǔn)將全部設(shè)站統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，選取若干個(gè)測出的已知點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將所有測站統(tǒng)一到當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)系中。點(diǎn)云配準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)通常利用Besl和Mcaky提出的ICP算法實(shí)現(xiàn)相鄰站的自動(dòng)拼接[9]。利用點(diǎn)云的法向量特征，經(jīng)過同名特征點(diǎn)匹配和篩選后得到精確的匹配點(diǎn)對(duì)，求得初始配準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換矩陣；然后針對(duì)算法中最近點(diǎn)選取因錯(cuò)誤可能引起的匹配不收斂問題，進(jìn)行手動(dòng)提取最近點(diǎn)，完成點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)；最終實(shí)現(xiàn)不同測站點(diǎn)數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)。本文通過Trimble Realworks 10.3軟件進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，選取相鄰站的同名點(diǎn)進(jìn)行拼接，使所有測站拼接成一個(gè)完整的建筑。

1.2.2 數(shù)據(jù)剔除

由于掃描時(shí)存在著外界因素對(duì)目標(biāo)的遮擋，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不正確，直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。利用Trimble Realworks 10.3中“分割”功能，通過不同視角的轉(zhuǎn)換，將不需要的點(diǎn)云剔除干凈，實(shí)現(xiàn)噪點(diǎn)的去除,如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云分割

1.2.3 數(shù)據(jù)重采樣

由于相鄰測站數(shù)據(jù)之間有10%的重疊區(qū)域，因此拼接之后重疊部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較大，其他區(qū)域相比之下比較稀疏。這一特點(diǎn)不利于之后的三維建模，所以筆者在不丟失建筑特征信息的同時(shí)，需要對(duì)配準(zhǔn)之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的重采樣。選中Trimble Realworks 10.3中的取樣功能，利用“空間取樣”對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)置5 mm空間點(diǎn)云密度。查看點(diǎn)云發(fā)現(xiàn)并未丟失特征點(diǎn)云信息，并且大大減少了冗余數(shù)據(jù)，對(duì)之后處理增添了便利。

2 三維模型制作

2.1 修復(fù)點(diǎn)云破洞

由于外界因素遮擋(包括行人、樹木等)的原因，部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)被遮擋后存在丟失的情況，尤其是屋頂點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于工作環(huán)境的原因并沒有獲得，因此本文需要對(duì)這些點(diǎn)云空洞進(jìn)行修復(fù)?；谶\(yùn)動(dòng)恢復(fù)理論(SFM)及算法對(duì)起初獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到三維點(diǎn)集。將三維點(diǎn)集與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，對(duì)比出點(diǎn)云數(shù)據(jù)中缺少的部分，修補(bǔ)點(diǎn)云漏洞，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)變得完整。

2.2 立面圖、平面圖、剖面圖制作

由于Trimble Realworks 10.3對(duì)于一些折線繪制具有局限性，因此本文采用制圖功能強(qiáng)大的AutoCAD來完成立面圖制作。從Trimble Realworks 10.3將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出成LAS文件，通過Auto Recap將LAS文件導(dǎo)成RCP格式，在通過AutoCAD中插入點(diǎn)云功能，將點(diǎn)云導(dǎo)入在CAD中，通過CAD中畫圖功能，將建筑物中的特征點(diǎn)、線、面繪制出來。將繪制的立面圖對(duì)比影像數(shù)據(jù)，確保沒有遺漏的特征物。

剖面圖的制作采用Trimble Realworks 10.3中的“平面提取”功能，利用與z軸平行的豎直面截取建筑物的剖面。由于建筑中房間種類豐富，為了保證建筑剖面圖的完整性，本文采取了間隔1 m截取一個(gè)剖面。由于建筑復(fù)雜，許多剖面存在著重復(fù)的情況，對(duì)截取的剖面進(jìn)行篩選，剔除一些重復(fù)的剖面，得到最終所需的剖面圖，如圖4所示。

圖4 朱德故居地形圖

將制作好的立面圖與剖面圖收集存檔，并一一歸檔，為后續(xù)建模能夠有條不紊地進(jìn)行做鋪墊。

2.3 三維模型制作

由于3ds Max可視化具有程度更好，渲染速度快，模型渲染處理穩(wěn)定，光感細(xì)膩等特點(diǎn)，本文項(xiàng)目的三維模型建立主要通過3ds Max完成。3ds Max建模主要分為5步：①平面圖、立面圖導(dǎo)入到3ds Max，檢查所有線條是否閉合，若未閉合，則將其閉合；②將門、窗、屋檐等特征物與其他墻體線區(qū)分開；③利用“擠出”命令將平面圖中每個(gè)房間都拉伸成實(shí)體模型；④通過立面圖中的尺寸信息勾勒出每個(gè)墻體的特征；⑤檢查模型位置關(guān)系是否正確及模型尺寸與點(diǎn)云尺寸是否相同。

一般來說，古建筑分為3部分：臺(tái)基、屋身、屋頂。屋身包括墻體、柱、梁、檁、枋、斗、栱、昂、雀替、門、窗等。裝飾分為內(nèi)部和外部裝飾，外部裝飾又分為壁畫、彩畫、雕刻等。屋頂?shù)男问蕉喾N多樣，主要有廡殿、歇山、懸山、硬山、攢尖、盝頂、卷棚頂?shù)刃问?，有單檐、重檐之分，屋頂包括椽、望板、脊、檐、筒瓦、滴水、吻獸等部分[10]。

本次項(xiàng)目主體為古建筑，因此本文采取“先外后內(nèi)、先總后次”(先對(duì)外墻建模，再對(duì)內(nèi)部墻體建模；先對(duì)墻體建模，再對(duì)特征物建模)的順序進(jìn)行建模。由于此建筑復(fù)雜多樣，因此一個(gè)整體構(gòu)件需要拆分成多個(gè)構(gòu)件一一完成，這樣才能保證模型的完整、高度還原。主要流程圖如圖5所示。

圖5 建模流程圖

(1) 將從平面圖上區(qū)分外墻與內(nèi)屋，然后利用3ds Max“擠出”實(shí)體模型，如圖6所示，進(jìn)而根據(jù)立面圖中尺寸信息進(jìn)行勾繪，最后根據(jù)外墻和內(nèi)屋之間平面關(guān)系拼接整個(gè)房屋模型。

圖6 房屋的實(shí)體模型

(2) 將除墻體之外的裝飾物(桌、椅、字畫等，這里以字畫為例)運(yùn)用“擠出”工具制作，根據(jù)裝飾物的尺寸信息進(jìn)行勾繪，再將其放在實(shí)體所在的位置。裝飾物的模型如圖7所示。

圖7 裝飾物模型

2.4 紋理貼圖

數(shù)據(jù)獲取時(shí)雖然利用高分相機(jī)拍攝了高分辨率照片，但是有些高分辨率照片并不滿足紋理貼圖的要求。紋理貼圖需要無污點(diǎn)、無多余物的正射影像圖，并且照片之間色調(diào)需保持一致。因此，紋理貼圖之前，需要對(duì)高分辨率照片進(jìn)行矯正處理、色調(diào)處理、去污處理。矯正處理即將照片變成正射影像，照片矯正處理可以通過Photoshop中剪切、糾正、變換等功能對(duì)照片進(jìn)行矯正，使得照片能與模型相貼合。由于絕大部分照片并不是同一角度、同一光亮拍攝，不同的照片色調(diào)不同，因此需利用Photoshop中亮度、對(duì)比度、色彩平和、顏色替換等功能進(jìn)行色調(diào)處理將所有照片統(tǒng)一成一個(gè)色調(diào)。去污處理為對(duì)照片中一些污點(diǎn)進(jìn)行去除，這一處理可以利用Photoshop中印章、畫筆等工具消除照片中污點(diǎn)。照片處理完畢之后，利用3ds Max中的“多邊形編輯”功能利用圖層進(jìn)行貼圖，每個(gè)模型都用各自的正射化照片貼圖。如圖8所示，貼圖時(shí)要保證每個(gè)特征物能夠正確地投影，照片能完整、準(zhǔn)確地貼合到模型。

圖8 整體模型的紋理貼圖

建筑物中存在一些裝飾物(桌、椅、字畫等，以字畫為例)需要精修，對(duì)一些字畫進(jìn)行提取，對(duì)這些字畫單獨(dú)建模及精細(xì)的紋理貼圖。并對(duì)相框進(jìn)行銳化、對(duì)比度等處理，使得字畫恢復(fù)到最初始的原貌。如圖9所示。

圖9 裝飾物的紋理貼圖

2.5 渲 染

此時(shí)，三維建模工作已經(jīng)基本完畢，但是為了加強(qiáng)模型可視性，本文需要對(duì)模型進(jìn)行渲染處理，使得渲染之后的模型較貼圖模型更具真實(shí)性，達(dá)到逼真的效果。本文通過3ds Max中的渲染工具對(duì)模型進(jìn)行照明焦散、環(huán)境阻光處理，然后添加渲染背景，打開渲染窗口下的RAM播放器，讓渲染后的模型自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使得可視性更強(qiáng)。渲染結(jié)果如圖10所示。

圖10 渲染結(jié)果

3 結(jié) 語

本文以南昌朱德故居為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑精細(xì)數(shù)字化建模過程，整合古建筑學(xué)知識(shí)，并引入古建筑本體思維，為三維建模提出了新思路、新方法。采用非接觸式的三維激光掃描技術(shù)，避免了傳統(tǒng)古建筑數(shù)字化方法對(duì)建筑物的二次傷害，最終得到數(shù)字化三維模型和AutoCAD格式的平、立、剖面圖，利用這些資料再現(xiàn)、記錄和保存古建筑文化遺產(chǎn)。該方法不僅是視覺上的三維可視化，而且可以將其成果整合到GIS中，利用GIS強(qiáng)大的空間查詢分析功能，方便快捷地提取古建筑各種結(jié)構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)信息，而這些數(shù)據(jù)信息是進(jìn)行古建筑文物重建和數(shù)字化保護(hù)的基礎(chǔ)。如果古建筑遭到人為或自然災(zāi)害破壞，就可以依據(jù)這些三維數(shù)字化保存的古建筑物數(shù)據(jù)，精確地恢復(fù)古建筑文物的原貌。可以預(yù)見，隨著三維掃描技術(shù)同GIS、測量、計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，必將不斷增強(qiáng)其在古建筑保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測、虛擬環(huán)境展示等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和潛力。通過本文分析可知：①理清建模工作的思路，將構(gòu)件分類分層建模，只有這樣才能使得工作不盲目、不雜亂無章，提高了建模工作的效率；②古建筑數(shù)字化建模不僅可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件建模，還可以獲取古建筑三維信息、紋理信息。本文盡管在古建筑建模引入了本體思維，但是由于地理對(duì)象的復(fù)雜性，還要結(jié)合古建筑地域上的空間關(guān)系完善和實(shí)施三維建模思路。