三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究與進(jìn)展

袁 楠，高 偉，侯聰毅

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

我國(guó)是一個(gè)擁有幾千年傳承文明的國(guó)家，留存至今的文物數(shù)不勝數(shù).文物的分類方法有很多，例如按照存在形態(tài)，年代，區(qū)域，功用等類別.基于第一種分類法，文物通常分為不可移動(dòng)和可移動(dòng)兩類.諸如古建筑、石窟寺、石刻、壁畫等不可移動(dòng)文物經(jīng)常會(huì)受到自然天氣和環(huán)境的影響以及人為的干預(yù)，面臨著破損和毀滅；而像藝術(shù)品、文獻(xiàn)、圖書資料等可移動(dòng)文物雖然可以密閉保存，但是人們又希望可以將其展出.因此，如何測(cè)量文物，對(duì)文物信息進(jìn)行有效、快速、全面地提取、記錄，甚至做到模型的復(fù)原和修復(fù)，是人們?cè)絹?lái)越關(guān)心的問(wèn)題.傳統(tǒng)的測(cè)量方法是借助直尺、角尺等工具對(duì)文物直接進(jìn)行接觸式測(cè)量，通過(guò)圖紙和文字來(lái)記錄其形狀和尺寸大小，這種方法顯然過(guò)于笨拙和簡(jiǎn)陋，不能給人直觀的感覺(jué).之后采用的方法是近景攝影測(cè)量，包括攝影、影像處理和制圖三個(gè)步驟，以光學(xué)像片和紙質(zhì)兩種形式共同記錄文物信息[1].它可以較為精確地顯示文物表面紋理，但是測(cè)量和圖像處理過(guò)程繁瑣，獲取的數(shù)據(jù)無(wú)法用于模型重建.

三維激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，簡(jiǎn)稱TLS）作為近年來(lái)文物保護(hù)領(lǐng)域興起的重要技術(shù)手段，以其高精度采樣率、非接觸性、快速高效的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確有效地記錄文物的真實(shí)信息，并能在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域用交互的手段來(lái)展示，因此在文物數(shù)字化保護(hù)方面的作用愈發(fā)重要.

1 三維激光掃描簡(jiǎn)介

三維激光掃描系統(tǒng)的基本原理是激光測(cè)距，是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，既包括激光掃描儀，內(nèi)部裝有GNSS/IMU組合測(cè)量裝置和相機(jī)等數(shù)據(jù)采集傳感器[2]，還包括裝有專門的數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)，以及支架、靶標(biāo)等配套設(shè)備.基本原理如下：掃描儀首先朝掃描對(duì)象所在方向發(fā)射激光脈沖，到達(dá)其表面后會(huì)產(chǎn)生漫反射，而按原路徑返回的激光會(huì)被掃描儀探測(cè)接收，由此可得兩者的時(shí)間差，進(jìn)而借助光速求得掃描儀到物體的距離.掃描儀上的測(cè)角系統(tǒng)則利用三角高程原理，借助其自帶的測(cè)量坐標(biāo)系，求解出掃描對(duì)象的三維坐標(biāo)和激光反射強(qiáng)度.借助專門的軟件將掃描得到的被測(cè)物體或者地形表面的點(diǎn)云進(jìn)行處理，即可初步建立其三維幾何模型，再通過(guò)后期的色彩和紋理貼圖，最終生成完整的數(shù)字真三維模型.

三維激光掃描儀按照搭載方式和掃描空間的不同可以分為星載、機(jī)載、車載、固定和手持等幾種.而按照測(cè)距原理可分為脈沖式、相位差式和光學(xué)三角測(cè)量三種基本類型.脈沖式激光掃描出現(xiàn)較早，采用了脈沖飛行時(shí)間差測(cè)距技術(shù)，通常適宜測(cè)量幾百甚至幾千米遠(yuǎn)的物體，因此精度較低，只有厘米級(jí)；相位差式掃描儀利用了相位測(cè)量的方法，可以掃描幾十米的距離，精度為毫米級(jí)；而光學(xué)三角測(cè)量較為先進(jìn)，利用三角幾何關(guān)系計(jì)算物體位置，一般只適合掃描幾米遠(yuǎn)的近處物體，但精度達(dá)到亞毫米級(jí)，因此常應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和逆向工程.

三維激光掃描的整個(gè)逆向工程可分為三個(gè)基本步驟：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模及行業(yè)應(yīng)用.文物數(shù)字化的詳細(xì)技術(shù)流程如圖1所示.

圖1 三維激光掃描流程路線

2 三維激光掃描在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)是以20世紀(jì)60年代發(fā)明的激光技術(shù)為基礎(chǔ)，隨著激光技術(shù)發(fā)展不斷成熟，進(jìn)而拓展應(yīng)用到建筑、醫(yī)學(xué)、采礦、刑偵及影視娛樂(lè)等更廣闊的領(lǐng)域[3].瑞士Leica，法國(guó)MENSI，美國(guó)FARO等國(guó)外許多家公司不斷對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，已形成頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè).

三維激光掃描技術(shù)興起于國(guó)外，因此在發(fā)達(dá)國(guó)家研究更為深入，在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用更多.國(guó)外知名項(xiàng)目有2003年的美國(guó)數(shù)字化米開朗基羅項(xiàng)目，由斯坦福和華盛頓大學(xué)選取了10座著名雕塑作為研究對(duì)象，其中對(duì)大衛(wèi)雕像模型進(jìn)行掃描后得到了兩億個(gè)面片和7 000幅照片[4].在結(jié)合高分辨率照片進(jìn)行三維建模的過(guò)程中，研究人員分析了雕像的外部輪廓線，達(dá)到了文物數(shù)字化的目的.2004年，德國(guó)漢堡大學(xué)用兩臺(tái)地面三維激光掃描儀分別對(duì)漢堡市政大廳內(nèi)的Kaisersaal和Gro?er Saal兩座大廳內(nèi)外進(jìn)行全面掃描，獲取二維平面布局和三維模型[5].2015年，學(xué)者用三維激光技術(shù)對(duì)伯利茲的Las Cuevas遺址進(jìn)行建模，研究其相移變化[6].2015年，莫斯科專家對(duì)Shukhov Tower塔身建立三維幾何模型，并分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7].2016年，相關(guān)人員通過(guò)該技術(shù)對(duì)瑞士高山地區(qū)的石板畫石柱進(jìn)行刻痕的侵蝕分析研究[8].

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多文物保護(hù)單位和團(tuán)體在起動(dòng)文物數(shù)字化項(xiàng)目時(shí)，也紛紛采用三維激光掃描技術(shù)，并逐步發(fā)展成熟.最具代表性的當(dāng)屬北京故宮博物院與日本凸版印刷株式會(huì)社合作的故宮數(shù)字建模項(xiàng)目中，運(yùn)用三維圖形技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起故宮建筑群的三維數(shù)據(jù)庫(kù)[9].另外，秦始皇兵馬俑博物館從2007年開始使用該技術(shù)獲取了二號(hào)俑坑的三維模型，為大型文物遺址的三維技術(shù)運(yùn)用和數(shù)字化存儲(chǔ)提供了較為可行的借鑒方案[10].首都博物館也成立了文物保護(hù)分析實(shí)驗(yàn)室，在新館建設(shè)之初對(duì)館藏四十余件珍貴文物進(jìn)行三維激光掃描，用于動(dòng)態(tài)虛擬展示[11].2010年，國(guó)家指南針計(jì)劃項(xiàng)目“北京先農(nóng)壇太歲殿古建筑精細(xì)測(cè)繪”同時(shí)采用了三維激光掃描和傳統(tǒng)手工測(cè)繪技術(shù)，對(duì)太歲殿整體木結(jié)構(gòu)、各部分構(gòu)件和彩畫裝飾等進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪和三維建模，為我國(guó)古建筑的數(shù)字保護(hù)提供參考價(jià)值[12].

3 用于文物測(cè)繪的核心技術(shù)研究現(xiàn)狀

文物數(shù)字化過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)節(jié)概括起來(lái)主要有：點(diǎn)云配準(zhǔn)（即數(shù)據(jù)拼接），去噪，補(bǔ)洞，簡(jiǎn)化壓縮，分割，三維建模等.本文分析了點(diǎn)云去噪，簡(jiǎn)化壓縮和三維建模三方面的研究現(xiàn)狀.

3.1 點(diǎn)云去噪（濾波）

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照點(diǎn)云的空間位置分布，可以分為四類：掃描線點(diǎn)云、陣列式點(diǎn)云、三角化點(diǎn)云和散亂點(diǎn)云[13].對(duì)文物采集獲得的三維激光掃描數(shù)據(jù)為散亂點(diǎn)云，通常掃描之后的原始數(shù)據(jù)存在大量噪點(diǎn).如果不對(duì)其進(jìn)行有效剔除，將會(huì)影響后續(xù)體征點(diǎn)的提取和模型曲面的光滑度.噪點(diǎn)產(chǎn)生的主要原因有以下三個(gè)[14].

（1）掃描文物本身.例如材質(zhì)、外表紋理、顏色、反光度和平滑度等.

（2）掃描系統(tǒng)自身.包括掃描儀運(yùn)行工作過(guò)程中產(chǎn)生的微小振動(dòng)，相機(jī)鏡頭分辨率和掃描精度等.

（3）介質(zhì)干擾產(chǎn)生的偶然誤差.主要指遮擋，觸碰，抖動(dòng)等外界環(huán)境的干擾.

對(duì)于小型可移動(dòng)文物而言，按照噪點(diǎn)的分布情況可以分成兩類：一類是明顯離群點(diǎn)，偏離文物輪廓的點(diǎn)集較遠(yuǎn)，振幅較大，手動(dòng)即可剔除；一類是混雜在點(diǎn)集當(dāng)中，振幅較小，需要運(yùn)用專門算法才可去除[15].而對(duì)于古建筑，大型遺址等不可移動(dòng)的文物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)高于前者，因此需要考慮的有目標(biāo)文物輪廓外距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)云濾除、掃描過(guò)程中對(duì)文物有遮擋的障礙物形成的孤立點(diǎn)集及線性噪聲濾除.

針對(duì)文物掃描過(guò)程中的散亂點(diǎn)云濾波，一般先要手動(dòng)框選直接濾除外圍明顯的離群噪點(diǎn)，然后再對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化后運(yùn)用算法濾波.后者常用的傳統(tǒng)算法有：雙邊濾波法，拉普拉斯算法，平均曲率流算法，鄰域平均濾波法[16].

（1）拉普拉斯算法（Laplace）.拉普拉斯算子（Laplace Operator）f是n維歐幾里德空間中的一個(gè)二階微分算子，定義為梯度（Δf）的散度.在三維空間下的公式為

式中：x，y，z代表點(diǎn)在三維空間中的笛卡爾坐標(biāo).

處理方法是將點(diǎn)集中異常的高頻噪聲點(diǎn)進(jìn)行多次迭代，使其擴(kuò)散到鄰域點(diǎn)的重心位置，達(dá)到光滑去噪的目的.該算法優(yōu)勢(shì)是計(jì)算簡(jiǎn)單，但是迭代次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云的網(wǎng)格體積快速收縮，最終生成的模型紋理趨于模糊化[17].

（2）雙邊濾波算法.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的雙邊濾波算法是由圖像處理學(xué)中的雙邊濾波演化而來(lái)，核心依然是高斯函數(shù)，是一種基于空間分布的非線性濾波函數(shù).Thouis R.Jones[18]和I.Drori[19]研究總結(jié)出了基于網(wǎng)格模型的雙邊濾波去噪算子.該算法的優(yōu)勢(shì)是去噪后能較好保持模型特征，但是算子比較依賴局部鄰域特征，面對(duì)干擾嚴(yán)重的噪點(diǎn)時(shí)去除效果并不理想，不是無(wú)法去除就是需要多次迭代，多次迭代的后果依然是光滑模糊，丟失紋理.

（3）平均曲率流算法.該法由Desbrun提出，方法是先估算出曲率，再以平均曲率的速度讓網(wǎng)格頂點(diǎn)沿法向方向移動(dòng)，它解決了拉普拉斯算法中頂點(diǎn)偏移的問(wèn)題，但是模型會(huì)生成大量的不規(guī)則三角面片，破壞了網(wǎng)格的采樣率[20-21].

（4）鄰域平均濾波法.散亂點(diǎn)云的鄰域平均濾波算法仍然來(lái)源于圖像處理學(xué)，屬于線性平滑濾波.方法是定義一個(gè)模板窗口，借助窗口對(duì)點(diǎn)集進(jìn)行掃描，對(duì)該點(diǎn)鄰域內(nèi)的所有點(diǎn)求均值，再過(guò)濾掉差值較大的高頻噪點(diǎn)[22].模板窗口越大，去噪的效果越顯著.其優(yōu)勢(shì)是計(jì)算簡(jiǎn)單，處理時(shí)間快，但是和拉普拉斯算法一樣容易導(dǎo)致尖銳紋理缺失，并且窗口的選取較為困難.

由于這些傳統(tǒng)方法運(yùn)用到文物數(shù)字建模時(shí)或多或少存在一些問(wèn)題和不足，在其核心算法的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者做出適應(yīng)文物散亂點(diǎn)云特征的去噪改進(jìn)方法.李玉勤等人在傳統(tǒng)拉普拉斯算法的基礎(chǔ)上，提出了一種將點(diǎn)云權(quán)重模糊C聚類和Laplace算法結(jié)合的去噪方法，在處理文物的點(diǎn)云精度和速度上優(yōu)勢(shì)明顯[23].張育鋒在對(duì)石獅子進(jìn)行掃描研究過(guò)程中，提出了一種改進(jìn)的雙邊濾波算法，分別對(duì)特征和非特征點(diǎn)云運(yùn)用不同的點(diǎn)云平均歐式距離來(lái)計(jì)算雙邊濾波因子，實(shí)現(xiàn)去噪和保留特征點(diǎn)的效果[24].馬曉泉在研究小型器物時(shí)提出了一種基于最小二乘法的分步去噪方法，具體步驟是先利用求取包圍盒最大連通域的方法去除離群點(diǎn)，再用最小二乘法擬合出K鄰域內(nèi)點(diǎn)的最佳逼近平面，通過(guò)判定鄰域各點(diǎn)到該平面的距離與設(shè)定的閾值大小來(lái)去除第二類噪點(diǎn)[25].艾衛(wèi)濤提出了一種基于重心的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪算法，利用Matlab編程在包圍盒的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮算法上加以改進(jìn)[26].王方建研究古建筑點(diǎn)云去噪時(shí)提出了空間柵格去噪法，具體方法是首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行八叉樹劃分，再對(duì)八叉樹葉節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間柵格化，通過(guò)計(jì)算非空柵格間的相鄰?fù)負(fù)潢P(guān)系，濾除孤立點(diǎn)集和線性點(diǎn)集，從而達(dá)到去噪效果[27].劉大峰等人提出的魯棒濾波算法采用核密度估計(jì)進(jìn)行聚類分析，利用Mean-Shift迭代方式將每一個(gè)采樣點(diǎn)“漂移”到核密度估計(jì)函數(shù)的局部最大值點(diǎn)，使點(diǎn)云曲面收斂為穩(wěn)定的三維模型[28-29].

相比于上述幾種傳統(tǒng)的去噪方式，小波變換去噪以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用到三維激光點(diǎn)云去噪研究當(dāng)中.小波變換由傅里葉變換發(fā)展演化而來(lái)，但其窗口卻能夠隨著頻率變化而做出自適應(yīng)調(diào)整.概括起來(lái)，小波變換主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：低熵性，多分辨率性，去相關(guān)性以及小波基選取多樣性[30].這些優(yōu)點(diǎn)決定了小波變換可以對(duì)噪聲采用不同分辨率進(jìn)行局部范圍的濾除，這就在去噪的同時(shí)能較好地保留邊緣的紋理特征.

由于小波變化只能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)空的頻率分析，而三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并無(wú)時(shí)間和頻域特征，因此不能將其視為信號(hào)，而要先對(duì)其進(jìn)行拓?fù)浠?具體的變換過(guò)程就是，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)做網(wǎng)格化處理之后，用指定的小波做多分辨率分析，就會(huì)分解成不同頻域的信息，利用Matlab等軟件去除高頻噪聲，對(duì)低頻的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重新得到點(diǎn)云[31].靳潔利用了B樣條小波分解程序在VC++平臺(tái)上對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分解，具體過(guò)程是首先將一階高頻數(shù)據(jù)剔除，然后借助Mallat小波處理中低頻信息，多次迭代之后的結(jié)果和利用GeomagicStudio軟件自動(dòng)濾波的結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)去噪效果明顯，去噪效果的好壞由重構(gòu)曲面的差異側(cè)面來(lái)進(jìn)行判斷[27].

3.2 點(diǎn)云簡(jiǎn)化和壓縮

針對(duì)不可移動(dòng)文物尤其是大型古建筑群而言，僅一站的掃描點(diǎn)云就可以達(dá)到千萬(wàn)個(gè)，用電腦存儲(chǔ)的文件大小常常在百M(fèi)B至GB量級(jí).很多時(shí)候，并非所有的點(diǎn)數(shù)據(jù)都對(duì)后期建模有作用，由于大量的點(diǎn)云都呈集中分布，導(dǎo)致密度大、冗余信息多，因此建模過(guò)程中數(shù)據(jù)組織與管理困難，處理時(shí)間大大加長(zhǎng).因此，如何在保證建模精度和紋理特征的前提下減少需要處理的數(shù)據(jù)量，從而減小信息存儲(chǔ)大小和處理時(shí)間，就需要對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化壓縮.目前常用的方法有：基于曲率的簡(jiǎn)化算法，包圍盒算法，基于平均點(diǎn)距的簡(jiǎn)化算法，坐標(biāo)增量法，區(qū)域重心法，基于網(wǎng)格的簡(jiǎn)化算法[32].

馬曉泉提出了一種基于點(diǎn)云輪廓點(diǎn)的提取方法，對(duì)第一種簡(jiǎn)化算法做出了針對(duì)性改進(jìn)[33].但簡(jiǎn)化效果與輪廓點(diǎn)提取中的K鄰域和大小的選取有關(guān)，需要不斷試驗(yàn)參數(shù)值.藺小虎在傳統(tǒng)坐標(biāo)增量法的基礎(chǔ)上，將一維的掃描線逐點(diǎn)壓縮擴(kuò)展到二維的掃描線之間的點(diǎn)云壓縮，提出了改進(jìn)坐標(biāo)增量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮算法，并借助軟件將該算法與上述一些算法的壓縮效果進(jìn)行了比較[34].于海霞通過(guò)對(duì)長(zhǎng)方體區(qū)域的壓縮方法研究，得出在點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較密集時(shí)可以采用區(qū)域重心壓縮法，在點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)生成三維TIN的時(shí)候可以采用共頂點(diǎn)壓縮法的結(jié)論[35].

近年來(lái)，關(guān)于海量三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮方法又有了新的進(jìn)展，研究較多的就是基于多分辨率的八叉樹和k-d樹（K-dimensionaltree）.比如JanElseberg等人提出了通過(guò)構(gòu)建八叉樹來(lái)處理數(shù)據(jù)量達(dá)十億級(jí)的三維激光點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了有效存儲(chǔ)和壓縮的目的[36].王永志等人利用八叉樹在三維空間上的快速收斂性和三維R～*樹對(duì)散亂點(diǎn)云的穩(wěn)定性，提出了一種“3DOR～*樹”的空間混合索引結(jié)構(gòu).方法是：先對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行八叉樹劃分；然后對(duì)八叉樹葉子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建三維R～*樹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“3DOR～*樹”索引結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；最后對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云壓縮和存儲(chǔ)[37].

3.3 建模方法研究

傳統(tǒng)的文物建模和修復(fù)手段耗時(shí)長(zhǎng)，精度低，最主要是測(cè)量工具對(duì)文物要有接觸，從而不可避免地對(duì)文物造成損壞.

現(xiàn)有常用的建模軟件有Geomagic Studio、Cyclone、Imageware、CopyCAD等.它們都是對(duì)已有或者已存在過(guò)的實(shí)物和產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析和研究，屬于一種再現(xiàn)過(guò)程，因此稱為逆向工程軟件，在文物保護(hù)數(shù)字化領(lǐng)域起著重要作用.其建模過(guò)程基本類似，首先自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多邊形，然后優(yōu)化精簡(jiǎn)多邊形數(shù)目，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成NURBS曲面，最后以匹配CAD、CAM等軟件的文件格式（如IGS、STL、DXF等）來(lái)導(dǎo)出[38].

多數(shù)古建筑和大型遺址等不可移動(dòng)文物在建模階段可以分為三個(gè)步驟：首先用CAD等軟件對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行線描，提取出輪廓線和特征點(diǎn)，從而得到各部分構(gòu)件的相對(duì)位置和尺寸大??；然后創(chuàng)建各部分構(gòu)件的三維模型；最后對(duì)各部分構(gòu)件進(jìn)行組裝.

實(shí)際情況下，由于文物的造型、結(jié)構(gòu)各不相同，在建模過(guò)程中尤其是分離構(gòu)件時(shí)，方法也不盡相同.索俊鋒在對(duì)蝴蝶廳進(jìn)行三維建模時(shí)，提出了一種把三維激光掃描技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的室內(nèi)外一體化三維建模方法，借助哲學(xué)領(lǐng)域上的本體思維將古建筑的各部分構(gòu)件分成臺(tái)基、屋身、屋頂三部分并單獨(dú)建模[39].化蕾等人以福建永定客家土樓為研究對(duì)象，將客家土樓的外部和內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)分開，分別對(duì)外部和內(nèi)部進(jìn)行輪廓線提取，再獨(dú)立建模[40].陸益紅等人對(duì)獅子山楚王陵墓進(jìn)行三維建模時(shí)，分段生成曲面的TIN模型，然后分割出鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云并分別建模，模擬出每一根鋼管的尺寸和坐標(biāo)[41].王金利用三維掃描技術(shù)對(duì)遺址墓葬出土的各類陶器進(jìn)行建模，通過(guò)C++編程提取特征曲線，并運(yùn)用特征尺寸比值聚類和特征曲線橢圓傅里葉[42]分析的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了聚類分析研究[43].劉鈺對(duì)重慶大足石刻千手觀音的建立模型過(guò)程研究了多分辨率模型的融合[44].

建模過(guò)程中的核心問(wèn)題是自由曲面重構(gòu)技術(shù).常用的曲面重建方法有參數(shù)曲面重建、隱式曲面重建、分片線性曲面重建、細(xì)分曲面重建與變形曲面重建.傳統(tǒng)的文物建模方式以構(gòu)建三角網(wǎng)為主，缺點(diǎn)就是計(jì)算量大而且繁瑣.不少學(xué)者在研究不同類型文物的建模時(shí)做出了改進(jìn).楊艷以司母戊鼎為例，對(duì)鼎類型的文物提出了新的建模方法.首先基于四點(diǎn)原則，將掃描得到的文物點(diǎn)云數(shù)據(jù)塊進(jìn)行手動(dòng)分割，利用每一塊的幾何特征來(lái)建立統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系，進(jìn)而生成深度圖像模型，最后經(jīng)過(guò)紋理映射，合并成一個(gè)完整的彩色精細(xì)模型[45].周亞男提出一種基于曲線的曲面重構(gòu)方法，以瓷質(zhì)瓶和秦俑為例研究分析了異形和規(guī)則兩種曲面重構(gòu)的兩種方法，并對(duì)擬合成的NURBS曲面進(jìn)行精度對(duì)比分析[46].藺小虎針對(duì)大雁塔和盧溝橋上石獅子的曲面建模，主要研究了區(qū)域生長(zhǎng)法、B樣條曲面擬合算法、反向傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等典型的曲面擬合方法，并總結(jié)分析了現(xiàn)有曲面擬合方法中存在的局限性[34].區(qū)域增長(zhǎng)法[47]和隨機(jī)抽樣一致法[48]是兩種有效的面片分割算法，它們通過(guò)添加面片語(yǔ)義特征能夠有效重建包括門窗等細(xì)部特征的建筑物模型.

4 結(jié)語(yǔ)

自從三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用到文物保護(hù)領(lǐng)域以來(lái)，不少學(xué)者針對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)做出大量研究，并不斷完善其流程和標(biāo)準(zhǔn)，基于文物保護(hù)的三維激光掃描系統(tǒng)正在逐步成熟，并開始發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).其對(duì)以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)的文物數(shù)字化工作意義重大：對(duì)于石窟，大型古建筑等不可移動(dòng)文物而言，三維建模之后可以生成各種等值線，以及含有矢量信息的文物信息圖片；還可用于法式勘察，殘損變形和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的測(cè)繪[49].對(duì)于小型可移動(dòng)文物來(lái)說(shuō)，可以用于復(fù)制和數(shù)字修復(fù).近些年興起的針對(duì)文物建立的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)就是以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ).但是該技術(shù)就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言還存在一些局限性，例如儀器和軟件成本過(guò)高，很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的文物難以獲取到準(zhǔn)確全面的數(shù)據(jù)等.

對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到建模的全程自動(dòng)化和高效化，同時(shí)不斷提高三維模型的精度和仿真度是未來(lái)文物數(shù)字化發(fā)展的重要趨勢(shì).與此同時(shí)，掃描過(guò)程中各站數(shù)據(jù)的無(wú)縫拼接，系統(tǒng)誤差和偶然誤差的調(diào)整，外界光線等環(huán)境的影響，以及如何對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)定，將成為今后該技術(shù)用于文物測(cè)繪中的主要研究課題.