三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜雕像真三維重建中的研究

王雪 鐘棉卿 王偉

摘 ?要：三維激光掃描技術(shù)能快速獲取地物表面高精度、高密度的三維點云信息，建立精細(xì)的真三維模型，但該技術(shù)在考古和文物保護(hù)方面應(yīng)用并不是很廣泛。本文以校園內(nèi)一尊雕像為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)獲取該雕像的點云數(shù)據(jù)，首先對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;然后進(jìn)行三角網(wǎng)優(yōu)化建模，根據(jù)曲率變化進(jìn)行點云抽稀，重構(gòu)三角網(wǎng);最后進(jìn)行紋理映射，構(gòu)建了該雕像的真三維模型。該模型效果真實、細(xì)節(jié)豐富。該方法大大減少了文物信息采集的時間，實現(xiàn)了文物數(shù)字化存儲、展示及3D打印。

關(guān)鍵詞：三維模型 ?點云數(shù)據(jù) ?拼接 ?三角網(wǎng)優(yōu)化

中圖分類號：P237 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0070-04

Research on 3D Laser Scanning Technology in 3D Reconstruction of Complex Sculptures

WANG Xue1 ?ZHONG Mianqing2 ?WANG Wei

（1.Xianyang Normal University， Xianyang， Shaanxi province， 712000 China;2. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou， Gansu province， 730070 ?China 3.China Energy Construction Group Shaanxi Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Xi'an， Shaanxi Province ?710054 ?china）

Abstract： 3D laser scanning technology can quickly obtain high-precision and high-density 3D point cloud information on the surface of ground objects， and establish a fine true 3D model. However， this technology is not widely used in Archaeology and cultural relic protection. Taking a statue on campus as the research object， this paper uses 3D laser scanning technology to obtain the point cloud data of the statue; Then， the triangulation network is optimized and the point cloud is thinned according to the curvature change to reconstruct the triangulation network; Finally， the true 3D model of the statue is constructed by texture mapping. The model has real effect and rich details. This method greatly reduces the time of cultural relic information collection， realizes the digital storage， display and 3D printing of cultural relic.

Key Words： 3D modeling; Point cloud data; Matching; Triangular mesh optimization

文物古跡是人類在歷史上創(chuàng)造下來的有價值的文物遺存，具有豐富的內(nèi)涵和文化底蘊(yùn)。文物是無法再生資源，隨著時間的推移，受自然環(huán)境侵蝕和人為破壞的雙重影響，文物將會受到不同程度的破壞，甚至可能面臨逐漸消亡的危險，因此需要應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行文物保護(hù)。在文物的保護(hù)中，有些文物表面常常具有復(fù)雜、豐富的紋理信息，需要建立真正的三維建模，從而可以進(jìn)行全方位展現(xiàn)，對于文化保護(hù)和傳播也有重要意義。

地面三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式成像技術(shù)，能夠直接、快速地獲取高精度、高密度地物表面的三維空間信息，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)所獲得的文物紋理信息，可以迅速準(zhǔn)確地建立真實文物模型，實現(xiàn)數(shù)字存儲文物信息，有效地進(jìn)行遺產(chǎn)和文物保護(hù);并能夠進(jìn)行三維展示，操作及分析;而且，在文物遭破壞時，仍然可以為文物的修復(fù)、保護(hù)提供科學(xué)資料和模型。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者已利用三維激光掃描技術(shù)開展了文物保護(hù)和考古修復(fù)方面的相關(guān)課題研究和紋理信息，獲取真實尺寸、真實紋理的三維數(shù)字模型。Alabana Tota等通過3D掃描成像技術(shù)，構(gòu)建了三維的文物虛擬模型，實現(xiàn)了文物保護(hù)重建，以及3D打印476616 ＼r ＼h ?＼* MERGEFORMAT[7]。王婷運用三維掃描技術(shù)，對秦兵馬俑一號坑陶俑進(jìn)行了三維激光掃描，建立了陶俑真三維模型。吳怡等利用三維激光掃描 技術(shù)，不斷追蹤跟進(jìn)了江蘇句容孔塘遺址的考古挖掘工作過程，全面準(zhǔn)確記錄了孔塘發(fā)掘期間各類文化遺物的地理空間數(shù)據(jù) ?＼* MERGEFORMAT[9]。Young Hoon Jo等采用非接觸的三維掃描技術(shù)，對受損的石座菩薩三維恢復(fù)建模，實現(xiàn)文物修復(fù)和保護(hù)的目的。雖然這些研究在文物建模方面取得了一定的成績，但是三維激光掃描技術(shù)在對紋理豐富的文物精細(xì)建模和對其關(guān)鍵問題的探討較少。

本文利用地面三維激光掃描技術(shù)對咸陽師范學(xué)院內(nèi)的一尊雕像進(jìn)行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，開展激光點云數(shù)據(jù)的三維建模的理論和方法研究。

1 ?掃描對象及技術(shù)路線

1.1 掃描對象

掃描對象為咸陽師范學(xué)院內(nèi)一尊雕像，如圖1所示。

1.2 技術(shù)路線

本文基于三維激光掃描技術(shù)及三維模型構(gòu)建的原理，提出了雕像三維重建的技術(shù)路線圖，如圖2所示。

2 ?數(shù)據(jù)采集處理與點云拼接

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理

本文實驗采用的是德國Z+F imager 5010三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。該儀器無法同時收集畫幅式數(shù)字圖像和點云顏色的信息，只能收集點云強(qiáng)度的信息。

地面激光掃描儀的掃描原理是通過測量從激光束發(fā)射到接收的時間獲得距離觀測值S，并由精密時鐘控制編碼器確保激光掃描儀可以同步測量出橫向掃描角α和縱向掃描角α。地面激光掃描三維測量通常采用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X 軸在橫向掃描面內(nèi)，Y 軸與X 軸垂直且在橫向掃描面內(nèi)，Z軸與橫向掃描面垂直，然后對每個點的空間坐標(biāo)進(jìn)行記錄。三維激光腳點坐標(biāo)的計算公式（1）如下。

（1）

數(shù)據(jù)采集時，要對雕像的各個方位進(jìn)行掃描，所以設(shè)四站，即從雕像的前、左、后、右4個方位掃描獲取數(shù)據(jù);每站架設(shè)好儀器后都要進(jìn)行整平，保證儀器的穩(wěn)定;根據(jù)雕像的尺寸，設(shè)置掃描的水平范圍和豎直范圍，保證采集到的雕像數(shù)據(jù)充分的前提下，盡量減少數(shù)據(jù)量及噪聲點。由于采集的數(shù)據(jù)噪聲比較多，所以首先進(jìn)行粗加工處理，只保留雕像附近小范圍的點云，濾除其他無關(guān)的點。粗處理后的數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.2 點云拼接

點云數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)，由于所設(shè)的四站是不同的位置，獲取的點云數(shù)據(jù)不在一個坐標(biāo)系下，所以需要進(jìn)行坐標(biāo)的統(tǒng)一，也就是將四站的數(shù)據(jù)拼接在一起。拼接的原理是通過空間相似變換，如式（2）所示。

（2）

其中

為待配準(zhǔn)的點云坐標(biāo)，

為平移量，

為旋轉(zhuǎn)矩陣，

為縮放因子，

為變換后的坐標(biāo)。

旋轉(zhuǎn)矩陣中的元素由9個方向余弦所組成的，共含有3個角元素，可以看作只有3個未知數(shù)。這樣，通過在兩個系統(tǒng)中找3個以上公共點，來解求點云之間相似變換的參數(shù)，從而獲得點云間的變換關(guān)系，最終將所有站的點云統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)下，實現(xiàn)不同站數(shù)據(jù)的拼接工作。

拼接方法有3種，即基于標(biāo)靶的拼接、基于公共點的拼接和混合拼接。標(biāo)靶拼接是使用某些特制的標(biāo)靶作為同名特征點，掃描時在該區(qū)域的適當(dāng)位置放置標(biāo)靶，確保相鄰掃描站可以對3個以上的公共標(biāo)靶進(jìn)行掃描，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，軟件可自動將單站內(nèi)標(biāo)靶中心位置提取為特征點，然后由操作人員對其命名，保證相同的特征點命名相同。然后對拼接參數(shù)進(jìn)行自動計算，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接。基于公共點拼接與標(biāo)靶拼接的原理是一樣的，只是需要人工選擇相鄰兩站公共特征點進(jìn)行拼接而已?；旌掀唇邮腔跇?biāo)靶和公共點的兩種方法進(jìn)行拼接。本次試驗采用公共點拼接方式，在1、2站數(shù)據(jù)之間選擇3個以上的公共點進(jìn)行拼接，3、4站數(shù)據(jù)之間選擇3個以上的公共點進(jìn)行拼接，通過公共點計算，將兩站數(shù)據(jù)的坐標(biāo)分別統(tǒng)一為整體;然后在1、2站拼接的數(shù)據(jù)與3、4站拼接的數(shù)據(jù)之間再選擇3個以上公共點，進(jìn)行拼接，最終將四站數(shù)據(jù)拼接為一個整體。在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接時，一定要選擇具有明顯特征的點，如拐角、交叉點等，同時特征點盡量分布均勻，不能在一條直線上，以提高拼接精度，使拼接精度達(dá)到毫米級，否則會影響建模精度。

2.3 數(shù)據(jù)精處理

點云數(shù)據(jù)拼接完成后要對一些噪聲點進(jìn)行精處理，精處理時噪聲點的剔除采用的Geomagic軟件中非連接項和體外弧點的方式制為0.2mm，平滑級別設(shè)置為中等，通過自動計算，剔除遠(yuǎn)離雕像體的噪聲點。

3 ?點云數(shù)據(jù)建模

對處理好的點云進(jìn)行三維建模，采用Geomagic軟件的封裝算法，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)，獲得三角面模型。由于整個模型由三角面組成，根據(jù)文物表面的曲率幾何特征，進(jìn)行三角形網(wǎng)格重構(gòu)，從而獲得由微米級三角面組成的文物真三維模型。進(jìn)而優(yōu)化處理文物模型網(wǎng)格，獲得高精度三維模型。為了存儲顯示方便，需要抽稀三角網(wǎng)，在特征明顯的地方，三角網(wǎng)多一些，特征不明顯的地方，三角網(wǎng)少一些。圖4所示的是由雕像的三角形構(gòu)成的網(wǎng)圖，圖5是由三角面構(gòu)成的三維模型。

4 ?紋理映射

紋理信息是真實文物模型的重要因素，它將文物的顏色、紋理映射到對應(yīng)的三角網(wǎng)模型中，使最后得到的文物三維模型具有紋理色彩信息，這樣才能顯示更真實。本實驗通過手機(jī)拍攝，獲取雕像的紋理顏色信息，并通過Rhinoceros軟件對模型進(jìn)行了賦色。

通過以上的步驟和方法，真三維的文物模型就構(gòu)建完成了，所建立的模型效果比較真實，細(xì)節(jié)也較豐富。

5 ?結(jié)語

通過利用三維激光掃描技術(shù)對咸陽師范學(xué)院內(nèi)一尊雕像進(jìn)行真三維模型的重建研究，表明利用該技術(shù)獲取的三維模型效果比較真實，細(xì)節(jié)也較豐富，大大減少了文物信息采集存儲的時間，實現(xiàn)文物數(shù)字化存貯、展示及3D打印等，對文物保護(hù)具有重要的意義。

本文研究的不足主要體現(xiàn)在兩個方面，第一，文中只從視覺效果方面對所構(gòu)建模型進(jìn)行了分析，沒有利用定量評價指標(biāo)進(jìn)行模型的精度評價;第二，由于儀器條件的限制，無法同時采集紋理信息，沒有研究復(fù)雜紋理映射問題。這兩個方面是后續(xù)進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

總之，隨著三維激光掃描技術(shù)逐步發(fā)展和成熟，相信該技術(shù)將在考古和文物保護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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