基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)

付會(huì)軍

(南陽(yáng)市張衡博物館， 河南，南陽(yáng) 473000)

0 引言

文物是人類歷史發(fā)展的寶貴遺產(chǎn)，具有重要的研究?jī)r(jià)值，自人類文明誕生以來，在歷史發(fā)展的長(zhǎng)河中留下了無數(shù)的文化遺產(chǎn)，為后世提供了大量研究過去文化發(fā)展的資源。文物作為歷史文化流傳至今的主要載體，具有為歷史文化研究工作提供研究對(duì)象的重要意義[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，文物數(shù)字化保護(hù)成為當(dāng)前文物保護(hù)領(lǐng)域的主要技術(shù)，這是利用現(xiàn)代手段實(shí)現(xiàn)文物數(shù)字化管理與保護(hù)的技術(shù)。隨著文物保護(hù)熱潮的掀起，文物數(shù)字化技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到文物保護(hù)方面。相對(duì)于原有的文物保護(hù)技術(shù)，數(shù)字化文物保護(hù)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)安全的特點(diǎn)。相對(duì)于原始的保護(hù)方式，這種文物保護(hù)方法可有效保存文物的三維信息，降低文物采集數(shù)據(jù)結(jié)果與文物實(shí)際數(shù)據(jù)之間的差異。文物保護(hù)技術(shù)對(duì)于文物傳承與保護(hù)具有推動(dòng)意義，為世界文物保護(hù)問題提供了一個(gè)可行的實(shí)施方案。

當(dāng)前數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)成為數(shù)字化文物保護(hù)的主要實(shí)施載體，大部分的專家學(xué)者設(shè)計(jì)了多種數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在提高文物保護(hù)效果的同時(shí)，也存在部分問題。文獻(xiàn)[3]中提出了一種應(yīng)用區(qū)塊鏈去中心化技術(shù)，使用數(shù)據(jù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)的方法。此方法在處理時(shí)操作過程較為復(fù)雜，用戶使用效果較差。針對(duì)此案例研究結(jié)果，在本次研究中選擇光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)當(dāng)前數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)。光纖光柵傳感技術(shù)具有傳統(tǒng)技術(shù)不具備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可為文物保護(hù)工作提供幫助。本次研究結(jié)束后，將進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，對(duì)此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1 基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本次研究中選定的光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)硬件構(gòu)架展開優(yōu)化，優(yōu)化后的硬件構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)硬件構(gòu)架，對(duì)當(dāng)前的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇合適的硬件對(duì)當(dāng)前硬件框架進(jìn)行補(bǔ)充與完善，并將優(yōu)化后的硬件框架作為軟件構(gòu)建的基礎(chǔ)。

1.1 光纖光柵傳感器選型

在文物參數(shù)的測(cè)量過程中，不僅要保證測(cè)量精度，還需要保證系統(tǒng)具有較好的耐久性。在保證功率的同時(shí)，還要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離輸出[4-5]。因此，在本次研究中，將光纖光柵傳感器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如表1所示。

表1 光纖光柵傳感器參數(shù)

使用此參數(shù)后，完成光纖光柵傳感器的搭建過程，使其具有測(cè)量誤差小、可靠性好、靈敏度高等特點(diǎn)。將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳送到解調(diào)器中，對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，從而得到完整的文物數(shù)據(jù)。

1.2 中央控制器設(shè)計(jì)

在硬件架構(gòu)中引入光纖光柵傳感器后，對(duì)于系統(tǒng)的中央控制器芯片展開設(shè)計(jì)。將CC2530傳感器作為核心芯片，此芯片支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[6-7]的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有效解決傳感器不易控制的問題。優(yōu)化后的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 核心控制器芯片結(jié)構(gòu)

在此芯片中增加電源電路、傳感器電路以及顯示器電路，上述電路直流電壓控制在3.5 V左右，如電壓過高時(shí)，在電路中安裝AMS系列穩(wěn)壓芯片將電壓降低到固定電壓。

1.3 通信接口結(jié)構(gòu)設(shè)定

根據(jù)上述設(shè)定的硬件，對(duì)系統(tǒng)的通信接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選用TOREX系列芯片[8]作為主要控制器，在網(wǎng)關(guān)電路中增設(shè)WiFi模塊與中央控制器相連，保證此模塊中具有至少4個(gè)串口電路。網(wǎng)關(guān)電路示意圖如圖3所示。

圖3 通信接口電路示意圖

將此通信接口與傳感器解調(diào)器相連接，串口電路3與WiFi模塊相結(jié)合，串口電路4與中央控制器相連接。

將上文中設(shè)定的硬件設(shè)備有序連接，并將其安裝到當(dāng)前系統(tǒng)硬件框架中，完成系統(tǒng)硬件部分優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 文物數(shù)據(jù)采集

為了獲取高品質(zhì)的數(shù)字化文物數(shù)據(jù)采集結(jié)果，在本次研究中使用光纖光柵傳感器對(duì)文物進(jìn)行測(cè)量。為了控制傳感器的使用效果，對(duì)傳感器的反射率F與透射率T進(jìn)行設(shè)定，具體公式如下：

(1)

式中，α2表示傳感器自耦合系數(shù),β2表示傳感器交叉耦合系數(shù),g表示光線長(zhǎng)度。根據(jù)此公式可得到光柵峰值波長(zhǎng)，具體公式如下：

χi=2Fg

(2)

由此公式可得到傳感器中央波長(zhǎng)：

(3)

根據(jù)上式可得到反射帶寬，通過反射帶寬，采集文物數(shù)據(jù)Δχr，其計(jì)算過程：

(4)

使用上述公式，對(duì)傳感器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，保證文物數(shù)據(jù)采集的精度。

2.2 文物數(shù)據(jù)信息管理

為了更好的完成文物的保護(hù)工作，對(duì)傳感器采集到的文物數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，文物數(shù)據(jù)分類后結(jié)果如表2所示。

表2 文物數(shù)據(jù)類別劃分

對(duì)采集到的文物數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后，根據(jù)協(xié)同管理理論[9-10]對(duì)文物數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，將管理模式設(shè)定為單向管理與雙向管理模型，具體如下：

Z=h1Z1+h2Z2+h3Z3+…+hiZi

(5)

其中，Zi表示文物數(shù)據(jù)信息采集結(jié)果的第i類文物數(shù)據(jù),h1表示文物數(shù)據(jù)協(xié)同系數(shù)。使用式(5),實(shí)現(xiàn)文物數(shù)據(jù)信息的管理，并將處理后的文物數(shù)據(jù)信息收錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的文物保護(hù)提供基礎(chǔ)。

2.3 文物三維數(shù)字模型構(gòu)建

使用上文中設(shè)定的內(nèi)容，構(gòu)建文物三維數(shù)字模型完成文物保護(hù)工作。將文物上的三維點(diǎn)(x,y,z)對(duì)應(yīng)到文物圖像上的點(diǎn)(e,f)，將不同圖像的坐標(biāo)上相應(yīng)的(e,f)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)到同一個(gè)三維點(diǎn)(x,y,z)中，則文物的表面形狀可表示為

s=ΔχrZ(x,y,z)

(6)

z軸的法定向量[11]為非負(fù)，將文物三維重建變量分別設(shè)定為w和v，則有：

(7)

由式(7)可以看出，文物的表面向量可表示為[w,v,-1]，(w,v)表示文物在二維平面中的梯度。根據(jù)此梯度，可得到文物三維模型梯度變量函數(shù)[12]：

D(x,y)=s(w,v)(e,f)

(8)

將采集到的文物數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)用式(8)進(jìn)行計(jì)算，得到文物三維模型，并使用此模型作為文物智能保護(hù)過程中的主要內(nèi)容。根據(jù)文物保護(hù)的相關(guān)要求，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)本次研究目的。將上文中優(yōu)化后的硬件與軟件有序結(jié)合，至此，基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

針對(duì)本次研究中設(shè)計(jì)的基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。本次將光纖系統(tǒng)與當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比，以此驗(yàn)證光纖系統(tǒng)的使用效果，針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)的硬件要求與軟件模塊開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)定如表3所示。

表3 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)參數(shù)

使用上述平臺(tái)參數(shù)完成系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的組建過程，使用此平臺(tái)完成系統(tǒng)測(cè)試過程。

3.2系統(tǒng)測(cè)試方案

本次系統(tǒng)測(cè)試將首先對(duì)光纖系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，選定功能測(cè)試項(xiàng)，對(duì)此系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，當(dāng)光纖系統(tǒng)的功能符合使用要求后，進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試。選擇10種不同類型文物作為測(cè)試目標(biāo)，使用當(dāng)前系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)對(duì)其展開保護(hù)處理，具體文物數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測(cè)試目標(biāo)數(shù)據(jù)

使用光纖系統(tǒng)與當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)上述測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行處理，將系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)設(shè)定為文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度以及文物模型構(gòu)建誤差兩部分，通過此兩組指標(biāo)對(duì)光纖系統(tǒng)與當(dāng)前系統(tǒng)的系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

采用本文設(shè)計(jì)的基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 光纖系統(tǒng)功能性測(cè)試

根據(jù)以上光纖系統(tǒng)功能性測(cè)試結(jié)果可以看出，光纖系統(tǒng)可完成上述設(shè)定功能測(cè)試全部指標(biāo)，并得到較好的測(cè)試結(jié)果。為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，采用本文設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)1和傳統(tǒng)系統(tǒng)2進(jìn)行文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度測(cè)試，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度

在本次研究中，將系統(tǒng)的文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度體現(xiàn)為文物細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的獲取精度。根據(jù)此測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度較高，可獲取到文物細(xì)節(jié)部分的數(shù)據(jù)，提高后續(xù)文物修復(fù)與保護(hù)的精度。與光纖系統(tǒng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前系統(tǒng)的文物數(shù)據(jù)采集能力較差，無法獲取文物細(xì)節(jié)部分的數(shù)據(jù)。尤其當(dāng)測(cè)試對(duì)象為CSMB-09與CSMB-10時(shí)，當(dāng)前系統(tǒng)僅能獲取大面積文物數(shù)據(jù)，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)無法獲取。由此測(cè)試結(jié)果可知，光纖光柵傳感器具有一定的應(yīng)用效果，且光纖系統(tǒng)的使用效果優(yōu)于當(dāng)前系統(tǒng)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，對(duì)本文設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)1和傳統(tǒng)系統(tǒng)2的文物模型構(gòu)建誤差進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 文物模型構(gòu)建誤差

由上述系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可以看出，光纖系統(tǒng)可構(gòu)建出精度較高的文物三維模型，根據(jù)此模型可有效提高系統(tǒng)的文物保護(hù)能力。反觀當(dāng)前系統(tǒng)，由于無法獲取到高精度的文物細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出的文物三維模型缺乏細(xì)節(jié)點(diǎn)的描述，整個(gè)模型過于扁平，對(duì)于數(shù)字化文物保護(hù)無法起到應(yīng)有幫助。與此同時(shí)，在一定程度上制約了文物保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。在未來的研究中，還需要對(duì)數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行優(yōu)化，以此保證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

對(duì)上述系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整合后可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器在使用后，可有效提升文物智能保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用性能，保證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4 總結(jié)

對(duì)本次研究中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器的使用有效提升了當(dāng)前系統(tǒng)的文物數(shù)據(jù)采集精度，并賦予文物保護(hù)過程應(yīng)有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在一定程度上提升了系統(tǒng)的使用效果。本次研究中還存在相應(yīng)的不足，在日后的研究中還需要進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，為日后的文物保護(hù)過程提供更加堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。