TLS技術在表面復雜文物三維重建中的應用

岳文朝+劉友芹

摘 要：現(xiàn)如今，計算機科學得到了很大的發(fā)展和應用，以計算機為基礎發(fā)展起來的三維掃描設備也得到了很大的發(fā)展和提高。并且，計算機還有一個好處，是用虛擬的技術模擬現(xiàn)實，這些技術在文物的修復上面有很大的應用，促進了現(xiàn)代文物修復的完成，這樣，就保護了我們國家的歷史文物古跡。

關鍵詞：三維激光掃描 點云數(shù)據(jù) 文物保護 三維重建

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：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算機的出現(xiàn)，計算機改變了我們的生活方式，所以，現(xiàn)在很難想像沒有計算機電腦網(wǎng)絡的時候，我們是怎么樣生活的。計算機改變了我們傳統(tǒng)的工作和生活方式，越來越多地應用到各個行業(yè)里面。在對于文物進行修復方面來說，現(xiàn)在非常流行文物的數(shù)字化，在計算機的基礎之上發(fā)展起來的三維掃描儀器能夠準確地獲得文物的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)如今，有很多的計算機技術逐漸發(fā)展并成熟起來，比如：計算機繪圖、計算機網(wǎng)絡的發(fā)展等。對于在文物的研究上，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注文物的數(shù)字化建設。最早的時候，美國開始建設數(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)過了一段時間的發(fā)展，也取得了很大進步。在數(shù)字化博物館里面，有很多寶貴的資源，比如：圖書、文獻等，建立了一個非常大的數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在被用在文物保護上面，進行了很多的文物遺產(chǎn)的數(shù)字化研究。本文就對一個大型的仿古建筑物進行了三維激光掃描的重建進行了分析和探討。

1 三維激光掃描的原理和技術分析

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技術，因為它集合了光學、電學還有計算機的技術為一體。激光束發(fā)射出去和回來是需要一定時間的，根據(jù)這個時間就能夠把距離的觀測值算出來，這就是S，并且一些非常精密的儀器，比如：編碼器能夠測量出橫向的掃描角度觀測值，也就是α，還有豎直方向的掃描角度的準確觀測值，也就是θ。這里需要說明的是，因為是三維建模，所以，坐標是三維坐標系。顧名思義，原點就是激光束的發(fā)射地點，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個軸構成了一個右手的坐標系，Y軸的正方向是指向物體的。這樣就形成了一個建模的基礎。三維激光掃描能夠同時得到不同方向的點，這樣比傳統(tǒng)的單點采集的速度快多了，可以形成很密集的點數(shù)據(jù)，從而繪制出物體。這種方法比之前的好，因為可以精確量得建筑物的數(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候，一般有幾個步驟，首先，把要繪制什么寫出一個計劃表，這樣就能夠直接得到建筑物的信息，得到點云了。我們在繪制之前，一定要做好詳細的規(guī)劃，主要是，知道掃描對象需要的精度，還有它的特點，這樣才能設計出準確的方法以及測量的站數(shù)，同時就了解到合理的采集密度了。在獲得數(shù)據(jù)的時候，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。我們一定要保證點云數(shù)據(jù)的正確性，因為這直接決定著以后的處理效果。所以，對于點云數(shù)據(jù)，還是要再次確定的。數(shù)據(jù)進行處理的時候，就是有點云數(shù)據(jù)的預先處理，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里的使用

3.1 得到點云數(shù)據(jù)

就對之前做過的一個仿古的大門為例子，進行了詳細的闡述。在這里面，用的是Leica ScanStation2三維激光掃描儀進行掃描的，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。我們在掃描的時候，用是多個測量工作站進行測量，因為目標物比較大。所以，掃描的時候一共有21個工作站，而且石雕的密度是2mm，別的地方是5mm。我們在測量的時候，充分保證了精度，有5%的重疊度，而且用能夠識別的標靶來當作鄰近的控制點，所以，最后建筑物的拼接精度為1～3mm。

3.2 三維建模

用點繪制圖有很大的好處，因為能夠把目標的真實情況表現(xiàn)出來。這里面也有缺點，比如：表達能力不是很好。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)沒有一個規(guī)律，是很亂的。掃描的時候，一定要仔細，避免激光設備亂動與激光的散射，因為這樣就會在一定程度上影響測量的數(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，這些內(nèi)容可以占用一些空間，所以，會影響計算機的運營，同時對計算的結果也會產(chǎn)生影響。建模之前一定要進行去噪聲的處理，否則會影響結果。然后是采樣，一定要進行統(tǒng)一的采樣處理。掃描儀采樣的時候，利用分站的掃描方法，所以，我們上面也說了，兩個挨著的掃描儀會有掃描重疊部分，這樣就會形成多的數(shù)據(jù)。另外，采樣的精度也有區(qū)別，一些點離掃描儀比較遠的時候，密度就比那些離得近的點密度小，這是無法避免的。所以，根據(jù)這種情況，就需要我們手工進行以下重采樣。重復采樣能夠有更多更準確的數(shù)據(jù)，方便我們進行建模。在形成網(wǎng)格填補空洞方面，我們知道，掃描儀得到的那些點，不是在建筑物上面存在的點，是一些離散的點，那么這些點就需要進一步處理，才能代表建筑物上面的情況。這時就要構建一種三角網(wǎng)，這種方法非常簡單，并且也很實用。我們在進行數(shù)據(jù)采集的時候，再先進的設備也不能把所有大數(shù)據(jù)都采集到。因為有一些死角在采集的時候，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。我們在建模的時候，不要漏掉這些數(shù)據(jù)，要用一些數(shù)據(jù)進行補充，這樣，建筑物的完整模型就能夠得到了。有時候，建筑物周圍的環(huán)境也會造成影響，比如：有別的建筑物的時候，或者是有樹木的時候，這樣就擋住了一部分數(shù)據(jù)。我們要用合適的方法進行填補，采用紋理映射，主要是形成一個模型和影響之間的合理關系。有了這個點和像素的關系以后，再用相機進行處理，就形成了一個完整的三維模型。

4 結語

現(xiàn)在，三維建模非常流行，但是國內(nèi)文物保護方面的三維建模技術還不是很好，相關的工作人員也不是很多。所以，我們?nèi)孕枰粩嗤度?，進一步發(fā)展相關的技術。

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