王昌翰，向澤君，劉潔

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

三維激光掃描技術(shù)在文物三維重建中的應(yīng)用研究

王昌翰?，向澤君，劉潔

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

三維激光掃描技術(shù)為文物高精度三維重建提供了新的途徑，為文物的數(shù)字化展示、數(shù)字博物館的建立、文物鑒賞以及文化遺產(chǎn)的保存提供了新的思路。本文通過(guò)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維構(gòu)網(wǎng)、紋理映射、三維模型構(gòu)建及三維瀏覽等關(guān)鍵技術(shù)研究，解決了三維激光掃描系統(tǒng)用于高精度文物三維重建中的若干技術(shù)難題，并精確重建出文物三維模型。

三維激光掃描；文物；三維重建

1 前 言

文物的數(shù)字化展示以及數(shù)字博物館的建立是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。精確重建出的文物三維模型在永久保存文物原貌、文物鑒賞與研究、文物修復(fù)等方面具有極其重要的意義；同時(shí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)手段對(duì)數(shù)字化三維文物模型進(jìn)行三維可現(xiàn)化展示、改變了傳統(tǒng)文物展示模式，人們可身臨其境地在三維虛擬環(huán)境中多角度瀏覽。

隨著地面三維激光掃描系統(tǒng)軟硬件的不斷完善，將地面三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用于文物三維重建受到極大關(guān)注，特別是在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)、離散激光點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)、三維模型的紋理映射等方面。本文以重慶大足石刻千手觀音和臥佛為例探討了三維激光掃描技術(shù)在造型非常復(fù)雜的文物三維重建中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，并研發(fā)文物三維仿真瀏覽平臺(tái)，集成海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所建文物三維模型的各種測(cè)量、分析和漫游等功能。

2 數(shù)據(jù)采集

選用Riegl公司的LMS－Z420i三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，LMS－Z420i三維激光掃描儀精度較高，測(cè)速快、穩(wěn)定性好，它完成一個(gè)全景(360°水平)的最高精度掃描只需要10多分鐘時(shí)間，激光安全等級(jí)高，配置的相機(jī)較好，能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

對(duì)應(yīng)掃描對(duì)象，設(shè)置可控制整體場(chǎng)景的標(biāo)靶，在360°環(huán)境，使用4個(gè)標(biāo)靶。然后分左、中、右三站對(duì)千手觀音造像進(jìn)行三維激光掃描，并同時(shí)用掃描儀配置的高精度數(shù)碼相機(jī)拍攝同軸影像。掃描的點(diǎn)間距為1 mm～3 mm。

完成掃描后，利用三維激光掃描系統(tǒng)配套軟件提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，并對(duì)其整理以備后期處理工作。

3 多視點(diǎn)激光點(diǎn)云的全自動(dòng)無(wú)縫拼接

激光掃描儀在某一視點(diǎn)掃描目標(biāo)時(shí)，由于受到觀察方向和目標(biāo)本身形狀的限制，不可能獲得掃描目標(biāo)的完整信息。因此，為了構(gòu)建目標(biāo)完整的三維模型，需要選擇不同的視點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描。獲取數(shù)據(jù)時(shí)，由于每個(gè)視點(diǎn)獲取的激光掃描數(shù)據(jù)都位于各自的激光掃描坐標(biāo)系中，需要將從不同視點(diǎn)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到某個(gè)固定的坐標(biāo)系中?；跇?biāo)靶的全自動(dòng)點(diǎn)云拼接原理如下:

每站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在以?huà)呙鑳x位置為零點(diǎn)的局部坐標(biāo)系下，即每次經(jīng)掃描得到的激光點(diǎn)云的坐標(biāo)系是獨(dú)立和不關(guān)聯(lián)的。因此，為了進(jìn)行點(diǎn)云拼接，在場(chǎng)地中設(shè)置標(biāo)靶。一般要求標(biāo)靶面要與掃描的方向垂直(即標(biāo)靶面正對(duì)掃描儀)，標(biāo)靶與掃描儀間的距離要在掃描儀的有效使用范圍內(nèi)。標(biāo)靶要均勻分布于整個(gè)掃描范圍或重疊范圍，互相之間盡量遠(yuǎn)離。

實(shí)際掃描時(shí)，從多個(gè)測(cè)站對(duì)同一組標(biāo)靶進(jìn)行掃描。使得各站的掃描結(jié)果中相鄰兩站均包含3個(gè)以上不共線(xiàn)且不共面的同名標(biāo)靶。在掃描過(guò)程中，掃描儀可以在指定的視場(chǎng)范圍內(nèi)自動(dòng)尋找標(biāo)靶并以極高的點(diǎn)密度進(jìn)行精確掃描，處理軟件可以自動(dòng)提取標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)。各站點(diǎn)云間的關(guān)系由標(biāo)靶精確確定的同名控制點(diǎn)決定。如果控制點(diǎn)數(shù)目多于3組，就可以獲得最小二乘意義上的變換參數(shù)，從而完成對(duì)各站數(shù)據(jù)更精確的拼接。七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法適用于歐拉角很小的兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，但由于激光掃描儀各測(cè)站坐標(biāo)系之間歐拉角可能很大，故采用以下轉(zhuǎn)換模型:

在相鄰的第i組和第i＋1組激光點(diǎn)云Mi和Mi＋1中，假設(shè)確定出n組同名點(diǎn)對(duì)。(Xi，Yi，Zi)與(Xi＋1，Yi＋1，Zi＋1)是這些共軛點(diǎn)對(duì)中的一組，它們之間表達(dá)成關(guān)于旋轉(zhuǎn)變量(ψi，ωi，ki)和平移變量(Ti，X，Ti，Y，Ti，Z)的函數(shù)關(guān)系式為:

其中，λi是比例系數(shù)；Ri，是關(guān)于旋轉(zhuǎn)變量(ψi，ωi，ki)的旋轉(zhuǎn)矩陣，ai，bi，ci是由旋轉(zhuǎn)變量的函數(shù)組成的方向余弦，各參數(shù)值如(5)式所示[1]。

那么，第i組離散點(diǎn)云與第i＋1組離散點(diǎn)云的空間三維相似變換的誤差方程式的矩陣形式如式(4)所示[2]:

依靠標(biāo)靶控制點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)云之間的變換參數(shù)，有多余觀測(cè)時(shí)，迭代求解，直到未知數(shù)的改正數(shù)足夠小為止，則實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)云之間精確的坐標(biāo)統(tǒng)一。激光點(diǎn)云的獲取也可以在已知參考坐標(biāo)系下進(jìn)行測(cè)量。另外，在獨(dú)立坐標(biāo)系下的測(cè)量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系后，也可以配準(zhǔn)到已知的參考坐標(biāo)系下。

4 三維構(gòu)網(wǎng)方法

Delaunay三角形理論在二維Delaunay三角網(wǎng)的構(gòu)建上最為成功，但其理論與方法不能直接推廣到三維Delaunay三角網(wǎng)的情形。基于最大－最小角的對(duì)角線(xiàn)交換技術(shù)在三維空間的三角剖分中也不再成立。三維Delauany剖分理論研究還尚未成熟，仍需要繼續(xù)完善。對(duì)于復(fù)雜的物體，自動(dòng)生成的三維三角網(wǎng)不能保證其質(zhì)量。目前仍沒(méi)有一種通用的三維Delauany剖分方法能夠準(zhǔn)確的表現(xiàn)各種模型。

總的來(lái)說(shuō)，目前二維Delaunay三角網(wǎng)憑借其優(yōu)良的性能，成為最常用的三維點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)方法?？臻g數(shù)據(jù)的二維構(gòu)網(wǎng)方法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比三維構(gòu)網(wǎng)方法簡(jiǎn)單，且能夠準(zhǔn)確的反映目標(biāo)表面的特征變化。不過(guò)當(dāng)空間點(diǎn)集出現(xiàn)內(nèi)部點(diǎn)互相重疊遮擋的情況，按照二維構(gòu)網(wǎng)的原則進(jìn)行處理，重疊部分的點(diǎn)將出現(xiàn)錯(cuò)誤連接，因此，這種方法適用于不重疊的三維點(diǎn)云表面模型的構(gòu)建。

5 激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)

僅僅依靠激光點(diǎn)云對(duì)物體進(jìn)行三維建模是不夠的，缺乏對(duì)表面紋理特征的有力表達(dá)。數(shù)字影像可以提供豐富的光譜信息和真實(shí)的紋理信息，要將激光點(diǎn)云和數(shù)字影像結(jié)合首先需要解決的問(wèn)題是兩種數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。激光點(diǎn)云是三維數(shù)據(jù)，而數(shù)字影像是二維數(shù)據(jù)，要將它們進(jìn)行配準(zhǔn)有三種方案。

第一種方案是將三維激光點(diǎn)云視為數(shù)字影像的物方點(diǎn)，通過(guò)找對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的方法，直接將兩者進(jìn)行配準(zhǔn)。第二種方案是將同一視點(diǎn)的多張數(shù)字影像匹配生成物方三維點(diǎn)云，然后將激光點(diǎn)云與匹配點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)。第三種方案是將激光點(diǎn)云投影生成的模擬影像與實(shí)際拍攝的數(shù)字影像進(jìn)行配準(zhǔn)。

LMS－Z420i三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了與數(shù)碼相機(jī)的集成，且其中一部分硬件系統(tǒng)獲取的數(shù)字影像與激光掃描數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行最佳套合，即獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和二維影像數(shù)據(jù)是一一對(duì)應(yīng)的。在掃描儀獲取激光點(diǎn)云的同時(shí)，相機(jī)拍攝高分辨率數(shù)字影像，影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換矩陣由與掃描系統(tǒng)相關(guān)的矩陣和與相機(jī)綁縛相關(guān)的矩陣共同構(gòu)成。根據(jù)這種特征，系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)，通過(guò)硬件的方法解決了軟件配準(zhǔn)上的不足，大大提高了配準(zhǔn)的精度。

6 幾何模型的紋理重建

三維重建的過(guò)程包括幾何建模與紋理映射。在獲取目標(biāo)完整的三維點(diǎn)云后，對(duì)這些離散點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，從而獲取目標(biāo)的三維幾何模型。對(duì)目標(biāo)的幾何模型恢復(fù)其紋理信息的過(guò)程即為紋理重建。紋理重建的主要目的就是建立三維幾何模型與影像之間的紋理映射，即建立幾何模型上各三角形頂點(diǎn)與影像像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

目標(biāo)的三維幾何模型已經(jīng)建立，激光點(diǎn)云與數(shù)字影像配準(zhǔn)以后，三維點(diǎn)云與影像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也已知，因而就可以進(jìn)行紋理映射，將影像上的紋理賦給三角網(wǎng)模型，生成具有真實(shí)紋理的三維模型。由于激光點(diǎn)云和數(shù)字影像的精度都比較高，按照紋理映射原理計(jì)算得到的結(jié)果，誤差就比較小，而且多余同名點(diǎn)也可進(jìn)行聯(lián)合平差以減少誤差。

7 實(shí)驗(yàn)與分析

7.1 多視點(diǎn)云的全自動(dòng)無(wú)縫拼接

由于千手觀音造像正在進(jìn)行搶救性保護(hù)工程，前面搭有兩層架子，對(duì)數(shù)據(jù)的獲取造成一定程度的遮擋。選擇在中間一層平臺(tái)分左、中、右三站對(duì)千手觀音造像進(jìn)行三維激光掃描，掃描的點(diǎn)間距為1 mm～3 mm，并同時(shí)使用掃描儀頂部配置的尼康單反數(shù)碼相機(jī)拍攝高分辨率同軸數(shù)字影像。掃描獲得千手觀音左、中、右三站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)粗差剔除后，分別如圖1～圖3所示。

圖1 千手觀音第一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 千手觀音第二站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 第三站點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

圖4 千手觀音拼接融合后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

掃描時(shí)在場(chǎng)地中設(shè)置4個(gè)不共線(xiàn)也不共面的標(biāo)靶，通過(guò)標(biāo)靶將獨(dú)立坐標(biāo)系下的三站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中。去除重合的點(diǎn)云，將三站點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合成整體，如圖4所示。

7.2 激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)

激光掃描硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與數(shù)碼相機(jī)的集成，系統(tǒng)獲取的激光點(diǎn)云與數(shù)字影像能夠進(jìn)行最佳的套合，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和二維影像數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)。

7.3 離散激光點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)

根據(jù)二維Delaunay三角網(wǎng)的剖分方法，對(duì)離散點(diǎn)云進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，得到幾何建模后的表面模型。由結(jié)果可以看出，這種構(gòu)網(wǎng)方法能夠很好地保持重建對(duì)象的特征。

7.4 幾何模型的紋理映射

根據(jù)激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)結(jié)果，用同步影像對(duì)千手觀音和臥佛造像構(gòu)網(wǎng)后的幾何模型進(jìn)行紋理映射，并通過(guò)對(duì)明暗、高光、對(duì)比度和擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)的設(shè)置對(duì)模型進(jìn)行渲染，得到逼真的文物三維模型，如圖5所示。

圖5 千手觀音三維模型

至此，通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)拼接、三維構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等工作，完成了文物的三維重建。然后在文物三維仿真瀏覽平臺(tái)上，用戶(hù)以第一人稱(chēng)視覺(jué)方式在虛擬的三維空間中瀏覽，可進(jìn)行放大、縮小、測(cè)量等功能，如圖6所示。

圖6 千手觀音三維瀏覽平臺(tái)

8 結(jié) 論

給合應(yīng)用多種數(shù)據(jù)獲取方法及多源數(shù)據(jù)的融合是目前文物三維重建的發(fā)展趨勢(shì)。將三維激光掃描技術(shù)與基于影像的建模技術(shù)結(jié)合進(jìn)行文物三維重建，將加快三維重建的速度和提高模型的精度，使重建出的三維模型更加完美逼真，具有很大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。本文提出的方法在一定程度上解決了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于文物三維重建的相關(guān)問(wèn)題，但是在點(diǎn)云模型簡(jiǎn)化方法、三維三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)方法、基于影像的三維重建、近景攝影測(cè)量與三維激光掃描儀結(jié)合使用等關(guān)鍵技術(shù)方面仍有待進(jìn)一步研究。

[1] 王之卓.攝影測(cè)量原理[M].北京:測(cè)繪出版社，1979

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[4] 尤紅建.激光三維遙感數(shù)據(jù)處理及建筑物重建[M].北京:測(cè)繪出版社，2006

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The Study of the Application of the 3D Laser Scanning Technology in the 3D Reconstruction of Cultural Relics

Wang ChangHan，Xiang ZeJun，Liu Jie
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

The 3D Laser Scanning Technology provides a new approach for the high－precision 3D reconstruction of cultural relics and a new solution that can be applied in the digital displaying of cultural relics，the construction of digital library，the identification of cultural relics，and the protection of cultural heritage.This paper does some research on the key technologies which including the processing of 3D laser point cloud data，3D triangulation，texture mapping，3D model construction，and 3D viewing.This paper resolves some technical problems of the 3D laser scanning system that used in the high－precision 3D reconstruction of cultural relics to reconstruct the 3D models of cultural relics accurately.

3D laser scanning；cultural relics；3D reconstruction

1672－8262(2010)06－67－04

P234

A

2010—06—22

王昌翰(1967—)，男，正高職高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪及空間地理信息開(kāi)發(fā)應(yīng)用。