朱 黎，胡 濤

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

多精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)的研究

朱 黎，胡 濤?

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

為了更好的保護(hù)和傳承中國的文化遺產(chǎn)，在傳統(tǒng)的基于三維激光的文化遺產(chǎn)數(shù)字化展示技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了多精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù).該技術(shù)首先設(shè)計(jì)了基于路徑規(guī)劃的大型遺址點(diǎn)云獲取技術(shù)，然后闡述了基于地理坐標(biāo)的大型遺址分區(qū)三維點(diǎn)云獲取技術(shù)，最后針對精細(xì)文物提出了多角度文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù).將該方法用于世界文化遺產(chǎn)——唐崖土司城遺址核心遺址文物的三維點(diǎn)云后，該文化遺產(chǎn)的三維虛擬展示提供了原始數(shù)據(jù)支撐.

三維掃描；路徑規(guī)劃；點(diǎn)云融合

文化遺產(chǎn)數(shù)字保護(hù)是當(dāng)前文化遺產(chǎn)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，為了能夠全面的展示文化遺產(chǎn)的內(nèi)涵，利用激光掃描技術(shù)獲取文化遺產(chǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并最終實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)的三維重建是目前比較常用的方法和手段[1－2].

目前主流的三維掃描技術(shù)有地面站激光掃描技術(shù)[3－4]、手持三維激光掃描技術(shù)和移動式三維激光掃描技術(shù).其中地面站激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于大型文物建筑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取[5－6]、手持三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于小型文物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取[7]、移動式三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于大型遺址場景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取[8－9].由于移動式三維激光掃描技術(shù)需要車輛等作為掃描載體，而很多文化遺產(chǎn)由于文化歷史背景以及保護(hù)的需要，在場地和保護(hù)上很難滿足車輛通行的要求，所以目前移動式三維掃描在文化遺產(chǎn)數(shù)字化過程中使用的較少.此外，目前使用kinect獲取文物遺址粗糙點(diǎn)云[10－11]和基于多角度圖像生成文物粗糙點(diǎn)云也是當(dāng)前熱點(diǎn)的研究問題，但是這兩種方法在精度和速度上很難滿足真實(shí)文化遺產(chǎn)數(shù)字化的需要，目前仍然處于理論研究階段.

基于常用的文化遺產(chǎn)三維激光掃描技術(shù)，本文從掃描路徑、遺址分區(qū)和精細(xì)掃描三個(gè)方面研究基于文化遺址的多精度三維點(diǎn)云的獲取方法，圍繞如何快速和較準(zhǔn)確的獲取文化遺產(chǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開討論，重點(diǎn)研究了對不同精度的文化遺產(chǎn)如何獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將該方法應(yīng)用于世界文化遺產(chǎn)——唐崖土司城遺址的三維重建與展示，通過實(shí)踐獲得了良好的效果，為同類型文化遺產(chǎn)的虛擬展示提供了借鑒和參考.

1 技術(shù)概述

針對文化遺產(chǎn)具有覆蓋面積大、文物種類豐富的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究了如何利用三維激光掃描技術(shù)獲取不同精度文化遺產(chǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).首先對文化遺產(chǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，按照尺寸、重要性和復(fù)雜性進(jìn)行文化遺產(chǎn)進(jìn)行分類；本文提出的方法將文化遺產(chǎn)分為遺址/大型文物類和小型文物類.針對遺址/大型文物具有占地面積廣、細(xì)節(jié)不豐富的特點(diǎn)，本文將利用地面三維激光掃描儀完成該類文化遺產(chǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；針對小型文物具有尺寸小、細(xì)節(jié)文理豐富的特點(diǎn)，本文將利用手持三維激光掃描儀完成該類文化遺產(chǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集.圖1為基于不同掃描儀獲取的唐崖土司城張王廟遺址廟、石人、石馬點(diǎn)云的密度對比圖，從圖中可以看出手持三維掃描儀采集的石馬點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度最高，這意味著虛擬文化遺產(chǎn)將具備更豐富的紋理.由于后期需要對虛擬文化遺產(chǎn)進(jìn)行高精度的文理映射，在采集文化遺產(chǎn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需要使用高分辨率影像設(shè)備采集多角度的文化遺址高清影像.

圖1 張王廟遺址不同文物點(diǎn)云密度(廟、石人、石馬)Fig.1 The point cloud density of relics in Zhangwang Uiao(temple stone man，stone horse)

圖2 大型遺址點(diǎn)云獲取流程Fig.2 Point clond acquisition process of large site

1.1 基于路徑規(guī)劃的大型遺址點(diǎn)云獲取技術(shù)

由于大型遺址具有面積廣的特點(diǎn)，需要使用多次激光掃描才能獲取到完整的遺址三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).圖2為基于地面站三維掃描儀的大型遺址點(diǎn)云獲取流程.首先需要根據(jù)大型遺址的地理位置情況設(shè)計(jì)掃描控制網(wǎng)來確定掃描儀的擺放位置，然后根據(jù)控制網(wǎng)來規(guī)劃掃描的路徑，最后通過掃描儀矯正、靶標(biāo)設(shè)置、數(shù)據(jù)掃描等環(huán)節(jié)輸出大型遺址的點(diǎn)云數(shù)據(jù).

圖3是本文在采集唐崖土司城遺址張王廟遺址(圖3(a))的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的示例圖，張王廟遺址占地面積約為220m2，由山門、馬殿、拜殿三部分組成，為了能夠完整展示張王廟遺址，基于地理坐標(biāo)的方法共設(shè)計(jì)了由12個(gè)掃描點(diǎn)構(gòu)成的控制網(wǎng)(圖3(b)).

圖3 基于路徑規(guī)劃的張王廟遺址點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集Fig.3 Point cloud data collection of Zhangwang Uiao based on path planning

1.2 基于地理坐標(biāo)的大型遺址分區(qū)三維點(diǎn)云獲取技術(shù)

在遺址的三維點(diǎn)云采集的過程中，存在著遺址面積過大，一次性完成整個(gè)遺址的三維點(diǎn)云難度很大.本文提出了一種基于地理坐標(biāo)的大型遺址分區(qū)三維點(diǎn)云獲取技術(shù)，該技術(shù)在進(jìn)行點(diǎn)云獲取前勘測整個(gè)遺址地形，然后根據(jù)人員和設(shè)備的實(shí)際情況，對遺址的點(diǎn)云采集區(qū)域進(jìn)行劃分，然后分別對遺址的不同區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并完成區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理.圖4是對唐崖土司城遺址衙署區(qū)遺址按照分區(qū)思想進(jìn)行三維點(diǎn)云獲取的示意圖.衙署區(qū)占地面積約為24500m2(圖4(a))，根據(jù)三維激光掃描儀的精度和衙署區(qū)的功能劃分，將整個(gè)衙署區(qū)分為了7個(gè)區(qū)域進(jìn)行三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云采集(圖4(b))，對每個(gè)區(qū)域進(jìn)行三維點(diǎn)云的獲取和后期處理，構(gòu)建區(qū)域三維點(diǎn)云.

1.3 多角度文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)

考慮到文物自身的遮蔽和掃描死角等因素，在使用三維激光掃描儀對精細(xì)文物進(jìn)行三維點(diǎn)云獲取過程中，采用多角度文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)提高文物三維點(diǎn)云的完整性.圖5為唐崖土司城遺址右石人文物多角度三維點(diǎn)云獲取示意圖.根據(jù)右石人的大小和形狀，對右石人進(jìn)行8站三維點(diǎn)云獲取(圖5(a))，每一站三維掃描結(jié)果如圖5(b)所示，通過對8站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，形成右石人的完整三維點(diǎn)云.

圖4 基于地理坐標(biāo)的衙署區(qū)遺址數(shù)據(jù)采集Fig.4 Data collection of the office area based on geographic coordinates

圖5 基于多角度掃描的右石馬數(shù)據(jù)采集Fig.5 Data collection of the right stone horse based on muilti－angle scanning

2 結(jié)果分析

基于本文提出多精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)，對世界文化遺產(chǎn)——湖北唐崖土司城遺址的核心遺址文物進(jìn)行數(shù)字化獲取等實(shí)驗(yàn)，最后采用虛擬建模技術(shù)對采集到的三維點(diǎn)云進(jìn)行虛擬展示，以證明本文方法的實(shí)用性.

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取結(jié)果

張王廟遺址的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是基于地理坐標(biāo)12個(gè)掃描點(diǎn)構(gòu)成的控制路徑掃描并重建后的效果(圖6 (a))；由于在區(qū)域遺址進(jìn)行三維點(diǎn)云獲取過程中，掃描儀記錄了每一次掃描的絕對地理坐標(biāo)，在相同的地理坐標(biāo)系下對區(qū)域遺址三維點(diǎn)云進(jìn)行拼接融合，最終可以得到衙署區(qū)遺址的整體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6(b)所示；為了確保雕塑類模型具有高的建模精度，采用手持三維掃描儀獲取右石人文物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)右石人的大小和形狀，對右石人進(jìn)行8站多角度三維點(diǎn)云獲取，然后通過對8站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合，形成右石人的完整三維點(diǎn)云，效果圖如圖6(c)所示.

從圖6可以看出本文提出的三種精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)分別適用于不同精度的遺址文物場景，具體歸納如表1所示.

圖6 基于高精度遺址文物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取結(jié)果Fig.6 The point cloud acquisition results of high precision relics

2.2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的文化遺產(chǎn)三維虛擬重建

對于單項(xiàng)遺址或文物，基于高精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)與基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高清影像的文化遺產(chǎn)三維重建技術(shù)，可以對單項(xiàng)遺址或文物進(jìn)行高精度的三維重建，然后利用Unity3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)遺址或文物的虛擬展示.在實(shí)踐過程中，本文對唐崖土司城遺址中的張王廟遺址(含石人石馬各一對)、衙署區(qū)遺址(含大牌坊一座)和土司王墳遺址進(jìn)行了三維數(shù)據(jù)采集與三維模型重建.重建后的遺址和文物精細(xì)效果如圖7－8所示.從圖中可以看出，大型遺址的整體重建效果較好，但并未著重突出遺址的所有紋理細(xì)節(jié)；對于遺址上存有文物，利用多角度文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)以及豐富的影像數(shù)據(jù)，完成了文物的高精度三維重建和虛擬文物的高逼真紋理映射.

表1 多精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)對比分析Tab.1 The comparative analysis of three－dimensional point cloud acquisition technologics

圖7 唐崖土司城遺址三維建模效果圖Fig.7 The tree－dimensional reconstruction results of Tangya Tusi castle ruins

圖8 唐崖土司城遺址石人精細(xì)文物三維建模效果圖Fig.8 The three－dimensional reconstruction results for stone man in Tangya Tusi castle

3 結(jié)論

本文針對文化遺產(chǎn)的數(shù)字化獲取問題，在傳統(tǒng)的三維掃描技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了多精度遺址文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù).該技術(shù)首先利用成熟的激光掃描技術(shù)，并結(jié)合遺址和文物的地理特性，提出了適用于大型遺址和精細(xì)文物的不同激光掃描方法.具體來講，利用基于路徑規(guī)劃的大型遺址點(diǎn)云獲取技術(shù)和基于地理坐標(biāo)的大型遺址分區(qū)三維點(diǎn)云獲取技術(shù)對大型遺址進(jìn)行三維點(diǎn)云獲取，并對于精細(xì)文物采用多角度文物三維點(diǎn)云獲取技術(shù)重建了文物的高密度點(diǎn)云.在進(jìn)行點(diǎn)云獲取的過程中，同時(shí)對遺址和文物的真實(shí)紋理進(jìn)行了高精度影像數(shù)據(jù)的獲取.

最后利用本文提出的技術(shù)，用于世界文化遺產(chǎn)——唐崖土司城遺址的虛擬展示，按照大場景遺址虛擬化方法重建了衙署區(qū)、土司王墳和張王廟遺址模型，按照精細(xì)文物虛擬化方法重建了石人、石馬、牌坊等文物模型，為同類型的文化遺址點(diǎn)云獲取提供了借鑒思路.

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責(zé)任編輯:時(shí) 凌

Study on Multi－resolution Digital Presentation for Cultural Heritage

ZHU Li，HU Tao?
(School of Information and Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

In order to protect and inherit Chinese cultural heritage more effectively，we proposea multiresolution digital presentation method for cultural heritage in this paper，which is based on the traditional technology of three－dimensional laser for different types of research objects.First of all，a method of three－dimensional point cloud acquisition method for large site and fine historical relic is designed.Then，the three－dimensional reconstruction technology based on three－dimensional point cloud and high definition image data is described.Finally，a method of cultural relics model fusion and display based on location coordinates is proposed.In this paper，the proposed method is used in virtual display of Tangya Tusi Castle Ruins which is the world′s cultural heritage.Through model fusion，the multi－resolution digital presentation for Tangya Tusi Castle Ruins is completed.

3－D scanning；path planning；point cloud fusion；model encapsulation

TP391

A

1008－8423(2017)01－0011－05

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.003

2016－11－16.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61562025)；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAK27B03)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFC782).

朱黎(1984－)，女，講師，碩士，主要從事圖形圖像處理的研究；?

胡濤(1984－)，男，講師，碩士，主要從事圖形圖像處理的研究.