文/汪斌 王興鑫 祝蘭蘭

文物數(shù)字化三維數(shù)據(jù)類型通常主要分為傳統(tǒng)幾何造型技術、基于激光三維掃描成型技術、基于圖像三維重建成型技術三大類。

第一類：傳統(tǒng)幾何造型技術，依靠計算機圖像進行手工建模。這種建模技術具有很大的主觀意識存在，對于文物三維建模來說更是無法滿足研究者對于文物高精度的需求，且需要熟練且操作相對精通的技術人員，對許多不規(guī)則的物體進行三維建模，其真實感與真實物體存在一定的差異。

第二類：基于激光三維掃描成型技術，利用激光三維掃描設備獲得物體高精度三維模型，在逆向工程、醫(yī)療、航天、汽車、文物保護領域應用廣泛。目前激光三維掃描主要分為：機載（或車載）激光掃描、地面大型激光掃描、便攜式激光掃描。掃描距離分長、中、短等距離。

第三類：基于圖像三維重建技術，該技術隨著計算機視覺和計算機圖形學的發(fā)展而發(fā)展，該方法是采用數(shù)碼相機成像技術利用多幅圖像對物體進行重建，還可以從圖像序列中恢復三維模型。目前在計算機虛擬現(xiàn)實、文物數(shù)字化保護等領域廣泛應用。

1 文物數(shù)字化激光三維模型后處理軟硬件配置

1.1 硬件配置

針對激光三維掃描成型數(shù)據(jù)來說，其處理硬件配置需隨著激光掃描數(shù)據(jù)的精度提升而提升，高精度龐大的點云數(shù)據(jù)量對于顯卡顯存處理能力有關鍵制約作用，以精度在0.03～0.05mm 之間為例。那么圖形工作站顯卡配置顯存大小≥16GB。

1.2 軟件配置

主流逆向工程軟件，逆向工程軟件功能主要是集中于處理和優(yōu)化稀疏與密集的掃描點云，通過規(guī)則的點云可以進行快速成型，目前主要處理軟件主打Geomagic Studio、Rapidform 等軟件更加廣泛，其運行能力及用法更加容易掌握。

2 激光三維模型處理流程

整個數(shù)據(jù)處理過程可分為三維點云階段、網格模型階段、紋理階段、成果輸出四個步驟：

2.1 點云階段

2.1.1 點云去噪

以Geomagic 為例，選擇非連接性、體外孤點進行刪除，同時自由畫筆工具對主體物周邊進行勾選刪除。得到較為清爽干凈有序的三維點云。

2.1.2 多組點云對齊與合并

對于正反面多組模型需要對齊合并，需要在對齊的點云分組上選擇公共點，每組尋找4 個控制點。通過全局注冊對齊會得到一個差值，差值越小，對齊的數(shù)據(jù)越精確。將多組點云數(shù)據(jù)進行聯(lián)合為一個完整復合點云數(shù)據(jù)，整個過程需要將所有重疊區(qū)進行刪除，避免封裝完成后面片出現(xiàn)夾層。

2.1.3 點云采樣

對于館藏文物而言，原始點云數(shù)據(jù)量控制在原始大小有效點云，才能保證后期面片數(shù)據(jù)質量，根據(jù)實際需求來判斷。采用曲率采樣會在平面非結構線區(qū)域進行簡化，對于有凹凸起伏區(qū)域保留細節(jié)。

2.2 網格模型階段

掃描點云數(shù)據(jù)變成可編輯多邊形網格模型，以三角網格的形式鋪滿整個模型表面，創(chuàng)建成完整光滑面片模型。最大三角形數(shù)：原始面片數(shù)=原始點云數(shù)據(jù)*2。

2.2.1 缺陷檢測、網格醫(yī)生

通過缺陷檢測、網格醫(yī)生等修復工具，清理檢測實體模型質量，可以將非流行單元面、交叉單元面不規(guī)則曲面進行刪除清理。

2.2.2 孔洞填充

從現(xiàn)階段技術而言，不論是哪種掃描技術都是不可避免存在的漏洞。因此在對于空缺的數(shù)據(jù)需要后期的修補才能完整,通常在完整的數(shù)字化展覽、文物保護修復成本計算中常見，因此需要對模型存在的洞進行完整的處理，然而對于病害的分析與研究，就需要完整的采集數(shù)據(jù)從而進行數(shù)據(jù)處理。

2.3 追加紋理

紋理貼圖分為人工貼圖與計算機自動紋理映射，就目前而言紋理自動映射對于計算機算法的優(yōu)化還不是很全面，同樣對于數(shù)據(jù)前期采集也有很高的攝影要求。人工貼圖效率高，但從測量的角度來說，整個過程圖片會產生畸變、扭曲等較大的誤差，適用于展示。選擇合適的貼圖，在貼圖上選擇合適的點，同樣在對應的三維模型上選擇同樣的點，使用相應的點覆蓋到整個幾何模型，選擇的點越多，模型與貼圖將匹配的更加全面。

3 重點難點分析

3.1 夾層處理

由于算法和人為采集原因所導致模型表面覆蓋一層多余的面片，夾層面片需要進行去除，夾層面片分布著大量不規(guī)則多邊形、非流行單元面片，對于這部分數(shù)據(jù)需要在不損失完整模型的前提下進行剔除。

3.2 結構位置空缺修補

圖1：總體處理流程圖

由于角度及掃描空間限制等原因造成的模型表面結構處位置數(shù)據(jù)空缺的部分，在填充空洞的過程中除了常用的搭橋填補，平面填補，另外可以采用在本體相似結構處截取相似結構進行結構處理。

4 總結

在新興的數(shù)字化時代，文物數(shù)字化已經由單一模式轉變成多種模式，在記錄文物本體信息與處理的時候，需要更多考慮在龐大數(shù)據(jù)上的處理問題，紋理映射匹配的準確性，規(guī)范文物數(shù)字化采集與處理的相關流程，在有限的設備中，能提高數(shù)據(jù)生產的質量。文物數(shù)字化后期處理與工業(yè)設計、汽車制造等行業(yè)不同，在數(shù)據(jù)的準確性與還原度上有更高的要求，結合逆向工程設計梳理出文物數(shù)字化后期處理的操作規(guī)范與標準，從文物本體三維點云數(shù)據(jù)獲取至三維成品完成需要嚴格按照嚴謹有序的標準進行執(zhí)行，既能在質量上得到更高的保障，又能在效率上有很大的提升。