陳 川
(四川省第一測(cè)繪工程院,四川 成都)
中國(guó)歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng),造就了豐富的文物遺產(chǎn)。這些遺留文物不僅見證了歷史,也是人們了解歷史的寶貴財(cái)富。由于歷史更新迭代,自然地理環(huán)境的不斷變化等原因,大量文物面臨著流失或損壞的危險(xiǎn),現(xiàn)今文物保護(hù)已成為社會(huì)研究的熱點(diǎn)。隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)逐漸嶄露頭角,該技術(shù)是通過激光的形式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描,并以密集點(diǎn)云的形式將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),不用接觸目標(biāo)而獲得其表面的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),它快速、精準(zhǔn)、無接觸、掃描范圍廣等諸多特點(diǎn)使其在測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,也是獲取文物實(shí)體數(shù)據(jù)的最佳選擇。近年來,古文物的價(jià)值不斷提高,其歷史文化的獨(dú)特性和不可重復(fù)性讓人們對(duì)古文物的保護(hù)也越加重視,文物保護(hù)迫在眉睫,它不僅是人類文明發(fā)展的歷史見證,對(duì)于認(rèn)識(shí)歷史、探索文化內(nèi)涵、推進(jìn)文明進(jìn)步也起著重要的作用。
三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、探測(cè)接收器和控制系統(tǒng)等部件組成。工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光光束,透過兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的濾光鏡將激光束照射至物體表面,物體將激光束吸收或者反射,探測(cè)器將反射回來的包含紋理和顏色等信息的激光信號(hào)接收記錄,并通過計(jì)算激光發(fā)射到接收的時(shí)間差,得到激光發(fā)射點(diǎn)到物體表面的距離,在利用三維激光掃描儀自帶編碼器計(jì)算獲取激光發(fā)射角度,對(duì)距離和角度進(jìn)行計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)信息。通過旋轉(zhuǎn)激光器或者移動(dòng)掃描平臺(tái),對(duì)物體進(jìn)行全面掃描,獲得物體表面點(diǎn)完整三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),再由控制系統(tǒng)將收集信息轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
三維激光掃描點(diǎn)云的坐標(biāo)系由x、y、z 三個(gè)方向軸,x軸與y軸在水平掃描面相互垂直,z軸與x、y軸垂直。x、y、z 計(jì)算公式為:x = Scosθcos a, y = Scosθsin a, z =Ssinθ,其中,S 為測(cè)得掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離,a 和θ為掃描儀計(jì)算的水平和豎直掃描角度[3]。
三維激光掃描儀的激光測(cè)距方法根據(jù)儀器型號(hào)的不同可分為三種:脈沖式測(cè)距、相位差測(cè)距、激光三角測(cè)距。目前用于測(cè)繪行業(yè)的三維激光掃描儀主要是基于脈沖式測(cè)距法進(jìn)行距離量測(cè)。
(1) 脈沖式測(cè)距。通過激光器發(fā)射單點(diǎn)激光到物體表面,再由接收器記錄激光的回波信號(hào),通過計(jì)算激光的飛行時(shí)間,利用光速來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離。脈沖式測(cè)距測(cè)量效率高,適用于長(zhǎng)距離測(cè)量,精度可達(dá)米級(jí),測(cè)量精度主要受到脈沖計(jì)數(shù)器工作頻率與激光源脈沖寬度的限制。
(2) 相位差測(cè)距。通過激光發(fā)射器發(fā)射出一束不間斷激光,連續(xù)調(diào)制激光光束的發(fā)光強(qiáng)度并測(cè)定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲,通過相位延遲計(jì)算測(cè)量的距離。相位差測(cè)距測(cè)量范圍較小,功率一般較低,但測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí),測(cè)量精度主要受相位調(diào)制器的精度和調(diào)制信號(hào)的頻率限制。
(3) 激光三角法測(cè)距。激光發(fā)射器發(fā)射激光到物體表面,利用在基線另一端的CCD相機(jī)接收物體反射信號(hào),激光發(fā)射器與CCD 之間為固定長(zhǎng)度,以此構(gòu)成幾何三角形,根據(jù)夾角和兩邊長(zhǎng)度,可算出兩個(gè)物體間的距離。三角法測(cè)距主要應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和逆向工程重建中,測(cè)量精度可達(dá)亞毫米級(jí)。
三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)載體和掃描距離的不同,又可分為機(jī)載(遠(yuǎn)距)、車載(中距)、地面(中距)和手持(近距)幾種類型。較傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量而言,三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量方面有著“從點(diǎn)到面”的革命性技術(shù)突破。
(1) 機(jī)載激光三維掃描系統(tǒng),多用于大面積遠(yuǎn)距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理可生成精確的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)和地形級(jí)三維場(chǎng)景等數(shù)字化成果。(2) 車載激光三維掃描系統(tǒng),多用于中距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),該種類型多適用于城市三維建模、交通巡查、高精度地圖、地形測(cè)繪等方面。(3) 地面激光三維掃描系統(tǒng),多用于中距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),該種類型多適用于文物保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、建筑施工、大型結(jié)構(gòu)設(shè)備建模等方面。(4) 手持激光三維掃描系統(tǒng),能近距小范圍獲取高密集高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù),該種類型多適用于文物藝術(shù)品建模、工業(yè)零件逆向設(shè)計(jì)、各類零部件質(zhì)量檢測(cè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、人物建模等方面。
目前文物保護(hù)逐漸被人們所重視,同時(shí)隨著新技術(shù)的介入使得文物保護(hù)一步步邁向數(shù)字化。三維激光掃描技術(shù)建立模型可以讓物體、場(chǎng)景和環(huán)境得以逼真的表達(dá)和呈現(xiàn),再加上其高精度的特性,在文物保護(hù)、數(shù)字考古、數(shù)字城市、變形監(jiān)測(cè)等方向得到廣泛應(yīng)用[1]。原有的文物保護(hù)方法主要是通過常規(guī)測(cè)量加上照片拍攝等方式進(jìn)行,該類方式工作效率低,存在損傷文物的風(fēng)險(xiǎn),且對(duì)于一些不規(guī)則的、造型獨(dú)特的文物無法獲取其實(shí)體信息,而三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)解決了這一難題,成為文物保護(hù)的新技術(shù)手段,對(duì)于文物的保護(hù)、修復(fù)以及研究都有重要的意義。優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:
(1) 保護(hù)作業(yè)過程中的非接觸性。三維激光掃描技術(shù)通過激光掃描的形式對(duì)文物表面的幾何和紋理信息進(jìn)行采集,非接觸式的工作方法避免了對(duì)文物照成損壞。(2) 文物實(shí)體信息的數(shù)字化保存。實(shí)體信息數(shù)字化存儲(chǔ)為文物后期的修復(fù)或重建提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。(3) 可視化。通過對(duì)文物的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模,能夠讓文物更直觀的呈現(xiàn)在大眾面前,對(duì)于研究與創(chuàng)新也有很大幫助。
正是由于其技術(shù)有著廣闊的前景和價(jià)值,它在測(cè)量能力、自動(dòng)化的程度、測(cè)量速度以及人工工作強(qiáng)度等方面都高于其它測(cè)量技術(shù),三維激光掃描技術(shù)優(yōu)越的特點(diǎn)和性能,讓測(cè)繪在文物中的應(yīng)用從不可能變?yōu)榭赡埽屛奈锏靡酝耆珨?shù)字化的呈現(xiàn),這項(xiàng)新技術(shù)的突破,真正意義上實(shí)現(xiàn)了歷史文物得以數(shù)字化保存。
三維激光掃描儀能通過激光自動(dòng)化獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息,掃描工作一般采用多站式測(cè)量方法進(jìn)行。多站式掃描需現(xiàn)場(chǎng)踏勘布設(shè)標(biāo)靶控制點(diǎn),標(biāo)靶控制點(diǎn)是用于多測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接以及定義坐標(biāo)系控制精度的關(guān)鍵,在利用RTK 對(duì)標(biāo)靶控制網(wǎng)進(jìn)行GPS 測(cè)量[2]。工藝流程見圖1。
圖1 三維激光掃描工藝流程
點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集主要使用徠卡HDS C10 地面三維激光掃描儀和Handyscan700 手持掃描儀兩款儀器。
地面三維激光掃描儀掃描范圍寬廣,用于大面積點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作,作業(yè)方式為多站式掃描測(cè)量,掃描模式一般采用基于標(biāo)靶拼接的(需3 個(gè)標(biāo)靶及以上)模式,掃描前應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘合理規(guī)劃標(biāo)靶點(diǎn)位。基于標(biāo)靶拼接模式是為保證點(diǎn)云拼接精度的情況下采取的方式,此種模式需保證相鄰兩測(cè)站之間有3 個(gè)公共標(biāo)靶通過標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云之間的拼接,故點(diǎn)云拼接不受加密控制點(diǎn)精度影響。對(duì)于受地形限制不便采用標(biāo)靶拼接方式的,可以采用控制點(diǎn)拼接方式(需2 個(gè)標(biāo)靶及以上),采用該方式可布設(shè)不少于2 個(gè)標(biāo)靶位于控制點(diǎn)上。
手持三維激光掃描儀自由度較高,手持掃描時(shí)應(yīng)注意保持勻速、平穩(wěn),往返進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集。
實(shí)例對(duì)象紋理采集主要以實(shí)地拍照方式采集,對(duì)于實(shí)例對(duì)象頂部等區(qū)域無法完整獲取有效紋理的地方,可采用無人機(jī)拍照進(jìn)行補(bǔ)充??傮w原則是先整體后局部,先獲取實(shí)例對(duì)象的整景紋理,在對(duì)局部進(jìn)行精密拍攝。采集要求如下:(1) 采集照片中的成像必須清晰、不能有模糊、抖動(dòng)等現(xiàn)象出現(xiàn)。(2) 拍攝時(shí)要盡量避免任何的陰影,盡量消除所有眩光,提高照片的質(zhì)量。(3) 數(shù)碼相機(jī)的鏡頭應(yīng)盡量保持與拍攝對(duì)象立面平行。確保獲取的紋理影像正直。(4) 盡量減少無關(guān)地物的影響。比如:樹木、行人等等。(5) 實(shí)例對(duì)象的全景影像一張照片無法拍攝完全,則需規(guī)劃劃分拍攝網(wǎng)格,各格網(wǎng)之間至少保證20%的重疊度。按照網(wǎng)格進(jìn)行有序拍攝,最后將分段拍攝的照片拼接成一幅完整的影像。(6) 拍攝過程中,應(yīng)注意拍攝的角度要全面,不能留下死角,尤其要注意其對(duì)象自身的遮擋。
本次建模實(shí)例對(duì)象為巖壁石刻雕像,高約8 m,寬約7.5 m,采用地面三維激光掃描儀(徠卡HDS C10)和手持三維激光掃描儀(Handyscan700)兩種儀器布設(shè)多站完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。使用Laica Cyclone 軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理,通過Geomagic wrap 和3ds Max 軟件進(jìn)行三維建模與紋理映射。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、封裝及精簡(jiǎn)、擬合曲面等步驟。
3.1.1 地面三維激光掃描儀多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接
點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接主要有三種拼接方式:基于同名特征點(diǎn)拼接、基于控制點(diǎn)拼接、基于標(biāo)靶拼接。
(1) 基于同名特征點(diǎn)拼接。掃描過程中相鄰兩測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)保證一定的重疊度,通過人工交互方式選取重疊區(qū)域的同名特征點(diǎn),利用同名特征點(diǎn)確定點(diǎn)云拼接約束條件,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接。為保證拼接精度,要求不同的掃描視場(chǎng)內(nèi)有足夠的公共區(qū)域(一般不得小于20%);盡量在重疊區(qū)內(nèi)均勻地選取3 到5 個(gè)同名特征點(diǎn)。(2) 基于控制點(diǎn)拼接?;诳刂泣c(diǎn)拼接主要是將多視點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)并將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。此種拼接方式主要用于后視定向模式及標(biāo)靶拼接模式。在進(jìn)行拼接前,控制點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)先導(dǎo)入Cyclone 軟件。(3)基于標(biāo)靶拼接。基于標(biāo)靶拼接是利用測(cè)站與測(cè)站間的3個(gè)公共標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接,這種拼接方式較為自由靈活、精度高,可根據(jù)需要合理的擺放標(biāo)靶位置。
本次實(shí)例對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接采用標(biāo)靶、控制點(diǎn)、同名特征點(diǎn)三種混合的拼接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接,在確保點(diǎn)云拼接精度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)與采用坐標(biāo)系之間的匹配。
3.1.2 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接
手持三維激光掃描儀獲取的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用選取同名特征點(diǎn)的方式進(jìn)行拼接。為保證拼接精度,應(yīng)盡量選取多處特征明顯的部位進(jìn)行點(diǎn)云拼接。
3.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析
通過Geomagic wrap 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析,可以確定拼接精度是否滿足要求。
(1) 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析。下面兩處拼接實(shí)例,一處位于掃描對(duì)象頂部,位置較高,一處掃描對(duì)象右下方,實(shí)地掃描空間狹窄,點(diǎn)云獲取比較困難,故采用手持掃描儀的方式獲取。圖2 中右側(cè)精度指示條以正中開始,越往上(下)精度偏差越大。偏差分析結(jié)果如下:根據(jù)偏差分析圖可以看出絕大部分點(diǎn)云都集中在中間區(qū)域,精度較高,極小部分點(diǎn)云在精度條上(下)區(qū)域,偏差較大,是因?yàn)槟P徒⑵唇诱`差和獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)的一些外界因素(如揚(yáng)塵)所致,屬正常范圍。(2) 地面三維激光掃描儀多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析。下面兩處拼接實(shí)例,一處位于掃描對(duì)象的右上方區(qū)域,距離相對(duì)較遠(yuǎn),一處位于掃描對(duì)象的的中間區(qū)域,距離適中,選擇的兩處區(qū)域細(xì)節(jié)特征較多便于進(jìn)行偏差分析。圖3 中右側(cè)精度指示條以正中開始,越往上(下)精度偏差越大。偏差分析結(jié)果如下:根據(jù)偏差分析圖可以看出絕大部分點(diǎn)云都集中在中間區(qū)域,基本無較大偏差,兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊很好,精度較高。
圖2 不同掃描儀間點(diǎn)云拼接偏差分析
圖3 地面掃描儀多站點(diǎn)云拼接偏差分析
3.1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
多測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)后可獲得整個(gè)測(cè)區(qū)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù),當(dāng)三維激光掃描儀在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取的時(shí)候可能會(huì)受到周圍環(huán)境因素的影響出現(xiàn)躁點(diǎn),比如被其它物體遮擋而產(chǎn)生的不屬于掃描物體本身的冗余數(shù)據(jù)。為了更直觀且更便捷的建立三維建模,并提高模型精度,我們必須對(duì)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。
(1) 預(yù) 處 理。 在Cyclone 軟件中對(duì)已拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,通過人機(jī)交互的方式,對(duì)非建模區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和明顯噪聲進(jìn)行去除,僅保建模區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以.XYZ格式導(dǎo)出。(2) 點(diǎn)著色。將.XYZ格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入geomagic wrap 軟件中,由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件中顯示為黑色,不能呈現(xiàn)出文物的特征及點(diǎn)云的分布狀況,所以要對(duì)初次導(dǎo)入軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)著色處理,便于觀測(cè)文物特征和后續(xù)建模操作。軟件中選擇【點(diǎn)】-【著色】進(jìn)行著色處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色前后對(duì)比見圖4。(3) 刪除體外弧點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的非建模區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù),如樹木、山體、以及其他構(gòu)筑物等,對(duì)于這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)需人工排查去除。geomagic wrap 軟件中的【點(diǎn)】-【選擇】-【體外浮點(diǎn)】工具,可根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)情況設(shè)置對(duì)應(yīng)敏感度進(jìn)行體外弧點(diǎn)刪除工作。選中的體外弧點(diǎn)在軟件中顯示效果,見圖5。(4) 去除噪聲點(diǎn)。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差,在對(duì)象表面產(chǎn)生很多粗糙的、非均勻分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù),這些噪聲是由掃描環(huán)境以及掃描儀本身的震動(dòng)等多種原因產(chǎn)生,所以在點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝之前需要減少噪聲,噪聲點(diǎn)去除的數(shù)量會(huì)根據(jù)設(shè)置的平滑級(jí)別變化,平滑級(jí)別設(shè)置越高,封裝后的模型表面越光滑,這樣也會(huì)導(dǎo)致模型失真,所以在減噪的過程中可以將平滑級(jí)別調(diào)低,反復(fù)進(jìn)行減噪工序,以達(dá)到較好的效果。geomagic wrap 軟件中的【點(diǎn)】-【減少噪音】工具用于減少噪聲。(5) 統(tǒng)一采樣。實(shí)例對(duì)象掃描完成后會(huì)獲得龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù),存在海量的冗余數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量會(huì)影響后期的數(shù)據(jù)處理、傳輸和三維模型構(gòu)建效率,因此需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。在geomagic wrap 軟件中【點(diǎn)】-【統(tǒng)一采樣】工具,可以優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù),縮小模型數(shù)據(jù)占用空間,減少后期點(diǎn)云封裝時(shí)的計(jì)算強(qiáng)度及計(jì)算時(shí)間。定義采樣間距時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象的點(diǎn)云密集度及表面特征進(jìn)行調(diào)整,間距過大會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失,間距過小起不到統(tǒng)一采樣的目的。通過統(tǒng)一采樣,對(duì)象表面特征點(diǎn)不明顯之處點(diǎn)云數(shù)量和密度有所下降。(6) 封裝。封裝是將點(diǎn)云模型封裝為多邊形模型,封裝后模型表面則是由無數(shù)個(gè)三角形組成。上述步驟的處理將直接影響封裝模型的整體效果,在不熟悉上述工序參數(shù)設(shè)置的情況下,可多次嘗試,避免點(diǎn)云封裝后模型失真。點(diǎn)云封裝見圖6。
圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色前后對(duì)比
圖5 體外弧度去除
圖6 點(diǎn)云封裝
3.1.5 多邊形數(shù)據(jù)處理
(1) 創(chuàng)建流型。封裝后的多邊形模型必須進(jìn)行這一操作,將模型數(shù)據(jù)中的非流型三角形刪除,避免后期產(chǎn)生錯(cuò)誤。根據(jù)模型情況選擇創(chuàng)建打開流型或者封閉流型。(2) 填充孔。對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整的情況下,封裝后多邊型模型會(huì)存在孔洞現(xiàn)象,使用【多邊形】-【填充單個(gè)孔】工具進(jìn)行漏洞填補(bǔ)。(3) 簡(jiǎn)化和細(xì)化。使用【多邊形】-【簡(jiǎn)化】工具對(duì)多邊形模型進(jìn)行簡(jiǎn)化操作,在模型不失真的情況下,適當(dāng)優(yōu)化多邊形模型的三角形分布以減小模型數(shù)據(jù)量提高建模效率。該工序可重復(fù)操作,使模型的三角形數(shù)量和分布到達(dá)最優(yōu)。對(duì)模型特征細(xì)節(jié)較為明顯的區(qū)域使用【多邊形】-【細(xì)化】工具,增加三角形數(shù)量以保證模型的輪廓特征。(4) 砂紙打磨與去除特征。使用【多邊形】-【砂紙】工具對(duì)模型進(jìn)行打磨處理,使模型表面更加光滑,三角格網(wǎng)更加規(guī)律。使用【多邊形】-【去除特征】工具,去除模型本身不應(yīng)該有的特征表現(xiàn),減少三角格網(wǎng)。(5) 銳化。使用【銳化向?qū)А抗ぞ咦屇P瓦^于圓滑的地方變得棱角分明,同樣銳化執(zhí)行參數(shù)需進(jìn)行多次嘗試,系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)模型進(jìn)行區(qū)域分割,人工對(duì)分割紅線進(jìn)行調(diào)整以反應(yīng)物體對(duì)象的真實(shí)輪廓。銳化結(jié)束后模型生成的輪廓線用于下一步邊界線擬合。(6) 構(gòu)造曲面片。構(gòu)造曲面片前應(yīng)將模型的錯(cuò)誤三角格網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)和去除,使用【網(wǎng)格醫(yī)生】工具對(duì)模型的三角形進(jìn)行檢查,可選擇手動(dòng)或自動(dòng)的方式處理模型中存在錯(cuò)誤的三角形。然后對(duì)模型進(jìn)行特征線探測(cè),將模型的整體輪廓特征提取顯示。探測(cè)有兩種方式【探測(cè)輪廓線】和【探測(cè)曲率】,探測(cè)輪廓線適用于輪廓明顯的模型,探測(cè)曲率則適用于模型表面光滑,輪廓不明顯的模型,軟件自動(dòng)計(jì)算提出的輪廓線同樣需要人工修整。輪廓線修整完成后使用【構(gòu)造曲面片】工具創(chuàng)建曲面格網(wǎng),并對(duì)曲面格網(wǎng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整,以更好的還原模型的各類表面特征。(7) 構(gòu)造格柵和曲面擬合。使用【精確曲面】-【構(gòu)造格柵】工具在每個(gè)曲面片中生成格柵,格柵的生成數(shù)量通過設(shè)置分辨率調(diào)整,在構(gòu)造格柵同時(shí)勾選修復(fù)相交區(qū)域,軟件將自動(dòng)處理修復(fù)錯(cuò)誤的格柵。最后使用【擬合曲面】工具,擬合曲面形成最終幾何模型。
紋理映射是將現(xiàn)場(chǎng)獲取的二維照片圖像通過軟件對(duì)三維模型進(jìn)行紋理映射,還原對(duì)象本身的真實(shí)色彩和紋理特征。本次實(shí)例對(duì)象模型紋理映射使用3DSMAX軟件完成,模型文件需轉(zhuǎn)換為.MAX格式導(dǎo)入。
(1) 接縫。添加【UVW展開】修改器工具,點(diǎn)擊【邊】在格網(wǎng)模型上選擇要成為縫線的邊,比如石刻雕像的手臂與身體的交接處,使用【將邊選擇轉(zhuǎn)換為接縫】工具,對(duì)整個(gè)三維格網(wǎng)模型進(jìn)行接縫處理。(2) UV展開。標(biāo)記完所有接縫后,選擇特征區(qū)域使用“剝”面板中的【毛皮貼圖】-【開始毛皮】工具將其二維展平,再使用【松弛】工具自動(dòng)將展平區(qū)域松弛到盡可能與原網(wǎng)格的形狀匹配。對(duì)每個(gè)接縫區(qū)域進(jìn)行展平操作組成模型UVW 貼圖。(3) 紋理化。使用圖像處理軟件對(duì)精心布局的UVW貼圖進(jìn)行紋理化,通過3dsmax 軟件的材質(zhì)編輯器對(duì)格網(wǎng)模型進(jìn)行最終的紋理映射。紋理映射效果展示見圖7。
圖7 紋理映射效果展示
三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的高新技術(shù),是對(duì)文物保護(hù)數(shù)字化的重要手段,它不僅可以讓文物真實(shí)面貌再現(xiàn),還能將文物表面信息數(shù)字化,得到文物精確的幾何信息。例如文物的長(zhǎng)度、寬度、特征點(diǎn)、以及一些色彩信息等,使得這些信息能夠得以保存,為今后的文物修復(fù)打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。本研究主要描述三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用,具體總結(jié)如果:
(1) 利用地面三維激光掃描儀和手持三維激光掃描儀實(shí)地獲取文物對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用數(shù)碼相機(jī)采集二維紋理影像。(2) 利用Cyclone 軟件中混合拼接的方式對(duì)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理等預(yù)處理。(3) 通過Geomagic 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化建模。(4) 通過3DMAX 軟件對(duì)模型進(jìn)行紋理映射,獲得逼真的三維數(shù)字化模型。