多精度遗址文物三维点云获取技术的研究

朱 黎，胡 涛

(湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000)

多精度遗址文物三维点云获取技术的研究

朱 黎，胡 涛∗

(湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000)

为了更好的保护和传承中国的文化遗产，在传统的基于三维激光的文化遗产数字化展示技术的基础上，提出了多精度遗址文物三维点云获取技术.该技术首先设计了基于路径规划的大型遗址点云获取技术，然后阐述了基于地理坐标的大型遗址分区三维点云获取技术，最后针对精细文物提出了多角度文物三维点云获取技术.将该方法用于世界文化遗产——唐崖土司城遗址核心遗址文物的三维点云后，该文化遗产的三维虚拟展示提供了原始数据支撑.

三维扫描；路径规划；点云融合

文化遗产数字保护是当前文化遗产和计算机领域研究的热点问题，为了能够全面的展示文化遗产的内涵，利用激光扫描技术获取文化遗产的三维点云数据并最终实现文化遗产的三维重建是目前比较常用的方法和手段[1－2].

目前主流的三维扫描技术有地面站激光扫描技术[3－4]、手持三维激光扫描技术和移动式三维激光扫描技术.其中地面站激光扫描技术主要应用于大型文物建筑的三维点云数据获取[5－6]、手持三维激光扫描技术主要应用于小型文物的三维点云数据获取[7]、移动式三维激光扫描技术主要应用于大型遗址场景的三维点云数据获取[8－9].由于移动式三维激光扫描技术需要车辆等作为扫描载体，而很多文化遗产由于文化历史背景以及保护的需要，在场地和保护上很难满足车辆通行的要求，所以目前移动式三维扫描在文化遗产数字化过程中使用的较少.此外，目前使用kinect获取文物遗址粗糙点云[10－11]和基于多角度图像生成文物粗糙点云也是当前热点的研究问题，但是这两种方法在精度和速度上很难满足真实文化遗产数字化的需要，目前仍然处于理论研究阶段.

基于常用的文化遗产三维激光扫描技术，本文从扫描路径、遗址分区和精细扫描三个方面研究基于文化遗址的多精度三维点云的获取方法，围绕如何快速和较准确的获取文化遗产的三维点云数据展开讨论，重点研究了对不同精度的文化遗产如何获取三维点云数据，并将该方法应用于世界文化遗产——唐崖土司城遗址的三维重建与展示，通过实践获得了良好的效果，为同类型文化遗产的虚拟展示提供了借鉴和参考.

1 技术概述

针对文化遗产具有覆盖面积大、文物种类丰富的特点，本文重点研究了如何利用三维激光扫描技术获取不同精度文化遗产的三维点云数据.首先对文化遗产进行实地调研，按照尺寸、重要性和复杂性进行文化遗产进行分类；本文提出的方法将文化遗产分为遗址/大型文物类和小型文物类.针对遗址/大型文物具有占地面积广、细节不丰富的特点，本文将利用地面三维激光扫描仪完成该类文化遗产的三维点云数据采集；针对小型文物具有尺寸小、细节文理丰富的特点，本文将利用手持三维激光扫描仪完成该类文化遗产的三维点云数据采集.图1为基于不同扫描仪获取的唐崖土司城张王庙遗址庙、石人、石马点云的密度对比图，从图中可以看出手持三维扫描仪采集的石马点云数据密度最高，这意味着虚拟文化遗产将具备更丰富的纹理.由于后期需要对虚拟文化遗产进行高精度的文理映射，在采集文化遗产三维点云数据的同时，还需要使用高分辨率影像设备采集多角度的文化遗址高清影像.

图1 张王庙遗址不同文物点云密度(庙、石人、石马)Fig.1 The point cloud density of relics in Zhangwang Uiao(temple stone man，stone horse)

图2 大型遗址点云获取流程Fig.2 Point clond acquisition process of large site

1.1 基于路径规划的大型遗址点云获取技术

由于大型遗址具有面积广的特点，需要使用多次激光扫描才能获取到完整的遗址三维点云数据.图2为基于地面站三维扫描仪的大型遗址点云获取流程.首先需要根据大型遗址的地理位置情况设计扫描控制网来确定扫描仪的摆放位置，然后根据控制网来规划扫描的路径，最后通过扫描仪矫正、靶标设置、数据扫描等环节输出大型遗址的点云数据.

图3是本文在采集唐崖土司城遗址张王庙遗址(图3(a))的三维点云数据的示例图，张王庙遗址占地面积约为220m2，由山门、马殿、拜殿三部分组成，为了能够完整展示张王庙遗址，基于地理坐标的方法共设计了由12个扫描点构成的控制网(图3(b)).

图3 基于路径规划的张王庙遗址点云数据采集Fig.3 Point cloud data collection of Zhangwang Uiao based on path planning

1.2 基于地理坐标的大型遗址分区三维点云获取技术

在遗址的三维点云采集的过程中，存在着遗址面积过大，一次性完成整个遗址的三维点云难度很大.本文提出了一种基于地理坐标的大型遗址分区三维点云获取技术，该技术在进行点云获取前勘测整个遗址地形，然后根据人员和设备的实际情况，对遗址的点云采集区域进行划分，然后分别对遗址的不同区域进行点云数据采集，并完成区域点云数据的预处理.图4是对唐崖土司城遗址衙署区遗址按照分区思想进行三维点云获取的示意图.衙署区占地面积约为24500m2(图4(a))，根据三维激光扫描仪的精度和衙署区的功能划分，将整个衙署区分为了7个区域进行三维数据点云采集(图4(b))，对每个区域进行三维点云的获取和后期处理，构建区域三维点云.

1.3 多角度文物三维点云获取技术

考虑到文物自身的遮蔽和扫描死角等因素，在使用三维激光扫描仪对精细文物进行三维点云获取过程中，采用多角度文物三维点云获取技术提高文物三维点云的完整性.图5为唐崖土司城遗址右石人文物多角度三维点云获取示意图.根据右石人的大小和形状，对右石人进行8站三维点云获取(图5(a))，每一站三维扫描结果如图5(b)所示，通过对8站扫描数据进行处理和融合，形成右石人的完整三维点云.

图4 基于地理坐标的衙署区遗址数据采集Fig.4 Data collection of the office area based on geographic coordinates

图5 基于多角度扫描的右石马数据采集Fig.5 Data collection of the right stone horse based on muilti－angle scanning

2 结果分析

基于本文提出多精度遗址文物三维点云获取技术，对世界文化遗产——湖北唐崖土司城遗址的核心遗址文物进行数字化获取等实验，最后采用虚拟建模技术对采集到的三维点云进行虚拟展示，以证明本文方法的实用性.

2.1 点云数据获取结果

张王庙遗址的三维点云数据是基于地理坐标12个扫描点构成的控制路径扫描并重建后的效果(图6 (a))；由于在区域遗址进行三维点云获取过程中，扫描仪记录了每一次扫描的绝对地理坐标，在相同的地理坐标系下对区域遗址三维点云进行拼接融合，最终可以得到衙署区遗址的整体三维点云数据如图6(b)所示；为了确保雕塑类模型具有高的建模精度，采用手持三维扫描仪获取右石人文物的点云数据，根据右石人的大小和形状，对右石人进行8站多角度三维点云获取，然后通过对8站扫描数据进行处理和融合，形成右石人的完整三维点云，效果图如图6(c)所示.

从图6可以看出本文提出的三种精度遗址文物三维点云获取技术分别适用于不同精度的遗址文物场景，具体归纳如表1所示.

图6 基于高精度遗址文物的点云数据获取结果Fig.6 The point cloud acquisition results of high precision relics

2.2 基于点云数据的文化遗产三维虚拟重建

对于单项遗址或文物，基于高精度遗址文物三维点云获取技术与基于点云数据和高清影像的文化遗产三维重建技术，可以对单项遗址或文物进行高精度的三维重建，然后利用Unity3D技术实现单项遗址或文物的虚拟展示.在实践过程中，本文对唐崖土司城遗址中的张王庙遗址(含石人石马各一对)、衙署区遗址(含大牌坊一座)和土司王坟遗址进行了三维数据采集与三维模型重建.重建后的遗址和文物精细效果如图7－8所示.从图中可以看出，大型遗址的整体重建效果较好，但并未着重突出遗址的所有纹理细节；对于遗址上存有文物，利用多角度文物三维点云获取技术以及丰富的影像数据，完成了文物的高精度三维重建和虚拟文物的高逼真纹理映射.

表1 多精度遗址文物三维点云获取技术对比分析Tab.1 The comparative analysis of three－dimensional point cloud acquisition technologics

图7 唐崖土司城遗址三维建模效果图Fig.7 The tree－dimensional reconstruction results of Tangya Tusi castle ruins

图8 唐崖土司城遗址石人精细文物三维建模效果图Fig.8 The three－dimensional reconstruction results for stone man in Tangya Tusi castle

3 结论

本文针对文化遗产的数字化获取问题，在传统的三维扫描技术基础上，提出了多精度遗址文物三维点云获取技术.该技术首先利用成熟的激光扫描技术，并结合遗址和文物的地理特性，提出了适用于大型遗址和精细文物的不同激光扫描方法.具体来讲，利用基于路径规划的大型遗址点云获取技术和基于地理坐标的大型遗址分区三维点云获取技术对大型遗址进行三维点云获取，并对于精细文物采用多角度文物三维点云获取技术重建了文物的高密度点云.在进行点云获取的过程中，同时对遗址和文物的真实纹理进行了高精度影像数据的获取.

最后利用本文提出的技术，用于世界文化遗产——唐崖土司城遗址的虚拟展示，按照大场景遗址虚拟化方法重建了衙署区、土司王坟和张王庙遗址模型，按照精细文物虚拟化方法重建了石人、石马、牌坊等文物模型，为同类型的文化遗址点云获取提供了借鉴思路.

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责任编辑:时 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.

国家自然科学基金项目(61562025)；国家科技支撑计划项目(2015BAK27B03)；湖北省自然科学基金项目(2015CFC782).

朱黎(1984－)，女，讲师，硕士，主要从事图形图像处理的研究；∗

胡涛(1984－)，男，讲师，硕士，主要从事图形图像处理的研究.