文物数字化激光三维模型后期处理方法

文/汪斌 王兴鑫 祝兰兰

文物数字化三维数据类型通常主要分为传统几何造型技术、基于激光三维扫描成型技术、基于图像三维重建成型技术三大类。

第一类：传统几何造型技术，依靠计算机图像进行手工建模。这种建模技术具有很大的主观意识存在，对于文物三维建模来说更是无法满足研究者对于文物高精度的需求，且需要熟练且操作相对精通的技术人员，对许多不规则的物体进行三维建模，其真实感与真实物体存在一定的差异。

第二类：基于激光三维扫描成型技术，利用激光三维扫描设备获得物体高精度三维模型，在逆向工程、医疗、航天、汽车、文物保护领域应用广泛。目前激光三维扫描主要分为：机载（或车载）激光扫描、地面大型激光扫描、便携式激光扫描。扫描距离分长、中、短等距离。

第三类：基于图像三维重建技术，该技术随着计算机视觉和计算机图形学的发展而发展，该方法是采用数码相机成像技术利用多幅图像对物体进行重建，还可以从图像序列中恢复三维模型。目前在计算机虚拟现实、文物数字化保护等领域广泛应用。

1 文物数字化激光三维模型后处理软硬件配置

1.1 硬件配置

针对激光三维扫描成型数据来说，其处理硬件配置需随着激光扫描数据的精度提升而提升，高精度庞大的点云数据量对于显卡显存处理能力有关键制约作用，以精度在0.03～0.05mm 之间为例。那么图形工作站显卡配置显存大小≥16GB。

1.2 软件配置

主流逆向工程软件，逆向工程软件功能主要是集中于处理和优化稀疏与密集的扫描点云，通过规则的点云可以进行快速成型，目前主要处理软件主打Geomagic Studio、Rapidform 等软件更加广泛，其运行能力及用法更加容易掌握。

2 激光三维模型处理流程

整个数据处理过程可分为三维点云阶段、网格模型阶段、纹理阶段、成果输出四个步骤：

2.1 点云阶段

2.1.1 点云去噪

以Geomagic 为例，选择非连接性、体外孤点进行删除，同时自由画笔工具对主体物周边进行勾选删除。得到较为清爽干净有序的三维点云。

2.1.2 多组点云对齐与合并

对于正反面多组模型需要对齐合并，需要在对齐的点云分组上选择公共点，每组寻找4 个控制点。通过全局注册对齐会得到一个差值，差值越小，对齐的数据越精确。将多组点云数据进行联合为一个完整复合点云数据，整个过程需要将所有重叠区进行删除，避免封装完成后面片出现夹层。

2.1.3 点云采样

对于馆藏文物而言，原始点云数据量控制在原始大小有效点云，才能保证后期面片数据质量，根据实际需求来判断。采用曲率采样会在平面非结构线区域进行简化，对于有凹凸起伏区域保留细节。

2.2 网格模型阶段

扫描点云数据变成可编辑多边形网格模型，以三角网格的形式铺满整个模型表面，创建成完整光滑面片模型。最大三角形数：原始面片数=原始点云数据*2。

2.2.1 缺陷检测、网格医生

通过缺陷检测、网格医生等修复工具，清理检测实体模型质量，可以将非流行单元面、交叉单元面不规则曲面进行删除清理。

2.2.2 孔洞填充

从现阶段技术而言，不论是哪种扫描技术都是不可避免存在的漏洞。因此在对于空缺的数据需要后期的修补才能完整,通常在完整的数字化展览、文物保护修复成本计算中常见，因此需要对模型存在的洞进行完整的处理，然而对于病害的分析与研究，就需要完整的采集数据从而进行数据处理。

2.3 追加纹理

纹理贴图分为人工贴图与计算机自动纹理映射，就目前而言纹理自动映射对于计算机算法的优化还不是很全面，同样对于数据前期采集也有很高的摄影要求。人工贴图效率高，但从测量的角度来说，整个过程图片会产生畸变、扭曲等较大的误差，适用于展示。选择合适的贴图，在贴图上选择合适的点，同样在对应的三维模型上选择同样的点，使用相应的点覆盖到整个几何模型，选择的点越多，模型与贴图将匹配的更加全面。

3 重点难点分析

3.1 夹层处理

由于算法和人为采集原因所导致模型表面覆盖一层多余的面片，夹层面片需要进行去除，夹层面片分布着大量不规则多边形、非流行单元面片，对于这部分数据需要在不损失完整模型的前提下进行剔除。

3.2 结构位置空缺修补

图1：总体处理流程图

由于角度及扫描空间限制等原因造成的模型表面结构处位置数据空缺的部分，在填充空洞的过程中除了常用的搭桥填补，平面填补，另外可以采用在本体相似结构处截取相似结构进行结构处理。

4 总结

在新兴的数字化时代，文物数字化已经由单一模式转变成多种模式，在记录文物本体信息与处理的时候，需要更多考虑在庞大数据上的处理问题，纹理映射匹配的准确性，规范文物数字化采集与处理的相关流程，在有限的设备中，能提高数据生产的质量。文物数字化后期处理与工业设计、汽车制造等行业不同，在数据的准确性与还原度上有更高的要求，结合逆向工程设计梳理出文物数字化后期处理的操作规范与标准，从文物本体三维点云数据获取至三维成品完成需要严格按照严谨有序的标准进行执行，既能在质量上得到更高的保障，又能在效率上有很大的提升。