三维激光扫描技术在复杂雕像真三维重建中的研究

王雪 钟棉卿 王伟

摘  要：三维激光扫描技术能快速获取地物表面高精度、高密度的三维点云信息，建立精细的真三维模型，但该技术在考古和文物保护方面应用并不是很广泛。本文以校园内一尊雕像为研究对象，利用三维激光扫描技术获取该雕像的点云数据，首先对点云数据进行预处理;然后进行三角网优化建模，根据曲率变化进行点云抽稀，重构三角网;最后进行纹理映射，构建了该雕像的真三维模型。该模型效果真实、细节丰富。该方法大大减少了文物信息采集的时间，实现了文物数字化存储、展示及3D打印。

关键词：三维模型  点云数据  拼接  三角网优化

中图分类号：P237                              文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0070-04

Research on 3D Laser Scanning Technology in 3D Reconstruction of Complex Sculptures

WANG Xue1  ZHONG Mianqing2  WANG Wei

（1.Xianyang Normal University， Xianyang， Shaanxi province， 712000 China;2. Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou， Gansu province， 730070  China 3.China Energy Construction Group Shaanxi Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Xi'an， Shaanxi Province  710054  china）

Abstract： 3D laser scanning technology can quickly obtain high-precision and high-density 3D point cloud information on the surface of ground objects， and establish a fine true 3D model. However， this technology is not widely used in Archaeology and cultural relic protection. Taking a statue on campus as the research object， this paper uses 3D laser scanning technology to obtain the point cloud data of the statue; Then， the triangulation network is optimized and the point cloud is thinned according to the curvature change to reconstruct the triangulation network; Finally， the true 3D model of the statue is constructed by texture mapping. The model has real effect and rich details. This method greatly reduces the time of cultural relic information collection， realizes the digital storage， display and 3D printing of cultural relic.

Key Words： 3D modeling; Point cloud data; Matching; Triangular mesh optimization

文物古迹是人类在历史上创造下来的有价值的文物遗存，具有丰富的内涵和文化底蕴。文物是无法再生资源，随着时间的推移，受自然环境侵蚀和人为破坏的双重影响，文物将会受到不同程度的破坏，甚至可能面临逐渐消亡的危险，因此需要应用现代技术进行文物保护。在文物的保护中，有些文物表面常常具有复杂、丰富的纹理信息，需要建立真正的三维建模，从而可以进行全方位展现，对于文化保护和传播也有重要意义。

地面三维激光扫描技术属于非接触式成像技术，能够直接、快速地获取高精度、高密度地物表面的三维空间信息，结合数码相机所获得的文物纹理信息，可以迅速准确地建立真实文物模型，实现数字存储文物信息，有效地进行遗产和文物保护;并能够进行三维展示，操作及分析;而且，在文物遭破坏时，仍然可以为文物的修复、保護提供科学资料和模型。

国内外许多专家学者已利用三维激光扫描技术开展了文物保护和考古修复方面的相关课题研究和纹理信息，获取真实尺寸、真实纹理的三维数字模型。Alabana Tota等通过3D扫描成像技术，构建了三维的文物虚拟模型，实现了文物保护重建，以及3D打印476616 ＼r ＼h  ＼* MERGEFORMAT[7]。王婷运用三维扫描技术，对秦兵马俑一号坑陶俑进行了三维激光扫描，建立了陶俑真三维模型。吴怡等利用三维激光扫描 技术，不断追踪跟进了江苏句容孔塘遗址的考古挖掘工作过程，全面准确记录了孔塘发掘期间各类文化遗物的地理空间数据  ＼* MERGEFORMAT[9]。Young Hoon Jo等采用非接触的三维扫描技术，对受损的石座菩萨三维恢复建模，实现文物修复和保护的目的。虽然这些研究在文物建模方面取得了一定的成绩，但是三维激光扫描技术在对纹理丰富的文物精细建模和对其关键问题的探讨较少。

本文利用地面三維激光扫描技术对咸阳师范学院内的一尊雕像进行扫描，获取点云数据，开展激光点云数据的三维建模的理论和方法研究。

1  扫描对象及技术路线

1.1 扫描对象

扫描对象为咸阳师范学院内一尊雕像，如图1所示。

1.2 技术路线

本文基于三维激光扫描技术及三维模型构建的原理，提出了雕像三维重建的技术路线图，如图2所示。

2  数据采集处理与点云拼接

2.1 数据采集及处理

本文实验采用的是德国Z+F imager 5010三维激光扫描仪进行数据的采集。该仪器无法同时收集画幅式数字图像和点云颜色的信息，只能收集点云强度的信息。

地面激光扫描仪的扫描原理是通过测量从激光束发射到接收的时间获得距离观测值S，并由精密时钟控制编码器确保激光扫描仪可以同步测量出横向扫描角α和纵向扫描角α。地面激光扫描三维测量通常采用仪器内部坐标系统，X 轴在横向扫描面内，Y 轴与X 轴垂直且在横向扫描面内，Z轴与横向扫描面垂直，然后对每个点的空间坐标进行记录。三维激光脚点坐标的计算公式（1）如下。

（1）

数据采集时，要对雕像的各个方位进行扫描，所以设四站，即从雕像的前、左、后、右4个方位扫描获取数据;每站架设好仪器后都要进行整平，保证仪器的稳定;根据雕像的尺寸，设置扫描的水平范围和竖直范围，保证采集到的雕像数据充分的前提下，尽量减少数据量及噪声点。由于采集的数据噪声比较多，所以首先进行粗加工处理，只保留雕像附近小范围的点云，滤除其他无关的点。粗处理后的数据如图3所示。

2.2 点云拼接

点云数据处理是进行三维建模的基础，由于所设的四站是不同的位置，获取的点云数据不在一个坐标系下，所以需要进行坐标的统一，也就是将四站的数据拼接在一起。拼接的原理是通过空间相似变换，如式（2）所示。

（2）

其中

为待配准的点云坐标，

为平移量，

为旋转矩阵，

为缩放因子，

为变换后的坐标。

旋转矩阵中的元素由9个方向余弦所组成的，共含有3个角元素，可以看作只有3个未知数。这样，通过在两个系统中找3个以上公共点，来解求点云之间相似变换的参数，从而获得点云间的变换关系，最终将所有站的点云统一到一个坐标系统下，实现不同站数据的拼接工作。

拼接方法有3种，即基于标靶的拼接、基于公共点的拼接和混合拼接。标靶拼接是使用某些特制的标靶作为同名特征点，扫描时在该区域的适当位置放置标靶，确保相邻扫描站可以对3个以上的公共标靶进行扫描，内业数据处理时，软件可自动将单站内标靶中心位置提取为特征点，然后由操作人员对其命名，保证相同的特征点命名相同。然后对拼接参数进行自动计算，实现点云数据的拼接。基于公共点拼接与标靶拼接的原理是一样的，只是需要人工选择相邻两站公共特征点进行拼接而已。混合拼接是基于标靶和公共点的两种方法进行拼接。本次试验采用公共点拼接方式，在1、2站数据之间选择3个以上的公共点进行拼接，3、4站数据之间选择3个以上的公共点进行拼接，通过公共点计算，将两站数据的坐标分别统一为整体;然后在1、2站拼接的数据与3、4站拼接的数据之间再选择3个以上公共点，进行拼接，最终将四站数据拼接为一个整体。在进行数据拼接时，一定要选择具有明显特征的点，如拐角、交叉点等，同时特征点尽量分布均匀，不能在一条直线上，以提高拼接精度，使拼接精度达到毫米级，否则会影响建模精度。

2.3 数据精处理

点云数据拼接完成后要对一些噪声点进行精处理，精处理时噪声点的剔除采用的Geomagic软件中非连接项和体外弧点的方式制为0.2mm，平滑级别设置为中等，通过自动计算，剔除远离雕像体的噪声点。

3  点云数据建模

对处理好的点云进行三维建模，采用Geomagic软件的封装算法，对点云数据进行三角网构网，获得三角面模型。由于整个模型由三角面组成，根据文物表面的曲率几何特征，进行三角形网格重构，从而获得由微米级三角面组成的文物真三维模型。进而优化处理文物模型网格，获得高精度三维模型。为了存储显示方便，需要抽稀三角网，在特征明显的地方，三角网多一些，特征不明显的地方，三角网少一些。图4所示的是由雕像的三角形构成的网图，图5是由三角面构成的三维模型。

4  纹理映射

纹理信息是真实文物模型的重要因素，它将文物的颜色、纹理映射到对应的三角网模型中，使最后得到的文物三维模型具有纹理色彩信息，这样才能显示更真实。本实验通过手机拍摄，获取雕像的纹理颜色信息，并通过Rhinoceros软件对模型进行了赋色。

通过以上的步骤和方法，真三维的文物模型就构建完成了，所建立的模型效果比较真实，细节也较丰富。

5  结语

通过利用三维激光扫描技术对咸阳师范学院内一尊雕像进行真三维模型的重建研究，表明利用该技术获取的三维模型效果比较真实，细节也较丰富，大大减少了文物信息采集存储的时间，实现文物数字化存贮、展示及3D打印等，对文物保护具有重要的意义。

本文研究的不足主要体现在两个方面，第一，文中只从视觉效果方面对所构建模型进行了分析，没有利用定量评价指标进行模型的精度评价;第二，由于仪器条件的限制，无法同时采集纹理信息，没有研究复杂纹理映射问题。这两个方面是后续进一步研究的内容。

总之，随着三维激光扫描技术逐步发展和成熟，相信该技术将在考古和文物保护等领域得到广泛的应用。

参考文献

[1] 万怡平，习晓环，王成，等.TLS技术在表面复杂文物三维重建中的应用研究[J].测绘通报，2014（11）：57-59.

[2] 喜文飛，李灵索，杨勇，等.基于点云数据的不规则文物三维重建——以经幢为例[J].测绘通报，2020（12）：87-89.

[3] 何原荣，潘火平，陈鉴知，等.宋代古船的三维激光扫描技术重建与模型3D打印[J].华侨大学学报：自然版，2017（38）：245-250.

[4] Sizhong， Zhao， Miaole，et al. APPLICATION OF 3D MODEL OF CULTURAL RELICS IN VIRTUAL RESTORATION[C]// 2018.

[5] Kuak R A， KiliF， Kisa A. Analysis of terrestrial laser scanning and photogrammetry data for documentation of historical artifacts[J]. The International Archives of Photogrammetry， Remote Sensing and Spatial Information Sciences， 2016， 42： 155

[6] Tota A， Shehi E， Onuzi A. 3D Scanning and 3D Printing Technologies used in Albanian Heritage Preservation[J]. European Journal of Engineering Research and Science， 2017， 2（12）： 39-45.

[7] 王婷.文物真三维数字建模技术在秦始皇兵马俑博物馆中的应用——以一号坑陶俑为例[J].文物保护与考古科学，2012（4）：103-108.

[8] 吴怡，朱晓汀，林留根，等.多时相三维激光扫描技术在考古发掘过程中的应用——以江苏孔塘遗址为例[J].东南文化，2018，261（1）：88-92.

[9] Jo YH， Hong S， Jo， SY， et al. Noncontact restoration of missing parts of stone Buddha statue based on three-dimensional virtual modeling and assembly simulation. Herit Sci 8， 103 （2020）. https：//doi.org/10.1186/s40494-020-00450-8.

[10] Edelsbrunner H， Fu P. Methods of generating three-dimensional digital models of objects by wrapping point cloud data points： U.S. Patent 6，377，865[P]. 2002-4-23.

[11] Edelsbrunner H， Fu P， Nekhayev D， et al. Methods， apparatus and computer program products for automatically generating nurbs models of triangulated surfaces using homeomorphisms： U.S. Patent 6，996，505[P]. 2006-2-7.

[12] Fletcher G Y， Gloth T， Edelsbrunner H， et al. Methods， apparatus and computer program products that reconstruct surfaces from data point sets： U.S. Patent 7，023，432[P]. 2006-4-4.