文/汪斌 王興鑫 祝蘭蘭

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

第一類(lèi)：傳統(tǒng)幾何造型技術(shù)，依靠計(jì)算機(jī)圖像進(jìn)行手工建模。這種建模技術(shù)具有很大的主觀意識(shí)存在，對(duì)于文物三維建模來(lái)說(shuō)更是無(wú)法滿(mǎn)足研究者對(duì)于文物高精度的需求，且需要熟練且操作相對(duì)精通的技術(shù)人員，對(duì)許多不規(guī)則的物體進(jìn)行三維建模，其真實(shí)感與真實(shí)物體存在一定的差異。

第二類(lèi)：基于激光三維掃描成型技術(shù)，利用激光三維掃描設(shè)備獲得物體高精度三維模型，在逆向工程、醫(yī)療、航天、汽車(chē)、文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前激光三維掃描主要分為：機(jī)載（或車(chē)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(zhǎng)、中、短等距離。

第三類(lèi)：基于圖像三維重建技術(shù)，該技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而發(fā)展，該方法是采用數(shù)碼相機(jī)成像技術(shù)利用多幅圖像對(duì)物體進(jìn)行重建，還可以從圖像序列中恢復(fù)三維模型。目前在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、文物數(shù)字化保護(hù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(duì)激光三維掃描成型數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)量對(duì)于顯卡顯存處理能力有關(guān)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(diǎn)云，通過(guò)規(guī)則的點(diǎn)云可以進(jìn)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(yùn)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(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程可分為三維點(diǎn)云階段、網(wǎng)格模型階段、紋理階段、成果輸出四個(gè)步驟：

2.1 點(diǎn)云階段

2.1.1 點(diǎn)云去噪

以Geomagic 為例，選擇非連接性、體外孤點(diǎn)進(jìn)行刪除，同時(shí)自由畫(huà)筆工具對(duì)主體物周邊進(jìn)行勾選刪除。得到較為清爽干凈有序的三維點(diǎn)云。

2.1.2 多組點(diǎn)云對(duì)齊與合并

對(duì)于正反面多組模型需要對(duì)齊合并，需要在對(duì)齊的點(diǎn)云分組上選擇公共點(diǎn)，每組尋找4 個(gè)控制點(diǎn)。通過(guò)全局注冊(cè)對(duì)齊會(huì)得到一個(gè)差值，差值越小，對(duì)齊的數(shù)據(jù)越精確。將多組點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合為一個(gè)完整復(fù)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程需要將所有重疊區(qū)進(jìn)行刪除，避免封裝完成后面片出現(xiàn)夾層。

2.1.3 點(diǎn)云采樣

對(duì)于館藏文物而言，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量控制在原始大小有效點(diǎn)云，才能保證后期面片數(shù)據(jù)質(zhì)量，根據(jù)實(shí)際需求來(lái)判斷。采用曲率采樣會(huì)在平面非結(jié)構(gòu)線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)于有凹凸起伏區(qū)域保留細(xì)節(jié)。

2.2 網(wǎng)格模型階段

掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)變成可編輯多邊形網(wǎng)格模型，以三角網(wǎng)格的形式鋪滿(mǎn)整個(gè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)*2。

2.2.1 缺陷檢測(cè)、網(wǎng)格醫(yī)生

通過(guò)缺陷檢測(cè)、網(wǎng)格醫(yī)生等修復(fù)工具，清理檢測(cè)實(shí)體模型質(zhì)量，可以將非流行單元面、交叉單元面不規(guī)則曲面進(jìn)行刪除清理。

2.2.2 孔洞填充

從現(xiàn)階段技術(shù)而言，不論是哪種掃描技術(shù)都是不可避免存在的漏洞。因此在對(duì)于空缺的數(shù)據(jù)需要后期的修補(bǔ)才能完整,通常在完整的數(shù)字化展覽、文物保護(hù)修復(fù)成本計(jì)算中常見(jiàn)，因此需要對(duì)模型存在的洞進(jìn)行完整的處理，然而對(duì)于病害的分析與研究，就需要完整的采集數(shù)據(jù)從而進(jìn)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(jì)算機(jī)自動(dòng)紋理映射，就目前而言紋理自動(dòng)映射對(duì)于計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)化還不是很全面，同樣對(duì)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(cè)量的角度來(lái)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程圖片會(huì)產(chǎn)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(diǎn)，同樣在對(duì)應(yīng)的三維模型上選擇同樣的點(diǎn)，使用相應(yīng)的點(diǎn)覆蓋到整個(gè)幾何模型，選擇的點(diǎn)越多，模型與貼圖將匹配的更加全面。

3 重點(diǎn)難點(diǎn)分析

3.1 夾層處理

由于算法和人為采集原因所導(dǎo)致模型表面覆蓋一層多余的面片，夾層面片需要進(jìn)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(duì)于這部分?jǐn)?shù)據(jù)需要在不損失完整模型的前提下進(jìn)行剔除。

3.2 結(jié)構(gòu)位置空缺修補(bǔ)

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(jié)構(gòu)處位置數(shù)據(jù)空缺的部分，在填充空洞的過(guò)程中除了常用的搭橋填補(bǔ)，平面填補(bǔ)，另外可以采用在本體相似結(jié)構(gòu)處截取相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。

4 總結(jié)

在新興的數(shù)字化時(shí)代，文物數(shù)字化已經(jīng)由單一模式轉(zhuǎn)變成多種模式，在記錄文物本體信息與處理的時(shí)候，需要更多考慮在龐大數(shù)據(jù)上的處理問(wèn)題，紋理映射匹配的準(zhǔn)確性，規(guī)范文物數(shù)字化采集與處理的相關(guān)流程，在有限的設(shè)備中，能提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)的質(zhì)量。文物數(shù)字化后期處理與工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車(chē)制造等行業(yè)不同，在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與還原度上有更高的要求，結(jié)合逆向工程設(shè)計(jì)梳理出文物數(shù)字化后期處理的操作規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，從文物本體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取至三維成品完成需要嚴(yán)格按照嚴(yán)謹(jǐn)有序的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行執(zhí)行，既能在質(zhì)量上得到更高的保障，又能在效率上有很大的提升。