鄭國(guó)強(qiáng)王光生王萬(wàn)忠

(1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省古建筑保護(hù)研究院，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

石窟寺屬于古代廟宇建筑，建造時(shí)通常依附山勢(shì)，從山崖壁面向內(nèi)部縱深開(kāi)鑿，窟內(nèi)多為代表宗教造像或宗教故事的壁畫(huà)，是最古老的佛教建筑形式。2019、2020 年，習(xí)近平總書(shū)記相繼考察了云岡石窟和莫高窟，指出這是人類(lèi)文明的瑰寶，要堅(jiān)持保護(hù)第一，在保護(hù)的基礎(chǔ)上研究利用好[1]。 2020 年11 月，國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)了?關(guān)于加強(qiáng)石窟寺保護(hù)利用工作的指導(dǎo)意見(jiàn)?，明確到2022 年，石窟寺管理體制機(jī)制創(chuàng)新取得重要進(jìn)展，石窟寺重大險(xiǎn)情全面消除[2]。

石窟寺作為不可移動(dòng)文物，受人為破壞和自然侵蝕的影響，遭受到不同程度的損壞，而文物數(shù)字化在文物保護(hù)和修復(fù)中具有不可替代的作用。 為了更好地保護(hù)文物，可以運(yùn)用現(xiàn)代化手段獲取文物的形體、紋理、材質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，為后期石窟寺文物的全方位保護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。 現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)如攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于文博行業(yè)。 劉旭春等[3]描述了三維激光掃描的技術(shù)流程，并成功地應(yīng)用在了古建筑保護(hù)行業(yè)中；鄭書(shū)民等[4]依托新疆庫(kù)車(chē)地區(qū)石窟數(shù)字化保護(hù)實(shí)例，研究了三維激光掃描技術(shù)在石窟立面測(cè)繪中的應(yīng)用；李敏等[5]采用三維激光掃描儀在石窟中進(jìn)行整體掃描，并建立石窟三維形狀的框架，約束多視圖重建計(jì)算中的空間解算誤差，以實(shí)現(xiàn)石窟寺的精細(xì)化建模。但上述研究只考慮了文物模型的幾何精度，未對(duì)模型的紋理精度開(kāi)展相關(guān)研究，唐燕[6]利用近景攝影測(cè)量的方式完成了文物模型的重建，有效地提高了文物模型的紋理精度，實(shí)現(xiàn)了文物模型在虛擬場(chǎng)景的漫游；黃先鋒等[7]將三維激光掃描技術(shù)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了敦煌莫高窟及其內(nèi)部洞窟的結(jié)構(gòu)重建，為石窟寺文物建模提供了新的技術(shù)手段；王瑤瑤等[8]利用激光點(diǎn)云與地理信息技術(shù)結(jié)合對(duì)古建筑三維建模，實(shí)現(xiàn)了建筑空間和屬性信息的查詢(xún)、分析，但紋理映射采用虛擬仿真的方式并不能真實(shí)表達(dá)建筑的紋理信息。 可以看出，由于石窟寺所處環(huán)境復(fù)雜、體量大小不一以及開(kāi)鑿石窟造像所形成的特殊空間形態(tài)等因素，采用單一技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)石窟寺幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的獲取。 三維激光掃描技術(shù)能直接獲取目標(biāo)表面的三維空間信息，但很難獲取高分辨率的紋理信息，而攝影測(cè)量技術(shù)卻在此方面具有優(yōu)勢(shì)。 這兩種技術(shù)在長(zhǎng)期發(fā)展中形成互補(bǔ)，融合兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)建模具有重要的研究意義[9－10]。

文章提出以站式掃描儀獲取的石窟點(diǎn)云作為整體控制網(wǎng)，手持掃描儀獲取的復(fù)雜造像結(jié)構(gòu)點(diǎn)云及高清數(shù)碼相機(jī)獲取的密集匹配點(diǎn)云作為主要數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)石窟寺文物的幾何重建；針對(duì)復(fù)雜模型的紋理映射問(wèn)題，采用改進(jìn)的薄板樣條函數(shù)進(jìn)行幾何模型的紋理映射，從而實(shí)現(xiàn)石窟寺造像、雕刻和壁畫(huà)的精細(xì)化建模，為實(shí)現(xiàn)不同體量的文物數(shù)字化提供有效的技術(shù)手段。

1 石窟寺三維精細(xì)化建模方法

1.1 研究區(qū)概況

駝山石窟位于山東省青州市駝山主峰東南崖壁上，是我國(guó)北周至唐代時(shí)期的佛教石窟寺[11]，1988年被認(rèn)定為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。 駝山一號(hào)窟為方形平頂窟，開(kāi)鑿于初唐(618—712 年)及盛唐(712—762 年)時(shí)期，如圖1 所示。 駝山一號(hào)窟石窟造像體量大、雕刻面積廣、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜且石窟造像、壁面繪有彩繪，采用單一的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)石窟寺的精細(xì)化建模，為此文章提出了一種多源數(shù)據(jù)融合的石窟寺精細(xì)化建模方法。

1.2 精細(xì)化建模流程

文物模型最主要的是保證數(shù)據(jù)的客觀(guān)性和真實(shí)性，三維激光掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)石窟寺文物的高精度幾何重建，但模型紋理的分辨率較低，而攝影測(cè)量技術(shù)能獲取高分辨率的紋理信息。 文章綜合考慮三維激光掃描與攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，提出以站式掃描點(diǎn)云為整體控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)影像密集匹配(Dense Image Matching，DIM)點(diǎn)云與手持精細(xì)掃描點(diǎn)云的高精度配準(zhǔn)，以其配準(zhǔn)融合點(diǎn)云為主要數(shù)據(jù)源，完成石窟寺文物的高精度重建，利用加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射方法對(duì)石窟寺模型進(jìn)行紋理映射，實(shí)現(xiàn)石窟寺文物的三維精細(xì)化建模。 文章具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示，其中坐標(biāo)采集采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real－time Kinematic，RTK)坐標(biāo)。

圖2 石窟寺文物精細(xì)化建模流程圖

2 石窟寺多源數(shù)據(jù)獲取

2.1 三維激光點(diǎn)云獲取

對(duì)于空間復(fù)雜的石窟寺文物而言，掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大、掃描周期長(zhǎng)，因此掃描前需要現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，制定合理的掃描方案。 掃描數(shù)據(jù)獲取后，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、配準(zhǔn)、冗余去除等操作獲取石窟寺建模所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 三維激光掃描點(diǎn)云獲取的主要流程如圖3 所示。

圖3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取流程圖

文章采用架站式空間掃描儀Focus3D X330 和手持掃描儀GOSCAN50 獲取石窟的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Focus3D X330 是一款具有超遠(yuǎn)距離掃描的高速三維激光掃描儀，GOSCAN50 是一款適用于近距離復(fù)雜曲面數(shù)據(jù)采集的高精度手持三維掃描儀，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)表

2.1.1 站式掃描點(diǎn)云獲取

根據(jù)駝山一號(hào)窟以及Focus3D X330 的掃描特點(diǎn)，選擇窟內(nèi)架設(shè)3 站、窟外架設(shè)2 站的方式進(jìn)行掃描。 駝山石窟為國(guó)家重點(diǎn)文物，禁止人為及設(shè)備接觸，無(wú)法在壁面粘貼標(biāo)靶。 掃描時(shí)，在地面上放置棋盤(pán)板作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的控制點(diǎn)，棋盤(pán)板的放置角度與掃描儀的掃描光束之間入射角應(yīng)>45°。 掃描參數(shù)設(shè)置為1/4 分辨率和4 倍降噪率。 獲取站點(diǎn)點(diǎn)云后，采用Faro 掃描儀自帶的SCENE 軟件進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理。 一號(hào)窟站式掃描點(diǎn)云及細(xì)節(jié)圖如圖4 所示。 圖4(a)是點(diǎn)云去噪、配準(zhǔn)、冗余去除后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 由圖4(b)可知，石窟寺特殊的空間環(huán)境造成窟內(nèi)遮擋嚴(yán)重，點(diǎn)云模型存在較多空洞。圖4(c)中石窟的整體色彩明暗差異較大，文章不將其作為石窟寺建模的數(shù)據(jù)源。 但根據(jù)站式空間掃描儀全局精度高、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，將站式掃描點(diǎn)云作為石窟寺建模的整體控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)影像密集匹配點(diǎn)云與手持精細(xì)點(diǎn)云的融合配準(zhǔn)工作。

圖4 一號(hào)窟站式掃描點(diǎn)云及細(xì)節(jié)圖

2.1.2 手持精細(xì)掃描點(diǎn)云獲取

石窟寺內(nèi)有大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的文物造像，站式掃描儀的分辨率很難表現(xiàn)復(fù)雜造像的細(xì)節(jié)部分，因此需要手持掃描儀進(jìn)行精細(xì)掃描。 手持精細(xì)掃描儀主要用于小尺度文物掃描，對(duì)于體量較大的石窟寺，完成整窟的點(diǎn)云采集不僅需要大量的時(shí)間，還會(huì)生成龐大的數(shù)據(jù)量，導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理困難。 綜合考慮建模精度及效率問(wèn)題，文章只對(duì)石窟內(nèi)復(fù)雜造像掃描。

GOSCAN50 能夠?qū)崟r(shí)處理生成預(yù)覽點(diǎn)云，及時(shí)發(fā)現(xiàn)掃描點(diǎn)云存在的問(wèn)題，但此現(xiàn)場(chǎng)處理點(diǎn)云的方式會(huì)大幅增加數(shù)據(jù)采集時(shí)間。 一號(hào)窟內(nèi)造像眾多，將其劃分為石窟北壁、東壁、西壁3 個(gè)掃描區(qū)域，依次掃描不同壁面上的造像。 GOSCAN50 掃描儀可以獲取造像的彩色信息，但分辨率較低且彩色掃描會(huì)大幅增加掃描周期和點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，為后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難，因此掃描參數(shù)設(shè)置為0.5 mm、不開(kāi)彩色。在文物掃描的過(guò)程中要特別注意文物安全，禁止直接接觸造像表面。 手持掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和站式掃描點(diǎn)云一樣，需要預(yù)處理以獲得文物造像的精細(xì)點(diǎn)云。 通過(guò)預(yù)處理后獲取的造像點(diǎn)云模型如圖5所示。

圖5 一號(hào)窟文物造像精細(xì)點(diǎn)云圖

2.2 影像密集匹配點(diǎn)云獲取

在半封閉的石窟環(huán)境中，由于光照和掃描儀相機(jī)的分辨率等原因，其獲得的彩色數(shù)據(jù)存在分辨率低、噪點(diǎn)大、光線(xiàn)不均等問(wèn)題，需要用高清數(shù)碼相機(jī)獲取整窟的高分辨率影像數(shù)據(jù)。 文章選用佳能EOS 5DS 數(shù)碼相機(jī)及50 mm 的定焦鏡頭采集石窟的色彩信息，其最高分辨率達(dá)到8 688 dpi×5 792 dpi。 影像密集匹配點(diǎn)云獲取的主要流程如圖6 所示。

圖6 影像的密集匹配點(diǎn)云重建圖

由于石窟寺的特殊環(huán)境，相機(jī)需要掛載閃光燈對(duì)石窟寺進(jìn)行彩色影像采集，保證在不同的角度、不同的目標(biāo)下獲得相同亮度及分辨率的影像。300 dpi是人眼能夠識(shí)別的最大分辨率，為了保證文物模型紋理的真實(shí)性，拍攝獲取的影像分辨率要滿(mǎn)足300 dpi，拍攝距離要<1.2 m，并保證獲取的影像數(shù)據(jù)重疊度>60%。 石窟寺的影像數(shù)據(jù)獲取后，利用實(shí)景建模軟件Context Capture 處理生成石窟的密集匹配點(diǎn)云，處理結(jié)果如圖7(a)所示。

圖7 一號(hào)窟密集匹配點(diǎn)云及細(xì)節(jié)圖

相對(duì)于掃描儀的數(shù)據(jù)獲取方式，相機(jī)拍攝獲取石窟的影像數(shù)據(jù)更加靈活，不會(huì)受架站空間或掃描視角的限制。 通過(guò)近景攝影測(cè)量獲取的密集匹配點(diǎn)云十分完整(如圖7(b)和(c)所示)，不會(huì)出現(xiàn)大的點(diǎn)云空洞，但影像密集匹配獲取的復(fù)雜文物的點(diǎn)云不如三維激光掃描點(diǎn)云的精度高。

3 石窟寺文物精細(xì)建模的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，多源、多分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取后，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)融合獲取石窟寺完整的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何重建、紋理映射等實(shí)現(xiàn)石窟寺的三維精細(xì)化建模。

3.1 多源數(shù)據(jù)的點(diǎn)云融合配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)是精細(xì)化建模的關(guān)鍵，其配準(zhǔn)精度直接影響幾何模型的精度。 通過(guò)迭代最近點(diǎn)(Iterative Closest Point，ICP)算法[12]對(duì)不同方式獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)其在不同分辨率點(diǎn)云中的配準(zhǔn)精度。 經(jīng)過(guò)控制點(diǎn)配準(zhǔn)后的站式掃描點(diǎn)云具有真實(shí)的地理坐標(biāo)信息，以此為整體控制網(wǎng)，完成文物造像細(xì)節(jié)點(diǎn)云與DIM 點(diǎn)云的高精度配準(zhǔn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)經(jīng)典ICP 算法迭代100 次后的點(diǎn)云配準(zhǔn)效果圖如圖8 所示。

圖8 點(diǎn)云配準(zhǔn)效果圖

從目視角度看，點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果沒(méi)有明顯分層現(xiàn)象，配準(zhǔn)效果較好，通過(guò)計(jì)算匹配點(diǎn)對(duì)的歐氏距離來(lái)檢驗(yàn)ICP 算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)精度[13]，DIM 點(diǎn)云與手持掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)后的匹配點(diǎn)對(duì)歐氏距離分布圖和配準(zhǔn)殘差直方圖如圖9 所示。

圖9 點(diǎn)云配準(zhǔn)精度報(bào)告圖

由于遮擋問(wèn)題，通過(guò)不同方式獲取的數(shù)據(jù)并不完整，且手持掃描儀只掃描文物造像部分，有些點(diǎn)在閾值內(nèi)沒(méi)有匹配點(diǎn)，此時(shí)點(diǎn)云在歐氏距離分布圖中為黑色，匹配點(diǎn)對(duì)歐式距離分布圖中顏色由深藍(lán)到深紅變化表示配準(zhǔn)精度逐漸降低。 由圖9 可知，點(diǎn)云的整體配準(zhǔn)誤差分布均勻，不存在配準(zhǔn)精度突變現(xiàn)象。 以站式掃描點(diǎn)云為控制網(wǎng)完成DIM 點(diǎn)云與手持精細(xì)點(diǎn)云的配準(zhǔn)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)誤差累積，兩步點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程中的配準(zhǔn)誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 點(diǎn)云配準(zhǔn)后匹配點(diǎn)對(duì)的歐氏距離均值和方差表

上述數(shù)據(jù)處理方案會(huì)出現(xiàn)誤差累積現(xiàn)象，由表2 可知，最終點(diǎn)云模型與整體控制網(wǎng)之間的平局誤差累計(jì)<4 mm，模型精度較高。 手持掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，可以很好地保留造像的細(xì)節(jié)特征，配準(zhǔn)后需要人工編輯點(diǎn)云，保證文物造像部分重建以手持掃描點(diǎn)云為主。

3.2 點(diǎn)云模型重建及修補(bǔ)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取后，需要對(duì)其表面重建，獲得石窟寺文物的三維網(wǎng)格模型。 采用效果好、效率高的泊松算法[14]進(jìn)行三維點(diǎn)云的表面重建。 泊松算法既考慮了所有的點(diǎn)數(shù)據(jù)，又不需要進(jìn)行多叉樹(shù)的三維點(diǎn)云劃分及三維表面融合處理，因此該方法能夠很好地抑制點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在的噪聲，創(chuàng)建出更加真實(shí)的表面幾何模型。

文物數(shù)字化模型重建時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的客觀(guān)性至關(guān)重要，在優(yōu)化模型時(shí)需要考慮對(duì)模型精度的影響，幾何模型優(yōu)化圖如圖10 所示。 由圖10(a)可以看出，通過(guò)泊松重建后，模型表面存在許多孤立幾何體需要剔除，冗余剔除后的效果如圖10(b)所示。 由于目標(biāo)遮擋、數(shù)據(jù)采集不全等原因，模型表面存在不同大小的空洞，對(duì)于石窟文物模型表面規(guī)則區(qū)域的小面積且外形上無(wú)爭(zhēng)議的空洞可以進(jìn)行修補(bǔ)，而特征明顯或面積較大的空洞應(yīng)考慮石窟現(xiàn)狀，結(jié)合具體情況確定空洞是否需要修補(bǔ)，圖10(c)中空洞較小且沒(méi)有明顯的造像特征，可直接利用插值法進(jìn)行修補(bǔ)，其結(jié)果如圖10(d)所示。

圖10 幾何模型優(yōu)化圖

3.3 基于加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射

通過(guò)幾何重建可以獲取高精度的三維網(wǎng)格模型，但其并不能真實(shí)表達(dá)目標(biāo)的紋理信息，缺乏可辨識(shí)性，尤其是石窟文物具有豐富的彩繪信息，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行紋理映射。 紋理映射是將二維影像映射到三維模型表面[15]，生成模型表面所需要的細(xì)節(jié)。

3.3.1 加權(quán)薄板樣條函數(shù)紋理映射原理

原始薄板樣條函數(shù)[16]通過(guò)控制點(diǎn)的強(qiáng)制對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)二維影像到三維模型的紋理映射，沒(méi)有考慮控制點(diǎn)的誤差影響。 平滑薄板樣條函數(shù)[17]雖然整體約束了控制點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中每個(gè)控制點(diǎn)的精度并不相同，其對(duì)薄板樣條的約束力也不一樣，當(dāng)控制點(diǎn)精度較低時(shí)，采用同一個(gè)約束條件完成的影像與幾何模型的配準(zhǔn)必然會(huì)存在較大誤差。 因此，需要對(duì)不同的控制點(diǎn)賦予不同的權(quán)值，使每個(gè)控制點(diǎn)都能在不同的彈性系數(shù)下發(fā)生薄板變形，從而提高紋理映射的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

在待配準(zhǔn)的影像上標(biāo)定n對(duì)控制點(diǎn)Pi和Qi(i＝1，2，…，n)，配準(zhǔn)后對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)之間的距離h由式(1)表示為

式中h為對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)之間的距離，mm；f為薄板樣條函數(shù)；P、Q為對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

原始的薄板樣條函數(shù)f應(yīng)滿(mǎn)足的條件由式(2)表示為

式中J為薄板樣條函數(shù)中的能量函數(shù)。

根據(jù)優(yōu)化理論，通過(guò)引入罰函數(shù)的方法可以將嚴(yán)格的薄板樣條約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束問(wèn)題，建立的函數(shù)由式(3)表示為

式中λ為引入罰函數(shù)；為變換后控制點(diǎn)之間的距離平方和；λi(i ＝1，2，…，n) 為每個(gè)控制點(diǎn)的權(quán)值，由每組控制點(diǎn)的精度決定。

3.3.2 3 種紋理映射方法結(jié)果比較分析

通過(guò)原始薄板樣條函數(shù)、平滑薄板樣條函數(shù)和加權(quán)薄板樣條函數(shù)對(duì)造像進(jìn)行紋理映射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖11 所示。 圖11(a)為原始薄板樣條函數(shù)的紋理映射結(jié)果，a1 位置為兩幅紋理影像的接邊部分，此處位于映射邊緣，通過(guò)嚴(yán)格對(duì)齊控制點(diǎn)后造像的映射紋理出現(xiàn)了拉花現(xiàn)象，紋理影像只有中間區(qū)域映射效果較好，周?chē)鷧^(qū)域都被過(guò)度拉伸，映射結(jié)果并不能達(dá)到石窟寺文物數(shù)字化要求；圖11(b)為平滑薄板樣條函數(shù)的紋理映射結(jié)果，通過(guò)整體約束控制點(diǎn)，造像的整體效果明顯提升，由于其面部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在a1 接邊處還是存在紋理虛化現(xiàn)象，雖然平滑提升了整體效果，但還是存在局部拉花現(xiàn)象；圖11(c)為加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射結(jié)果，造像中紋理優(yōu)化明顯，能夠達(dá)到復(fù)雜模型的高精度紋理映射要求。 在a2 區(qū)域3 種紋理映射效果都比較好，說(shuō)明在簡(jiǎn)單模型中通過(guò)3 種紋理映射方法都能達(dá)到很好的映射效果，文章映射方法對(duì)復(fù)雜模型的紋理映射更有針對(duì)性。

通過(guò)加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射方法對(duì)石窟寺的幾何模型進(jìn)行紋理映射，紋理映射完成后對(duì)模型進(jìn)行勻光勻色和紋理接縫處理，獲取石窟寺的文物高保真模型。 駝山一號(hào)窟的精細(xì)化建模結(jié)果如圖12 所示。

3.4 不同建模方法模型精度比較分析

根據(jù)建模流程分別對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)建模，與多源數(shù)據(jù)融合建模模型進(jìn)行對(duì)比分析。 建模過(guò)程采用同一組控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，不同建模方法獲取的模型位置精度相近，不再對(duì)模型位置精度評(píng)價(jià)，只對(duì)比分析模型幾何精度和紋理精度，結(jié)果如圖13 和14 所示。

圖13 局部單一數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)幾何模型對(duì)比

圖14 局部單一數(shù)據(jù)與多源數(shù)據(jù)模型紋理結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

對(duì)石窟的復(fù)雜造像部分比較分析，由圖13 可知，近景影像模型和激光點(diǎn)云模型很難表現(xiàn)復(fù)雜造像的細(xì)節(jié)部分，造像面部信息損失嚴(yán)重；文章提出的融合建模方法能精確地保留造像復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，充分保證文物數(shù)字化模型的客觀(guān)性和真實(shí)性。由圖14 可知:激光點(diǎn)云模型受石窟內(nèi)外光線(xiàn)影響，造像模型的紋理映射結(jié)果失真現(xiàn)象嚴(yán)重；近景影像模型是通過(guò)高分辨率的紋理影像重建生成，造像表面的紋理分辨率得到明顯改善，但在紋理映射過(guò)程中需要對(duì)紋理影像做重采樣處理，大大降低了造像紋理的分辨率；通過(guò)加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射結(jié)果紋理清晰、真實(shí)，映射過(guò)程不對(duì)影像重采樣，能盡量保證石窟造像的原分辨率映射。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究，得到如下結(jié)論:

(1) 以站式掃描點(diǎn)云為整體控制網(wǎng)、手持掃描點(diǎn)云和DIM 點(diǎn)云為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)經(jīng)典ICP 算法進(jìn)行多源點(diǎn)云配準(zhǔn)，加權(quán)薄板樣條函數(shù)實(shí)現(xiàn)幾何模型的紋理映射，能夠獲得石窟寺文物的高保真模型。與單一數(shù)據(jù)模型相比，多源數(shù)據(jù)模型既能保證模型的幾何精度，又能兼顧模型的紋理分辨率，為后期的文物保護(hù)和修復(fù)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

(2) 與其他紋理映射方法相比，加權(quán)薄板樣條函數(shù)的紋理映射方法避免了特征復(fù)雜位置紋理錯(cuò)位、拉花等現(xiàn)象，文物模型紋理清晰、真實(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜模型的原分辨率紋理映射，有效地解決了點(diǎn)云重建模型紋理分辨率低的問(wèn)題。