三維激光掃描技術在文物三維重建中的應用研究

王昌翰，向澤君，劉潔

(重慶市勘測院，重慶 400020)

三維激光掃描技術在文物三維重建中的應用研究

王昌翰?，向澤君，劉潔

(重慶市勘測院，重慶 400020)

三維激光掃描技術為文物高精度三維重建提供了新的途徑，為文物的數字化展示、數字博物館的建立、文物鑒賞以及文化遺產的保存提供了新的思路。本文通過對三維點云數據處理、三維構網、紋理映射、三維模型構建及三維瀏覽等關鍵技術研究，解決了三維激光掃描系統用于高精度文物三維重建中的若干技術難題，并精確重建出文物三維模型。

三維激光掃描；文物；三維重建

1 前 言

文物的數字化展示以及數字博物館的建立是近年來研究的熱點。精確重建出的文物三維模型在永久保存文物原貌、文物鑒賞與研究、文物修復等方面具有極其重要的意義；同時，利用虛擬現實手段對數字化三維文物模型進行三維可現化展示、改變了傳統文物展示模式，人們可身臨其境地在三維虛擬環境中多角度瀏覽。

隨著地面三維激光掃描系統軟硬件的不斷完善，將地面三維激光掃描系統應用于文物三維重建受到極大關注，特別是在激光點云數據去噪、激光點云與數字影像的配準、離散激光點云的構網、三維模型的紋理映射等方面。本文以重慶大足石刻千手觀音和臥佛為例探討了三維激光掃描技術在造型非常復雜的文物三維重建中的關鍵技術和難點，并研發文物三維仿真瀏覽平臺，集成海量數據，實現對所建文物三維模型的各種測量、分析和漫游等功能。

2 數據采集

選用Riegl公司的LMS－Z420i三維激光掃描儀進行數據獲取，LMS－Z420i三維激光掃描儀精度較高，測速快、穩定性好，它完成一個全景(360°水平)的最高精度掃描只需要10多分鐘時間，激光安全等級高，配置的相機較好，能夠滿足應用要求。

對應掃描對象，設置可控制整體場景的標靶，在360°環境，使用4個標靶。然后分左、中、右三站對千手觀音造像進行三維激光掃描，并同時用掃描儀配置的高精度數碼相機拍攝同軸影像。掃描的點間距為1 mm～3 mm。

完成掃描后，利用三維激光掃描系統配套軟件提取點云數據以及相應的影像數據，并對其整理以備后期處理工作。

3 多視點激光點云的全自動無縫拼接

激光掃描儀在某一視點掃描目標時，由于受到觀察方向和目標本身形狀的限制，不可能獲得掃描目標的完整信息。因此，為了構建目標完整的三維模型，需要選擇不同的視點對目標進行掃描。獲取數據時，由于每個視點獲取的激光掃描數據都位于各自的激光掃描坐標系中，需要將從不同視點獲取的激光點云數據統一到某個固定的坐標系中。基于標靶的全自動點云拼接原理如下:

每站掃描的點云數據都在以掃描儀位置為零點的局部坐標系下，即每次經掃描得到的激光點云的坐標系是獨立和不關聯的。因此，為了進行點云拼接，在場地中設置標靶。一般要求標靶面要與掃描的方向垂直(即標靶面正對掃描儀)，標靶與掃描儀間的距離要在掃描儀的有效使用范圍內。標靶要均勻分布于整個掃描范圍或重疊范圍，互相之間盡量遠離。

實際掃描時，從多個測站對同一組標靶進行掃描。使得各站的掃描結果中相鄰兩站均包含3個以上不共線且不共面的同名標靶。在掃描過程中，掃描儀可以在指定的視場范圍內自動尋找標靶并以極高的點密度進行精確掃描，處理軟件可以自動提取標靶中心點坐標。各站點云間的關系由標靶精確確定的同名控制點決定。如果控制點數目多于3組，就可以獲得最小二乘意義上的變換參數，從而完成對各站數據更精確的拼接。七參數坐標轉換法適用于歐拉角很小的兩坐標系之間的轉換，但由于激光掃描儀各測站坐標系之間歐拉角可能很大，故采用以下轉換模型:

在相鄰的第i組和第i＋1組激光點云Mi和Mi＋1中，假設確定出n組同名點對。(Xi，Yi，Zi)與(Xi＋1，Yi＋1，Zi＋1)是這些共軛點對中的一組，它們之間表達成關于旋轉變量(ψi，ωi，ki)和平移變量(Ti，X，Ti，Y，Ti，Z)的函數關系式為:

其中，λi是比例系數；Ri，是關于旋轉變量(ψi，ωi，ki)的旋轉矩陣，ai，bi，ci是由旋轉變量的函數組成的方向余弦，各參數值如(5)式所示[1]。

那么，第i組離散點云與第i＋1組離散點云的空間三維相似變換的誤差方程式的矩陣形式如式(4)所示[2]:

依靠標靶控制點計算點云之間的變換參數，有多余觀測時，迭代求解，直到未知數的改正數足夠小為止，則實現各站點云之間精確的坐標統一。激光點云的獲取也可以在已知參考坐標系下進行測量。另外，在獨立坐標系下的測量數據，統一到一個坐標系后，也可以配準到已知的參考坐標系下。

4 三維構網方法

Delaunay三角形理論在二維Delaunay三角網的構建上最為成功，但其理論與方法不能直接推廣到三維Delaunay三角網的情形。基于最大－最小角的對角線交換技術在三維空間的三角剖分中也不再成立。三維Delauany剖分理論研究還尚未成熟，仍需要繼續完善。對于復雜的物體，自動生成的三維三角網不能保證其質量。目前仍沒有一種通用的三維Delauany剖分方法能夠準確的表現各種模型。

總的來說，目前二維Delaunay三角網憑借其優良的性能，成為最常用的三維點云構網方法。空間數據的二維構網方法的數據結構比三維構網方法簡單，且能夠準確的反映目標表面的特征變化。不過當空間點集出現內部點互相重疊遮擋的情況，按照二維構網的原則進行處理，重疊部分的點將出現錯誤連接，因此，這種方法適用于不重疊的三維點云表面模型的構建。

5 激光點云與數字影像的配準

僅僅依靠激光點云對物體進行三維建模是不夠的，缺乏對表面紋理特征的有力表達。數字影像可以提供豐富的光譜信息和真實的紋理信息，要將激光點云和數字影像結合首先需要解決的問題是兩種數據的配準。激光點云是三維數據，而數字影像是二維數據，要將它們進行配準有三種方案。

第一種方案是將三維激光點云視為數字影像的物方點，通過找對應特征點的方法，直接將兩者進行配準。第二種方案是將同一視點的多張數字影像匹配生成物方三維點云，然后將激光點云與匹配點云進行配準。第三種方案是將激光點云投影生成的模擬影像與實際拍攝的數字影像進行配準。

LMS－Z420i三維激光掃描儀實現了與數碼相機的集成，且其中一部分硬件系統獲取的數字影像與激光掃描數據能夠進行最佳套合，即獲取的三維點云數據和二維影像數據是一一對應的。在掃描儀獲取激光點云的同時，相機拍攝高分辨率數字影像，影像數據的轉換矩陣由與掃描系統相關的矩陣和與相機綁縛相關的矩陣共同構成。根據這種特征，系統能夠自動實現激光點云與數字影像的配準，通過硬件的方法解決了軟件配準上的不足，大大提高了配準的精度。

6 幾何模型的紋理重建

三維重建的過程包括幾何建模與紋理映射。在獲取目標完整的三維點云后，對這些離散點構建不規則三角網，從而獲取目標的三維幾何模型。對目標的幾何模型恢復其紋理信息的過程即為紋理重建。紋理重建的主要目的就是建立三維幾何模型與影像之間的紋理映射，即建立幾何模型上各三角形頂點與影像像素之間的對應關系。

目標的三維幾何模型已經建立，激光點云與數字影像配準以后，三維點云與影像之間的對應關系也已知，因而就可以進行紋理映射，將影像上的紋理賦給三角網模型，生成具有真實紋理的三維模型。由于激光點云和數字影像的精度都比較高，按照紋理映射原理計算得到的結果，誤差就比較小，而且多余同名點也可進行聯合平差以減少誤差。

7 實驗與分析

7.1 多視點云的全自動無縫拼接

由于千手觀音造像正在進行搶救性保護工程，前面搭有兩層架子，對數據的獲取造成一定程度的遮擋。選擇在中間一層平臺分左、中、右三站對千手觀音造像進行三維激光掃描，掃描的點間距為1 mm～3 mm，并同時使用掃描儀頂部配置的尼康單反數碼相機拍攝高分辨率同軸數字影像。掃描獲得千手觀音左、中、右三站激光點云數據，經過粗差剔除后，分別如圖1～圖3所示。

圖1 千手觀音第一站點云數據

圖2 千手觀音第二站點云數據

圖3 第三站點云數據圖

圖4 千手觀音拼接融合后的整體點云數據

掃描時在場地中設置4個不共線也不共面的標靶，通過標靶將獨立坐標系下的三站激光點云數據統一到同一個坐標系中。去除重合的點云，將三站點云數據融合成整體，如圖4所示。

7.2 激光點云與數字影像的配準

激光掃描硬件系統實現了與數碼相機的集成，系統獲取的激光點云與數字影像能夠進行最佳的套合，三維點云數據和二維影像數據一一對應，從而自動實現激光點云與數字影像的配準。

7.3 離散激光點云的構網

根據二維Delaunay三角網的剖分方法，對離散點云進行不規則三角網的構建，得到幾何建模后的表面模型。由結果可以看出，這種構網方法能夠很好地保持重建對象的特征。

7.4 幾何模型的紋理映射

根據激光點云與數字影像的配準結果，用同步影像對千手觀音和臥佛造像構網后的幾何模型進行紋理映射，并通過對明暗、高光、對比度和擴散系數等參數的設置對模型進行渲染，得到逼真的文物三維模型，如圖5所示。

圖5 千手觀音三維模型

至此，通過三維激光掃描系統獲取的數據、經過拼接、三維構網、紋理映射等工作，完成了文物的三維重建。然后在文物三維仿真瀏覽平臺上，用戶以第一人稱視覺方式在虛擬的三維空間中瀏覽，可進行放大、縮小、測量等功能，如圖6所示。

圖6 千手觀音三維瀏覽平臺

8 結 論

給合應用多種數據獲取方法及多源數據的融合是目前文物三維重建的發展趨勢。將三維激光掃描技術與基于影像的建模技術結合進行文物三維重建，將加快三維重建的速度和提高模型的精度，使重建出的三維模型更加完美逼真，具有很大的實用價值和廣闊的應用前景。本文提出的方法在一定程度上解決了三維激光掃描技術應用于文物三維重建的相關問題，但是在點云模型簡化方法、三維三角網構網方法、基于影像的三維重建、近景攝影測量與三維激光掃描儀結合使用等關鍵技術方面仍有待進一步研究。

[1] 王之卓.攝影測量原理[M].北京:測繪出版社，1979

[2] 李德仁，鄭肇保.解析攝影測量[M].北京:測繪出版社，1992

[3] 李志林，朱慶.數字高程模型[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社，2000

[4] 尤紅建.激光三維遙感數據處理及建筑物重建[M].北京:測繪出版社，2006

[5] 趙煦，周克勤，閆利.基于激光點云的大型文物景觀三維重建方法[J].武漢大學學報(信息科學版)，2008，33 (7):684～687

The Study of the Application of the 3D Laser Scanning Technology in the 3D Reconstruction of Cultural Relics

Wang ChangHan，Xiang ZeJun，Liu Jie
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

The 3D Laser Scanning Technology provides a new approach for the high－precision 3D reconstruction of cultural relics and a new solution that can be applied in the digital displaying of cultural relics，the construction of digital library，the identification of cultural relics，and the protection of cultural heritage.This paper does some research on the key technologies which including the processing of 3D laser point cloud data，3D triangulation，texture mapping，3D model construction，and 3D viewing.This paper resolves some technical problems of the 3D laser scanning system that used in the high－precision 3D reconstruction of cultural relics to reconstruct the 3D models of cultural relics accurately.

3D laser scanning；cultural relics；3D reconstruction

1672－8262(2010)06－67－04

P234

A

2010—06—22

王昌翰(1967—)，男，正高職高級工程師，主要從事測繪及空間地理信息開發應用。