某古建筑銅飾件鍍金面積量算復(fù)測(cè)實(shí)踐

中兵勘察設(shè)計(jì)研究院 北京 100053

摘要：逆向工程，三維掃描技術(shù)是近年來一項(xiàng)快速發(fā)展的新興技術(shù)。本文使用三維掃描技術(shù)在古建筑、文物保護(hù)方面的進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐及研究。為該技術(shù)在今后各領(lǐng)域的應(yīng)用提出參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：逆向工程；三維掃描；古建筑飾件；表面積測(cè)量

引言

古建筑文物是不可再生的資源，是人類文化遺產(chǎn)的寶貴財(cái)富。然而，由于長(zhǎng)期風(fēng)雨侵蝕，古建筑金屬構(gòu)件的鍍金保護(hù)層污損嚴(yán)重，甚至局部脫落，大大影響了建筑的外觀，也使金屬構(gòu)件存在進(jìn)一步被腐蝕的危險(xiǎn)，因此在古建筑保護(hù)中，需要對(duì)污損脫落金屬構(gòu)件重新鍍金。

需要鍍金的金屬構(gòu)件立體形態(tài)復(fù)雜，數(shù)量較多，表面積不易估算。而且黃金價(jià)格又非常昂貴，若鍍金面積測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，將會(huì)使工程預(yù)算出現(xiàn)較大的偏差，也會(huì)造成極大的浪費(fèi)。采用三維掃描技術(shù)，可以較為快速、方便地估算古建筑金屬構(gòu)件的表面積。

如何檢驗(yàn)三維掃描獲得的古建筑金屬構(gòu)件表面積測(cè)量成果的可靠性和準(zhǔn)確性，從而為工程造價(jià)預(yù)算、結(jié)算的準(zhǔn)確性提供保證呢？下面是筆者在某古建筑金屬構(gòu)件表面積量算復(fù)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行的實(shí)踐和探索。

1主要工作目標(biāo)與內(nèi)容

本項(xiàng)目的主要工作目標(biāo)是，采用高精度三維掃描技術(shù)，精確獲得金屬構(gòu)件鍍金區(qū)域的表面積，與原測(cè)量面積進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)行復(fù)測(cè)檢驗(yàn)。主要工作內(nèi)容包括：

（1）獲取云數(shù)據(jù)：對(duì)金屬構(gòu)件實(shí)施三維掃描，點(diǎn)云間距（三角面邊長(zhǎng)）不大于0.1mm，點(diǎn)位（三角面頂點(diǎn)）精度不不低于0.05mm。

（2）拍攝照片：拍攝各金屬構(gòu)件數(shù)碼照片，便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)參考使用。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)檢核、降低噪音、點(diǎn)云拼接，建立各銅件點(diǎn)云模型。

（4）建立三角面模型：通過建模軟件，通過掃描數(shù)據(jù)及處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)填補(bǔ)及修整，建立完整的三角面模型。

（5）表面積量算：利用三維模型軟件，精確量算表面積。

（6）復(fù)測(cè)檢驗(yàn)：復(fù)測(cè)與原測(cè)量成果分析比較，檢驗(yàn)原測(cè)量成果的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖1 待掃構(gòu)件

2數(shù)據(jù)采集

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1.1采集設(shè)備

本項(xiàng)目采用了三種掃描儀對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行三維掃描，分別使用柯尼卡美能達(dá)RANGE7固定式三維掃描儀、CREAFORM EXAScan手持式激光三維掃描儀，以及?？怂箍当銛y式關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。各掃描儀主要參數(shù)分別為：

表1 Range7參數(shù)

鏡頭TELE450mmTELE800mmWIDE450mmWIDE800mm

XY方向測(cè)量間隔（mm）0.080.140.160.28

精度（μm）±40

誤差（Z，σ）（μm）4

注：本次項(xiàng)目采用TELE450mm鏡頭

表2 EXAScan參數(shù)

尺寸（mm）172 x 260 x 216

X、Y、Z 軸分辨率（mm）0.05

精度（um）-- 40

容量精確性（um）20 + 0.1 升/1000

表3 海克斯康Romer測(cè)頭參數(shù)

尺寸（mm）156 x 72 x 50

掃描測(cè)頭精度（mm）0.044

無插補(bǔ)最小點(diǎn)距（mm）0.10

每線最多點(diǎn)數(shù)640

2.1.2數(shù)據(jù)采集流程

1）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

清理場(chǎng)地，保證掃描范圍內(nèi)無雜物。準(zhǔn)備好掃描記錄表，確認(rèn)待掃構(gòu)件的編號(hào)及原始成果編號(hào)。規(guī)劃掃描順序，保證外業(yè)掃描數(shù)據(jù)有序進(jìn)行。

2）儀器校準(zhǔn)

為防止儀器運(yùn)輸過程中的震動(dòng)對(duì)儀器的精度造成影響，使用儀器前，均需使用附帶的校準(zhǔn)板及校準(zhǔn)儀器等對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，滿足工程精度要求后，方可使用。

3）儀器架設(shè)及構(gòu)件固定

高精度三維掃描對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性要求極高，掃描儀及待掃構(gòu)件輕微的晃動(dòng)就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成極大影響。在儀器架設(shè)及構(gòu)件固定時(shí)，要求保證其在掃描過程中的絕對(duì)穩(wěn)定。

圖2 構(gòu)件固定

4）構(gòu)件掃描

確認(rèn)掃描順序編號(hào)及原始編號(hào)后開始掃描。掃描中儀器操作人員與數(shù)據(jù)接收人員密切配合，盡量使掃描點(diǎn)云滿足要求的密度和精度，并盡可能保證數(shù)據(jù)的完整性。

圖3 構(gòu)件掃描

5）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢查處理及保存

現(xiàn)場(chǎng)檢查掃描數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)完整，無分層等不良現(xiàn)象。如數(shù)據(jù)合格，則按規(guī)則命名保存。同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)記錄。

6）補(bǔ)充掃描

檢查過程中如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在完整性或質(zhì)量問題，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)掃或重掃。

2.2拍攝參考照片

參考照片主要作為內(nèi)業(yè)處理時(shí)的參考依據(jù)使用。拍攝要點(diǎn)是，用相機(jī)近距離多角度拍攝待測(cè)物體，遇到結(jié)構(gòu)復(fù)雜或重點(diǎn)部位時(shí)，應(yīng)增加照片數(shù)量，以對(duì)待測(cè)物體有全面的描述。

2.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及建模

Romer機(jī)械臂掃描輸出格式為點(diǎn)云，需先處理點(diǎn)云，封裝為三角面模型后繼續(xù)處理。Range7及EXAScan輸出為三角面模型，直接進(jìn)行三角面模型處理。

2.3.1點(diǎn)云處理

刪除待測(cè)物體以外的無用點(diǎn)云，進(jìn)行去除粗差及降噪處理。步驟包括：選擇并刪除非連接項(xiàng)；選擇并刪除體外孤點(diǎn)；降低噪點(diǎn)；將分步掃描或補(bǔ)掃的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，合成一個(gè)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一或曲率采樣處理，去除冗余數(shù)據(jù)；將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，形成三角網(wǎng)格模型。

2.3.2三角網(wǎng)格模型處理

因結(jié)構(gòu)形狀及躁點(diǎn)數(shù)據(jù)造成的模型缺陷及漏洞等，用填補(bǔ)小孔洞工具、網(wǎng)格醫(yī)生工具等，檢查、修復(fù)自相交、釘狀物等錯(cuò)誤。提高模型完整度及還原度，盡量提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。

2.3.3模型數(shù)據(jù)復(fù)核

對(duì)完成的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行自我復(fù)核，測(cè)算其三角面邊長(zhǎng)、點(diǎn)云間距是否滿足精度要求。

圖4 門頁(yè)型構(gòu)件

2.5鍍金面積計(jì)算

2.5.1三角面數(shù)選取

為保證面積計(jì)算的精度，本項(xiàng)目不進(jìn)行三角面簡(jiǎn)化。

2.5.2鍍金面積計(jì)算范圍確定

范圍確定原則：依據(jù)原測(cè)量成果，采用相同方法，盡量選取與原成果相近的計(jì)算范圍。

范圍確定方法：通過銅件最外側(cè)位置做橫縱切面，兩切面交線即認(rèn)為是銅件計(jì)算面積有效邊界，以此為邊界計(jì)算其內(nèi)部表面積。

2.5.3鍍金面積計(jì)算

本項(xiàng)目確定計(jì)算范圍后，截取模型至計(jì)算區(qū)域，采用軟件計(jì)算。計(jì)算原理如下：

1）不規(guī)則三角網(wǎng)模型表面積計(jì)算基本原理——海倫定理

已知三角網(wǎng)T，T中共包含n個(gè)不規(guī)則三角形，每一個(gè)三角形用Ti表示，Ti在空間中的三個(gè)點(diǎn)分別用PA（xa，ya，za），PB（xb，yb，zb），PC（xc，yc，zc）表示，邊長(zhǎng)用LAB，LAC，LBC表示，面積用Si表示，求表面積為ST，則：

令，根據(jù)海倫定理知

則

2）坐標(biāo)解析法

其中F為面積，（Xi，Yi）分別為三角形頂點(diǎn)縱橫坐標(biāo)，n為頂點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3掃描儀對(duì)比

3.1RANGE7

固定式掃描，掃描過程中，保持機(jī)器原位不移動(dòng)，通過儀器預(yù)覽框，將構(gòu)件待掃區(qū)域移動(dòng)至儀器掃描范圍，進(jìn)行掃描。儀器距待測(cè)構(gòu)件600mm左右。因一個(gè)角度無法將構(gòu)件掃描完整，需多站多角度掃描才能獲得完整數(shù)據(jù)。處理速度一般，每站需手動(dòng)選點(diǎn)，靠附近特征進(jìn)行拼接。掃描精度最高，數(shù)據(jù)質(zhì)量好。但掃描速耗時(shí)最長(zhǎng)，操作繁雜度最高。

專用軟件掃描，掃描后導(dǎo)出至Geomagic后續(xù)處理。

3.2EXAScan

手持式掃描，掃描速度快。需在待測(cè)物體周圍貼定位點(diǎn)，操作方便。使用專用軟件掃描。掃描結(jié)果軟件默認(rèn)自動(dòng)進(jìn)行降噪簡(jiǎn)化，質(zhì)量好但精度不高，需在軟件內(nèi)做提高分辨率處理取消簡(jiǎn)化，但結(jié)果會(huì)出現(xiàn)躁點(diǎn)影響，質(zhì)量會(huì)降低。

專用軟件處理海量數(shù)據(jù)能力不強(qiáng)，打開、編輯、提高分辨率等操作后均需重構(gòu)。海量數(shù)據(jù)時(shí)速度很慢，程序容易崩潰。需分塊掃描、導(dǎo)出后再手動(dòng)拼接。處理后導(dǎo)出至Geomagic作后續(xù)處理。

3.3Romer

掃描分為RAW模式及有序點(diǎn)采集模式，RAW模式即采樣所有掃描到的點(diǎn)，數(shù)據(jù)量極大，如大面積掃描則無法處理。有序點(diǎn)采集模式即掃描后按一定精度進(jìn)行采樣，點(diǎn)密度設(shè)定越高，精細(xì)程度越高，數(shù)據(jù)量越大。

該掃描結(jié)果質(zhì)量好，但掃描速度較慢、操作繁雜程度一般。處理速度依點(diǎn)密度而定，安裝插件后直接使用Geomagic掃描及處理點(diǎn)云。

4成果比較及分析

4.1較差及差異率計(jì)算

將本次測(cè)量面積與原測(cè)量面積進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩次測(cè)量面積較差及差異率。計(jì)算公式為：

△s=s-S

r=△s/S*100%

其中r為差異率，△s為兩次測(cè)量面積較差，S本次測(cè)量面積，s為原測(cè)量面積。

本次復(fù)測(cè)項(xiàng)目計(jì)算面積較差的變化區(qū)間為[-648.905，+2268.79mm2]，絕對(duì)值最大為2268.790mm2，最小為2.261mm2；差異率的變化區(qū)間為[-1.93%，+1.91%]，絕對(duì)值最大為1.93%，最小為0.01%。較差絕對(duì)值平均值為290.794 mm2，差異率絕對(duì)值平均值為0.72%。

4.2測(cè)量成果中誤差計(jì)算及飾件分類計(jì)算分析。

根據(jù)規(guī)范要求中誤差。其中△s為每項(xiàng)的誤差，n為該種類飾件數(shù)量。

數(shù)據(jù)中誤差分類統(tǒng)計(jì)如下（飾件超過3件的種類參與計(jì)算）：

表4 中誤差分類統(tǒng)計(jì)表

種類中誤差平均面積誤差率

總計(jì)362.41147997.3770.76%

面頁(yè)485.65275885.7340.64%

鼻子55.0317893.2480.70%

墊片18.8943600.7160.52%

門釘78.9999502.6820.83%

字（含印章）134.3859998.0121.34%

從上表可以看出，各類飾件誤差率均較小。字類飾件誤差率最高。推測(cè)是因?yàn)樽诸愶椉吔绮糠终颊w面積比率較大，且邊界選取與原數(shù)據(jù)不能完全一致所致。

5結(jié)語(yǔ)

（1）非接觸式三維掃描，能夠精確的得到待測(cè)物體準(zhǔn)確的外觀形制。通過成果分析，說明該技術(shù)在測(cè)量難以估算的復(fù)雜構(gòu)件的表面積、體積等參數(shù)時(shí)，具有較高的準(zhǔn)確性及可操作性。

（2）本項(xiàng)目在進(jìn)行過程中，采用三種不同工作方式的儀器進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。三款儀器在精度、掃描速度、操作簡(jiǎn)易程度上各有優(yōu)劣，并不能判定那款儀器更勝一籌。需要依待測(cè)物體的類型、體積大小以及項(xiàng)目的精度要求來選擇合適的儀器，才能得到最高的工作效率。

（3）目前工作中常用的計(jì)算機(jī)設(shè)備，在處理數(shù)千萬(wàn)面三角面模型時(shí)的速度已經(jīng)極其緩慢。所以日后的應(yīng)用中，應(yīng)考慮待測(cè)物體的類型、體積以及成果的使用方式及目的，來規(guī)定合適的精度要求，既將誤差控制在一定范圍內(nèi)，又能保證掃描及處理的速度。

（4）精度要求越高時(shí)，數(shù)據(jù)噪點(diǎn)的影響也會(huì)不可避免的會(huì)來越大。當(dāng)精度要求高于噪點(diǎn)的誤差范圍時(shí)，噪點(diǎn)將變得難以處理，影響最終數(shù)據(jù)質(zhì)量。所以制定精度要求時(shí)，需考慮儀器的實(shí)際性能，以免對(duì)以后的工作造成影響。

（5）目前三維掃描行業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)備、技術(shù)在不斷的更新、升級(jí)中越發(fā)完善。相信該技術(shù)在眾多行業(yè)應(yīng)用中，會(huì)扮演起越來越重要的角色來。

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