TLS技術在表面復雜文物三維重建中的應用研究

萬怡平，習曉環，王 成，王方建

(1.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100094；2.中國科學院大學，北京 100049)

TLS技術在表面復雜文物三維重建中的應用研究

萬怡平1，2，習曉環1，王 成1，王方建1，2

(1.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100094；2.中國科學院大學，北京 100049)

以北京大學西門內一尊華表的數字化和三維建模為例，分析了地面三維激光掃描(TLS)技術在表面復雜紋理地物三維重建中的難點，并提出相應的解決方案，包括數據獲取時掃描儀選擇，反射片與表面無法完全貼合對多站點數據配準的影響，站點位置和脈沖頻率對模型和紋理映射的影響，真三維模型構建中三維模型與二維紋理的準確映射問題等。該研究對地面三維激光掃描技術在其他文化遺產的記錄、保存和建模中的應用具有一定的參考價值。

地面三維激光掃描(TLS)技術；華表；數字化；紋理；三維建模

一、引 言

華表、石獅、石刻等文化遺產是古人留給我們的寶貴財富，蘊含著豐富的文化內涵和歷史底蘊，如華表是我國古代宮殿、陵墓等大型建筑物前用于裝飾的巨大石柱，一般由底座、蟠龍柱、承露盤和其上的蹲獸犼組成，柱身多雕刻龍鳳等圖案，表面往往具有復雜而豐富的紋理信息，對其進行數字化和真三維建模，不僅可以從形式上進行全方位的展現，而且對于保護和傳播華表石刻文化具有重要的意義。

地面三維激光掃描(terrestrial laser scanner，TLS)技術可以直接、快速獲取地物表面高精度、高密度的三維空間信息，結合儀器攜帶的高分辨率數碼相機，能夠十分逼真地保留物體及其細部特征信息，因此自其面世就被廣泛用于文化遺產的記錄和保護中。1999年美國斯坦福大學利用TLS技術對米開朗基羅雕像進行了數字化[1]。2007年德國漢堡大學利用TLS技術獲取了太平洋復活島上石像不同年份的高密度點云信息，分別構建了三維數字模型，進而分析了石像隨時間的變形情況[2]。故宮博物院聯合北京建筑工程學院利用TLS技術開展了“古建筑數字化測量技術研究”，對故宮太和殿等主要建筑進行了精細數字化，并構建三維模型[3-5]。周偉等利用TLS技術對北京頤和園佛香閣進行了整體掃描，探討了TLS技術在大型古建筑變形監測中的應用和可行性[6]。2011年中國文化遺產研究院采用TLS技術對重慶大足石刻的千手觀音進行了數字化掃描，為其搶救性恢復提供了精確的模型支持[7]。鄧非等利用TLS技術對武漢大學老圖書館進行了掃描和拍照，通過在點云和圖像上分別提取特征直線，利用共面條件，解算了各張照片相對于激光掃描坐標系的方位元素；然后利用已配準的兩種傳感器數據，提取建筑物框架并映射紋理，生成了圖書館的三維模型[8]。2012年國家社會科學基金重大項目“中國石窟寺考古中3D數字技術的理論、方法和應用研究”立項[9]，嘗試將三維激光掃描技術用于石窟等的考古調查，并建立了石窟的真實三維數字模型。已有的這些研究對于表面復雜、凹凸不平的地物的精細建模以及對其中的關鍵問題探討方面的內容很少，TLS技術在石獅、華表等紋理豐富地物數字化和建模中的應用也很少有報道。

本文以北京大學西門內的一尊華表為例，利用地面三維激光掃描技術對其進行數字化和三維建模，分析了建模中的關鍵技術和需要注意的問題，以期為表面細節豐富地物的數字化和建模提供技術支持，推動TLS技術在文化遺產記錄和保護中的深入應用。

二、掃描對象與數據獲取

試驗所用設備為奧地利Riegl公司生產的Riegl-VZ1000地面三維激光掃描儀，最大脈沖頻率30 KHz，可以水平360°、垂直100°掃描，最大射程1400 m，測距誤差在100 m處為5 mm。圖1為北京大學西門內的一尊華表，高約8 m、下方有1 m多高的八方形底座，表面纏繞的蟠龍和其他紋理細節非常豐富，如圖2所示。

圖1 華表

圖2 華表柱身豐富的紋理

根據華表特點在掃描時架設了3個站點，即以華表底部為圓心，均勻分布在半徑為10 m左右的圓周上，并在底座及柱身粘貼一定數量的反射片作為控制點，以利于后期數據預處理時多站點點云數據精確配準。首先進行水平方向360°粗掃，在此基礎上選定目標物所在區域進行精掃，設置點密度為0.003 mrad；同時利用外置高分辨率數碼相機獲取華表表面影像，始終保持同一曝光條件，便于后期紋理貼圖。

三、數據處理與三維重建

基于TLS技術的地物三維重建主要包括點云數據預處理、重采樣構三角網，以及紋理映射構建真三維數字模型等。

1.數據預處理

由于多站點掃描時獲取的是每個測站局部坐標系下的數據，為了獲取華表完整的空間信息，需要對多站點數據進行高精度配準，使其統一到同一個坐標系下。本研究利用RiScan Pro的多站點配準軟件，并進行聯合平差，得到完整的華表點云數據，如圖3所示。

圖3 華表原始激光點云數據

2.構建網格模型

經過去噪后的點云數據可以用于構造不規則三角網模型。由于所獲取華表的點云數據密度高、數據量大，且存在較大冗余，因此在構網前需要對點云進行重采樣。最直接的方法是對一定區域內的點云按照設定的閾值進行等間隔重采樣，優點是速度快，但其弊端也是顯而易見的，即無差別的重采樣會使紋理豐富、曲率變化明顯的地方產生變形，并丟失部分重要信息，尤其是對于表面細節豐富的地物。另一種方法是自適應性的，即在表面平緩區域適當加強抽稀程度，曲率變化明顯區域簡化力度直至不簡化。本研究利用劉慶元等提出的針對機載激光點云數據簡化的距離—梯度法[10]，在紋理變化小的區域對點云采用最小距離簡化法，對于變化幅度大的區域，計算梯度并比較梯度值與閾值的大小來決定點的刪除與保留，進而構造三角網和封裝，即完成了模型的初步外形搭建，如圖4所示。

圖4 華表三角網格模型(部分)

3.構建真三維數字模型

上述過程得到的僅為華表網格模型，還需要將其與同步獲取的二維影像及紋理信息準確配準和貼圖，即建立網格模型上各頂點與圖像像素間的對應關系，才能得到華表真實的三維數字模型。本研究利用Geomagic軟件提供的紋理貼圖功能，通過在三角網模型與影像上尋找多個同名點，從而將影像的紋理信息映射到三維模型上，如圖5所示。

圖5 華表三維數字模型

四、問題與討論

從圖5可以明顯看出，該模型的效果與華表本身有一定差距，如表面細節不夠豐富、色彩差異等，一方面與獲取的數據有關，如有數據缺失、紋理細節豐富區域的點云密度不夠高等，也與后期建模所采用的方法有關，具體分析如下。

1.掃描儀選擇

本研究利用的Riegl VZ 1000為脈沖式掃描儀，相對于相位式(如Faro FOCUS3D)掃描儀，其優點是掃描距離遠，但脈沖頻率低(后者可達100萬點/ s)。因此對于表面凹凸不平、細節豐富的地物，采用相位式掃描系統可以在同樣的時間內獲取地物高密度、更為豐富的三維信息。此外，對于局部細節有時還需要借助手持式掃描儀(如Handyscan3D等)才能獲取更精細的數據和模型。

2.掃描站點及反射片布設

為了獲取地物完整的三維信息，通常需要在不同的角度架設多個掃描站點，并通過粘貼一定數量的反射片來實現多站點數據的配準。本研究在地面設置3個站點，反射片均位于人站在地面可以觸及的部位，這樣華表頂部的信息無法獲取，難以保證地物上部點云配準的精度。因此對于此類地物，需要通過塔架均勻布設反射片并從高處進行掃描，以便獲取更完整的信息。

3.地物表面凹凸不平

由于華表柱身紋理細節非常豐富，而且凹凸不平，這樣反射片很難與柱身完全貼合，在華表表面形成一個個小凸包(圖6中的發射片1和2)，特別是紋理細節非常豐富的部位，導致配準出現一定誤差，從而影響最終模型的紋理細節不夠豐富和逼真，結合手持式如Handyscan3D等對局部進行完善可以得到更好的效果。

圖6 反射片在點云中的顯示效果(并非平面)

4.紋理映射

紋理映射一般通過人機交互在三維模型和影像上采集同名點來實現，這個過程難免會產生誤差，進而對紋理貼圖的效果產生直接影響，如接縫處紋理錯位、變形、紋理貼合位置與真實位置出現偏差等，其中同名點的選取起決定作用。對于表面紋理細節十分豐富的華表，同名點應在紋理豐富且邊界拐角信息明顯處選取，不能出現在同一直線上，最好還要確保Z值方向有一定的落差，只有均勻合理分布的同名點才能實現影像在模型上的準確無變形定位。同時，影像的優劣也決定紋理貼圖的效果。所獲取影像應是正射影像，且影像間保持一定的重疊度，曝光條件一致，否則在紋理貼圖中必然產生變形和色彩差異。

五、結束語

本文通過對一尊華表的掃描，探討了TLS技術對紋理復雜地物的數字化和三維建模，對其中的問題進行了分析，對于表面凹凸不平、紋理細節十分豐富的局部區域，需要結合手持式高密度三維激光掃描儀，這樣才能獲得高精度、完整的地物數字模型。當前TLS在文化遺產尤其是石刻類遺產記錄、保存和修復中發揮著越來越重要的作用，因此研究結果對于TLS技術在文物中的應用有重要的參考價值。本文從視覺效果方面對所構建模型進行了分析，未能采用合理有效的定量評價指標進行模型的精度評價，需要利用全站儀等儀器來協助分析，這也是目前TLS技術應用中亟待解決的問題。

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3D Reconstruction of Ornamental Column Based on Terrestrial Laser Scanning Data

WAN Yiping，XI Xiaohuan，WANG Cheng，WANG Fangjian

P234.5

B

0494-0911(2014)11-0057-03

2013-11-23

國家自然科學基金(41301485；41171267)

萬怡平(1990—)，男，江西南昌人，碩士生，研究方向為激光雷達三維建模。

萬怡平，習曉環，王成，等.TLS技術在表面復雜文物三維重建中的應用研究[J].測繪通報，2014(11)：57-59.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0363