三維激光掃描技術在木雕展品建模中的應用

李華偉

（廈門城市職業學院 旅游系，福建 廈門361008）

三維掃描技術也稱實景復制技術，廣泛地應用于文物古跡保護、土木工程、室內設計等領域.在獲取空間信息方面，激光三維掃描系統把傳統的單點采集數據變為連續自動獲取數據，提高了測量的效率.木雕是我國特殊的民間工藝，在國家工種分類中被稱為精細木工，其種類紛繁復雜、圖案優美、結構精巧，有浮雕、圓雕、鏤空雕、雙面雕等.傳統的拍攝及測繪方法無法對木雕進行高精度的分析.激光三維掃描在測量的速度和效率、三維立體建模、模型化精度，以及數據處理方面有較大的優越性，可將其應用于復雜的木雕展品測繪中.然而，木雕因其本身紋路豐富及雕工精細等特點，對掃描的環境和設備提出了更加規范的標準和要求.本文采用三維激光掃描技術對木雕展品進行三維掃描建模.

1 基本原理與技術平臺

1.1 基本原理

三維數據的可靠性和精準性，工藝品建模速度的穩定性是三維數據采集和處理的要素.三維掃描技術是將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，從而實現非接觸測量的目的，具有無損傷、高精度等特點.獲取被測目標的三維坐標信息需要經過測距、角位移、掃描和定向等4個過程［1］.三維激光掃描儀通過連續的發射激光，將空間信息以點云、線、三角面片、面數據的形式進行記錄.點云數據不分層用于填補被測實體的表面形狀，打破測量死角和效率低等缺陷，借助拼接等手段實現“所見即所得”的效果［2］.此外，3D 比較流程可使兩套數據達到最佳擬合對齊，通過顏色偏差來顯示產品的質量.

1.2 技術平臺

VXelements是完全集成式3D 數據采集軟件，Geomagic studio軟件是一款逆向軟件.采用VXelements軟件對實物進行掃描，然后采用Geomagic studio軟件對掃描完成的數據模型進行數據簡化、修補破洞、去除特征等初步處理.

手持三維激光掃描儀（Handy SCAN 3D）是一個數據采集系統，也是其自身的定位系統，具有靈活、高效、易用的優點，可精確、實時地確定任意時刻點的空間位置，測距方式屬于近距離激光掃描［3］.它無需配備外部跟蹤或定位設備，使用三角測量法實時確定自身與被掃描部件的相對位置，并可自動記憶定位點在系統中的空間位置，隨著旋轉、移動被測實體逐點進行每個零件的測量，不附屬任何外部跟蹤裝置.普通掃描儀不能從不同的角度獲取物體的整體位置信息［4］，而3D 掃描儀可以從不同角度獲取和比對物體位置信息，從而形成物體整體位置信息，只有當融合這些位置信息之后，建模才算完整.此外，3D 掃描儀的精度還與它所獲取的小三角形數量相關，小三角形獲取的數量越多，3D 掃描儀的精確度就越高.掃描儀掃描實體時，系統實時捕捉參考點，用于計算和記憶每個點的相對空間位置［5］.

2 建模方法

2.1 儀器校準及掃描參數配置

經過長途運輸和長期使用后，精密儀器的校正部件發生變化，幾何關系被破壞，因此，使用之前必須進行檢測和校正.手持激光掃描儀的校正，需要VXelements－3D 軟件平臺和掃描儀、校準板配合進行.掃描不同物體，所需的掃描參數不同.分辨率越高，產生的數據量越大，掃描速度越慢.手持激光掃描儀的精度可達0.040mm，分辨率可達0.1mm，具有極高的可重復性和可追蹤性.掃描的解析度、優化網格、邊界銳度等參數可根據實際要求進行設置.

2.2 目標對象的掃描

手持式設備的偵測器不能識別待測物體反射的激光.因此，在掃描前需對待測物體進行貼片，以便掃描儀在空間中的定位及校準.應選擇在一些紋理比較復雜的地方進行貼片，并注意不要貼成直線.貼片后的掃描對象，如圖1（a）所示.

在一個掃描面上，手持掃描儀至少要識別4個點，才能建立坐標系和計算距離.如果不滿足4個點，則掃描紅線停頓，屏幕右邊的進度條變綠.在剛開始對物體進行掃描時，需緩慢掃描物體的一個面.當點云數據足夠多時，掃描儀會建立坐標系.之后，便可快速掃描待測物體.若一開始就進行快速掃描，掃描儀會掃描到不同面的數據，導致建立的坐標系混亂，模型會出現重復的地方，而且還不完整.

在對物體的掃描過程中，屏幕左邊的進度條保持在綠色的狀態，此時掃描的質量最好.對于一些紋理比較細膩的地方，應順著紋理緩慢掃描，才不會破壞物體的紋路.掃描過程的開始一般是粗描，掃出待測物體的大概形狀；然后，進行進一步地仔細掃描.在掃描過程中，如果貼片不足，可以適當地增加貼片.

圖1 掃描對象Fig.1 Scanning images

2.3 掃描結果處理

Handy SCAN 3D 的測量速率可達205 000 次·s－1，速度極快.圖例模型（關公雕像）掃描完成只需十幾分鐘，操作簡便，效率高.對于一些復雜物體的陰影和死角，掃描光線無法掃描到或無法掃描完整，會導致掃描成果存在一些影響數據質量和完整性的破洞［6］.掃描物體存在的破洞，可通過第三方軟件Geomagic studio進行修正和處理，以確保用戶獲得完美無缺的多邊形和NURBS模型.

由于掃描的精度高，導致數據量巨大，一些配置相對較低的電腦無法運行.因此，需要對數據進行簡化.根據實際要求，采用Geomagic studio對掃描物體進行數據簡化，可減少物體的數據量，且不會影響物體的細節和顏色.簡化后的數據，需進行進一步的銳化處理，使數據保持更好的棱角關系［7］.

此外，還需要使用網格醫生對數據進行偵查.對于一些小孔、小通道、尖狀物等，網格醫生可以自行修復.經網格醫生處理完的數據還不能完全修補數據模型的破洞，需進行進一步的修補.填充命令可以對數據的破洞進行填充.對于形狀和大小不同的破洞，可以選擇不同的填充命令.在多邊形網格上，網格醫生自動地探測并糾正錯誤［8］，最終生成高質量曲面的多邊形網格模型（圖1（c））.

2.4 實例應用

三維激光掃描技術采用非接觸主動測量方式，可直接獲取高精度的三維數據，極大節省了時間和成本.三維模型與實物的形狀和大小，紋理的凹凸和走向幾乎相同，如圖2（a）所示.模型的準確性可通過距離的量測進行檢驗，如圖2（b）所示.由圖2（b）可知：實物刀柄與模型刀柄的量測距離均為7.28cm.

圖2 實物與模型的比較Fig.2 Comparison of object and model

對于不同的應用，模型可輸出不同的數據格式，如AutoCAD 的DXF 文件，支持3D 打印的＊.stl，支持3D max通用化3D 專業軟件的＊.obj，以及支持大眾化閱讀器PDF等.

3 結束語

在現代工藝品中，特別是在現代雕塑中，可利用三維激光掃描技術對復雜的藝術品進行掃描建模，輸出多種數據格式，將其直接輸入至加工軟件中，配合數控加工設備可生產出精美的模具和工藝品.此外，在立體建模、滑坡監測、逆向工程等領域，三維激光掃描技術還能進一步得到應用和推廣.

［1］張亞.三維激光掃描技術在三維景觀重建中的應用研究［D］.西安：長安大學，2011：1－72.

［2］周立，李明，毛晨佳，等.三維激光掃描技術在古建筑修繕測繪中的應用［J］.上海建設科技，2011，24（4）：84－89.

［3］徐曉雄，劉松林，李白.三維激光掃描測量技術及其在測繪領域的應用［J］.中國測繪，2009，16（2）：63－65.

［4］賈東峰，程效軍.三維激光掃描技術在建筑物建模上的應用［J］.河南科學，2009，27（9）：1111－1114.

［5］周克勤，許志剛，宇文仲.三維激光影像掃描技術在古建測繪與保護中的應用［J］.工程勘察，2004，27（5）：43－46.

［6］余明，丁辰，過靜珺.激光三維掃描技術用于古建筑測繪的研究［J］.測繪科學，2004，25（5）：69－72.

［7］黃磊，盧秀山，陳傳法.基于激光掃描儀數據的建筑物立面特征信息提取［J］.測繪科學，2006，27（6）：141－143.

［8］張瑞，駱巖林，周明全，等.文物數字化的關鍵技術［J］.北京師范大學學報：自然科學版，2007，14（2）：150－153.