三維激光掃描支持下的文化遺產建模應用分析

余培永，劉昭華

(江西理工大學，江西 贛州 341000)

中國作為四大文明古國之一，擁有許多絢麗多彩的文化遺產。文化遺產是人類社會發展的集中體現，具有歷史的、社會的、科技的、經濟的和審美的價值，是社會發展不可或缺的物證[1]。隨著經濟的高速發展，出現了一些市政建設、商業建設、工業建設，加上一些自然災害的影響，導致很多文化遺產受到了損壞甚至毀滅。因此，對于一些古建筑進行數字化建模、存檔等工作刻不容緩[2]。

利用傳統測量方法得到數據不僅精度過低而且消耗的時間過長，而且還可能對文化遺產造成二次破壞。近幾年備受關注的三維激光數據可以準確、快速地獲取對象x、y、z信息，直觀反映對象情況。但掃描儀只能掃描出視角以內的區域，存在一定視角盲區，除此之外還存在遮擋物的因素，導致點云模型空洞現象的發生；并且三維激光掃描儀自帶的照相機獲取的色彩紋理信息并不能滿足模型數字化的要求[3]。為了彌補這些缺陷，結合近景攝影測量方法，獲取物體表面點坐標，并稱之為影像數據。三維激光掃描儀存在缺陷是自主性不夠，這和近景攝影測量技術正好完美互補，利用近景攝影測量技術獲取的影像數據主動性強，結合三維激光掃描的精度高特點，可以準確地建立古建筑的三維模型，并且能夠真實地反映古建筑的三維信息和紋理信息[4]。

三維激光技術出現較早，很多學者都對其進行了研究。早在20世紀60年代，國外學者已經對此進行了研究。Kersten.T. H等對漢堡市政大廳進行了掃描，并根據點云數據建立三維模型[5]；J.A.Beraldin等將三維激光技術與近景攝影測量結合做出了意大利圣克里斯蒂娜地下室及壁畫的三維精細模型[6]。國內學者也于20世紀90年代對三維激光技術進行了研究。彭文博等對古建筑進行了模型重建[7]；還有學者對首都博物館中四十多件館藏品進行了掃描，將館藏品進行了數字化處理，并對一些破碎瓷片拼接進行分析處理，避免二次破壞。本文以朱德故居修復與保護項目為依托，采用近景攝影測量技術與三維激光技術相結合，建立精細的三維模型，將偉人故居數字化保存，以便定期的修復保護，避免二次破壞。

1 數據獲取及預處理

三維激光掃描修復的步驟主要為：①獲取點云數據。通過三維激光掃描儀和高分相機分別獲取建筑物的點云掃描數據、影像數據。②數據處理。點云數據通過算法將不需要的點云數據剔除(以免遮擋文物數據)，并將其數據拼接；而影像數據則可以通過SFM算法生成三維點集。③點云空洞修復。由于數據遮擋原因，點云數據存在著丟失，通過比對三維點集將點云空洞修復。④建立三維模型。通過Delaunay三角剖分算法，利用修復后的完整點云建立三角網，進而建立建筑物的三維模型[8]。⑤紋理映射。利用高分相機獲取的影像信息進行紋理貼圖，從而完成逼真的文物三維模型。

1.1 數據獲取

為了確保點云數據精度，本文運用了傳統測繪方式結合三維激光掃描儀進行聯合作業根據地形情況，故居外部架設了3站，故居內部架設了15站。設站點全部通過RTK及全站儀測出坐標，然后將Trimble TX8架設在已知點上進行作業。相鄰測站保持了10%以上的重疊度，測站與測站之間相距20～50 m，采用2 mm的點密度進行作業，保持點云數據能夠完好地拼接。一些特殊的壁畫、雕刻采用超精密掃描，點密度為1 mm,這樣能保證一些有歷史意義的歷史遺跡能夠完好地保存下來。

掃描同時使用高分相機將故居里每個特征物(包括字畫、雕刻、裝飾物等)拍攝下來，保證每個特征物照片盡量全，盡量多，防止一些影像信息的丟失。拍攝時應該保持正射拍攝，同一塊特征物盡量在一張照片上體現。影像信息過多時，應進行編號處理，保持每個細節的完整性。修復流程如圖1所示。

圖1 修復流程圖

1.2 數據預處理

1.2.1 數據配準

由于每一站掃描出來的數據屬于各自獨立的坐標系，因此需要通過配準將全部設站統一到一個坐標系中，選取若干個測出的已知點進行七參數坐標轉換，將所有測站統一到當地的坐標系中。點云配準如圖2所示。

圖2 點云配準

數據配準通常利用Besl和Mcaky提出的ICP算法實現相鄰站的自動拼接[9]。利用點云的法向量特征，經過同名特征點匹配和篩選后得到精確的匹配點對，求得初始配準的轉換矩陣；然后針對算法中最近點選取因錯誤可能引起的匹配不收斂問題，進行手動提取最近點，完成點云的精確配準；最終實現不同測站點數據的精確配準。本文通過Trimble Realworks 10.3軟件進行點云配準，選取相鄰站的同名點進行拼接，使所有測站拼接成一個完整的建筑。

1.2.2 數據剔除

由于掃描時存在著外界因素對目標的遮擋，造成點云數據的不正確，直接影響點云數據的質量，因此需要對點云數據進行剔除。利用Trimble Realworks 10.3中“分割”功能，通過不同視角的轉換，將不需要的點云剔除干凈，實現噪點的去除,如圖3所示。

圖3 點云分割

1.2.3 數據重采樣

由于相鄰測站數據之間有10%的重疊區域，因此拼接之后重疊部分點云數據密度較大，其他區域相比之下比較稀疏。這一特點不利于之后的三維建模，所以筆者在不丟失建筑特征信息的同時，需要對配準之后的數據進行統一的重采樣。選中Trimble Realworks 10.3中的取樣功能，利用“空間取樣”對點云數據設置5 mm空間點云密度。查看點云發現并未丟失特征點云信息，并且大大減少了冗余數據，對之后處理增添了便利。

2 三維模型制作

2.1 修復點云破洞

由于外界因素遮擋(包括行人、樹木等)的原因，部分點云數據被遮擋后存在丟失的情況，尤其是屋頂點云數據由于工作環境的原因并沒有獲得，因此本文需要對這些點云空洞進行修復。基于運動恢復理論(SFM)及算法對起初獲取的影像數據進行處理，得到三維點集。將三維點集與點云數據進行疊加分析，對比出點云數據中缺少的部分，修補點云漏洞，使點云數據變得完整。

2.2 立面圖、平面圖、剖面圖制作

由于Trimble Realworks 10.3對于一些折線繪制具有局限性，因此本文采用制圖功能強大的AutoCAD來完成立面圖制作。從Trimble Realworks 10.3將點云數據導出成LAS文件，通過Auto Recap將LAS文件導成RCP格式，在通過AutoCAD中插入點云功能，將點云導入在CAD中，通過CAD中畫圖功能，將建筑物中的特征點、線、面繪制出來。將繪制的立面圖對比影像數據，確保沒有遺漏的特征物。

剖面圖的制作采用Trimble Realworks 10.3中的“平面提取”功能，利用與z軸平行的豎直面截取建筑物的剖面。由于建筑中房間種類豐富，為了保證建筑剖面圖的完整性，本文采取了間隔1 m截取一個剖面。由于建筑復雜，許多剖面存在著重復的情況，對截取的剖面進行篩選，剔除一些重復的剖面，得到最終所需的剖面圖，如圖4所示。

圖4 朱德故居地形圖

將制作好的立面圖與剖面圖收集存檔，并一一歸檔，為后續建模能夠有條不紊地進行做鋪墊。

2.3 三維模型制作

由于3ds Max可視化具有程度更好，渲染速度快，模型渲染處理穩定，光感細膩等特點，本文項目的三維模型建立主要通過3ds Max完成。3ds Max建模主要分為5步：①平面圖、立面圖導入到3ds Max，檢查所有線條是否閉合，若未閉合，則將其閉合；②將門、窗、屋檐等特征物與其他墻體線區分開；③利用“擠出”命令將平面圖中每個房間都拉伸成實體模型；④通過立面圖中的尺寸信息勾勒出每個墻體的特征；⑤檢查模型位置關系是否正確及模型尺寸與點云尺寸是否相同。

一般來說，古建筑分為3部分：臺基、屋身、屋頂。屋身包括墻體、柱、梁、檁、枋、斗、栱、昂、雀替、門、窗等。裝飾分為內部和外部裝飾，外部裝飾又分為壁畫、彩畫、雕刻等。屋頂的形式多種多樣，主要有廡殿、歇山、懸山、硬山、攢尖、盝頂、卷棚頂等形式，有單檐、重檐之分，屋頂包括椽、望板、脊、檐、筒瓦、滴水、吻獸等部分[10]。

本次項目主體為古建筑，因此本文采取“先外后內、先總后次”(先對外墻建模，再對內部墻體建模；先對墻體建模，再對特征物建模)的順序進行建模。由于此建筑復雜多樣，因此一個整體構件需要拆分成多個構件一一完成，這樣才能保證模型的完整、高度還原。主要流程圖如圖5所示。

圖5 建模流程圖

(1) 將從平面圖上區分外墻與內屋，然后利用3ds Max“擠出”實體模型，如圖6所示，進而根據立面圖中尺寸信息進行勾繪，最后根據外墻和內屋之間平面關系拼接整個房屋模型。

圖6 房屋的實體模型

(2) 將除墻體之外的裝飾物(桌、椅、字畫等，這里以字畫為例)運用“擠出”工具制作，根據裝飾物的尺寸信息進行勾繪，再將其放在實體所在的位置。裝飾物的模型如圖7所示。

圖7 裝飾物模型

2.4 紋理貼圖

數據獲取時雖然利用高分相機拍攝了高分辨率照片，但是有些高分辨率照片并不滿足紋理貼圖的要求。紋理貼圖需要無污點、無多余物的正射影像圖，并且照片之間色調需保持一致。因此，紋理貼圖之前，需要對高分辨率照片進行矯正處理、色調處理、去污處理。矯正處理即將照片變成正射影像，照片矯正處理可以通過Photoshop中剪切、糾正、變換等功能對照片進行矯正，使得照片能與模型相貼合。由于絕大部分照片并不是同一角度、同一光亮拍攝，不同的照片色調不同，因此需利用Photoshop中亮度、對比度、色彩平和、顏色替換等功能進行色調處理將所有照片統一成一個色調。去污處理為對照片中一些污點進行去除，這一處理可以利用Photoshop中印章、畫筆等工具消除照片中污點。照片處理完畢之后，利用3ds Max中的“多邊形編輯”功能利用圖層進行貼圖，每個模型都用各自的正射化照片貼圖。如圖8所示，貼圖時要保證每個特征物能夠正確地投影，照片能完整、準確地貼合到模型。

圖8 整體模型的紋理貼圖

建筑物中存在一些裝飾物(桌、椅、字畫等，以字畫為例)需要精修，對一些字畫進行提取，對這些字畫單獨建模及精細的紋理貼圖。并對相框進行銳化、對比度等處理，使得字畫恢復到最初始的原貌。如圖9所示。

圖9 裝飾物的紋理貼圖

2.5 渲 染

此時，三維建模工作已經基本完畢，但是為了加強模型可視性，本文需要對模型進行渲染處理，使得渲染之后的模型較貼圖模型更具真實性，達到逼真的效果。本文通過3ds Max中的渲染工具對模型進行照明焦散、環境阻光處理，然后添加渲染背景，打開渲染窗口下的RAM播放器，讓渲染后的模型自動旋轉，使得可視性更強。渲染結果如圖10所示。

圖10 渲染結果

3 結 語

本文以南昌朱德故居為例，詳細闡述了基于三維激光掃描技術的古建筑精細數字化建模過程，整合古建筑學知識，并引入古建筑本體思維，為三維建模提出了新思路、新方法。采用非接觸式的三維激光掃描技術，避免了傳統古建筑數字化方法對建筑物的二次傷害，最終得到數字化三維模型和AutoCAD格式的平、立、剖面圖，利用這些資料再現、記錄和保存古建筑文化遺產。該方法不僅是視覺上的三維可視化，而且可以將其成果整合到GIS中，利用GIS強大的空間查詢分析功能，方便快捷地提取古建筑各種結構關系數據信息，而這些數據信息是進行古建筑文物重建和數字化保護的基礎。如果古建筑遭到人為或自然災害破壞，就可以依據這些三維數字化保存的古建筑物數據，精確地恢復古建筑文物的原貌。可以預見，隨著三維掃描技術同GIS、測量、計算機等相關技術的結合，必將不斷增強其在古建筑保護、災害監測、虛擬環境展示等領域的應用價值和潛力。通過本文分析可知：①理清建模工作的思路，將構件分類分層建模，只有這樣才能使得工作不盲目、不雜亂無章，提高了建模工作的效率；②古建筑數字化建模不僅可以實現構件建模，還可以獲取古建筑三維信息、紋理信息。本文盡管在古建筑建模引入了本體思維，但是由于地理對象的復雜性，還要結合古建筑地域上的空間關系完善和實施三維建模思路。