文物數字化激光三維模型后期處理方法

文/汪斌 王興鑫 祝蘭蘭

文物數字化三維數據類型通常主要分為傳統幾何造型技術、基于激光三維掃描成型技術、基于圖像三維重建成型技術三大類。

第一類：傳統幾何造型技術，依靠計算機圖像進行手工建模。這種建模技術具有很大的主觀意識存在，對于文物三維建模來說更是無法滿足研究者對于文物高精度的需求，且需要熟練且操作相對精通的技術人員，對許多不規則的物體進行三維建模，其真實感與真實物體存在一定的差異。

第二類：基于激光三維掃描成型技術，利用激光三維掃描設備獲得物體高精度三維模型，在逆向工程、醫療、航天、汽車、文物保護領域應用廣泛。目前激光三維掃描主要分為：機載（或車載）激光掃描、地面大型激光掃描、便攜式激光掃描。掃描距離分長、中、短等距離。

第三類：基于圖像三維重建技術，該技術隨著計算機視覺和計算機圖形學的發展而發展，該方法是采用數碼相機成像技術利用多幅圖像對物體進行重建，還可以從圖像序列中恢復三維模型。目前在計算機虛擬現實、文物數字化保護等領域廣泛應用。

1 文物數字化激光三維模型后處理軟硬件配置

1.1 硬件配置

針對激光三維掃描成型數據來說，其處理硬件配置需隨著激光掃描數據的精度提升而提升，高精度龐大的點云數據量對于顯卡顯存處理能力有關鍵制約作用，以精度在0.03～0.05mm 之間為例。那么圖形工作站顯卡配置顯存大小≥16GB。

1.2 軟件配置

主流逆向工程軟件，逆向工程軟件功能主要是集中于處理和優化稀疏與密集的掃描點云，通過規則的點云可以進行快速成型，目前主要處理軟件主打Geomagic Studio、Rapidform 等軟件更加廣泛，其運行能力及用法更加容易掌握。

2 激光三維模型處理流程

整個數據處理過程可分為三維點云階段、網格模型階段、紋理階段、成果輸出四個步驟：

2.1 點云階段

2.1.1 點云去噪

以Geomagic 為例，選擇非連接性、體外孤點進行刪除，同時自由畫筆工具對主體物周邊進行勾選刪除。得到較為清爽干凈有序的三維點云。

2.1.2 多組點云對齊與合并

對于正反面多組模型需要對齊合并，需要在對齊的點云分組上選擇公共點，每組尋找4 個控制點。通過全局注冊對齊會得到一個差值，差值越小，對齊的數據越精確。將多組點云數據進行聯合為一個完整復合點云數據，整個過程需要將所有重疊區進行刪除，避免封裝完成后面片出現夾層。

2.1.3 點云采樣

對于館藏文物而言，原始點云數據量控制在原始大小有效點云，才能保證后期面片數據質量，根據實際需求來判斷。采用曲率采樣會在平面非結構線區域進行簡化，對于有凹凸起伏區域保留細節。

2.2 網格模型階段

掃描點云數據變成可編輯多邊形網格模型，以三角網格的形式鋪滿整個模型表面，創建成完整光滑面片模型。最大三角形數：原始面片數=原始點云數據*2。

2.2.1 缺陷檢測、網格醫生

通過缺陷檢測、網格醫生等修復工具，清理檢測實體模型質量，可以將非流行單元面、交叉單元面不規則曲面進行刪除清理。

2.2.2 孔洞填充

從現階段技術而言，不論是哪種掃描技術都是不可避免存在的漏洞。因此在對于空缺的數據需要后期的修補才能完整,通常在完整的數字化展覽、文物保護修復成本計算中常見，因此需要對模型存在的洞進行完整的處理，然而對于病害的分析與研究，就需要完整的采集數據從而進行數據處理。

2.3 追加紋理

紋理貼圖分為人工貼圖與計算機自動紋理映射，就目前而言紋理自動映射對于計算機算法的優化還不是很全面，同樣對于數據前期采集也有很高的攝影要求。人工貼圖效率高，但從測量的角度來說，整個過程圖片會產生畸變、扭曲等較大的誤差，適用于展示。選擇合適的貼圖，在貼圖上選擇合適的點，同樣在對應的三維模型上選擇同樣的點，使用相應的點覆蓋到整個幾何模型，選擇的點越多，模型與貼圖將匹配的更加全面。

3 重點難點分析

3.1 夾層處理

由于算法和人為采集原因所導致模型表面覆蓋一層多余的面片，夾層面片需要進行去除，夾層面片分布著大量不規則多邊形、非流行單元面片，對于這部分數據需要在不損失完整模型的前提下進行剔除。

3.2 結構位置空缺修補

圖1：總體處理流程圖

由于角度及掃描空間限制等原因造成的模型表面結構處位置數據空缺的部分，在填充空洞的過程中除了常用的搭橋填補，平面填補，另外可以采用在本體相似結構處截取相似結構進行結構處理。

4 總結

在新興的數字化時代，文物數字化已經由單一模式轉變成多種模式，在記錄文物本體信息與處理的時候，需要更多考慮在龐大數據上的處理問題，紋理映射匹配的準確性，規范文物數字化采集與處理的相關流程，在有限的設備中，能提高數據生產的質量。文物數字化后期處理與工業設計、汽車制造等行業不同，在數據的準確性與還原度上有更高的要求，結合逆向工程設計梳理出文物數字化后期處理的操作規范與標準，從文物本體三維點云數據獲取至三維成品完成需要嚴格按照嚴謹有序的標準進行執行，既能在質量上得到更高的保障，又能在效率上有很大的提升。