基于三維激光掃描儀的古建筑虛擬現實技術研究

方偉，黃河，朱圣元 （機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710034）

0 前言

由于社會經濟的不斷變革以及各種環境及人為因素的影響，許多文物古跡都遭受到各種程度的毀壞，甚至是直接消失，因此，為了讓這些文物古跡長久留存下去，加強對文物古跡的保護已經變得刻不容緩。而相對于傳統的文物保護工作，三維激光掃描作為一種新出現的技術為其提供了新的工作方式[1,2]。在2015年，Emmanual等人利用激光掃描技術采集一運河橋隧道結構點云數據，并由此建立了隧道完整的三維模型[3]。國內在三峽大壩的修建過程中，發現了一些遺跡和很多出土文物，為了保護好這些珍貴財產，當時人們便采用三維激光掃描技術對這些東西進行掃描，獲取數字數據，并進行了三維重建[4]；又比如重慶的大足石刻，文物局為了實現更好的保護和管理，便獲取了其完整的三維點云數據[5]；另外清華大學使用三維激光掃描儀對圓明園碧瀾橋的殘余部分進行掃描，并借助計算機技術進行復原，得到完整的數字模型[6]。

本文介紹了三維激光掃描技術的原理以及該技術所具備的一些優勢。在此基礎上獲取了宿州市埇橋區褚蘭鎮夏疃村九女墳表面的點云數據，并對其進行了三維重建以及紋理映射的研究。此次研究內容是基于九女墳數字化考古項目的進一步探討，原有數字成果文件存有瑕疵，最終經紋理映射后的模型表面與紋理圖像匹配不理想，因此此次研究需對此進行優化。

1 三維激光掃描技術

1.1 工作原理

傳統的全站儀是單點測量模式，其工作時由人工尋找目標，每次只能獲取一個目標點坐標。三維激光掃描儀則相當于一個高速測量的全站儀系統，基于激光測距技術和自動控制系統的結合，能快速的測量物體表面的點，而這些點的集合稱為點云。

激光測距技術的原理[7]主要有脈沖測距法、相位測距法、激光三角法和脈沖-相位式測距法4種。如今所使用的三維激光掃描儀一般采用的是脈沖測距法。

1.1.1 脈沖測距法

基于脈沖測距原理的掃描儀通過激光發射器發射脈沖光源，經旋轉棱鏡射向目標，并記錄下反射信號，然后測定激光的往返時間間隔t，根據空氣中的光速c便可以間接計算出待測目標點與儀器間的距離S，可由公式（1）計算：

脈沖測距可達到千米以上的測距半徑，對于超長距離的測量具有顯著優勢，測量精度主要受激光脈沖的上升沿、接收通道帶寬和時間間隔的精確度限制，可達米數量級。

1.1.2 相位測距法

相位測距使用的是無線電波段的頻率，通過對激光束進行振幅調制并測定調制光在目標對象與儀器間往返一次所產生的相位差，再根據調制光的波長，便可間接計算出距離S。可由公式（2）計算：

基于相位測距的掃描儀采用連續光源，所以其功率一般比較低，測量的范圍因此也較小，通常在百米以內。測量精度主要受調制頻率和相位測定精度影響，增大信號的調制頻率可以提高精度，而相應的測量距離會縮短，所以在不影響測量范圍的基礎上要提高測量的精度，一般設置兩種以上的調制頻率。相位測距的精度可以達到毫米數量級。

1.1.3 激光三角法

激光三角測距是根據三角形的幾何關系來解算距離。掃描儀發射的激光射向物體表面，其反射信號被CCD相機接收，并記錄入射光和反射光之間的夾角，又因為已知發射器和CCD相機之間基線長度，這樣就構成一個三角幾何關系，可以計算出目標對象的距離。其幾何圖示如圖1。

圖1 激光三角測距原理

為保證掃描信息的完整性，掃描儀的范圍一般在幾十米以內，主要應用在工業測量和逆向工程重建中，其測量精度可達亞毫米數量級。

1.1.4 脈沖-相位式測距法

脈沖測距和相位測距的結合就產生新的脈沖-相位式測距法，這種方法依靠脈沖測距完成對距離的粗側，在利用相位測距完成精測。

1.2 技術優勢

三維激光掃描技術獲取的則是三維空間信息，包括點的三維坐標、古建筑的紋理信息以及其所有的結構、細節乃至材質信息[8]。同時，相對于傳統技術，三維激光掃描技術的效率和適用性更強。現如今的三維激光掃描設備可達到每秒100萬點的掃描速度，可以在幾小時內獲得大量點云數據的坐標信息，同時這些數據不會存在誤差累積，大大提高了古建筑的測量精度。在對數據進行處理的時候，可以進行拼接和分塊操作，因此可以同時處理多個特征模塊，降低了對計算機的硬件要求并提高了效率。由于三維激光掃描設備采用自身攜帶光源，并能夠做到“所見即所得”的效果，所以可以承接很多復雜環境下的工作。

2.3.7 米索硝唑pH敏感脂質體中主成分的含量測定 取“2.1”項下米索硝唑pH敏感脂質體適量，按“2.2.4”項下方法制備經預處理的米索硝唑pH敏感脂質體溶液。以甲醇為空白，于322 nm波長處測定吸光度并計算含量。平行測定3次。結果，3次測得的米索硝唑含量分別為99.86%、100.16%、100.32%（RSD＝0.56）。

2 基于點云數據的三維重建

2.1 Geomagic Studio軟件簡介

Geomagic Studio是由Geomagic公司開發的一件產品，是一個被廣泛應用的逆向工程軟件，用戶可以從點云數據中創建多邊形網格、NURBS曲面和CAD模型。Geomagic Studio軟件的主要功能如下：

①點云數據的預處理，包括去噪、簡化、采樣等；

②可以直接將散亂的點云數據轉換為多邊形對象（Polygons）；

③多邊形階段處理，包括刪除釘狀物、修補孔洞、銳化編輯等；

④將多邊形轉換為NURBS曲面，并提供了多種實現方式；

⑤紋理貼圖；

2.2 研究數據

圖2 九女墳封裝模型

此次研究數據為九女墳的網格模型。九女墳位于宿州市墉橋區褚蘭鎮夏疃村墓山孜北坡，是一座東漢晚期的畫像石墓，其墓室由雙甬道、雙后室、橫前室和一個耳室組成，1961年公布為安徽省省級文物保護單位。

2.3 數據處理

通過Geom agic Studio軟件對模型進行了進一步處理。對模型局部，利用填充孔、去除特征、砂紙、偏移等命令對模型進行精細修復；對于模型整體，利用重劃網格、優化、增強網格、松弛和光順等命令使多邊形網格更平滑而保持曲率特征；并采用網格醫生修復網格還存在的缺陷。多邊形階段的處理不是一蹴而就的，需反復交叉處理并加以比較以得出最優效果。針對處理好的的多邊形模型進行分塊，并利用3DMAX軟件進行紋理映射，以獲取更具真實感的模型。

古建筑表面都會有色彩、紋路以及其自身的幾何細節等紋理信息，而根據點云數據建立的三維模型是沒有紋理特征的，所以真實感就比較差，這樣在虛擬展示時用戶的體驗感便會大大降低。為了建立更逼真的模型，需獲取古建筑的紋理數據，并通過紋理映射將其附著在模型上。

紋理映射是真實感建模的關鍵，這是將二維的平面圖像映射到三維模型表面的一項技術，其本質是建立二維紋理圖像點坐標（u，v）和目標三維模型表面點坐標（x，y，z）的一一對應關系[9]。

此次研究中，通過3D MAX軟件進行紋理映射。因為所使用的每張紋理正射影像只是古建筑的一部分，所以在紋理映射之前，需在Geomagic Studio中將已建好的三維模型切片。通過“新對象”命令，將所選擇的區域轉為對象，并保存下來，保存時為使能在3D MAX打開，將文件格式設置為.obj格式。切片的選擇范圍需由正射影像決定。將一塊模型的切片導入3DMAX中，在軟件里會有4個窗口分別顯示對象的三視圖和透視圖，按住Alt+W將，將透視圖最大化視口顯示，并將對象大致調平，利用“材質編輯器”選擇對應的正射影像圖，使用UVW貼圖可以移動貼圖位置并修改參數，以使得正射影像與對象更好地契合，通過紋理映射后，貼圖前后對比如圖3所示，九女墳整體貼圖效果如圖4所示。

本次研究是對已有九女墳模型進行優化，通過對比可以發現，模型各處細節都得到了很大改善。如圖5所示，此處墻體有1處凹陷的縫隙，而周圍是一個平面，在舊的模型中，凹陷處邊界以及周圍平面都可以看到稀疏的三角面片，擬合效果較差，經過此次優化后，這些問題得以解決。

在圖6中，可以看出這是一面由磚塊堆筑的墻壁，因為其表面的各種凹凸，使得其封裝的模型存在重疊的三角形，而舊的模型沒有對此進行完善的修復，導致貼圖后依然能看到這些三角片，在新的模型中，這種情況已被修復；

圖3 貼圖前后對比

圖4 整體貼圖效果

在圖7中，這是一處墻角，由于是兩個平面的交界處，在分別進行貼圖后，其連接處不能得到很好的結合，所以此次貼圖時便對其進行改正，在新的模型中有了很大改善。

3 結論

通過一系列的處理，可以發現優化后的模型較原模型效果有了很大改進。原有模型表面三角面片的稀疏程度不合理并且相互偏移較大，致使模型表面不平滑；在模型轉折邊界處，因曲率擬合的較差，致使邊界可見三角面片；同時模型部分區域還存在重疊三角形以及紋理映射的圖片邊界處模糊。這些問題在此次研究中都得到了優化，模型真實感增強，達到了此次研究目的。

圖5 新舊貼圖效果對比1

圖6 新舊貼圖效果對比2

圖7 新舊貼圖效果對比3

通過此次研究可以發現利用三維激光掃描技術獲取點云數據來重建古建筑三維模型優勢明顯，不僅不會對建筑造成破壞，還能夠最大限度的保存建筑細節紋理，這對文物保護工作具有重大意義，拓展了文物保護和考古研究的內容和手段。