基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)

付會軍

(南陽市張衡博物館， 河南，南陽 473000)

0 引言

文物是人類歷史發(fā)展的寶貴遺產(chǎn)，具有重要的研究價值，自人類文明誕生以來，在歷史發(fā)展的長河中留下了無數(shù)的文化遺產(chǎn)，為后世提供了大量研究過去文化發(fā)展的資源。文物作為歷史文化流傳至今的主要載體，具有為歷史文化研究工作提供研究對象的重要意義[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，文物數(shù)字化保護成為當前文物保護領(lǐng)域的主要技術(shù)，這是利用現(xiàn)代手段實現(xiàn)文物數(shù)字化管理與保護的技術(shù)。隨著文物保護熱潮的掀起，文物數(shù)字化技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到文物保護方面。相對于原有的文物保護技術(shù)，數(shù)字化文物保護技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、存儲安全的特點。相對于原始的保護方式，這種文物保護方法可有效保存文物的三維信息，降低文物采集數(shù)據(jù)結(jié)果與文物實際數(shù)據(jù)之間的差異。文物保護技術(shù)對于文物傳承與保護具有推動意義，為世界文物保護問題提供了一個可行的實施方案。

當前數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)成為數(shù)字化文物保護的主要實施載體，大部分的專家學(xué)者設(shè)計了多種數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在提高文物保護效果的同時，也存在部分問題。文獻[3]中提出了一種應(yīng)用區(qū)塊鏈去中心化技術(shù)，使用數(shù)據(jù)化技術(shù)實現(xiàn)文物保護的方法。此方法在處理時操作過程較為復(fù)雜，用戶使用效果較差。針對此案例研究結(jié)果，在本次研究中選擇光纖光柵傳感技術(shù)對當前數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)進行優(yōu)化，設(shè)計基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)。光纖光柵傳感技術(shù)具有傳統(tǒng)技術(shù)不具備的應(yīng)用優(yōu)勢，可為文物保護工作提供幫助。本次研究結(jié)束后，將進行應(yīng)用測試，對此次設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用效果進行分析。

1 基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)本次研究中選定的光纖光柵傳感技術(shù)對當前系統(tǒng)硬件構(gòu)架展開優(yōu)化，優(yōu)化后的硬件構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)硬件構(gòu)架，對當前的硬件結(jié)構(gòu)進行分析，選擇合適的硬件對當前硬件框架進行補充與完善，并將優(yōu)化后的硬件框架作為軟件構(gòu)建的基礎(chǔ)。

1.1 光纖光柵傳感器選型

在文物參數(shù)的測量過程中，不僅要保證測量精度，還需要保證系統(tǒng)具有較好的耐久性。在保證功率的同時，還要保證測量數(shù)據(jù)的遠距離輸出[4-5]。因此，在本次研究中，將光纖光柵傳感器參數(shù)進行設(shè)定，如表1所示。

表1 光纖光柵傳感器參數(shù)

使用此參數(shù)后，完成光纖光柵傳感器的搭建過程，使其具有測量誤差小、可靠性好、靈敏度高等特點。將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳送到解調(diào)器中，對不同的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，從而得到完整的文物數(shù)據(jù)。

1.2 中央控制器設(shè)計

在硬件架構(gòu)中引入光纖光柵傳感器后，對于系統(tǒng)的中央控制器芯片展開設(shè)計。將CC2530傳感器作為核心芯片，此芯片支持IEEE802.15.4標準[6-7]的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有效解決傳感器不易控制的問題。優(yōu)化后的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 核心控制器芯片結(jié)構(gòu)

在此芯片中增加電源電路、傳感器電路以及顯示器電路，上述電路直流電壓控制在3.5 V左右，如電壓過高時，在電路中安裝AMS系列穩(wěn)壓芯片將電壓降低到固定電壓。

1.3 通信接口結(jié)構(gòu)設(shè)定

根據(jù)上述設(shè)定的硬件，對系統(tǒng)的通信接口進行優(yōu)化設(shè)計。選用TOREX系列芯片[8]作為主要控制器，在網(wǎng)關(guān)電路中增設(shè)WiFi模塊與中央控制器相連，保證此模塊中具有至少4個串口電路。網(wǎng)關(guān)電路示意圖如圖3所示。

圖3 通信接口電路示意圖

將此通信接口與傳感器解調(diào)器相連接，串口電路3與WiFi模塊相結(jié)合，串口電路4與中央控制器相連接。

將上文中設(shè)定的硬件設(shè)備有序連接，并將其安裝到當前系統(tǒng)硬件框架中，完成系統(tǒng)硬件部分優(yōu)化設(shè)計。

2 數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 文物數(shù)據(jù)采集

為了獲取高品質(zhì)的數(shù)字化文物數(shù)據(jù)采集結(jié)果，在本次研究中使用光纖光柵傳感器對文物進行測量。為了控制傳感器的使用效果，對傳感器的反射率F與透射率T進行設(shè)定，具體公式如下：

(1)

式中，α2表示傳感器自耦合系數(shù),β2表示傳感器交叉耦合系數(shù),g表示光線長度。根據(jù)此公式可得到光柵峰值波長，具體公式如下：

χi=2Fg

(2)

由此公式可得到傳感器中央波長：

(3)

根據(jù)上式可得到反射帶寬，通過反射帶寬，采集文物數(shù)據(jù)Δχr，其計算過程：

(4)

使用上述公式，對傳感器的相應(yīng)參數(shù)進行設(shè)定，保證文物數(shù)據(jù)采集的精度。

2.2 文物數(shù)據(jù)信息管理

為了更好的完成文物的保護工作，對傳感器采集到的文物數(shù)據(jù)進行分類處理，文物數(shù)據(jù)分類后結(jié)果如表2所示。

表2 文物數(shù)據(jù)類別劃分

對采集到的文物數(shù)據(jù)進行分類處理后，根據(jù)協(xié)同管理理論[9-10]對文物數(shù)據(jù)信息進行管理，將管理模式設(shè)定為單向管理與雙向管理模型，具體如下：

Z=h1Z1+h2Z2+h3Z3+…+hiZi

(5)

其中，Zi表示文物數(shù)據(jù)信息采集結(jié)果的第i類文物數(shù)據(jù),h1表示文物數(shù)據(jù)協(xié)同系數(shù)。使用式(5),實現(xiàn)文物數(shù)據(jù)信息的管理，并將處理后的文物數(shù)據(jù)信息收錄到數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的文物保護提供基礎(chǔ)。

2.3 文物三維數(shù)字模型構(gòu)建

使用上文中設(shè)定的內(nèi)容，構(gòu)建文物三維數(shù)字模型完成文物保護工作。將文物上的三維點(x,y,z)對應(yīng)到文物圖像上的點(e,f)，將不同圖像的坐標上相應(yīng)的(e,f)點，對應(yīng)到同一個三維點(x,y,z)中，則文物的表面形狀可表示為

s=ΔχrZ(x,y,z)

(6)

z軸的法定向量[11]為非負，將文物三維重建變量分別設(shè)定為w和v，則有：

(7)

由式(7)可以看出，文物的表面向量可表示為[w,v,-1]，(w,v)表示文物在二維平面中的梯度。根據(jù)此梯度，可得到文物三維模型梯度變量函數(shù)[12]：

D(x,y)=s(w,v)(e,f)

(8)

將采集到的文物數(shù)據(jù)點應(yīng)用式(8)進行計算，得到文物三維模型，并使用此模型作為文物智能保護過程中的主要內(nèi)容。根據(jù)文物保護的相關(guān)要求，對模型進行優(yōu)化，實現(xiàn)本次研究目的。將上文中優(yōu)化后的硬件與軟件有序結(jié)合，至此，基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3 仿真實驗分析

3.1 系統(tǒng)測試平臺

針對本次研究中設(shè)計的基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)對其系統(tǒng)性能進行分析。本次將光纖系統(tǒng)與當前系統(tǒng)進行性能對比，以此驗證光纖系統(tǒng)的使用效果，針對當前系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)的硬件要求與軟件模塊開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)測試平臺設(shè)定如表3所示。

表3 系統(tǒng)測試平臺參數(shù)

使用上述平臺參數(shù)完成系統(tǒng)測試平臺的組建過程，使用此平臺完成系統(tǒng)測試過程。

3.2系統(tǒng)測試方案

本次系統(tǒng)測試將首先對光纖系統(tǒng)的功能進行測試，選定功能測試項，對此系統(tǒng)的功能進行分析，當光纖系統(tǒng)的功能符合使用要求后，進行系統(tǒng)對比測試。選擇10種不同類型文物作為測試目標，使用當前系統(tǒng)與光纖系統(tǒng)對其展開保護處理，具體文物數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測試目標數(shù)據(jù)

使用光纖系統(tǒng)與當前系統(tǒng)對上述測試目標進行處理，將系統(tǒng)測試指標設(shè)定為文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度以及文物模型構(gòu)建誤差兩部分，通過此兩組指標對光纖系統(tǒng)與當前系統(tǒng)的系統(tǒng)性能進行分析。

3.3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

采用本文設(shè)計的基于光纖光柵傳感的數(shù)字化文物智能保護系統(tǒng)進行功能性測試，測試結(jié)果如表5所示。

表5 光纖系統(tǒng)功能性測試

根據(jù)以上光纖系統(tǒng)功能性測試結(jié)果可以看出，光纖系統(tǒng)可完成上述設(shè)定功能測試全部指標，并得到較好的測試結(jié)果。為了驗證本文系統(tǒng)的有效性，采用本文設(shè)計光纖系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)1和傳統(tǒng)系統(tǒng)2進行文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度測試，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度

在本次研究中，將系統(tǒng)的文物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集精度體現(xiàn)為文物細節(jié)數(shù)據(jù)的獲取精度。根據(jù)此測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度較高，可獲取到文物細節(jié)部分的數(shù)據(jù)，提高后續(xù)文物修復(fù)與保護的精度。與光纖系統(tǒng)對比可以發(fā)現(xiàn)，當前系統(tǒng)的文物數(shù)據(jù)采集能力較差，無法獲取文物細節(jié)部分的數(shù)據(jù)。尤其當測試對象為CSMB-09與CSMB-10時，當前系統(tǒng)僅能獲取大面積文物數(shù)據(jù)，細節(jié)數(shù)據(jù)無法獲取。由此測試結(jié)果可知，光纖光柵傳感器具有一定的應(yīng)用效果，且光纖系統(tǒng)的使用效果優(yōu)于當前系統(tǒng)。

為了進一步驗證本文系統(tǒng)的有效性，對本文設(shè)計光纖系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)1和傳統(tǒng)系統(tǒng)2的文物模型構(gòu)建誤差進行對比測試，測試結(jié)果如表6所示。

表6 文物模型構(gòu)建誤差

由上述系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，光纖系統(tǒng)可構(gòu)建出精度較高的文物三維模型，根據(jù)此模型可有效提高系統(tǒng)的文物保護能力。反觀當前系統(tǒng)，由于無法獲取到高精度的文物細節(jié)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出的文物三維模型缺乏細節(jié)點的描述，整個模型過于扁平，對于數(shù)字化文物保護無法起到應(yīng)有幫助。與此同時，在一定程度上制約了文物保護技術(shù)的發(fā)展。在未來的研究中，還需要對數(shù)據(jù)采集部分進行優(yōu)化，以此保證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

對上述系統(tǒng)測試結(jié)果進行整合后可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器在使用后，可有效提升文物智能保護系統(tǒng)的應(yīng)用性能，保證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4 總結(jié)

對本次研究中的系統(tǒng)設(shè)計過程進行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵傳感器的使用有效提升了當前系統(tǒng)的文物數(shù)據(jù)采集精度，并賦予文物保護過程應(yīng)有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在一定程度上提升了系統(tǒng)的使用效果。本次研究中還存在相應(yīng)的不足，在日后的研究中還需要進行針對性優(yōu)化，為日后的文物保護過程提供更加堅實的平臺。