面向文物數(shù)字存檔的數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計

吳 高，劉陶勝，崔前輝，左 昌

（江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

傳統(tǒng)的文物保護工作，通常都是對文物進行復(fù)制倒模，這在很大程度上會對文物的表面造成二次損壞，特別是一些脆弱易碎的文物，在復(fù)制倒模過程中易產(chǎn)生不可彌補的損失[1]，從而導(dǎo)致文物修復(fù)和重建出現(xiàn)不確定性。隨著技術(shù)的發(fā)展，文物數(shù)據(jù)采集方式已由傳統(tǒng)的復(fù)制倒模轉(zhuǎn)換到人工測量，通過作業(yè)人員進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，獲得文物測繪圖紙和文檔資料[2]。這種方法雖然與傳統(tǒng)保護工作相比不會對文物造成二次破壞，但是采集效率極低，對于紋理豐富的文物，無法提供具有RGB信息的真實模型。三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，是目前比較流行的技術(shù)之一，由于其操作簡單、測量精度高，已廣泛應(yīng)用于文物保護、變形監(jiān)測和工程測量等領(lǐng)域。但現(xiàn)階段三維激光掃描儀等文物數(shù)據(jù)采集設(shè)備[3]，需要影像輔助才能獲得具有紋理的三維模型，當(dāng)掃描面型復(fù)雜的物體仍然需要進行多次掃描，如含有多角的物體或者是表面曲面復(fù)雜的多面體，無法一次性從多個角度獲得文物目標(biāo)的原始信息。且對于某些物體或出現(xiàn)遮擋現(xiàn)象時會出現(xiàn)掃描盲區(qū)，從而導(dǎo)致物體表面點云數(shù)據(jù)的缺失[4]，數(shù)據(jù)處理的難度也會大大增加，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)采集及處理的效率。并且這類設(shè)備價格昂貴，使用成本過高，無法得到廣泛的運用。

而隨著近景攝影測量技術(shù)的不斷進步，利用攝影測量技術(shù)進行全方位的拍攝，獲取二維影像數(shù)據(jù)，而后生成點云數(shù)據(jù)，從而進行三維重建。該方法可以精確、清晰且完整地獲取文物的幾何數(shù)據(jù)和色彩信息，在文物色彩還原上表現(xiàn)最佳[5]。

因此，本文選擇使用非量測的相機進行方案設(shè)計，能夠在非接觸的狀態(tài)下對文物進行數(shù)據(jù)獲取，其獲取的角度多樣且能夠解決結(jié)構(gòu)光技術(shù)帶來的掃描盲區(qū)的問題，提高了文物數(shù)據(jù)采集的效率。

1 多視文物影像三維重建原理

本文設(shè)計的采集設(shè)備是用于采集文物的序列影像以恢復(fù)其三維點云數(shù)據(jù)，通過聯(lián)機拍攝及連接裝置配置出文物數(shù)據(jù)采集環(huán)境，使得文物三維數(shù)據(jù)采集安裝合理，采集方式簡單方便。通過采集文物多視角的影像數(shù)據(jù)，基于SIFT算法[6]及K-D樹搜索準(zhǔn)則[7-8]對影像進行特征匹配，然后利用RANSAC算法[9]消除誤匹配，最后基于SFM進行文物三維重建。

通常情況下，空間坐標(biāo)系的原點為第一幅圖像的光學(xué)中心位置，因此第一幅圖像的投影矩陣為

式中：K為相機自身參數(shù)矩陣；I為3階單位矩陣，設(shè)第二幅圖像的旋轉(zhuǎn)和平移向量為R和T，則其相應(yīng)的投影矩陣為

以此方法，能夠得到相機的一組投影矩陣，設(shè)Q1i和Q2i（i=1，2，3）分別是Q1、Q2的3個行向量。W=（XW，YW，ZW）為空間點的三維齊次坐標(biāo)，該三維空間點在2幅圖像上的投影分別為（u1，v1，1）和（u2，v2，1）。對于每個圖像，都可以獨立地獲得2個線性方程，因此每對匹配點可以得到如下

理想情況下，像點反投影后可以得到以光束中心為端點的光束射線。如果2幅圖像形成的背投光線相交于一點，則需要求的點的三維坐標(biāo)為相交點的三維坐標(biāo)。此時，根據(jù)公式（3），可以用最小二乘法求解該點的三維坐標(biāo)。

2 三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計與對比選擇

本文的采集設(shè)備是針對小型的文物數(shù)據(jù)采集的需要進行設(shè)計的，其主要特點是可以從多個視角獲取文物信息，并可以實現(xiàn)相機的同步拍攝及照片實時傳輸?shù)诫娔X進行存儲。

設(shè)計的方案有以下3種，本文主要闡述設(shè)計的3個方案，將3個方案進行對比分析。

2.1 設(shè)計方案一

該設(shè)計方案整體結(jié)構(gòu)主要由1個50 cm×50 cm×50 cm的box、1個文物承載臺、4個面陣Basler彩色相機及其相關(guān)配套軟件、1個千兆網(wǎng)絡(luò)交換機、5根足夠長度的1 Gbps網(wǎng)線和計算機組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖（方案一）

2.2 設(shè)計方案二

該設(shè)計方案整體結(jié)構(gòu)主要由1個半徑為25 cm圓形軌道、1個文物承載臺、1個滑輪、1根連接桿、3個面陣Basler彩色相機及其相關(guān)配套軟件、1個千兆網(wǎng)絡(luò)交換機、4根足夠長度的1Gbps網(wǎng)線和計算機組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖（方案二）

2.3 設(shè)計方案三

該設(shè)計方案整體結(jié)構(gòu)主要由1個直徑為35 cm的文物旋轉(zhuǎn)臺、1個多功能相機三角架、1臺佳能相機、1個攝影棚、電腦相機連接線及計算機組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖（方案三）

2.4 設(shè)計方案的比較與選擇

本文設(shè)計的3個方案各有千秋，接下來從以下幾個方面進行比較，分析各個方案的優(yōu)缺點，選擇出最佳方案。

2.4.1 經(jīng)濟方面

3個方案的具體成本見表1，其中方案一選用4個相機和鏡頭及網(wǎng)絡(luò)交換機，由于相機及鏡頭的價格較為昂貴，價格成本相對其他方案來說比較大，總成本大約需要1.5萬元。方案二則選用3個相機和鏡頭及網(wǎng)絡(luò)交換機，較于方案一雖成本更低，但總體成本仍然需要大約1萬元。而方案三則采用1個相機和鏡頭，從相機和鏡頭的數(shù)目來看其成本遠(yuǎn)低于其他方案，總成本大約5 000元。

表1 方案成本

2.4.2 使用方便程度方面

方案一采用的是全自動化采集，安裝好設(shè)備后，只需要在電腦上操作即可，該方案集相機的同步控制與相片的實時獲取于一體，自動化程度和集成性較高，方便程度比較高。而方案二安裝好設(shè)備后，不僅需要在電腦上控制拍攝，還需要人工控制連接桿移動的速度，且對連接線的長度有一定的要求，該方案能集相機同步控制與相片實時獲取于一體，雖集成性高，但自動化程度較低，方便程度一般。方案三設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝好設(shè)備后，只需要在電腦上控制即可，其能夠集相機拍攝與相片實時獲取于一體，無需人工額外控制，自動化程度較高，集成性高，方便程度也比較高。

2.4.3 安全方面

方案一所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，相機固定在box的4個頂角，且安置好設(shè)備后不需要進行移動，只需將文物放置在box里的承載臺上即可，安全程度高。方案二采用軌道結(jié)構(gòu)，安裝好連接桿和相機后，需要將其滑動，存在相機會掉落的安全隱患，且滑輪滑動的過程中，人容易碰到網(wǎng)線，一旦碰到，嚴(yán)重的則可能會導(dǎo)致相機被扯落，綜合上述其安全隱患較多，安全程度最低。方案三設(shè)計的結(jié)構(gòu)，安置好后，無須將文物或者相機進行移動，只需要將旋轉(zhuǎn)臺的開關(guān)按鈕打開，因此其安全程度相對較高。

2.4.4 方案實際精度與效果

本文分別采用3個設(shè)計方案對文物數(shù)據(jù)采集進行了實驗，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 點云生成效果

方案一的效果如圖4（a）所示，由于方案一在采集文物影像時是固定的，因此只能獲得4個方向上的影像，影像數(shù)量極少很難提取到較多的特征點，對于特征點匹配也是很大的考驗，由于該方案無法提取到足夠多的特征點，因此無法基于這些特征點生成密集三維點云，最終通過實驗驗證該方案不可行。

方案二的效果如圖4（b）所示，重投影誤差為0.149像素，最大重投影誤差為0.471像素。該方案由于在同一個豎直面內(nèi)進行3個視角的影像采集，通過旋轉(zhuǎn)一周，能夠采集到足夠數(shù)量的影像，并且采集視角較多，對于紋理不豐富的文物提取的特征點數(shù)量較均勻，數(shù)量相對來說也比較多，生成的密集點云數(shù)量較多，三維建模效果比較好。

方案三的效果如圖4（c）所示，重投影誤差為0.293像素，最大重投影誤差為0.916像素。該方案將相機固定，通過將文物旋轉(zhuǎn)一周，能從不同方位采集到足夠數(shù)量的影像，雖然文物采集視角比較單一，對于紋理不豐富的文物提取的特征點數(shù)量少，但總體來說提取到的特征點數(shù)量還是比較多的，生成的密集點云數(shù)量相對較多，三維建模效果比較好。

綜上，從經(jīng)濟、方便程度、安全及精度等方面進行比較，方案一的方便程度和安全性高，集成性好，但是由于其制作成本最高，最重要的是無法從多視角進行文物采集，采集的影像數(shù)量少，無法進行特征匹配從而導(dǎo)致無法進行密集匹配。方案二雖然在采集視角上是3個方案上最多的，但是其由于安全性低且需要額外控制連接桿，其方便程度低，且制作成本高。方案三的制作成本最低，方便程度高，集成性好，安全性能也高，制作的三維模型效果好，基于這些優(yōu)點，最終采用方案三進行三維數(shù)據(jù)采集。

3 三維數(shù)據(jù)采集方案的具體實現(xiàn)

本設(shè)計方案獲取文物點云數(shù)據(jù)的方法是通過非量測相機進行拍攝，基于近景攝影測量的原理對拍攝的影像基于SIFT算法進行影像匹配，并對其進行誤匹配消除，然后基于SFM由匹配點生成點云數(shù)據(jù)。

本設(shè)備使用的是Canon EOS 5D-MarkⅡ相機，相機基本參數(shù)見表2。

表2 Canon EOS 5D-MarkⅡ相機

使用鏡頭是EF24-105 mm f4L ISⅡUSM，該鏡頭的基本參數(shù)見表3。

表3 EF24-105 mm f4L ISⅡUSM鏡頭

本次實驗搭載的實驗設(shè)備如圖5所示。

圖5 三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備搭載

3.1 相機標(biāo)定

本設(shè)計方案使用的是張正友的棋盤格標(biāo)定算法，使用7×10的標(biāo)定板與MATLAB標(biāo)定工具對使用的相機進行標(biāo)定。

標(biāo)定結(jié)果最終會由工具箱返回結(jié)果，計算出來的內(nèi)參數(shù)矩陣為3×3的矩陣，矩陣具體值如下所示。

3.2 文物影像數(shù)據(jù)采集

首先，安裝好攝影棚，將燈光條放置在需要補光的位置，文物旋轉(zhuǎn)臺放置在安裝好的攝影棚上，打開開關(guān)對旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速進行測試，然后將6個標(biāo)志點均勻粘貼至旋轉(zhuǎn)臺的邊緣，使用全站儀進行坐標(biāo)測量。

在室內(nèi)選擇合適的一點安置全站儀，對中整平后新建文件，設(shè)置參數(shù)，然后選擇自由設(shè)站，假定第一個已知點坐標(biāo)為（10，10，10），設(shè)置儀器高等參數(shù)，然后進行建站，以第二個已知點為后視進行定向，定向完成后，對6個標(biāo)志點一一進行測量，測得的標(biāo)志點的三維坐標(biāo)見表4。

表4 標(biāo)志點三維坐標(biāo)

標(biāo)志點測量完成后，將相機安置在一個合適的位置，將文物小心翼翼地放置在旋轉(zhuǎn)臺中心。在設(shè)備通電前，先安裝相機聯(lián)機軟件LR，安裝好之后，將相機腳架安置在距離合適的位置，將相機整平安置在腳架上，調(diào)整相機角度大約向下30°~50°，然后使用連接線一端與電腦連接，另一端與拍攝相機連接。

連接之后，打開LR軟件，點擊文件→聯(lián)機拍攝→開始連機拍攝，在彈出的對話框上設(shè)置好文件夾名稱和保存圖片的地址，點擊確定。

觀察文物的旋轉(zhuǎn)狀況，然后點擊采集影像，采集到的圖像如圖6所示。

圖6 文物影像采集

采集到的影像自動保存在設(shè)置好的文件夾上，可在軟件上進行查看或者在文件夾中查看。

4 實驗結(jié)果與分析

在獲得文物的影像數(shù)據(jù)之后，本設(shè)備使用Photoscan軟件進行三維重建，基于SIFT算法對文物的特征點進行提取，并對提取的特征點進行匹配。然后基于SFM提取文物匹配點的稀疏點云，結(jié)果表明提取出的特征點均勻且精度較高。

然后進行密集點云生成，如圖7所示，本實驗共生成了4 480 577個點。由此得出，使用SIFT算法進行特征匹配，不僅提取的特征點均勻，角點的提取效果好，提取的點云數(shù)量多，穩(wěn)定性高，而且所提取出的點云數(shù)據(jù)帶有RGB信息，為后面的三維重建工作提供了良好的基礎(chǔ)。

圖7 三維點云生成

由于在實驗的過程中，因光照等因素的影響，導(dǎo)致花瓶表面反射光線過多，出現(xiàn)了較多的誤匹配，去除誤匹配之后剩下的特征點數(shù)量極少，導(dǎo)致云數(shù)據(jù)不完整的情況出現(xiàn)，如圖8所示。重建效果如圖9所示。

圖8 小空洞的存在

圖9 最終建模效果

從結(jié)果來看，基于SFM的三維重建，重建方法簡單，生成的模型效果逼真，并且重建速度快，該設(shè)備的采集得到的影像效果很好，證明該設(shè)備可行性高。

5 結(jié)束語

鑒于現(xiàn)有三維掃描設(shè)備價格昂貴，雙目立體視覺缺乏準(zhǔn)確性，容易受到誤差的影響，本文采用現(xiàn)有的設(shè)備與方法設(shè)計了一個數(shù)據(jù)采集方案，以對小型文物進行三維重建。該采集方案主要用于采集小型文物（最大直徑45 cm）的三維點云數(shù)據(jù)，該三維采集數(shù)據(jù)方案可以從多個視角獲取文物信息，并可以實現(xiàn)相機的同步拍攝及照片實時傳輸?shù)诫娔X進行存儲。其制作成本低，方便程度高，集成性好，安全性能也高，重建的三維模型效果逼真，具有較好的應(yīng)用前景。