三維激光掃描技術在文物保護中的應用

陳 川

（四川省第一測繪工程院，四川 成都）

緒論

中國歷史源遠流長，造就了豐富的文物遺產。這些遺留文物不僅見證了歷史，也是人們了解歷史的寶貴財富。由于歷史更新迭代，自然地理環境的不斷變化等原因，大量文物面臨著流失或損壞的危險，現今文物保護已成為社會研究的熱點。隨著測繪技術的不斷發展，三維激光掃描技術逐漸嶄露頭角，該技術是通過激光的形式對目標進行掃描，并以密集點云的形式將數據進行存儲，不用接觸目標而獲得其表面的高精度點云數據，它快速、精準、無接觸、掃描范圍廣等諸多特點使其在測繪領域得到了廣泛應用，也是獲取文物實體數據的最佳選擇。近年來，古文物的價值不斷提高，其歷史文化的獨特性和不可重復性讓人們對古文物的保護也越加重視，文物保護迫在眉睫，它不僅是人類文明發展的歷史見證，對于認識歷史、探索文化內涵、推進文明進步也起著重要的作用。

1 三維激光掃描技術

1.1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀主要由激光發射器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、探測接收器和控制系統等部件組成。工作原理是通過激光發射器發射激光光束，透過兩個高速旋轉的濾光鏡將激光束照射至物體表面，物體將激光束吸收或者反射，探測器將反射回來的包含紋理和顏色等信息的激光信號接收記錄，并通過計算激光發射到接收的時間差，得到激光發射點到物體表面的距離，在利用三維激光掃描儀自帶編碼器計算獲取激光發射角度，對距離和角度進行計算得到每個點云的三維坐標信息。通過旋轉激光器或者移動掃描平臺，對物體進行全面掃描，獲得物體表面點完整三維坐標數據，再由控制系統將收集信息轉化為點云數據存儲。

三維激光掃描點云的坐標系由x、y、z 三個方向軸，x軸與y軸在水平掃描面相互垂直，z軸與x、y軸垂直。x、y、z 計算公式為：x = Scosθcos a, y = Scosθsin a, z =Ssinθ，其中，S 為測得掃描儀到目標點的距離，a 和θ為掃描儀計算的水平和豎直掃描角度[3]。

三維激光掃描儀的激光測距方法根據儀器型號的不同可分為三種：脈沖式測距、相位差測距、激光三角測距。目前用于測繪行業的三維激光掃描儀主要是基于脈沖式測距法進行距離量測。

（1） 脈沖式測距。通過激光器發射單點激光到物體表面，再由接收器記錄激光的回波信號，通過計算激光的飛行時間，利用光速來計算目標點與掃描儀之間的距離。脈沖式測距測量效率高，適用于長距離測量，精度可達米級，測量精度主要受到脈沖計數器工作頻率與激光源脈沖寬度的限制。

（2） 相位差測距。通過激光發射器發射出一束不間斷激光，連續調制激光光束的發光強度并測定調制激光往返一次所產生的相位延遲，通過相位延遲計算測量的距離。相位差測距測量范圍較小，功率一般較低，但測量精度可達毫米級，測量精度主要受相位調制器的精度和調制信號的頻率限制。

（3） 激光三角法測距。激光發射器發射激光到物體表面，利用在基線另一端的CCD相機接收物體反射信號，激光發射器與CCD 之間為固定長度，以此構成幾何三角形，根據夾角和兩邊長度，可算出兩個物體間的距離。三角法測距主要應用于工業測量和逆向工程重建中，測量精度可達亞毫米級。

1.2 三維激光掃描儀分類

三維激光掃描系統根據載體和掃描距離的不同，又可分為機載（遠距）、車載（中距）、地面（中距）和手持（近距）幾種類型。較傳統的單點測量而言，三維激光掃描技術在測量方面有著“從點到面”的革命性技術突破。

（1） 機載激光三維掃描系統，多用于大面積遠距獲取點云數據，通過對激光點云數據的處理可生成精確的數字高程模型（DEM）、數字表面模型（DSM）和地形級三維場景等數字化成果。（2） 車載激光三維掃描系統，多用于中距獲取點云數據，該種類型多適用于城市三維建模、交通巡查、高精度地圖、地形測繪等方面。（3） 地面激光三維掃描系統，多用于中距獲取點云數據，該種類型多適用于文物保護、變形監測、建筑施工、大型結構設備建模等方面。（4） 手持激光三維掃描系統，能近距小范圍獲取高密集高精度的點云數據，該種類型多適用于文物藝術品建模、工業零件逆向設計、各類零部件質量檢測、工業設計、人物建模等方面。

1.3 三維激光掃描技術在文物保護中的優勢

目前文物保護逐漸被人們所重視，同時隨著新技術的介入使得文物保護一步步邁向數字化。三維激光掃描技術建立模型可以讓物體、場景和環境得以逼真的表達和呈現，再加上其高精度的特性，在文物保護、數字考古、數字城市、變形監測等方向得到廣泛應用[1]。原有的文物保護方法主要是通過常規測量加上照片拍攝等方式進行，該類方式工作效率低，存在損傷文物的風險，且對于一些不規則的、造型獨特的文物無法獲取其實體信息，而三維激光掃描技術的諸多優點解決了這一難題，成為文物保護的新技術手段，對于文物的保護、修復以及研究都有重要的意義。優勢主要體現在幾個方面：

（1） 保護作業過程中的非接觸性。三維激光掃描技術通過激光掃描的形式對文物表面的幾何和紋理信息進行采集，非接觸式的工作方法避免了對文物照成損壞。（2） 文物實體信息的數字化保存。實體信息數字化存儲為文物后期的修復或重建提供了精確的數據支撐。（3） 可視化。通過對文物的掃描數據進行三維建模，能夠讓文物更直觀的呈現在大眾面前，對于研究與創新也有很大幫助。

正是由于其技術有著廣闊的前景和價值，它在測量能力、自動化的程度、測量速度以及人工工作強度等方面都高于其它測量技術，三維激光掃描技術優越的特點和性能，讓測繪在文物中的應用從不可能變為可能，讓文物得以完全數字化的呈現，這項新技術的突破，真正意義上實現了歷史文物得以數字化保存。

1.4 三維激光掃描測量

三維激光掃描儀能通過激光自動化獲取目標物表面點的三維坐標信息，掃描工作一般采用多站式測量方法進行。多站式掃描需現場踏勘布設標靶控制點，標靶控制點是用于多測站點云數據拼接以及定義坐標系控制精度的關鍵，在利用RTK 對標靶控制網進行GPS 測量[2]。工藝流程見圖1。

圖1 三維激光掃描工藝流程

2 三維激光掃描數據采集

2.1 點云數據采集

點云數據采集主要使用徠卡HDS C10 地面三維激光掃描儀和Handyscan700 手持掃描儀兩款儀器。

地面三維激光掃描儀掃描范圍寬廣，用于大面積點云數據采集工作，作業方式為多站式掃描測量，掃描模式一般采用基于標靶拼接的(需3 個標靶及以上)模式，掃描前應現場踏勘合理規劃標靶點位。基于標靶拼接模式是為保證點云拼接精度的情況下采取的方式，此種模式需保證相鄰兩測站之間有3 個公共標靶通過標靶進行點云之間的拼接，故點云拼接不受加密控制點精度影響。對于受地形限制不便采用標靶拼接方式的，可以采用控制點拼接方式(需2 個標靶及以上)，采用該方式可布設不少于2 個標靶位于控制點上。

手持三維激光掃描儀自由度較高，手持掃描時應注意保持勻速、平穩，往返進行點云數據補充采集。

2.2 紋理信息采集

實例對象紋理采集主要以實地拍照方式采集，對于實例對象頂部等區域無法完整獲取有效紋理的地方，可采用無人機拍照進行補充。總體原則是先整體后局部，先獲取實例對象的整景紋理，在對局部進行精密拍攝。采集要求如下：（1） 采集照片中的成像必須清晰、不能有模糊、抖動等現象出現。（2） 拍攝時要盡量避免任何的陰影，盡量消除所有眩光，提高照片的質量。（3） 數碼相機的鏡頭應盡量保持與拍攝對象立面平行。確保獲取的紋理影像正直。（4） 盡量減少無關地物的影響。比如：樹木、行人等等。（5） 實例對象的全景影像一張照片無法拍攝完全，則需規劃劃分拍攝網格，各格網之間至少保證20%的重疊度。按照網格進行有序拍攝，最后將分段拍攝的照片拼接成一幅完整的影像。（6） 拍攝過程中，應注意拍攝的角度要全面，不能留下死角，尤其要注意其對象自身的遮擋。

3 三維激光掃描的建模與紋理映射

本次建模實例對象為巖壁石刻雕像，高約8 m,寬約7.5 m,采用地面三維激光掃描儀（徠卡HDS C10）和手持三維激光掃描儀（Handyscan700）兩種儀器布設多站完成點云數據采集。使用Laica Cyclone 軟件進行點云數據預處理，通過Geomagic wrap 和3ds Max 軟件進行三維建模與紋理映射。

3.1 點云數據建模

點云數據建模主要有點云數據拼接、點云數據去噪、封裝及精簡、擬合曲面等步驟。

3.1.1 地面三維激光掃描儀多站點云數據拼接

點云數據拼接主要有三種拼接方式：基于同名特征點拼接、基于控制點拼接、基于標靶拼接。

（1） 基于同名特征點拼接。掃描過程中相鄰兩測站點云數據保證一定的重疊度，通過人工交互方式選取重疊區域的同名特征點，利用同名特征點確定點云拼接約束條件，實現點云拼接。為保證拼接精度，要求不同的掃描視場內有足夠的公共區域（一般不得小于20%）；盡量在重疊區內均勻地選取3 到5 個同名特征點。（2） 基于控制點拼接。基于控制點拼接主要是將多視點點云數據拼接成完整點云數據并將坐標轉換到大地坐標系下。此種拼接方式主要用于后視定向模式及標靶拼接模式。在進行拼接前，控制點坐標應先導入Cyclone 軟件。（3）基于標靶拼接。基于標靶拼接是利用測站與測站間的3個公共標靶進行點云數據拼接，這種拼接方式較為自由靈活、精度高，可根據需要合理的擺放標靶位置。

本次實例對象點云數據拼接采用標靶、控制點、同名特征點三種混合的拼接方式進行數據拼接，在確保點云拼接精度的同時,實現與采用坐標系之間的匹配。

3.1.2 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀的點云數據拼接

手持三維激光掃描儀獲取的局部點云數據與地面三維激光掃描儀獲取的點云數據采用選取同名特征點的方式進行拼接。為保證拼接精度，應盡量選取多處特征明顯的部位進行點云拼接。

3.1.3 點云數據拼接偏差分析

通過Geomagic wrap 軟件對點云數據進行偏差分析，可以確定拼接精度是否滿足要求。

（1） 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀點云數據拼接偏差分析。下面兩處拼接實例，一處位于掃描對象頂部，位置較高，一處掃描對象右下方,實地掃描空間狹窄，點云獲取比較困難,故采用手持掃描儀的方式獲取。圖2 中右側精度指示條以正中開始，越往上（下）精度偏差越大。偏差分析結果如下：根據偏差分析圖可以看出絕大部分點云都集中在中間區域，精度較高，極小部分點云在精度條上（下）區域，偏差較大，是因為模型建立拼接誤差和獲取點云數據時的一些外界因素（如揚塵）所致，屬正常范圍。（2） 地面三維激光掃描儀多站點云數據拼接偏差分析。下面兩處拼接實例，一處位于掃描對象的右上方區域，距離相對較遠，一處位于掃描對象的的中間區域，距離適中，選擇的兩處區域細節特征較多便于進行偏差分析。圖3 中右側精度指示條以正中開始，越往上（下）精度偏差越大。偏差分析結果如下：根據偏差分析圖可以看出絕大部分點云都集中在中間區域，基本無較大偏差，兩次點云數據重疊很好，精度較高。

圖2 不同掃描儀間點云拼接偏差分析

圖3 地面掃描儀多站點云拼接偏差分析

3.1.4 點云數據處理

多測站點云數據經過拼接和坐標轉后可獲得整個測區完整的點云數據，當三維激光掃描儀在對點云數據進行獲取的時候可能會受到周圍環境因素的影響出現躁點，比如被其它物體遮擋而產生的不屬于掃描物體本身的冗余數據。為了更直觀且更便捷的建立三維建模，并提高模型精度，我們必須對所采集的點云數據進行相關處理。

（1） 預 處 理。 在Cyclone 軟件中對已拼接的點云數據進行預處理，通過人機交互的方式，對非建模區域的點云數據和明顯噪聲進行去除，僅保建模區域的點云數據。將預處理后的點云數據以.XYZ格式導出。（2） 點著色。將.XYZ格式的數據導入geomagic wrap 軟件中，由于點云數據在軟件中顯示為黑色，不能呈現出文物的特征及點云的分布狀況，所以要對初次導入軟件的點云數據進行點著色處理，便于觀測文物特征和后續建模操作。軟件中選擇【點】-【著色】進行著色處理。點云數據著色前后對比見圖4。（3） 刪除體外弧點。點云數據中存在大量的非建模區域點云數據，如樹木、山體、以及其他構筑物等，對于這些點云數據需人工排查去除。geomagic wrap 軟件中的【點】-【選擇】-【體外浮點】工具，可根據點云數據情況設置對應敏感度進行體外弧點刪除工作。選中的體外弧點在軟件中顯示效果，見圖5。（4） 去除噪聲點。三維激光掃描儀在數據采集過程中會產生隨機誤差，在對象表面產生很多粗糙的、非均勻分布的點云數據，這些噪聲是由掃描環境以及掃描儀本身的震動等多種原因產生，所以在點云數據封裝之前需要減少噪聲，噪聲點去除的數量會根據設置的平滑級別變化，平滑級別設置越高，封裝后的模型表面越光滑，這樣也會導致模型失真，所以在減噪的過程中可以將平滑級別調低，反復進行減噪工序，以達到較好的效果。geomagic wrap 軟件中的【點】-【減少噪音】工具用于減少噪聲。（5） 統一采樣。實例對象掃描完成后會獲得龐大的點云數據，存在海量的冗余數據。點云數據體量會影響后期的數據處理、傳輸和三維模型構建效率，因此需對點云數據進行優化。在geomagic wrap 軟件中【點】-【統一采樣】工具，可以優化點云數據，縮小模型數據占用空間，減少后期點云封裝時的計算強度及計算時間。定義采樣間距時應根據對象的點云密集度及表面特征進行調整，間距過大會導致數據缺失，間距過小起不到統一采樣的目的。通過統一采樣，對象表面特征點不明顯之處點云數量和密度有所下降。（6） 封裝。封裝是將點云模型封裝為多邊形模型，封裝后模型表面則是由無數個三角形組成。上述步驟的處理將直接影響封裝模型的整體效果，在不熟悉上述工序參數設置的情況下，可多次嘗試，避免點云封裝后模型失真。點云封裝見圖6。

圖4 點云數據著色前后對比

圖5 體外弧度去除

圖6 點云封裝

3.1.5 多邊形數據處理

（1） 創建流型。封裝后的多邊形模型必須進行這一操作，將模型數據中的非流型三角形刪除，避免后期產生錯誤。根據模型情況選擇創建打開流型或者封閉流型。（2） 填充孔。對象點云數據不完整的情況下，封裝后多邊型模型會存在孔洞現象，使用【多邊形】-【填充單個孔】工具進行漏洞填補。（3） 簡化和細化。使用【多邊形】-【簡化】工具對多邊形模型進行簡化操作，在模型不失真的情況下，適當優化多邊形模型的三角形分布以減小模型數據量提高建模效率。該工序可重復操作，使模型的三角形數量和分布到達最優。對模型特征細節較為明顯的區域使用【多邊形】-【細化】工具，增加三角形數量以保證模型的輪廓特征。（4） 砂紙打磨與去除特征。使用【多邊形】-【砂紙】工具對模型進行打磨處理，使模型表面更加光滑，三角格網更加規律。使用【多邊形】-【去除特征】工具，去除模型本身不應該有的特征表現，減少三角格網。（5） 銳化。使用【銳化向導】工具讓模型過于圓滑的地方變得棱角分明，同樣銳化執行參數需進行多次嘗試，系統將根據設置參數自動對模型進行計算，并對模型進行區域分割，人工對分割紅線進行調整以反應物體對象的真實輪廓。銳化結束后模型生成的輪廓線用于下一步邊界線擬合。（6） 構造曲面片。構造曲面片前應將模型的錯誤三角格網進行修復和去除，使用【網格醫生】工具對模型的三角形進行檢查，可選擇手動或自動的方式處理模型中存在錯誤的三角形。然后對模型進行特征線探測，將模型的整體輪廓特征提取顯示。探測有兩種方式【探測輪廓線】和【探測曲率】，探測輪廓線適用于輪廓明顯的模型，探測曲率則適用于模型表面光滑，輪廓不明顯的模型，軟件自動計算提出的輪廓線同樣需要人工修整。輪廓線修整完成后使用【構造曲面片】工具創建曲面格網，并對曲面格網進行手動調整，以更好的還原模型的各類表面特征。（7） 構造格柵和曲面擬合。使用【精確曲面】-【構造格柵】工具在每個曲面片中生成格柵，格柵的生成數量通過設置分辨率調整，在構造格柵同時勾選修復相交區域，軟件將自動處理修復錯誤的格柵。最后使用【擬合曲面】工具，擬合曲面形成最終幾何模型。

3.2 紋理映射

紋理映射是將現場獲取的二維照片圖像通過軟件對三維模型進行紋理映射，還原對象本身的真實色彩和紋理特征。本次實例對象模型紋理映射使用3DSMAX軟件完成，模型文件需轉換為.MAX格式導入。

（1） 接縫。添加【UVW展開】修改器工具，點擊【邊】在格網模型上選擇要成為縫線的邊，比如石刻雕像的手臂與身體的交接處，使用【將邊選擇轉換為接縫】工具，對整個三維格網模型進行接縫處理。（2） UV展開。標記完所有接縫后，選擇特征區域使用“剝”面板中的【毛皮貼圖】-【開始毛皮】工具將其二維展平，再使用【松弛】工具自動將展平區域松弛到盡可能與原網格的形狀匹配。對每個接縫區域進行展平操作組成模型UVW 貼圖。（3） 紋理化。使用圖像處理軟件對精心布局的UVW貼圖進行紋理化，通過3dsmax 軟件的材質編輯器對格網模型進行最終的紋理映射。紋理映射效果展示見圖7。

圖7 紋理映射效果展示

4 結論

三維激光掃描技術是測繪領域的高新技術，是對文物保護數字化的重要手段，它不僅可以讓文物真實面貌再現，還能將文物表面信息數字化，得到文物精確的幾何信息。例如文物的長度、寬度、特征點、以及一些色彩信息等，使得這些信息能夠得以保存，為今后的文物修復打下結實的基礎。本研究主要描述三維激光掃描技術在文物保護中的應用，具體總結如果：

（1） 利用地面三維激光掃描儀和手持三維激光掃描儀實地獲取文物對象點云數據，利用數碼相機采集二維紋理影像。（2） 利用Cyclone 軟件中混合拼接的方式對多站點云數據進行拼接處理等預處理。（3） 通過Geomagic 軟件對點云數據進行精細化建模。（4） 通過3DMAX 軟件對模型進行紋理映射，獲得逼真的三維數字化模型。