CN102298793A - 一种获取文物三维图形数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取文物三维图形数据的方法，包括如下步骤：通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息及冗余信息，通过采样及插值以得到匀化数据；根据上述匀化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。本发明所述获取文物三维图形数据的方法中，可利用激光雷达技术无接触直接获取文物表面三维数据，可在无损文物的前提下得到文物的真实三维数据，可以获取包括表面人工切缝、自然裂缝、文物形变等信息，并且在获取大数据量方面具有绝对的优势。

Description

一种获取文物三维图形数据的方法

技术领域

本发明涉及一种获取文物图形信息的方法，尤其涉及一种获取文物三维图形数据的方法。

背景技术

文物记载了人类社会的历史变迁及风俗文化等内容，对于现代文明的发展具有重大的参考意义。

然而，千百年来，由于环境的变迁和人类活动的影响以及重大自然灾害的严重破坏，使珍贵的古代文物遭受着严重的褪化和不断的损坏。为了有效的保护这些人类的遗产，人们对破坏严重的文物现状进行有效的量测、评估和分析，并根据结果在不损坏原有文物的前提下，对其进行修复。

现有的文物修复调查多采用手工测量和记录完成，这就存在一些弊端：一方面需要接触文物，会加速文物的损坏；再者，手工测量精度有限；其三在于文物的病害多种多样，有很多种类的病害依靠手工办法根本无法进行准确表现量算或定位。

发明内容

本发明针对现有技术的弊端，提供一种基于激光雷达测量技术获取文物三维图形数据的方法，以利于后续的文物病害调查和修复设计等过程。

本发明所述的获取文物三维图形数据的方法，其步骤包括：

步骤一，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤二，将上述获取的三维坐标值信息配准并剔除误差信息，以得到第一匀化数据；

步骤三，以第一期匀化数据为例，按照文物量测需要的分辨率进行数据重采样和线性插值(主要以扫描带间插值为主)，得到插值后的匀化模型数据。

步骤四，根据上述插值模型数据按照插值步长或者更长(一般设定为采样间隔的整数倍)的步长构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型；

本发明所述获取文物三维图形数据的方法的步骤一中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。使用地面激光雷达扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间保持5％～10％的扫描重叠度。使用地面激光雷达获取场景影像数据信息时，相邻摄站之间保持30％的重叠度。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法的步骤二中进一步包括，将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。所述预定规则包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法的步骤二中，对获取的三维坐标值信息按设定的采样间距重新采样，或者对同质区域进行合并及重采样以剔除冗余信息。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法的步骤四中，构建三角网模型时，去除文物边缘的杂物所对应的数据信息，原始三角网构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.2m的极限边长。构建简化三角网一般取2到4倍的步长作为构网步长，具体情况依具体对象表面复杂度来确定。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法中，可利用激光雷达技术无接触直接获取文物表面三维数据，可在无损文物的前提下得到文物的真实三维数据，可以获取包括表面人工切缝、自然裂缝、文物形变等信息，并且在获取大数据量方面具有绝对的优势。

附图说明

附图1为本发明所述获取文物三维图形数据的方法的简化流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法中，是应用了激光雷达技术。地面激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是：扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差，计算出相应被测点与扫描仪的距离，再根据水平向和垂直向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标。

如图1所示，本发明所述获取文物三维图形数据的方法，包括如下步骤：

步骤101，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、以及场景影像数据信息。

本步骤中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；并进而根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。所述反射强度信息及场景影像数据信息被用作后述给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

激光雷达数据采集主要是用手持激光扫描仪获取文物表面数据，这些数据包含文物的正面、背面及侧面，扫描的文物尺寸位于3×0.7m范围以内，因此扫描过程是将手持扫描仪定位以后逐块扫描获得。

在上述扫描过程中，需要遵循如下原则：

1.在进行扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间需保持5～10％重叠度。不同扫描块在边界连接处应进行完全重叠扫描以便点云模型连接。

2.在每一个观测角度扫描数据应尽量获取表面数据完整。

3.在遇到特征复杂或损坏严重的地方，扫描行间距要适当加密以保证表面数据获取完整。

所述获取的场景影像数据信息直接反应文物表面病害状况并反应文物的自然色彩。因此，在获取场景影像数据信息时，尽量选择垂直文物表面的角度进行拍摄，并将单张相片相幅设置到相机固定合适的分辨率，相邻场景之间至少保证30％的重叠度。

步骤102，将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息及冗余信息，以得到简化数据。

激光雷达提供的最原始信息即是利用仪器厂家提供的随机商用软件获得的基于仪器坐标系的三维坐标数据，这些原始数据是大量空间的没有属性的离散的点阵数据，通常称之为“点云”。这些点云数据包含了大量的粗差和系统误差，不能直接被使用，此外，所采集的点云数据包含了大量的冗余信息，这些冗余信息加重后续的数据分析负担，占用存储空间及耗费大量的运算时间。鉴于此，必须对这些三维坐标值信息剔除误差及冗余信息，以得到简化后的数据为后续使用。

关于粗差的剔除，如前所述，原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息。这些信息的产生原因是多方面的，如运动目标反射信号(如飞鸟或其他游离在激光雷达视场内的目标)产生的数据、局部的跳变数据(如低于地面的点)、前景遮挡数据以及无回波信息的局部空洞(如激光穿透窗户或照射目标完全吸收了激光信号等情形)等等。这些粗差、错误或无关信息的修正和处理是在交互编辑环境下，交互地实现粗差的剔除、与考察对象无关信息的剔除和系统性遗漏信息的弥补及修正。

尽管激光雷达具有一定的穿透能力，和近景摄影一样，地面激光雷达的信息采集仍然存在前景遮挡后景现象。此外，要获取某对象的三维模型，往往需要环绕该对象设置多站，获取其不同视角下的点云数据。地面激光雷达直接输出的数据信息是基于该摄站坐标体系的局部坐标数据，为获得研究对象的整体三维模型，不同视角获取的点云数据必须借助于重叠信息融为一体，即将不同摄站的点云数据归并到某一个摄站坐标体系里去。

为此，本步骤102进一步包括了：将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。所述预定规则则可包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

地面激光雷达虽然具有测量精度高、作业效率高和三维建模快等优点，但也存在像非连续覆盖(基于一定的采样间距采样)和数据量巨大等缺点，尤其是它的庞大数据量，给后期的数据处理、数据传输和进一步数据应用造成了较大的障碍。激光雷达的采样数据包含了较多的冗余数据(如构筑物的某个立面，只需要有其边缘信息就足够了，但激光雷达仍按设定的采样间距提供立面边缘及内部的全部采样点信息)，这些冗余信息对模型的建立或模型特征的提取几乎没有帮助。所以，需要剔除获取的三维坐标值信息中的冗余信息，以得到简化数据。

本步骤102中，剔除冗余信息的方法可具体包括：

一.简单重采样。对原始数据集按预定的采样间距重新采样(如隔行、隔列采样)，这种方法存在明显的弊端就是冗余信息和非冗余信息受到了同等的削弱，丢失了部分有用信息。

二.对同质区域的合并及重采样。原始数据集内的同质区域(如某建筑物的立面)明显存在巨大的数据冗余，通过对该区域进行合并，用少量的采样点(或合成采样点)替代原来的众多采样数据，以达到数据简化的目的。这种方法具有明显的优势，即数据的重采样能根据对象的实际情况自适应变化，既达到了数据简化的目的，又能有效保留有用的特征信息。

步骤103，根据上述简化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。

三角网模型是精确表达空间不规则体的最佳模型，它是一种精确的表面模型，通过成型的三角网可以方便地构建剖面，进行影像校正(纹理映射)、物体表面对比分析和相关的空间量测等。

本步骤中，根据匀化后的三维坐标值数据构建三角网模型。

在进行三角网模型构建时需要注意如下几点：

1)去除文物边缘的杂物所对应的数据信息；

2)构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.2米的极限边长。

上述构建得到的三角网模型并不包含纹理信息，不能反映文物的色彩信息，因此，需要将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，即利用模型与纹理图像之间的空间对应关系，计算出模型上的每一个点在图像上所对应的颜色值。

纹理映射的过程是将三角网模型与对应照片通过空间投影关系对映融合而生成虚拟彩色模型。经过映射的纹理模型比原始无色彩的三角网模型更容易清晰观察分析，同时模型本身对相片的几何投影误差进行校正之后输出正射影像能够按照模型的几何精度来表现文物表面的各类特征，这对文物病害调查分析评价具有重要的意义和作用。

纹理映射的过程是严格按照摄影测量中心投影的方式来将照片与实物模型进行映射计算生成彩色模型的过程。实际映射过程中，由于单张影像像幅有限，而且越是到达相片的边缘，对象变形愈大，这样一般边界信息是不准确的，所以，一般贴图完成的彩色模型需要修剪一些边界。一整块文物一般由三到四块模型构成，将所有文物模型转入一个整体坐标系中以后，将模型正射渲染输出就可以得到真实的，具有一定比例的正射影像，这样的影像就具有可量测性了。当匀化建网的数据量太大时，可以通过匀化数据构建三角网来进行定向，实际映射模型采用构网步长较大的简化模型，这样可以大大减少处理的数据量，加速数据的浏览及渲染，同时简化模型输出的同样能够达到校正效果的正射影像。

通过彩色模型的不同角度的渲染，可以得到各样分辨率的正射影像，该正射影像即对应了文物三维图形数据，该数据可用于后续的文物病害分析。

本发明所述获取文物三维图形数据的方法中，可利用激光雷达技术无接触直接获取文物表面三维数据，可在无损文物的前提下得到文物的真实三维数据，可以获取包括表面人工切缝、自然裂缝、文物形变等信息，并且在获取大数据量方面具有绝对的优势。

本发明的具体步骤是：

步骤一，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤二，将上述获取的三维坐标值信息剔除误差信息，以得到第一简化数据；

步骤三，根据上述第一简化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的第一彩色模型；

步骤四，重复上述步骤一，将步骤一中获取的三维坐标值信息剔除冗余信息，以得到第二简化数据；

步骤五，根据上述第二简化数据构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的第二彩色模型；

步骤六，分析第一彩色模型和第二彩色模型，提取其中相同的要素，形成最终彩色模型。

又或，本发明提供一种获取文物三维图形数据的方法，包括如下步骤：

步骤一，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤二，将上述获取的三维坐标值信息配准并剔除误差信息，通过重采样及线性插值得到第一匀化数据；

步骤三，根据上述第一匀化数据，按照文物量测需要的分辨率进行数据重采样和线性插值，得到插值后的匀化模型数据；

步骤四，根据上述插值模型数据按照插值步长或者更长的步长构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤一中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤一中，使用地面激光雷达扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间保持扫描段的长度的5～10％的扫描重叠度。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤一中，使用地面激光雷达获取场景影像数据信息时，相邻场景之间保持30％的重叠度。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤二中进一步包括，将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。

所述获取文物三维图形数据的方法中，所述预定规则包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

所述获取文物三维图形数据的方法中，所述步骤二中，对获取的三维坐标值信息按设定的采样间距重新采样，或者对同质区域进行合并及重采样以剔除冗余信息。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤三和步骤五中，构建三角网模型时，去除文物边缘的杂物所对应的数据信息，以及，构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.2的极限边长。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤三中，所述线性插值为扫描带间插值。

所述获取文物三维图形数据的方法在步骤四中，根据上述插值模型数据按照插值步长或者设定为采样间隔的整数倍的步长构建三角网模型。

通过将剔出误差信息和冗余信息的坐标值信息分别进行彩色模型的绘制，并且最终将两个彩色模型进行汇总，取其中的相同点，形成最终彩色模型，这样形成的彩色模型，具有更高的文物模拟度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种获取文物三维图形数据的方法，包括如下步骤：

步骤一，通过地面激光雷达获取文物各扫描点的三维坐标值信息、反射强度信息、场景影像数据信息；

步骤二，将上述获取的三维坐标值信息配准并剔除误差及冗余信息，通过重采样及线性插值得到第一匀化数据；

步骤三，根据上述第一匀化数据，按照文物量测需要的分辨率进行数据重采样和线性插值，得到插值后的匀化模型数据；

步骤四，根据上述插值模型数据按照插值步长或者更长的步长构建三角网模型，并将反射强度信息及场景影像数据信息映射到所述三角网模型，以生成包含文物三维图形数据信息的彩色模型。

2.如权利要求1所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤一中，根据地面激光雷达两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值测到激光束的水平方向值和竖直方向值，根据脉冲激光的传播的时间而计算得到地面激光雷达到所述扫描点的距离值；根据上述激光束的水平方向值、竖直方向值、地面激光雷达到所述扫描点的距离值确定各扫描点的三维坐标值信息。

3.如权利要求2所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤一中，使用地面激光雷达扫描时，各扫描点所在的不同扫描段之间保持扫描段的长度的5～10％的扫描重叠度。

4.如权利要求2所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤一中，使用地面激光雷达获取场景影像数据信息时，相邻场景之间保持30％的重叠度。

5.如权利要求1所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤二中进一步包括，将不同摄站获取的同一对象的三维坐标值信息依预定规则归并到同一个摄站坐标系中。

6.如权利要求5所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述预定规则包括：取其中一个摄站的三维坐标值信息为最终结果，或者，依两个摄站的重叠区域数据进行重新采样。

7.如权利要求1所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤二中，对获取的三维坐标值信息按设定的采样间距重新采样，或者对同质区域进行合并及重采样以剔除冗余信息。

8.如权利要求7所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，所述步骤三和步骤五中，构建三角网模型时，去除文物边缘的杂物所对应的数据信息，以及，构网步长以重采样点间距为准，边界区域根据构网跨度定位0.2的极限边长。

9.如权利要求1所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，在步骤三中，所述线性插值为扫描带间插值。

10.如权利要求1所述获取文物三维图形数据的方法，其特征在于，在步骤四中，根据上述插值模型数据按照插值步长或者设定为采样间隔的整数倍的步长构建三角网模型。

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