CN102881009A - 基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，包括步骤：采用激光扫描仪获取洞窟壁面的激光点云；根据洞窟壁面的激光点云的强度信息生成强度影像；将强度影像和原始壁画影像配准；以配准后的强度影像和原始壁画影像的正射影像为纹理映射到洞窟壁面的三维模型上，即得到包含有位置信息的壁画影像。本发明方法能有效解决传统壁画数字化工作中缺少位置信息，以及壁画影像变形等问题。

Description

基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法

 

技术领域

本发明属于文化遗产测量技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位纠正方法。

背景技术

壁画作为文化遗产的一个重要组成部分，大量存在于石窟、寺庙中，传承和承载着我国悠久的历史和文化，但近几十年来，受气候变化及人类活动等因素的影响，壁画正面临着加速消亡的危险。因此，利用数字化的技术，将石窟寺中的壁画进行保护工作已经越来越受到关注与重视。但是目前的壁画数字化工作主要包括拍照、校色、拼接、建库等步骤，而忽略了一个信息—位置信息。壁画的位置信息十分重要，一个洞窟内的壁画是有一个精确的相对位置，而泛泛的用南壁、甬道等词汇来描述远远不够，缺少精确定位信息的壁画不仅丢失了壁画之间的相对关系，同时也会造成壁画拼接位置不准。

发明内容

本发明的目的在于为壁画数字化工作提供准确的壁画位置信息，并利用该位置信息进行壁画的纠正和定位。

为了达到上述目的，本发明提出了一种基于激光扫描的壁画定位方法，包括步骤：

步骤一，采用激光扫描仪获取洞窟壁面的激光点云；

步骤二，根据洞窟壁面的激光点云的强度信息生成强度影像；

步骤三，将强度影像和原始壁画影像配准，所述的原始壁画影像为拍摄的壁画影像；

步骤四，以配准后原始壁画影像的正射影像为纹理映射到洞窟壁面的三维模型上，即得到包含有位置信息的壁画影像，所述的洞窟壁面的三维模型是采用洞窟壁面的激光点云建模得到。

上述步骤一进一步包括以下子步骤：

1－1 在待扫描洞窟内架设多站激光扫描仪，并布设激光扫描标靶；

该步骤具体为：根据洞窟形状、尺寸和通视估计洞窟内需架设激光扫描测站的数量，架设相应数量的激光扫描仪，布设激光扫描标靶，并保证任意相邻激光扫描仪能扫描到相同激光扫描标靶。作为优选方案，所述的任意相邻激光扫描仪能扫描到的相同激光扫描标靶的数量不少于3个。

1－2 利用多站激光扫描仪获取待扫描洞窟壁面的多站激光点云；

1－3 根据待扫描洞窟壁面的多站激光点云中激光扫描标靶的激光点云，将洞窟壁面的多站激光点云配准并合成一个总的洞窟壁面激光点云，即洞窟壁面的激光点云。

上述步骤二进一步包括以下子步骤：

2－1根据洞窟壁面的激光点云建立洞窟壁面的三维模型；

2－2根据洞窟壁面的三维模型拟合生成与该三维模型上所有顶点距离之和最小的平面，即拟合壁平面；

2－3将洞窟壁面的激光点云投影到拟合壁平面，并根据洞窟壁面的激光点云强度信息在拟合壁平面上生成强度影像。

上述步骤三中以强度影像为固定影像、原始壁画影像为浮动影像对强度影像和原始壁画影像进行配准。

上述步骤四中配准后的强度影像和原始壁画影像的正射影像采用如下方法获取：

将配准后的强度影像和原始壁画影像投影在拟合壁平面上并输出，即得到配准后的强度影像和原始壁画影像的正射影像，所述的拟合壁平面为根据洞窟壁面的三维模型拟合生成与该三维模型上所有顶点距离之和最小的平面。

本发明还提出了一种基于激光扫描的洞窟壁画强度影像的纠正与定位方法，包括步骤：

步骤一，采用激光扫描仪获取洞窟壁面的激光点云；

步骤二，根据洞窟壁面的激光点云的强度信息生成强度影像；

步骤三，以强度影像为纹理映射到洞窟壁面的三维模型上，即得到包含有位置信息的洞窟壁画的强度影像，所述的洞窟壁面的三维模型是采用洞窟壁面的激光点云建模得到。

 

激光扫描技术可以快速、精确的获取壁画表面的三维空间位置信息，激光点云的强度信息反映了壁画表面颜色的变化。本发明利用三维激光扫描技术来采集壁画的三维空间位置信息，并利用激光点云的强度信息对壁画照片进行定位与纠正，定位纠正后的壁画照片具有毫米级的精确三维空间位置信息，可在电脑上进行任意量测。

 与传统壁画数字化技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明可建立洞窟壁面的三维模型，该三维模型可作为壁画影像数据的补充，是非常有价值的洞窟基础资料数据，可作为洞窟数字化保护的存档数据。

2、采用本发明方法对传统壁画拼接成果（即原始壁画影像）进行纠正和定位，即可对原始壁画 影像赋予三维空间位置信息，不仅为建立壁画的时空数据库奠定基础，更使得壁画影像信息更加全面，输出成果更加科学，而且，还可使壁画影像能更加科学的应用于考古、保护、美术等方面。

3、采用本发明方法纠正和定位后的壁画影像可在电脑上进行任意量测，包括距离、长度、体积的量测，每次的量测点可来自于不同影像、不同壁面甚至不同洞窟。

4、本发明方法能有效解决壁画数字化工作中位置信息丢失的问题，并通过对壁画进行纠正使其精确度大大提高，解决了传统壁画拼接工作中的不足，使其精确度达到毫米级。

附图说明

图1为原始壁画影像；

图2为洞窟壁面的激光点云投影到拟合壁平面上生成的强度影像；

图3为强度影像作为纹理映射在洞窟壁面的三维模型上所得结果；

图4为配准后的壁画影像的正射影像作为纹理映射在洞窟壁面的三维模型上所得结果。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。本发明方法可分为数据采集和数据处理两大部分。

一、数据采集

数据采集包括激光扫描前期工作和激光点云获取。

1、激光扫描前期工作

在获取激光点云前需要对每个待扫描洞窟进行如下前期工作：首先要根据洞窟的形状、尺寸、通视等因素预计洞窟内大致需要扫描多少站，并在该洞窟内架设相应数量的激光扫描测站；为了保证后期数据处理的顺利，需要在洞窟内布设若干激光扫描标靶，作为多站激光扫描测站连接的公共点，后期数据处理中将利用这些激光扫描标靶将不同站的激光点云配准到一起。在布设激光扫描标靶时，要保证任意相邻站点能扫描到的相同标靶的数量不少于3个，即任意相邻站点的公共标靶数量不少于3个；最后，选择多站激光扫描测站中最接近洞窟中心的一站作为主站，将主站架设点定义为此洞窟的洞窟坐标系原点。

2、激光点云获取

在完成激光扫描前期工作后，就可以利用架设好的激光扫描测站对待扫描洞窟壁面进行扫描，每个设站位置扫描称为一站，每站扫描首先对洞窟壁面进行合适分辨率的扫描，合适的扫描分辨率应根据洞窟的体量、激光扫描仪性能综合确定，总体原则为：在壁面的分辨率不大于2毫米；然后对激光扫描标靶进行精确扫描，以拼接不同站的扫描数据。

二、数据处理

1、激光点云配准和合成

对激光扫描仪获取的多站激光点云数据进行配准和合成，具体方法是：利用多站激光点云数据中激光扫描标靶的激光点云，拟合出激光扫描标靶中心的坐标，然后再通过不同站点之间公共的激光扫描标靶坐标进行多站激光点云的配准（公共标靶数至少有3个），最后将多站激光点云合成一个总的激光点云，即洞窟壁面的激光点云。在具体操作中值得注意的是，配准时应该将其他站的激光点云数据往主站激光点云上配准（即主站点云坐标信息不变），这样最后得到的总的激光点云即是此洞窟壁面的完整点云数据，并且以主站点云的原点为原点。

2、激光点云建模

将配准和合成后得到的洞窟壁面的激光点云导入逆向工程软件中进行建模，得到洞窟壁面的三维模型，该洞窟壁面的三维模型不包括洞窟壁面上的壁画。

3、强度影像生成

利用洞窟壁面的三维模型拟合生成一个与该壁面最近似的平面，即拟合壁平面。此处，最近似的平面是指三维模型上所有的顶点与该平面的距离之和最小。将该洞窟壁面的激光点云平行投影到该拟合壁平面上，并利用激光点云的强度信息在拟合壁平面上生成强度影像，见图1，强度影像的生成可以采用三角网内插法或渲染法，所生成的强度影像即为激光扫描点云强度信息在拟合壁平面上投影的正射影像。

强度影像可以作为纹理，利用激光点云本身的三维空间位置信息，映射在壁面的三维模型上（见图2），这样强度影像的每个像素就包含了空间位置信息。

4. 原始壁画影像与强度影像的配准

原始壁画影像是指采用相机所拍摄的壁画影像，或将相机所拍摄的若干张壁画影像拼接而成的整体壁画影像，图3即为将相机拍摄的414张壁画影像拼接而成的整体壁画影像。生成强度影像后，以强度影像为固定影像、壁画影像为浮动影像，利用全自动或半自动方法将壁画影像和强度影像进行配准，使得配准后的两幅影像无论在整体上还是局部上全部重叠。

激光扫描点云是同时具有强度信息和三维空间位置信息，将壁画影像与由激光扫描点云强度信息产生的强度影像进行配准，配准后的壁画影像也具有了激光扫描点云中的三维空间位置信息。

5. 壁画影像定位与正射影像输出

以拟合壁平面为参考，将配准后的壁画影像平行投影在拟合壁平面并输出，即可得到壁画影像的正射影像。将得到的壁画影像的正射影像代替强度影像作为壁面的三维模型的纹理映射到三维模型上（见图4），此时得到的壁画影像因与洞窟壁面的三维模型绑定，即具有了三维空间位置信息。

Claims (8)

1.一种基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，采用激光扫描仪获取洞窟壁面的激光点云；

步骤二，根据洞窟壁面的激光点云的强度信息生成强度影像；

步骤三，将强度影像和原始壁画影像配准，所述的原始壁画影像为拍摄的壁画影像或拍摄后拼接的壁画影像；

步骤四，以配准后的原始壁画影像的正射影像为纹理映射到洞窟壁面的三维模型上，即得到包含有位置信息的壁画影像，所述的洞窟壁面的三维模型是采用洞窟壁面的激光点云建模得到。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

所述的步骤一进一步包括以下子步骤：

1－1 在待扫描洞窟内架设多站激光扫描仪，并布设激光扫描标靶；

1－2 利用多站激光扫描仪获取待扫描洞窟壁面的多站激光点云；

1－3 根据待扫描洞窟壁面的多站激光点云中激光扫描标靶的激光点云，将洞窟壁面的多站激光点云配准并合成一个总的洞窟壁面激光点云，即洞窟壁面的激光点云。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

所述的在待扫描洞窟内架设激光扫描仪和布设激光扫描标靶具体为：

根据洞窟形状、尺寸和通视估计洞窟内需架设激光扫描测站的数量，架设相应数量的激光扫描仪，布设激光扫描标靶，并保证任意相邻激光扫描仪能扫描到相同激光扫描标靶。

4.根据权利要求3所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

所述的任意相邻激光扫描仪能扫描到的相同激光扫描标靶的数量不少于3个。

5.根据权利要求1所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

所述的步骤二进一步包括以下子步骤：

2－1根据洞窟壁面的激光点云建立洞窟壁面的三维模型；

2－2根据洞窟壁面的三维模型拟合生成与该三维模型上所有顶点距离之和最小的平面，即拟合壁平面；

2－3将洞窟壁面的激光点云投影到拟合壁平面，并根据洞窟壁面的激光点云强度信息在拟合壁平面上生成强度影像。

6.根据权利要求1所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

步骤三中以强度影像为固定影像、原始壁画影像为浮动影像对强度影像和原始壁画影像进行配准。

7.根据权利要求1所述的基于激光扫描的洞窟壁画纠正与定位方法，其特征在于：

步骤四中配准后的强度影像和原始壁画影像的正射影像采用如下方法获取：

将配准后的强度影像和原始壁画影像投影在拟合壁平面上并输出，即得到配准后的强度影像和原始壁画影像的正射影像，所述的拟合壁平面为根据洞窟壁面的三维模型拟合生成与该三维模型上所有顶点距离之和最小的平面。

8.一种基于激光扫描的洞窟壁画强度影像的纠正与定位方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，采用激光扫描仪获取洞窟壁面的激光点云；

步骤二，根据洞窟壁面的激光点云的强度信息生成强度影像；

步骤三，以强度影像为纹理映射到洞窟壁面的三维模型上，即得到包含有位置信息的洞窟壁画的强度影像，所述的洞窟壁面的三维模型是采用洞窟壁面的激光点云建模得到。

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