CN113989364A - 一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法，将文物放置在转台上，在电机控制子系统控制下，驱动转台旋转和多光谱相机姿态变换，实现对文物全方位拍摄，对于文物整体特征和局部细节把控更好，多光谱信息采集子系统控制多光谱相机一次对文物多个谱段信息同时采集，单次数据采集量大、采集自动化程度高、光谱采集效率高。本发明中心控制计算平台根据光谱数据自动进行建模，依据不同材质的光谱特性，选择合适谱段的光谱数据进行合成，得到最能清晰表达文物特征的图像，并用于重构建模，弥补单纯依靠三色光建模的技术缺陷，解决半透明文物无接触式建模的难题。本发明采集文物的多个谱段的信息应用于模型色彩渲染，得到丰富的视觉效果。

Description

一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法

技术领域

本发明涉及文物信息采集技术领域，尤其涉及一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法。

背景技术

文物是古代人类活动的遗物或遗迹，是研究人类历史的资料，而文物本身的信息如色彩、形态等，随着时间的流逝，难以避免的会发生变化，甚至可能会消失。为此，有必要将其信息系统地、完整地、精准地记录下来，为将来可能的研究提供资料。

由于文物具有种类多、数量大、材质复杂、敏感等特点，因此需要借助工业化手段和技术，实现文物信息的安全快速精准采集。

另外，对于半透明材质文物的信息采集和模型重建技术也一直存在缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法，实现对文物的全方位拍摄，依据不同材质的光谱特性，选择不同谱段的光谱图像进行背景分离，得到最能清晰表达文物特征的图像轮廓曲线，并用于重构建模，弥补单纯依靠三色光建模的技术缺陷，解决半透明文物无接触式建模的难题。

为达到上述目的，本发明提供了一种全自动多光谱文物信息采集建模系统，包括全自动多光谱信息采集平台、电机控制子系统、多光谱信息采集子系统以及中心控制计算机平台；

所述全自动多光谱信息采集平台，包括放置文物的转台、机械手臂结构以及机械手臂结构末端搭载的多光谱相机；

所述电机控制子系统，控制转台转动以及机械手臂结构调整姿态；

所述多光谱信息采集子系统，控制所述多光谱相机采集文物多个方位的图像；

所述中心控制计算机平台，基于多个方位的图像进行建模，获得文物的三维模型。

进一步地，所述机械手臂结构通过第一关节连接至底座，所述第一关节通过第一连杆连接至第二关节；所述第二关节通过第二连杆连接至第三关节，第一、第二、第三关节内分别设置驱动电机，各个驱动电机由所述电机控制子系统控制，调整所述机械手臂结构的姿态。

进一步地，所述电机控制子系统控制关节内的驱动电机，调整所述机械手臂结构的姿态，使搭载的多光谱相机对文物进行0到90度往复采集，同时所述电机控制子系统控制转台处的驱动电机，驱动所述转台转动，带动文物进行360度旋转，采集方式为全程录制，转台旋转一周后，转台与多光谱相机同时停止运动，采集停止。

进一步地，采集过程中，相机通过光路将采集信息分为图像和对应的光谱编码，数据实时记录保存，实现相机运动模式下的光谱采集。

进一步地，所述中心控制计算机平台，包括：

位置点筛选模块，对采集的视频数据，设置时间间隔参数T，截取图像，参数T影响采集数据量，适应采集需求预先设置；

解算模块，对截取的图像和对应的光谱编码进行解算，得到截取时间点位置的多个谱段的光谱图像信息；

谱段选择模块，对解算的多个谱段的光谱图像进行背景分离测试，得出分离轮廓最清晰的谱段，将所有解算的截取图像中该谱段进行背景分离，得到若干轮廓曲线；

三维建模模块，利用若干轮廓曲线构建文物空间三维网格，对网格进行填充面，得到文物三维模型，模型精度不足时，减小位置点筛选模块中的T值，重新截取图像。

进一步地，所述中心控制计算机平台，还包括色彩渲染模块，从多个谱段的光谱信息中，按照多光谱相机与标准色板进行标定的参数，选择预设的三个谱段光谱信息，进行彩色合成，得到文图彩色图片，使用彩色图片对模型进行贴图，得到渲染的文物三维模型。进一步地，三个谱段，为RGB或者自定义选择。

另一方面提供一种利用所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统进行建模的方法，包括：

将文物放置在转台上，调整照明设备，使光线均匀照射；多光谱相机光圈、焦距参数固定，设定机械手臂运行姿态，使多光谱相机对文物从0到90度拍摄时，文物始终完整位于图幅中心，成像清晰，亮度适中；

多光谱相机位于设置的采集初始位置点；

电机控制子系统控制转台转动以及机械手臂结构运动，多光谱相机采集文物多个方位的图像；

中心控制计算机平台基于多个方位的图像进行建模，获得文物的三维模型。

进一步地，基于多个方位的图像轮廓进行建模，包括：

(1)从采集0时刻起，设置时间间隔T截取图像。

(2)对截取的图像和对应光谱编码信息进行解算，得到截取时间点位置的多个谱段的光谱图像信息；

(3)对解算的多个谱段的光谱图像进行背景分离测试，得出分离轮廓最清晰的谱段，将所有解算的截取图像中该谱段进行背景分离，得到若干轮廓曲线；

(4)利用轮廓曲构建文物空间三维网格，对三维网格进行填充面，得到文物三维模型；

(5)利用RGB三谱段光谱信息，合成彩色图片，对模型进行贴图渲染。

进一步地，当步骤(4)中得到的文物三维模型精度不满足要求时，返回步骤(2)调整数据筛选参数T。进一步地，选择任一谱段图像进行文物与背景的分离。

进一步地，利用多幅图像背景分离得到的轮廓曲线进行三维空间网格重建，并对三维空间网格进行填充面处理。

进一步地，包括从多光谱信息中选择预设的三个谱段信息，合成彩色图片，对文物模型表面进行贴图渲染。进一步地，三谱段为RGB或者自定义选择。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明公开了一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法，该系统在电机控制子系统控制下，驱动转台旋转和多光谱相机姿态变换，实现对文物全方位拍摄，对于文物整体特征和局部细节把控更好，多光谱信息采集子系统控制多光谱相机一次对文物多个谱段信息同时采集，单次数据采集量大、采集自动化程度高、光谱采集效率高。

(2)本发明中心控制计算平台根据光谱数据自动进行建模，依据不同材质的光谱特性，选择合适谱段的光谱数据进行合成，得到最能清晰表达文物特征的图像，并用于重构建模，弥补单纯依靠三色光建模的技术缺陷，解决半透明文物无接触式建模的难题。

(3)本发明采集文物的多个谱段的信息应用于模型色彩渲染，得到丰富的视觉效果。

附图说明

图1是本发明公开的全自动多光谱文物信息采样建模系统的系统架构图。

图2是本发明公开的全自动多光谱信息采集平台的结构图，其中，1转台，2从动齿轮，3主动齿轮，4驱动电机，5底座，6多光谱相机，7关节三，8连杆二，9关节二，10连杆一，11关节一。

图3是本发明公开的全自动光谱采样建模方法的流程图。

图4是本发明公开的多光谱建模方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明公开了一种全自动多光谱文物信息采集建模系统，如图1，该全自动多光谱文物信息采集建模系统包括全自动多光谱信息采集平台、电机控制子系统、多光谱信息采集子系统以及中心控制计算机平台。中心控制计算平台连接并控制电机控制子系统和多光谱信息采集子系统，中心控制计算平台与电机控制子系统之间的连接方式通常是I2C或RS485等总线方式，中心控制计算平台与多光谱信息采集子系统之间的连接方式通常是网络连接。电机控制子系统和多光谱信息采集子系统分别连接和控制全自动多光谱信息采集平台中的组件。

全自动多光谱信息采集平台，如图2，包括底座5，所述底座5一端设有与底座5转动连接的转台1，所述转台1与从动齿轮2固定连接，从动齿轮2与主动齿轮3啮合，并通过驱动电机4驱动，所述底座5另一端设有连杆一10，连杆一10与底座5通过关节一11转动连接，连杆二8与连杆一10通过关节二9转动连接，连杆二8与多光谱相机6通过关节三7转动连接。文物放在平台5上，在驱动电机4作用下，通过主动齿轮3、从动齿轮2，使平台5连同文物一起做360度转动，关节一11，关节二9，关节三7，内均含驱动电机，在三关节驱动下，带动多光谱相机6运动，最终由平台5转动和多光谱相机6运动共同完成文物全方位的光谱信息采集。

电机控制子系统，控制转台转动以及机械手臂结构调整姿态。控制驱动电机4，进而控制所述转台1的转动。控制关节一11，关节二9，关节三7内的驱动电机，进而调整机械手臂结构的姿态，调整多光谱相机6的拍摄位置。

所述多光谱信息采集子系统，控制所述多光谱相机6采集文物多个方位的图像。调整多光谱相机6的拍摄参数，控制拍摄频率，接收多光谱相机6拍摄的图片。多光谱信息采集子系统控制多光谱相机可实现对文物多谱段信息的同时采集，经过中心控制计算平台的信息处理，可以得到文物同一位置的多谱段信息。

中心控制计算机平台已经接收到多光谱信息采集子系统提供的光谱数据，中心控制计算机平台根据接收到的数据按照预先布设的建模方法进行建模得到文物的三维模型，并将光谱模型进行色彩渲染。

基于公开的上述图1、2所示的全自动多光谱文物信息采集建模系统，本发明还公开了一种全自动多光谱文物信息采集建模方法，该方法包括如下步骤，如图3：

步骤1，前期准备工作，将文物平稳放置于转台1之上，调整照明设备，使光线均匀照射在文物上，在文物表面形成漫反射，防止出现镜面反射，此处的照明设备为多光谱光源，含必要的柔光设备。调整机械手臂结构的姿态，调整多光谱相机焦距，曝光时间等参数，保证文物成像质量并且完整拍摄。

步骤2，系统初始化，多光谱相机位于程序设置的采集初始位置点。

步骤3，电机控制子系统控制转台驱动电机动作，转台带动文物做圆周运动，同时电机控制子系统控制控制关节驱动电机动作，关节与连杆共同带动多光谱相机做姿态和俯视角度变换。

在转盘、关节和连杆共同作用下，多光谱相机相对文物为一条空间曲线，曲线涵盖文物一周，俯视角度从0到90度，多光谱相机沿着上述轨迹，以文物为中心进行环绕式扫描采集。

转台转一周，采集停止，多光谱相机回到初始采集位置。

在本发明中，采样终止条件可以由用户自定义，比如可以设置转台旋转周数，多光谱相机姿态变换次数，或连续采集时间等，本发明对此不做限定。

步骤4，多光谱信息采集子系统将采集的光谱数据提供给中心控制计算机平台，中心控制计算机平台基于多个方位的图像进行建模，获得文物的三维模型。

中心控制计算机平台基于多个方位的图像进行建模，如图4，具体包括：

4.1从采集所经路径文物的光谱中，从0时刻起，按时间每隔T，截取信息。

4.2对截取时间点的位置图像和对应的光谱编码信息进行解算，得到每个位置多个谱段的光谱图像信息。

4.3对不同谱段图像进行背景分离测试，得到轮廓信息最清晰的谱段值。根据文物自身颜色特征，选择文物非透过谱段光谱信息，合成文物表现为黑色非透明物体时的文物图像。通过人工选择波段测试效果判断轮廓信息最清晰，波段选择方法为RGB每个波段各取一个，再根据效果压缩选择范围。

4.4利用多幅4.3中谱段图像的轮廓信息，构建空间三维网格，对网格进行填充面，得到文物的三维模型。

进一步地，当得到的文物三维模型精度不满足要求时，返回步骤(4.1)减小数据筛选参数T。

4.5对模型进行色彩渲染。本发明利用预设的RGB三谱段信息参数值，合成彩色图像，用于模型表面贴图渲染，还可以自定义三个谱段，进行彩色合成，并用于贴图，得到丰富的文物色彩效果。人眼看到的物体颜色是在红绿蓝三原色下组合形成的，例如普通单反相机，拍摄得到的RGB三通道的图像。该系统记录的是文物多谱段信息，可以利用其中如红红蓝等非传统三原色组合，得到文物不同于人眼以往看到的色彩。也可以采用其他设定的三个谱段光谱信息，进行彩色合成。

步骤5，若继续对其他文物进行采集，则重复上述步骤1-4，若停止采集则关闭系统。

需要说明的是，本采集过程是连续作业过程，机械臂结构灵活，在程序控制下，可以根据物体大小调整姿态，保证文物在图幅中位置、占比合适，无需反复调整相机参数和辅助光照，不同于定点拍摄方式存在反复启停，数据采集选用实时记录过后处理的方式，全程录像式采集，速度快、信息量大，实现流水线式采集，具有极高的采集效率。机械臂与转台位置固定，程序会记录拍摄不同大小物体的位置信息，采集时只需调用位置信息，不需每次都调整相机位置。

需要指出的是，不同材质在不同谱段下灰度值不同，对于半透明文物而言，从其采集的多谱段光谱信息中，选取与背景区分度大的谱段图像进行背景分离，得到清晰的轮廓信息，通过将多组轮廓信息构建的三维立体网格应用于模型重建，解决现有半透明文物重建的技术难题，提高建模精度。另外，以往模型色彩渲染都是采用红绿蓝三个波段的光谱合成进行的，而本发明可以从多个谱段的光谱信息中挑选并自由组合，得到丰富的文物色彩效果。

综上所述，本发明涉及一种全自动多光谱文物信息采集建模系统及方法，将文物放置在转台上，在电机控制子系统控制下，驱动转台旋转和多光谱相机姿态变换，实现对文物全方位拍摄，多光谱信息采集子系统控制多光谱相机一次对文物多个谱段信息同时采集，单次数据采集量大、采集自动化程度高、光谱采集效率高。本发明中心控制计算平台根据光谱数据自动进行建模，依据不同材质的光谱特性，选取与背景区分度大的谱段图像进行背景分离，得到清晰的轮廓信息，通过将多组轮廓信息构建的三维立体网格应用于模型重建，弥补单纯依靠三色光建模的技术缺陷，解决半透明文物无接触式建模的难题。本发明采集文物的多个谱段的信息应用于模型色彩渲染，得到丰富的文物色彩效果。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，包括全自动多光谱信息采集平台、电机控制子系统、多光谱信息采集子系统以及中心控制计算机平台；

所述全自动多光谱信息采集平台，包括放置文物的转台、机械手臂结构以及机械手臂结构末端搭载的多光谱相机；

所述电机控制子系统，控制转台转动以及机械手臂结构调整姿态；

所述多光谱信息采集子系统，控制所述多光谱相机采集文物多个方位的图像；

所述中心控制计算机平台，基于多个方位的图像进行建模，获得文物的三维模型。

2.根据权利要求1所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，所述机械手臂结构通过第一关节连接至底座，所述第一关节通过第一连杆连接至第二关节；所述第二关节通过第二连杆连接至第三关节，第一、第二、第三关节内分别设置驱动电机，各个驱动电机由所述电机控制子系统控制，调整所述机械手臂结构的姿态。

3.根据权利要求1或2所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，所述电机控制子系统控制关节内的驱动电机，调整所述机械手臂结构的姿态，使搭载的多光谱相机对文物进行0到90度往复采集，同时所述电机控制子系统控制转台处的驱动电机，驱动所述转台转动，带动文物进行360度旋转，采集方式为全程录制，转台旋转一周后，转台与多光谱相机同时停止运动，采集停止。

4.根据权利要求1或3所述的多光谱相机，其特征在于，采集过程中，相机通过光路将采集信息分为图像和对应的光谱编码，数据实时记录保存，实现相机运动模式下的光谱采集。

5.根据权利要求1或2所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，所述中心控制计算机平台，包括：

位置点筛选模块，对采集的视频数据，设置时间间隔参数T，截取图像，参数T影响采集数据量，适应采集需求预先设置；

解算模块，对截取的图像和对应的光谱编码进行解算，得到截取时间点位置的多个谱段的光谱图像信息；

谱段选择模块，对解算的多个谱段的光谱图像进行背景分离测试，得出分离轮廓最清晰的谱段，将所有解算的截取图像中该谱段进行背景分离，得到若干轮廓曲线；

三维建模模块，利用若干轮廓曲线构建文物空间三维网格，对网格进行填充面，得到文物三维模型，模型精度不足时，减小位置点筛选模块中的T值，重新截取图像。

6.根据权利要求5所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，所述中心控制计算机平台，还包括色彩渲染模块，从多个谱段的光谱信息中，按照多光谱相机与标准色板进行标定的参数，选择预设的三个谱段光谱信息，进行彩色合成，得到文图彩色图片，使用彩色图片对模型进行贴图，得到渲染的文物三维模型。进一步地，三个谱段，为RGB或者自定义选择。

7.一种利用权利要求1-6之一所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统进行建模的方法，其特征在于，包括：

将文物放置在转台上，调整照明设备，使光线均匀照射；多光谱相机光圈、焦距参数固定，设定机械手臂运行姿态，使多光谱相机对文物从0到90度拍摄时，文物始终完整位于图幅中心，成像清晰，亮度适中；

多光谱相机位于设置的采集初始位置点；

电机控制子系统控制转台转动以及机械手臂结构运动，多光谱相机采集文物多个方位的图像；

中心控制计算机平台基于多个方位的图像进行建模，获得文物的三维模型。

8.根据权利要求7所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，基于多个方位的图像轮廓进行建模，包括：

(1)从采集0时刻起，设置时间间隔T截取图像。

(2)对截取的图像和对应光谱编码信息进行解算，得到截取时间点位置的多个谱段的光谱图像信息；

(3)对解算的多个谱段的光谱图像进行背景分离测试，得出分离轮廓最清晰的谱段，将所有解算的截取图像中该谱段进行背景分离，得到若干轮廓曲线；

(4)利用轮廓曲构建文物空间三维网格，对三维网格进行填充面，得到文物三维模型；

(5)利用RGB三谱段光谱信息，合成彩色图片，对模型进行贴图渲染。

9.根据权利要求8所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，当步骤(4)中得到的文物三维模型精度不满足要求时，返回步骤(2)调整数据筛选参数T。进一步地，选择任一谱段图像进行文物与背景的分离。

10.根据权利要求8所述的全自动多光谱文物信息采集建模系统，其特征在于，利用多幅图像背景分离得到的轮廓曲线进行三维空间网格重建，并对三维空间网格进行填充面处理。

进一步地，包括从多光谱信息中选择预设的三个谱段信息，合成彩色图片，对文物模型表面进行贴图渲染。进一步地，三谱段为RGB或者自定义选择。

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