CN114037815A - 一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法 - Google Patents

一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，首先对待拆解文物的单个部件分别进行二维码标记，然后采集实景三维信息并建立包含二维码信息的实景三维模型；接着识别并注册实景三维模型空间坐标及其二维码信息；最后对复原后的文物进行拍摄取得拍照图像，通过调节实景三维模型的虚拟相机到同一视角大小下取得投影图像；通过比对文物拆解复原后拍照图像与投影图像对应二维码基本点之间的坐标差，确定复原效果。采用本发明技术方案实现对文物复原情况的自动化分析，避免进行大量的测量工作。

Description

一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析 方法
技术领域
本发明涉及实景三维建模技术领域，尤其涉及一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法。
背景技术
为了加强对文物的保护，在特定情况下，需要对文物进行拆解，然后在合适的环境中进行组装复原。以往复原效果主要依赖目视检查或进行测量对比，检查工作量巨大，容易出现纰漏，且靠人工检查，准确度主要依靠人员经验和仔细程度。
高精度实景三维模型通常指采用地面三维激光扫描设备和高像素相机及相关建模软件构建关于目标对象的具有高几何精度和真实纹理特征的三维数字模型。借助高精度三维激光扫描设备对目标物体表面进行高精度点云数据采集，进而利用建模软件构建扫描目标的三维模型，模型几何精度取决于扫描设备及其离被扫描物体的距离，通过近距离扫描(如具体小于4米)，可获得绝对几何精度误差低于0.4mm的扫描结果，相对几何精度误差趋近于0。在模型的真实感纹理方面，借助高像素数码相机对目标对象进行多角度环视拍摄采集文物的超高像素纹理特征，然后进行后期处理，与前述高精度进行融合，形成高精度实景三维模型。高精度实景三维模型具有高保真的特点，近乎完美地保留了文物外观和几何构造特征，借助VR等沉浸式三维显示设备，更能让人产生与观看实际文物、遗迹几乎一致的视觉效果。当前本发明已作为文物、遗迹数字化保护的一种先进手段而被广泛采用。
二维码技术广泛用于信息标记存储，便于摄像头等扫描设备识别，能方便识别二维码姿态角度以及二维码所存储的信息，是当前运用广泛的一项成熟技术。
现有的文物拆解复原效果分析主要依靠人工检查，包括目视检查和利用各类测绘仪器对复原物体各模块的相对位置、姿态等因子进行测量和比较分析，费时费力，缺乏较为便捷的高精度分析手段。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，实现文物复原效果的自动分析，提升分析的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，包括如下步骤：
步骤S100：首先对待拆解文物的单个部件分别进行二维码标记，然后采集实景三维信息并建立包含二维码信息的实景三维模型；
步骤S200：识别并注册实景三维模型空间坐标及其二维码信息；
步骤S300：对复原后的文物进行拍摄取得拍照图像，通过调节实景三维模型的虚拟相机到同一视角大小下取得投影图像；通过比对文物拆解复原后拍照图像与投影图像对应二维码基本点之间的坐标差，确定复原效果。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，步骤 S100中：通过地面三维激光扫描仪扫描包含二维码的待拆解文物从而采集三维激光点云；通过数据相机拍照从而采集待拆解文物的纹理信息；通过建模软件构建包含有二维码信息的待拆解文物实景三维模型。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，二维码信息包括二维码各基本点的空间坐标及相对顺序。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，步骤 S300包括如下步骤：
步骤S310：采集所有二维码标识的复原文物的拍照图像；
步骤S320：依据复原文物拍照图像，识别并注册实景三维模型空间坐标及其二维码信息；
步骤S330：获得与复原文物拍照图像相匹配的投影图像；
步骤S340：基于图像对比的复原效果对比分析；
步骤S350：列出对比分析结果有问题的二维码，以便于工作人员进行复核。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，步骤 S320包括如下步骤：
步骤S321：利用步骤S310采集的复原文物拍照图像，识别复原文物拍照图像上的二维码信息。
步骤S322：选择复原文物拍照图像上的一个二维码，查询并找到与该二维码相对应的在虚拟场景中的实景三维模型上的二维码。
步骤S323：基于所述步骤S322中拍照图像两个二维码上各基本点的对应关系为基准，解算相机位姿(pose)矩阵，从而完成所有复原文物二维码到虚拟场景中实景三维模型二维码的跟踪注册。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，步骤 S340包括如下步骤：
步骤S341：通过二维码图像识别，建立拍照图像与投影图像中的二维码中各基本点的对应关系。
步骤S342：以步骤S330中用于场景注册二维码的第一个基础点为图像原点，以像素为单位，建立拍照图像坐标系；以二维码的第一个基础点对应的投影图像中坐标点为图像原点，以像素为单位，建立投影图像坐标系；最后将拍照图像坐标系和投影图像坐标系合并成一个图像坐标系。
步骤S343：在图像坐标系中，比较拍照图像和投影图像中各对应点的图像坐标，若对应点之间的坐标差小于阈值，则认为复原效果较好。
上述利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法中，步骤 S340还可替换成如下步骤：通过将复原文物拍照图像中的二维码基础点，借助投影矩阵逆变换，解算出在实景三维模型上的对应点，再进一步分析所述对应点与实景三维模型上的二维码基础点之间的空间偏离情况，从而实现复原效果对比分析。
采用本发明的产生的有益效果为：
1、本发明将AR技术、高精度实景三维建模技术、二维码识别技术、智能终端相结合，建立了一整套便携式的文物拆解复原效果的自动分析方法；
2、本发明在实际操作中，借助拍照即可实现对文物复原情况的自动化分析，避免进行大量的测量工作；
3、本发明可运用与文物拆解后的复原过程中的实时检验，通过对复原情况进行实时拍照分析，避免复原效果不理想，反复拆解文物带来的破坏和损失。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为了解决复原效果的高效精确检查这一难题，将包含了原始文物各分块二维码标记的高精度实景三维模型内置于移动终端如手机、平板电脑分析应用中，实现通过手机摄像头对准复原文物扫描，自动输出复原效果的分析结果，辅助文物拆解复原检查工作的科学开展。
本发明的实施步骤如下：
步骤S100：文物分块二维码标记与高精度实景三维模型采集。
步骤S110：文物拆解前利用二维码对其进行分块标记。在文物拆解前，先按照文物的自然分块进行编号，将编号信息生成二维标识码，并制成二维码铭牌，贴合于对应的文物块表面。
步骤S120：建立包含二维码的文物高精度实景三维模型。利用高精度地面三维激光扫描设备，近距离扫描已粘贴二维码名牌的待拆解文物，采集其高精度的三维激光点云，再利用高像素数据相机围绕文物进行拍照，采集纹理信息，最后利用CC等建模软件，自动化构建包括二维码标识信息的文物高精度实景三维模型。
步骤S200：借助移动端APP进行模型二维码识别与注册。
步骤S210：导入包含二维码的文物高精度实景三维模型。利用移动终端如手机、平板电脑的场景导入功能，将包含二维码信息的文物高精度实景三维模型导入移动终端如手机、平板电脑。
步骤S220：二维码特征识别与建库。旋转模型，遍历模型上所有的二维码，系统基于内置的成熟二维码识别算法自动识别模型中的所有二维码，并自动采集二维码各基本点的空间坐标、基本点相对顺序，这些空间坐标将和二维码存储的信息一并保存在移动端数据库中。
步骤S300：利用移动端APP开展文物拆解复原后的效果分析
步骤S310：采集覆盖所有二维码标识的复原文物拍照图像。
利用智能移动终端如手机、平板电脑自带的相机对准复原后的文物，并围绕复原文物拍摄多张照片，要求这些照片上的二维码图像清晰，且这些照片能覆盖复原文物上所有二维码。
步骤S320：依据复原文物拍照图像的三维场景注册，包括如下步骤：
步骤S321：利用步骤S310采集的复原文物拍照图像，系统基于成熟二维码识别算法，自动识别复原文物拍照图像上的二维码信息及其三个基本点和相对顺序。
步骤S322：选择复原文物拍照图像上离手机相机视野最近，且最接近正射扫描的一个二维码，通过数据库查询，找到与该二维码相对应的虚拟实景三维模型上的二维码。
步骤S323：基于上述虚实两个二维码上三对基本点的对应关系，解算相机位姿(pose)矩阵，来完成复原文物二维码到虚拟场景中实景三维模型二维码的跟踪注册。
步骤S330：获得与复原文物拍照图像相匹配的投影图像。在步骤S320中，已经实现了三维场景的注册，即可认为上述通过拍照获得复原文物拍照图像中的复原文物在移动终端如手机、平板电脑相机坐标系中的空间位置与虚拟场景中的文物高精度实景三维模型在虚拟场景相机坐标系的空间位置相一致。因此，调节虚拟相机的视角大小与真实相机相一致，获得虚拟场景中高精度实景三维模型的投影图像，作为与步骤S310中实际拍照所得复原文物拍照图像相匹配的图像。
步骤S340：基于图像对比的复原效果对比分析，包括如下步骤：
步骤S341：拍照图像与投影图像中均包含了若干二维码图像(数量应不小于2)。通过二维码图像识别，建立两幅图像中的二维码中各基本点的对应关系。
步骤S342：以步骤S330中用于场景注册的二维码的第一个基础点为图像原点(投影图像中则以该点对应的坐标点为图像原点)，以像素为单位，建立图像坐标系，从而得到两幅图像中各个二维码基本点的图像坐标。
步骤S343：比较两幅图像中各对应点的图像坐标，若对应点之间的坐标差小于阈值，则认为复原效果较好。
步骤S350：对所有复原文物拍照图像的复原效果进行自动分析，并自动列出有问题的标识码，便于工作人员进行复核。
步骤S340中采用复原文物的实际拍摄图像与虚拟场景的投影图像进行比对分析。亦可将复原文物实际拍摄图像中的二维码基础点，借助投影矩阵逆变换，解算出在模型上的对应点，再进一步分析这些点与模型纹理上的二维码基础点之间的空间偏离情况，从而实现复原效果对比分析。
1、本发明将AR技术、高精度实景三维建模技术、二维码识别技术、智能终端相结合，建立了一整套便携式的文物拆解复原效果的自动分析方法；
2、本发明在实际操作中，借助拍照即可实现对文物复原情况的自动化分析，避免进行大量的测量工作；
3、本发明可运用与文物拆解后的复原过程中的实时检验，通过对复原情况进行实时拍照分析，避免复原效果不理想，反复拆解文物带来的破坏和损失。
本发明正是基于高精度实景三维模型的高还原性特点，将其与二维码标记识别技术共同运用于文物拆解后的复原效果分析，精确分析不同块之间的相对位置关系，具有较好的技术可行性。
本发明采用高精度实景三维建模技术与二维码标记识别分析技术，将AR技术、高精度实景三维建模技术、二维码识别技术、智能终端相结合，建立了一整套便携式的文物拆解复原效果的自动分析方法，实现文物复原效果的自动分析，提升分析的可靠性，本发明在实际操作中，借助拍照即可实现对文物复原情况的自动化分析，避免进行大量的测量工作；
本发明可运用与文物拆解后的复原过程中的实时检验，通过对复原情况进行实时拍照分析，避免复原效果不理想，反复拆解文物带来的破坏和损失。
以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S100：首先对待拆解文物的单个部件分别进行二维码标记，然后采集实景三维信息并建立包含二维码信息的实景三维模型；
步骤S200：识别并注册实景三维模型空间坐标及其二维码信息；
步骤S300：对复原后的文物进行拍摄取得拍照图像，通过调节实景三维模型的虚拟相机到同一视角大小下取得投影图像；通过比对文物拆解复原后拍照图像与投影图像对应二维码基本点之间的坐标差，确定复原效果。
2.根据权利要求1所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，步骤S100中：通过地面三维激光扫描仪扫描包含二维码的待拆解文物从而采集三维激光点云；通过数据相机拍照从而采集待拆解文物的纹理信息；通过建模软件构建包含有二维码信息的待拆解文物实景三维模型。
3.根据权利要求1所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，二维码信息包括二维码各基本点的空间坐标及相对顺序。
4.根据权利要求3所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，步骤S300包括如下步骤：
步骤S310：采集所有二维码标识的复原文物的拍照图像；
步骤S320：依据复原文物拍照图像，识别并注册实景三维模型空间坐标及其二维码信息；
步骤S330：获得与复原文物拍照图像相匹配的投影图像；
步骤S340：基于图像对比的复原效果对比分析；
步骤S350：列出对比分析结果有问题的二维码，以便于工作人员进行复核。
5.根据权利要求4所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，步骤S320包括如下步骤：
步骤S321：利用步骤S310采集的复原文物拍照图像，识别复原文物拍照图像上的二维码信息。
步骤S322：选择复原文物拍照图像上的一个二维码，查询并找到与该二维码相对应的在虚拟场景中的实景三维模型上的二维码。
步骤S323：基于所述步骤S322中拍照图像两个二维码上各基本点的对应关系为基准，解算相机位姿(pose)矩阵，从而完成所有复原文物二维码到虚拟场景中实景三维模型二维码的跟踪注册。相机位姿(pose)矩阵是指用于描述拍摄时，相机相对于物体的位置关系，以便对虚拟场景中相机的各项参数进行对应设置。
6.根据权利要求4所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，步骤S340包括如下步骤：
步骤S341：通过二维码图像识别，建立拍照图像与投影图像中的二维码中各基本点的对应关系。
步骤S342：以步骤S330中用于场景注册二维码的第一个基础点为图像原点，以像素为单位，建立拍照图像坐标系；以二维码的第一个基础点对应的投影图像中坐标点为图像原点，以像素为单位，建立投影图像坐标系；最后将拍照图像坐标系和投影图像坐标系合并成一个图像坐标系。
步骤S343：在图像坐标系中，比较拍照图像和投影图像中各对应点的图像坐标，若对应点之间的坐标差小于阈值，则认为复原效果较好。
7.根据权利要求4所述的利用实景三维模型的文物拆解复原相对位置对比分析方法，其特征在于，步骤S340还可替换成如下步骤：通过将复原文物拍照图像中的二维码基础点，借助投影矩阵逆变换，解算出在实景三维模型上的对应点，再进一步分析所述对应点与实景三维模型上的二维码基础点之间的空间偏离情况，从而实现复原效果对比分析。
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