CN213403146U - 一种用于文物三维建模的采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于文物三维建模的采集设备，包括相机、底架和安放在底架上的采集箱，采集箱为前方开口的四方形箱体，在采集箱箱体的内侧底板上放置有底座，底座上固定有与相机进行协同拍摄的旋转载物台，旋转载物台上设置有用于固定文物的辅助固定装置和辅助定位装置，采集箱内部两侧及后部安装白色漫反射背景板，采集箱的顶部及两侧装有环形补光灯。解决了尺寸、厚度较小的文物不能建模的问题，并将文物建模精度提高到0.01mm。文物720度全方位的采集及全自动影像处理，解决了文物底部、下部不能统一建模的问题，并将后期处理全部自动化，减少人工参与。

Description

一种用于文物三维建模的采集设备

技术领域

本实用新型涉及图像采集设备，特别涉及一种用于文物三维建模的采集设备。

背景技术

随着文物数字化保护工作被提升为国家战略，文物三维建模成为文物数字化保护最重要的技术与数据保障。

现阶段的文物建模领域大多使用三维激光扫描技术，该技术是应用激光测距的原理，是一种动态测量系统，借助三维激光仪及处理软件可初步得到物体的三维几何模型，在通过后期的色彩和纹理贴图，最终生成完整的数字三维模型。三维激光扫描只能提供精确的物体空间几何信息，后期纹理贴图需要大量的人工参与，导致三维激光扫描建模周期较长。对于尺寸厚度较小的文物来说，三维激光扫描方法则具有局限性。在激光扫面的时候，激光直接接触于文物的表面，容易对文物造成激光或者红外光污染。

近些年又出现了一些使用影像建模的方法，通过拍摄物体进行全方位的拍摄获取物体全方位的图片信息，将这些图片数据使用三维影像计算软件进行数据拼接，一次性地重建被摄物体表面的空间信息和颜色信息。目前的影像建模技术普遍将文物正向放置在旋转的置物平台中进行环绕拍摄，文物底部及下部往往存在拍摄死角，造成底部模型需由人工完成，这使得文物模型精度无法实现完整与统一，工序上也更为繁琐。对于尺寸、厚度较小的文物来说，对于文物的某个较小截面，现有影像建模技术无法从相邻影像上找到特征点和连接点，导致整体建模失败。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于文物三维建模的采集设备，用于文物三维建模，避免了现有的三维激光扫描建模的几何模型与纹理贴图工序分离的不足，解决了现有影像建模无法完成文物和底部统一建模，无法实现尺寸、厚度较小的文物三维建模的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于文物三维建模的采集设备，包括相机、底架和安放在底架上的采集箱，采集箱为前方开口的四方形箱体，在采集箱箱体的内侧底板上放置有底座，底座上固定有与相机进行协同拍摄的旋转载物台，旋转载物台上设置有用于固定文物的辅助固定装置和辅助定位装置，采集箱内部两侧及后部安装白色漫反射背景板，采集箱的顶部及两侧装有环形补光灯。

所述旋转载物台上均匀分布多个预制的螺丝孔，辅助固定装置为高弹力胶包裹的可弯曲的金属铝丝。

在采集箱箱体的内侧底板上还设置有的辅助定位支架。

所述辅助定位装置为三个边长1厘米高10厘米的正四棱柱，其外侧面贴有含有坐标信息的二维码，分布在文物的周围并固定在旋转载物台上。

所述相机与旋转载物台通过蓝牙相连接，并保持转动与拍摄联动，且转动角度可以调节。

本实用新型的有益效果：本实用新型解决了尺寸、厚度较小的文物不能建模的问题，并将文物建模精度提高到0.01mm。文物720度全方位的采集及全自动影像处理，解决了文物底部、下部不能统一建模的问题，并将后期处理全部自动化，减少人工参与。

附图说明

图1为本实用新型用于文物三维建模的采集设备的示意图。

图2为采用本实用新型采集设备的文物三维建模方法的流程示意图。

图3为采用本实用新型采集设备的文物采集流程示意图。

图4为采用本实用新型采集设备数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型采用的用于文物三维建模的采集设备，包括相机、底架1和安放在底架上的采集箱2，采集箱2为前方开口的四方形箱体，在采集箱箱体的内侧底板上放置有底座3，底座3上固定有与相机进行协同拍摄的旋转载物台4，旋转载物台4上设置有用于固定文物的辅助固定装置6和辅助定位装置5，采集箱2内部两侧及后部安装白色漫反射背景板9，采集箱的顶部及两侧装有环形补光灯7。

所述旋转载物台4上均匀分布多个预制的螺丝孔，辅助固定装置为高弹力胶包裹的可弯曲的金属铝丝。

在采集箱箱体的内侧底板上还设置有的辅助定位支架8。

所述辅助定位装置5为三个边长1厘米高10厘米的正四棱柱，其外侧面贴有含有坐标信息的二维码，分布在文物的周围并固定在旋转载物台4上。

所述相机与旋转载物台4通过蓝牙相连接，并保持转动与拍摄联动，且转动角度可以调节。

本实用新型的设备可以实现置物平台和相机同步旋转与拍摄，大大提高了拍摄效率。辅助定位装置，可以实现文物建模的自动精度控制，保证模型的精度达到0.01毫米。辅助固定装置，可以在保证文物安全的情况下实现文物以其他角度固定在置物平台中，实现了文物全方位无死角的摄影采集。

如图2-4所示，采用本实用新型设备的文物三维建模方法，包括以下步骤：

S1将文物正向放置在旋转载物台中，并固定在旋转载物台上，在旋转载物台安放含有坐标信息的二维码的辅助定位装置，调整灯光的角度、色温以及强度，保障文物安全稳定、表面无阴影并处于可拍摄状态，调整相机位置并使其处于工作状态；

S2开启旋转载物台，将相机与旋转载物台连接，设置旋转载物台旋转参数，保持文物随着旋转载物台自动慢速旋转，每旋转固定角度停止转动1秒，在此同时相机对文物进行一次拍摄，保持文物处于相机画面的中心，同时保证相机可以拍摄到辅助定位装置上的二维码，文物每旋转一周，调整一次相机高度及拍摄角度，并保持文物在取景框的中心位置，采集至少完成三个高度的环绕拍摄；

S3根据文物特点，在保障文物安全的条件下，将文物倒置或者固定至一定角度，每移动一次文物，更换一组辅助定位装置，重新完成上述S2操作，再选择重新调整文物放置角度，直至文物表面都被拍摄，无拍摄死角；

S4将数据导入到图形处理计算机，并对数据进行预处理，将影像按照拍摄角度进行分组存入不同的文件夹中，分组制作掩膜影像；

S5将数据分组导入影像建模处理软件，在软件中设置好影像分组与掩膜图像的对应关系，掩膜图像覆盖的区域不参与三维建模。

所述S2中的相机与旋转载物台通过蓝牙相连接，并保持转动与拍摄联动，且转动角度可以调节。

所述S2中当需要调节文物旋转角度时，通过调节旋转载物台的旋转参数来完成，设置为每旋转7.5度或10度或15度停顿一次；当需要调整灯光时，通过调整灯光装置来调节色温和光照强度。

所述S4中的制作掩膜影像用以剔除与文物无关像素。

所述S4中掩膜影像是一幅与文物影像尺寸相同的黑白图片，其中黑色代表需要遮挡的区域，白色代表保留的区域，黑色区域不得超过整幅影像的50％，黑色区域集中，具有通用性，一个掩膜影像能够适用于一组影像，掩膜图像用于遮挡与文物无关的像素。

所述S5中使用影像建模处理软件自动识别影像中二维码所包含的坐标信息，实现控制点自动标定。

所述S5中使用影像建模处理软件实现文物自动化建模，模型包括完整的几何模型和纹理贴图，建模成果可输出为通用的三维数据格式。

所述S3中通常调整两次文物角度即可以完成文物表面的全部拍摄。

所述S5中影像建模处理软件为Bentley公司的Context Capture软件。

上述方法可以实现文物的全方位影像采集，包括文物底部、下部等常规手段拍摄不到的部位，数据处理方法结合掩膜技术剔除与文物无关内容，实现文物整体自动建模。文物影像采集与数据处理过程中，使用辅助定位装置，既解决了尺寸、厚度较小的文物无法建模的问题，也解决了模型精度的问题。该方法通过掩膜技术和控制点自动标定技术，实现了文物建模一次成型，无需人工后期修改。大大的减少了人工参与，降低了建模时间与成本，有利于解决文物建模成本居高不下、建模周期长和还原度低的问题，从而大大方便了文物研究和保护工作。

下面，对本实用新型进行详细说明：

S1将文物正向放置在旋转载物台中，载物台上均匀分布多个预制的螺丝孔，使用辅助固定装置将文物固定，辅助固定装置为高弹力胶包裹的金属铝丝，可弯曲，辅助固定装置可安装在载物台上，必要时使用辅助定位支架，同时调整好辅助定位装置，辅助定位装置为三个边长1厘米高10厘米的正四棱柱，其外侧面贴有含有坐标信息的二维码，辅助定位装置应分布在文物的周围并固定在载物台上，调整灯光的角度、色温以及强度，保障文物安全稳定，表面无阴影并处于可拍摄状态；调整相机位置并使其处于工作状态；

S2开启旋转载物台，将相机与载物台通过蓝牙连接，设置载物台旋转参数，保持文物随着载物台自动慢速旋转，每旋转固定角度停止转动1秒，在此同时相机对文物进行一次拍摄，保持文物处于相机画面的中心，同时保证相机可以拍摄到辅助定位装置上的二维码。文物每旋转一周，调整一次相机高度及拍摄角度，并保持文物在取景框的中心位置，采集至少完成三个高度的环绕拍摄。当需要调节文物旋转角度时，通过调节载物台的旋转参数来完成，可设置为每旋转7.5度或10度或15度停顿一次。当需要调整灯光时，通过调整灯光装置来调节色温和光照强度；

S3根据文物特点，在保障文物安全的条件下，将文物倒置或者固定至一定角度，调整辅助固定装置保证文物安全，每移动一次文物，需更换一组辅助定位装置，重新完成上述S2操作；选择重新调整文物放置角度，直至文物表面都被拍摄，无拍摄死角，通常调整两次文物角度即可以完成文物表面的全部拍摄；

S4将数据导入到图形处理计算机。并对数据进行预处理，将影像按照拍摄角度进行分组存入不同的文件夹中，分组制作掩膜影像，掩膜影像是一幅与文物影像尺寸相同的黑白图片，其中黑色代表需要遮挡的区域，白色代表保留的区域，黑色区域不得超过整幅影像的50％，黑色区域应集中，具有通用性，一个掩膜影像能够适用于一组影像，掩膜图像用于遮挡与文物无关的像素

S5将数据分组导入影像建模处理软件，影像建模处理软件为Bentley公司的Context Capture软件，在软件中设置好影像分组与掩膜图像的对应关系，掩膜图像覆盖的区域将不参与三维建模。在建模处理软件中，对辅助定位装置上的二维码进行控制点自动标定，从而控制文物模型的尺寸和精度，软件基于摄影测量的原理，通过空中三角测量得到影像拍摄瞬间的姿态参数以及文物的特征点与密集点云，再通过密集点云全自动三维建模一次性得到包含文物几何模型与纹理的完整三维模型。

以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。

Claims (5)

1.一种用于文物三维建模的采集设备，包括相机、底架(1)和安放在底架上的采集箱(2)，其特征在于，采集箱(2)为前方开口的四方形箱体，在采集箱箱体的内侧底板上放置有底座(3)，底座(3)上固定有与相机进行协同拍摄的旋转载物台(4)，旋转载物台(4)上设置有用于固定文物的辅助固定装置(6)和辅助定位装置(5)，采集箱(2)内部两侧及后部安装白色漫反射背景板(9)，采集箱的顶部及两侧装有环形补光灯(7)。

2.根据权利要求1所述用于文物三维建模的采集设备，其特征在于，所述旋转载物台(4)上均匀分布多个预制的螺丝孔，辅助固定装置为高弹力胶包裹的可弯曲的金属铝丝。

3.根据权利要求1或2所述用于文物三维建模的采集设备，其特征在于，在采集箱箱体的内侧底板上还设置有的辅助定位支架(8)。

4.根据权利要求1所述用于文物三维建模的采集设备，其特征在于，所述辅助定位装置(5)为三个边长1厘米高10厘米的正四棱柱，其外侧面贴有含有坐标信息的二维码，分布在文物的周围并固定在旋转载物台(4)上。

5.根据权利要求1所述用于文物三维建模的采集设备，其特征在于，所述相机与旋转载物台(4)通过蓝牙相连接，并保持转动与拍摄联动，且转动角度可以调节。

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