文物模型重構保護與手持式三維掃描的結合

文物是國家不可再生的文化資源，實施文物保護，建立文物檔案有著非常重要的意義。以文物保護為目的的測繪要求準確地反映文物建筑的現(xiàn)狀，包括殘損、構件錯置、改動、變形的情況，手工測繪中難以準確、清晰地表現(xiàn)出文物建筑現(xiàn)狀，或有可能在測繪過程中被忽略。三維激光掃描為解決這一問題提供了可能性。三維激光掃描技術以激光反射的原理獲取靜態(tài)物體表面的海量三維點云數(shù)據(jù)，采用高精度逆向三維建模及重構技術，以同步獲取目標范圍的三維坐標數(shù)據(jù)和數(shù)碼照片的方式快速獲取大型實體或實景等目標的三維立體信息，通過計算機重構其3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實時的、變化的、真實的形態(tài)特性，為快速獲取空間數(shù)據(jù)的提供了有效手段，圓滿解決了工程施工中的技術難題，尤其對于景區(qū)文物類的實體對象，因其是非接觸式測量，所以不會對文物構成任何的傷害；此外，對游客的游覽參觀也幾乎沒什么影響。通過對三維激光掃描技術技術的應用，修繕設計將更好地秉承歷史原物的獨特風格，協(xié)調建筑形式、空間格局、材質色澤、構筑細部等，強調歷史建筑的原真性、可識別性、可逆性、可讀性、功能再生性。

三維激光掃描的優(yōu)點是：一是快速、高精度、非接觸測圖，不用搭腳手架，也不用直接接觸文物，就可以實現(xiàn)、快速測量。對復雜對象的測量提供更準確的點云信息，數(shù)據(jù)結果可以方便與CAD軟件結合，實現(xiàn)快速線劃圖生成。二是數(shù)字化記錄和保存文物，對于重要的文物，通過三維激光掃描，能夠完整將相關信息記錄，用于保存和復制。當建筑和文物遭到破壞時能及時而準確地提供修復數(shù)據(jù)。瑞格三維激光掃描儀可以完成高達3毫米精度的測量，采樣點間距可以小于2毫米，充分勝任雕刻、精細結構的記錄。對于考古挖掘過程，也可以快速進行現(xiàn)場三維記錄。三是三維模型不僅可以用來保存文物的數(shù)據(jù)，還可以用于虛擬展示，這就是所謂的“數(shù)字博物館”。借助數(shù)字博物館，參觀者無需親身前往，即可瀏覽到文物的全貌，更重要的是讓更多的人了解前人留下的珍貴文化遺產并能解決旅游推廣與文物保護之間的矛盾。

三維激光掃描在文物保護方面的用途：

1、獲取原始點云數(shù)據(jù)

點云數(shù)據(jù)是實際物體的真實尺寸的復原，是完整、精細和快捷的對物體現(xiàn)狀進行檔案保存的手段，點云數(shù)據(jù)不但包含了對象物體的空間尺寸信息和反射率信息，結合高分辨率的外置數(shù)碼相機，可以逼真的保留對象物體的色彩信息；結合其他測量儀器諸如全站儀、GPS，可以將整個掃描數(shù)據(jù)放置在一定的空間坐標系內，定位物體的每個點位，因此，點云數(shù)據(jù)所保存的信息，可以說是空間物體原貌的真實反應。通過Cyclone軟件，我們可以在點云中實現(xiàn)漫游、瀏覽和對物體尺寸、角度、面積、體積等的量測，直接將對象物體移到電腦中，利用點云在電腦中完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測繪工作。在珍貴文物，古建受到諸如地震、洪水等意外破壞后可以的為文物，古建復原快速的提供為的數(shù)據(jù)，同時還可以制作古建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖，以及模型等數(shù)據(jù)。

2.古建筑測量線畫圖件

作為傳統(tǒng)文物測繪尤其是建筑文物測繪的成果之一，是各種的測繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖等。這些圖件可以表示建筑物內部的結構或構造形式、分層情況，說明建筑物的長、寬、高的尺寸，門窗洞口的位置和形式，裝飾的設計形式和各部位的聯(lián)系和材料等。利用點云數(shù)據(jù)，在CAD中使用Cloudworx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。

3、古建筑變形測量

三維激光掃描儀不但可以測量單點的坐標,更重要的是它能以點云的方式獲取幾乎整個觀測目標表面的空間信息,能較好地觀測出目標的整體空間姿態(tài),分析出建筑物的整體變形。

4、文物模型

三維激光掃描儀比較適用于古典建筑和佛像、雕塑、壁畫等的掃描。掃描的數(shù)據(jù)可以利用Cyclone或其他第三方軟件進行建模，構建mesh格網模型，再通過紋理映射或是導入到其他三維軟件中進行紋理貼圖，終得到文物的數(shù)字化的模型。

5、為文物建立、真實、完整的三維數(shù)字檔案

三維激光掃描技術能夠提供高精度的文物數(shù)據(jù)，能夠真實而又完整的對文物形狀、尺寸進行準確的采集和記錄，細節(jié)部位也可以清晰表達，并通過模型優(yōu)化、紋理匹配等技術手段將文物逼真再現(xiàn)，同時，可以多角度、高清晰地展示參觀者在展柜旁無法觀賞的任意角度和精度的文物細節(jié)。這樣可以為文物建立完整的三維數(shù)字檔案，是三維數(shù)字博物館的數(shù)據(jù)來源，還可以為文物鑒定、檢測、修復與復制提供依據(jù)。因此，利用先進的三維掃描技術和單位建模技術，把部分文物進行完全復原，這樣不僅可以讓觀眾在屏幕上自由欣賞文物，任意旋轉文物從各個角度欣賞，還可以放大文物觀看細節(jié)，在豐富展覽形式和內容的同時，更大程度地滿足了觀眾的求知欲和好奇心，豐富了觀眾參與的互動項目。

石窟藝術寶庫“搬家”到計算機。掃描得出的數(shù)字檔案還可制作虛擬洞窟游覽、多媒

體展播節(jié)目、多媒體展示等，緩解日益增大的旅游對石窟保護管理的壓力。

6、網絡互動展示

在互聯(lián)網上推出文物三維展示體驗欄目，為該領域開辟了一個新的發(fā)展思路。雖然通過各種技術手段對文物信息、展覽現(xiàn)場的數(shù)字化展示方式不能取代實體博物館，但互聯(lián)網打破時間、空間的局限實現(xiàn)更廣泛的宣傳和公眾教育，是實體博物館無法比擬的。網絡展示手段多種多樣，相對于其他多媒體技術，三維數(shù)字技術對于文物的表現(xiàn)力更為逼真。對于一些不宜長期向公眾開放的文物景點，可以將三維圖像檔案發(fā)布于網上，滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求。

7、對文物進行細致的修復，延續(xù)文物燦爛文化

所有歷史文物和遺跡都是前人智慧的結晶，然而由于文物本身的脆弱性和性，如何準確獲取、保護、修復、重建、傳承這些文物成為擺在全體文物工作者面前的重要問題。在遺址測繪上，三維激光掃描量測儀可以進行遺跡分布圖、標高圖、斜度圖、水系流域圖等的統(tǒng)合，便于研究者對遺址的全局把握。在恢復重建方面，三維激光掃描可以深入到任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型的、復雜的、不規(guī)則、標準或非標準等實體或實景的三維數(shù)據(jù)完整的采集到計算機系統(tǒng)中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)，同時，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作如：測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等，還原文物本來樣貌。