浅谈三维激光扫描技术在吴山石佛院造像中的应用

摘要：本文介绍了三维激光扫描技术的原理，以吴山石佛院造像为例介绍了云采集、点云数据处理、三维模型构建、纹理映射及成果图件制作等技术问题。

 

关键词：三维激光扫描；石佛造像；三维重建

 

三维激光扫描技术以高精度的空间信息、非接触式激光测量方式、高效率的外业采集等优点，在文物保护领域发挥其巨大的优势。本文以吴山石佛院造像为例探讨了三维激光扫描技术在石佛造像等复杂文物三维建模方面的应用。

 

1.三维扫描技术

 

激光三维扫描技术被称为“实景复制技术”始于上个世纪九十年代中期，它的出现是继GPS技术之后测绘领域的又一次新的技术革命。它可以快速、高精度获取地形及复杂物体的表面的三维点云数据。其工作原理是：扫描仪通过激光反射装置对目标发射激光，利用扫描仪内置的计时系统测出激光发射和接受的时间差，从而计算出相应被测点和扫描仪间的距离，再根据水平方向和垂直方向的角度值，就能实时的测算出被测点的三维坐标数据，然后将点云数据输入计算机的存储设备中进行记录保存，再经过相关软件的处理、建模，就能得到实体或实景的三维几何模型了。

 

2.数据采集

 

2．1三维扫描

 

本次采用LeicaScanStaionCIO扫描仪进行数据采集，根据佛龛形状及周边树木等遮挡物的位置合理选择测站点和标靶位置。本次共布设了13个测站，其中1O站针对整个石壁进行的扫描，另外站是对石佛院整个院子进行的扫描。设站方式采用任意设站的测量方式，即每站均为独立坐标，各站之间的点云数据通过标靶拼接成一个统一的独立坐标系，然后实测三个标靶的杭州坐标系坐标，把拼接后的坐标系归算到我们使用的平面直角坐标系中。

 

标靶采用3英寸标靶，为了保证点云配准的精度，标靶布设在不同的高度和平面位置，以满足公共标靶配准的约束条件。在测站上扫描

 

3.个以上标靶，并实时检查标靶扫描信息，保证标靶扫描的正确性。扫描分辨率采用高分辨率，并采用外置相机拍摄全景影像，以便得到佛像表面带有RGB信息的完整点云数据。

 

2．2影像拍摄

 

高质量的影像数据获取可以为后期影像色彩调整，正射纠正、纹理映射等节省很多的时间，提高作业效率。影像数据采集原则如下：第一，在影像采集中，避免出现阴影和不均匀的光照，本次拍摄主要是受太阳光照影响，选择在下午3点多时太阳光比较柔和，造像上没有明显的光斑进行拍摄；第二，在目标物形状复杂的部位，拍摄的角度要全面，避免出现死角，要注意其自身的遮挡；第三，相邻影像之间要有一定的重叠度，方便后期影像的融合与拼接。

 

3.点云数据处理

 

3．1点云拼接

 

由于所获得的不同机位点的扫描点云数据都是以扫描仪位置为参考点的独立坐标系统，各测站的扫描点云数据坐标系不相联系，因此必须对所获取的扫描点云数据进行拼接。利用Cyclone—Register处理软件对所获得的扫描点云数据进行拼接，首先将一站扫描点云数据导人拼接模块中并将其锁定，接着将其相邻的下一站数据导人到软件中，选取相邻两站扫描点云数据中的4个共同标靶点，然后由处理软件进行自动计算，将两站数据以最小误差拼接在一起，拼接误差结果可以在软件中查询。

 

3．2点云去噪

 

三维激光扫描仪采集的数据为扫描范围内所有地物信息，所以会采集到了很多无用的数据，若不去除这些数据会对后期的点云建模产生影响，因此必须将这些噪点去除。Cyclone软件没有自动去噪的功能，所以只能人工一点一点的去除噪点。

 

3．3点云分割

 

扫描得到的是目标物完整的点云数据，数据量非常的大。若将完整的点云数据直接用于整体建模，会严重影响计算机处理的速度且有可能出现无法预料的问题。因此需要对点云数据进行切割，获取各龛与各佛像的独立点云数据。以便后期多名作业员协调作业，提高工作效率。

 

4.模型重建

 

4．1三维建模

 

对于规则的地物可以通过Cyclone、CloudWorx等软件提取轮廊线，到Max等专业三维建模软件进行建模；对于像石雕，造像等不规则的古遗迹，需要利用GeomagicStudio逆向工程软件进行建模。GeomagicStudio逆向设计的原理是用许多细小的空间三角片来逼近还原实体模型。

 

将处理后点云数据导入到Geomagic软件中，通过点云阶段和多边形阶段两个阶段的操作构建成模型的三角网。

 

4．2纹理与贴图

 

(1)纹理预处理。拍摄得到的原始影像文件由于受到光照强度、阴影、相机自身特性等因素的影响并不是目标物表面的真实色彩且不同影像之间其色彩也存在差异。因此需要对原始影像进行色彩调整。色彩调整的方法是利用Photoshop软件通过调节明暗度、色相、饱和度等，使影像色彩保持一致。

 

拍摄得到的原始影像文件部分为目标物表面局部的影像，因此还需要对原始影像进行拼接融合。在影像拼接过程中，影像的变形会逐渐积累和传递。因此要以目标物表面中心的影像为基准，向边缘逐张拼接。在完成影像拼接后还需将有色差的影像进行色彩调整，其调整顺序也是由中心向边缘逐张调整。

 

(2)纹理映射。纹理映射是将纹理影像配准到三维模型上，使三维模型与实际造像一模一样，使作品具有艺术性、观赏性以及现实性。纹理映射的方法是在纹理影像和三维模型选取一定数量的对应点，使两者之间建立相对应的关系，将纹理影像映射到三维模型上，检查纹理与模型映射是否正确，若存在偏差对其进行调整，最终使纹理与模型映射一致。

 

5.结论

 

三维激光扫描能快速的获取造像的表面坐标信息，能够逼真的重建出造像的三维模型，但也存在着一些问题：

 

(1)由于造像比较复杂，利用三维激光扫描仪进行数据采集时，不可避免地存在测量“死角”，例如在造像的顶部与石壁连接处、造像的一些裂缝处以及被树木遮挡处等，所以根据点云建立起的三维模型会有较多的表面空洞，这些空洞需要人工手动修补，这就使建立的模型精度受到一定的影响。

 

(2)在点云去噪时，采用的是人工去噪的方式，有可能会把正确的点云删除。尤其是在石壁上存在杂草或树木时，这些点云数据紧贴着石壁，很难根据噪点数据的非连续性、离散性等特性删除，使建立的模型精度受到影像。

 

参考文献

 

[1]成思源，谢韶旺．GeomagicStudio逆向工程技术及应用．北京：清华大学出版社，2010．

[2]张帆．激光扫描数据三维建模中高保真度纹理重建研究．武汉大学：博士论文，2009．