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面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究

俞朝晖  
【摘要】:文物作为文化的承载者,在文化发展中具有举足轻重的作用。但随着人类活动的影响和时间的流逝,古文物不断遭受损坏,有效的文物数据保存工作成为一个重要的课题。文物数字化是目前最为科学的文物数据获取和保存手段,不仅可以记录文物原始的三维信息和纹理信息,进而实现三维信息展示,同时为文物修缮和恢复提供重要的数据和模型支持。当前三维扫描技术、数码拍照技术、三维渲染技术等,都为文物数字化提供了技术支持。本文聚焦馆藏文物,对馆藏文物的三维数据获取及其可视化进行了深入研究,实现了从文物的三维数据扫描、处理、建模、渲染,到3D打印输出和三维数字化展示平台建立的数字化全过程。针对典型的馆藏文物,本文使用Go!Scan型号的结构光三维扫描方式进行三维信息采集,包括文物的三维结构信息和表面纹理信息;对于油画表面数据的获取,本文基于线激光扫描技术和精密程控三维平移台,自主研发了油画表面微观结构三维信息采集设备,该设备可以对油画表面的微观三维信息进行采集,x-y轴方向的扫描精度为10μm以内,z轴方向的扫描精度为2μm。数据处理中,将扫描获得的RGB颜色数据与三维点云进行一一绑定,获得彩色三维点云,以彩色点云为最小单位进行去噪、重采样、配准、封装、优化等算法的改进。在K均值聚类的点云降噪算法中,引入欧氏距离权重因子,有效改善离群点的误判率;在点云重采样算法中,同时考虑曲率和法向量,兼顾了点云的结构和细节;点云配准算法中,利用基于点云重心距离特征的边界检测方法来提取点云边界的特征点,以此来减少参与迭代的点,不仅降低了算法复杂度,还提高了配准的精确性;点云封装算法中,在经典的Crust算法基础上引入区域划分和Delaunay四面体网格剖分的概念来进行三角网格曲面重构,不仅提高了算法效率,还避免曲面在非闭合区域的机械粘连现象;三角网格修复算法中,基于波前法,并不每次都选取孔洞边界夹角最小的角进行修补,而是采用一种基于边界区域增长的方式,由孔洞的边界向孔洞内部逐渐填充孔洞,可以实现与实际结构较为接近的三角网格孔洞修补。以面向对象的三维空间特征数据库技术为基础,结合了面向对象技术、面向服务技术、三维渲染技术、B+tree索引算法、LOD显示技术、Web services技术等,研发了一种基于面向对象的三维空间特征数据库库的文物三维渲染引擎,该引擎克服了传统技术在重构和渲染时效率低、计算复杂等问题,可以实现批量文物三维模型的场景重构和逼真的文物模型渲染效果。馆藏文物的彩色三维数字模型建立之后,一方面,使用3D打印可视化技术进行输出,研究内容包括3D设备无法在暂停前后实现连续打印提出了有效的改善途径;另一方面,将文物三维数据应用于数字化博物馆中,构建基于云计算、移动互联网技术的文物三维模型展示系统,可以实现数字博物馆功能,进行逼真的虚拟文物展示,观众可以通过手机等移动终端随时随地、清晰、3D逼真地浏览和欣赏各大博物馆中的珍贵文物。


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