三維建模技術在文物(wù)測繪的(de)應用(yòng)

發布日期：2019-04-22 23:38 浏覽量：9260

文物(wù)是人(rén)類在曆史發展過程中遺留下(xià)來(lái)的(de)具有曆史、藝術、科學價值的(de)遺物(wù)和(hé)遺迹，曆經幾千年的(de)沉澱和(hé)積累，具有了(le)頑強的(de)生命力及存在價值。然而，許多(duō)文物(wù)在留取下(xià)來(lái)的(de)過程中曆經滄桑，遭到了(le)不同程度的(de)人(rén)爲及自然的(de)損壞。

目前已岌岌可(kě)危，亟須修複和(hé)複原。

文物(wù)測繪是文物(wù)保護中的(de)一項基礎且技術性要求極高(gāo)的(de)工作。

傳統的(de)測量、繪圖、攝影(yǐng)等手段限于自身的(de)種種原因，隻能獲取三維文物(wù)的(de)二維影(yǐng)像，而無法準确、詳盡地呈現出文物(wù)的(de)三維形态，不能爲後續的(de)文物(wù)數字化(huà)保存、病害檢測、虛拟修複、三維展示及三維力學分(fēn)析等應用(yòng)需求，提供完整、詳盡的(de)資料支撐。

而三維數字建模技術的(de)不斷發展，在很大(dà)程度上提高(gāo)了(le)文物(wù)信息獲取的(de)能力。尤其是随著(zhe)三維掃描儀的(de)出現，空間三維數據的(de)獲取有了(le)突飛(fēi)猛進的(de)發展。

一、文物(wù)三維模型的(de)作用(yòng)

三維信息留取，又稱三維數字化(huà)留取，是研究快(kuài)速獲取物(wù)體表面空間坐(zuò)标，進而得(de)到物(wù)體三維數字化(huà)模型的(de)方法。

随著(zhe)三維建模技術的(de)不斷趨于成熟，三維信息留取成爲文物(wù)數字化(huà)保護、修複及五千年中華文化(huà)弘揚和(hé)傳承的(de)有效手段之一。它不僅滿足考古發掘過程中科學、準确獲取遺址各類信息的(de)需求，有效地對(duì)文物(wù)遺産進行數字化(huà)保存、展示及保護，同時(shí)也(yě)爲文物(wù)的(de)數字測繪、輔助修複、考古資源管理(lǐ)以及虛拟現實等拓展應用(yòng)提供了(le)基礎的(de)技術支撐。

二、文物(wù)三維模型的(de)特點

與一般的(de)實體三維模型相比，文物(wù)三維模型數據自身特點顯著。

1、數據量增大(dà)

文物(wù)是人(rén)類文明(míng)的(de)瑰寶，蘊含著(zhe)一個(gè)時(shí)代特有的(de)精神價值、思維方式和(hé)想象力，是人(rén)類文明(míng)、文化(huà)與智慧的(de)結晶。我國有著(zhe)五千餘年燦爛的(de)曆史文明(míng)，文物(wù)遺存也(yě)燦若星河(hé)。尤其是大(dà)型的(de)石質佛像、摩崖石刻、壁畫(huà)等爲人(rén)們廣泛熟知并認同。

2、結構更爲複雜(zá)

随著(zhe)三維數字化(huà)、計算(suàn)機圖形學等技術的(de)不斷精進，目前，已經具備了(le)将實體精确地“複制”成計算(suàn)機中存儲的(de)三維模型的(de)能力。

這(zhè)樣一來(lái)，研究人(rén)員(yuán)就可(kě)以先行在虛拟三維模型上完成方案的(de)制訂、調整、實施、結果評價等工作，爲實際操作提供試驗材料及參考依據。

然而，與常規實體不同，文物(wù)形形色色，千奇百态，具有不相似、不對(duì)稱特性。況且，我國古人(rén)多(duō)喜舞文弄墨，故凡繪畫(huà)、雕刻之作品大(dà)多(duō)刻畫(huà)細膩，布局精巧，分(fēn)層分(fēn)段，并裝飾華麗，看起來(lái)場(chǎng)面宏大(dà)，氣派十足。再加上随著(zhe)時(shí)間的(de)推移，大(dà)多(duō)文物(wù)都呈現出殘缺、破損、不完整情形。

因此，與常規實體相比，要将文物(wù)實體精确地“複制”成計算(suàn)機中存儲的(de)三維模型，就必須要面面俱到，将各類病症清晰、準确地呈現出來(lái)，進而爲後續的(de)病害統計、虛拟修複、保護研究提供最精準的(de)數據。

三、數據處理(lǐ)過程更加複雜(zá)

文物(wù)三維數據處理(lǐ)主要包括點雲預處理(lǐ)、三維建模、三維彩色模型構建。一般而言，文物(wù)體積都比較大(dà)，對(duì)大(dà)範圍文物(wù)進行掃描時(shí)，爲了(le)保證能對(duì)數據進行全面采集，通(tōng)常需要對(duì)掃描範圍進行分(fēn)區(qū)、分(fēn)塊，并根據劃分(fēn)規則對(duì)其命名。

此外，對(duì)某些具有特殊構造的(de)部分(fēn)，有時(shí)候還(hái)需要進行額外的(de)單獨采集。

因此，三維激光(guāng)掃描測量一般要通(tōng)過多(duō)站的(de)掃描，才能獲得(de)整個(gè)被掃描物(wù)體的(de)完整數據。然而，在數據處理(lǐ)的(de)過程中，數據的(de)拼接、合并等程序是不可(kě)或缺的(de)。

就一般實體模型而言，實體體積小，數據采集量也(yě)就小，因此在數據處理(lǐ)過程中，諸如數據拼接、分(fēn)割、簡化(huà)、合并之類的(de)操作也(yě)就顯得(de)不那麽必要。然而較一般實體模型，文物(wù)三維模型數據處理(lǐ)量大(dà)，數據處理(lǐ)過程也(yě)就相應地變得(de)更爲複雜(zá)。

四、精度控制更加困難

中國文物(wù)一向以器宇不凡、恢弘大(dà)氣著稱。因此，數據采集過程中，搭建腳手架輔以操作成了(le)必不可(kě)少的(de)程序，重慶大(dà)足石刻千手觀音(yīn)三維數據獲取方案設計。而在掃描過程中，隻要腳手架存在微米級的(de)晃動，都可(kě)能會導緻掃描數據的(de)分(fēn)層，同一曲面出現紅、藍兩層數據。這(zhè)在一定程度上，爲數據獲取過程中的(de)精度控制加大(dà)了(le)難度。

五、數據精度要求更高(gāo)

文物(wù)是曆史文化(huà)的(de)沉澱，泱泱中華五千年文明(míng)，積累了(le)無數的(de)曆史瑰寶。但随著(zhe)時(shí)間的(de)推移，在長(cháng)期自然營力和(hé)人(rén)類活動的(de)影(yǐng)響下(xià)，許多(duō)文物(wù)都出現了(le)嚴重的(de)局部破壞。

三維模型的(de)一大(dà)用(yòng)途就是爲細微、潛在病害的(de)識别及尺寸标注提供基礎依據。

在彩色正射影(yǐng)像圖上，可(kě)以較清晰地展現出壁畫(huà)裂縫、外部牆體裂縫、外部牆體病害的(de)位置、範圍等情況，能夠幫助壁畫(huà)保護修複工作者詳細了(le)解病害種類、損壞程度、分(fēn)布規律等信息，深入探究病害産生機理(lǐ)，分(fēn)析病害演化(huà)原因，以進行具有針對(duì)性的(de)實行搶救修複工作。

然而，文物(wù)三維模型數據處理(lǐ)是一個(gè)精細而漫長(cháng)的(de)過程。在這(zhè)一處理(lǐ)過程中，無論是點雲的(de)數據拼接，還(hái)是點雲的(de)數據簡化(huà)，又或者是點雲的(de)數據合并，對(duì)點雲數據的(de)每一步處理(lǐ)都伴随著(zhe)一定精度的(de)虧損。而文物(wù)三維模型是文物(wù)最精準的(de)基礎數據，是文物(wù)數字化(huà)保存、病害檢測及後續虛拟修複工作的(de)前提。

因此，較一般三維模型，文物(wù)三維模型數據獲取及處理(lǐ)時(shí)的(de)精度控制則更爲嚴格，信息要求也(yě)更爲精細。

文物(wù)三維模型在文物(wù)保護中的(de)應用(yòng)逐步深入，未來(lái)的(de)發展與應用(yòng)還(hái)将繼續以數字化(huà)留取、病害檢測、虛拟修複、三維展示及三維力學分(fēn)析等應用(yòng)爲主。但是針對(duì)文物(wù)三維數據量大(dà)、精度控制困難等特點，提升數據采集設備精度、速度等性能，降低數據采集成本，對(duì)促進文物(wù)三維模型的(de)廣泛應用(yòng)意義重大(dà)。

此外，文物(wù)三維模型所有權面臨巨大(dà)挑戰，如何加快(kuài)信息安全技術的(de)集成，使數據安全問題得(de)到有效解決，也(yě)将是文物(wù)三維模型發展與應用(yòng)研究的(de)重點之一。