石窟寺文物的三维精细化建模研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目()山东省研究生创新计划项目()作者简介:郑国强()男副教授博士主要从事环境生态、遥感图像处理等方面的研究:.通讯作者:./.石窟寺文物的三维精细化建模研究郑国强王光生王万忠(.山东建筑大学 测绘地理信息学院山东 济南.山东省古建筑保护研究院山东 济南)摘要:石窟寺文物处于半封闭空间状态窟内造像结构复杂多样采用多种建模手段有助于获取石窟寺的高保真模型 文章以驼山石窟一号窟为研究对象提出以站式扫描点云为整体控制网影像密集匹配点云和手持精细点云为主要数据源利用经典 算法进行点云配准和改进的薄板样
2、条函数进行纹理映射的融合建模方法结果表明:所提多源数据融合建模方法能充分保留点云的几何精度和影像的纹理精度实现石窟寺文物的高精度、高分辨率建模改进的薄板样条函数纹理映射方法避免了特征复杂位置纹理错位、拉花等现象有效地解决了点云重建模型纹理分辨率低的问题关键词:石窟寺文物多源数据融合加权薄板样条函数三维精细化建模中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言石窟寺属于古代庙宇建筑建造时通常依附山势从山崖壁面向内部纵深开凿窟内多为代表宗教造像或宗教故事的壁画是最古老的佛教建筑形式、年习近平总书记相继考察了云冈石窟和莫高窟指出这是人类文明的瑰宝要坚持保护第 山 东 建 筑 大 学 学 报 年
3、一在保护的基础上研究利用好 年 月国务院办公厅下发了关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见明确到 年石窟寺管理体制机制创 新 取 得 重 要 进 展 石 窟 寺 重 大 险 情 全 面消除石窟寺作为不可移动文物受人为破坏和自然侵蚀的影响遭受到不同程度的损坏而文物数字化在文物保护和修复中具有不可替代的作用 为了更好地保护文物可以运用现代化手段获取文物的形体、纹理、材质等数据信息为后期石窟寺文物的全方位保护提供科学的数据支撑 现代化测绘技术如摄影测量和三维激光扫描技术已广泛应用于文博行业 刘旭春等描述了三维激光扫描的技术流程并成功地应用在了古建筑保护行业中郑书民等依托新疆库车地区石窟数字化保护实例研
4、究了三维激光扫描技术在石窟立面测绘中的应用李敏等采用三维激光扫描仪在石窟中进行整体扫描并建立石窟三维形状的框架约束多视图重建计算中的空间解算误差以实现石窟寺的精细化建模但上述研究只考虑了文物模型的几何精度未对模型的纹理精度开展相关研究唐燕利用近景摄影测量的方式完成了文物模型的重建有效地提高了文物模型的纹理精度实现了文物模型在虚拟场景的漫游黄先锋等将三维激光扫描技术与倾斜摄影测量技术相结合实现了敦煌莫高窟及其内部洞窟的结构重建为石窟寺文物建模提供了新的技术手段王瑶瑶等利用激光点云与地理信息技术结合对古建筑三维建模实现了建筑空间和属性信息的查询、分析但纹理映射采用虚拟仿真的方式并不能真实表达建筑的
5、纹理信息 可以看出由于石窟寺所处环境复杂、体量大小不一以及开凿石窟造像所形成的特殊空间形态等因素采用单一技术很难实现石窟寺几何数据和纹理数据的获取 三维激光扫描技术能直接获取目标表面的三维空间信息但很难获取高分辨率的纹理信息而摄影测量技术却在此方面具有优势 这两种技术在长期发展中形成互补融合两种技术的数据建模具有重要的研究意义文章提出以站式扫描仪获取的石窟点云作为整体控制网手持扫描仪获取的复杂造像结构点云及高清数码相机获取的密集匹配点云作为主要数据源实现石窟寺文物的几何重建针对复杂模型的纹理映射问题采用改进的薄板样条函数进行几何模型的纹理映射从而实现石窟寺造像、雕刻和壁画的精细化建模为实现不同
6、体量的文物数字化提供有效的技术手段 石窟寺三维精细化建模方法.研究区概况驼山石窟位于山东省青州市驼山主峰东南崖壁上是我国北周至唐代时期的佛教石窟寺年被认定为全国重点文物保护单位 驼山一号窟为方形平顶窟开凿于初唐(年)及盛唐(年)时期如图 所示 驼山一号窟石窟造像体量大、雕刻面积广、几何结构复杂且石窟造像、壁面绘有彩绘采用单一的技术很难实现石窟寺的精细化建模为此文章提出了一种多源数据融合的石窟寺精细化建模方法图 驼山一号窟图.精细化建模流程文物模型最主要的是保证数据的客观性和真实性三维激光扫描技术能实现石窟寺文物的高精度几何重建但模型纹理的分辨率较低而摄影测量技术能获取高分辨率的纹理信息 文章综
7、合考虑三维激光扫描与摄影测量技术的优势和缺点提出以站式扫描点云为整体控制网实现影像密集匹配()点云与手持精细扫描点云的高精度配准以其配准融合点云为主要数据源完成石窟寺文物的高精度重建利用加权薄板样条函数的纹理映射方法对石窟寺模型进行纹理映射实现石窟寺文物的三维精细化建模 文章具体实现流程如图 所示其中坐标采集采用实时动态()坐标 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 图 石窟寺文物精细化建模流程图 石窟寺多源数据获取.三维激光点云获取 对于空间复杂的石窟寺文物而言扫描获取的点云数据大、扫描周期长因此扫描前需要现场勘测制定合理的扫描方案 扫描数据获取后需要对点云数据进行去噪、配准、冗
8、余去除等操作获取石窟寺建模所需要的点云数据 三维激光扫描点云获取的主要流程如图 所示图 激光点云数据获取流程图文章采用架站式空间扫描仪 和手持扫描仪 获取石窟的点云数据 是一款具有超远距离扫描的高速三维激光扫描仪 是一款适用于近距离复杂曲面数据采集的高精度手持三维扫描仪详细参数见表 表 三维激光扫描仪参数表设备类型扫描光源分辨率扫描范围/扫描速度/(点)纹理分辨率/红外线激光 万.白光().站式扫描点云获取根据驼山一号窟以及 的扫描特点选择窟内架设 站、窟外架设 站的方式进行扫描 驼山石窟为国家重点文物禁止人为及设备接触无法在壁面粘贴标靶 扫描时在地面上放置棋盘板作为点云数据的控制点棋盘板的放
9、置角度与扫描仪的扫描光束之间入射角应 扫描参数设置为/分辨率和 倍降噪率 获取站点点云后采用 扫描仪自带的 软件进行点云预处理 一号窟站式扫描点云及细节图如图 所示 图()是点云去噪、配准、冗余去除后获取的点云数据 由图()可知石窟寺特殊的空间环境造成窟内遮挡严重 点云模型存在较多空 洞图()中石窟的整体色彩明暗差异较大文章不将其作为石窟寺建模的数据源 但根据站式空间扫描仪全局精度高、覆盖范围广的特点将站式扫描点云作为石窟寺建模的整体控制网实现影像密集匹配点云与手持精细点云的融合配准工作图 一号窟站式扫描点云及细节图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年.手持精细扫描点云获取石窟寺内有大量复杂结
10、构的文物造像站式扫描仪的分辨率很难表现复杂造像的细节部分因此需要手持扫描仪进行精细扫描 手持精细扫描仪主要用于小尺度文物扫描对于体量较大的石窟寺完成整窟的点云采集不仅需要大量的时间还会生成庞大的数据量导致后期数据处理困难 综合考虑建模精度及效率问题文章只对石窟内复杂造像扫描 能够实时处理生成预览点云及时发现扫描点云存在的问题但此现场处理点云的方式会大幅增加数据采集时间 一号窟内造像众多将其划分为石窟北壁、东壁、西壁 个扫描区域依次扫描不同壁面上的造像 扫描仪可以获取造像的彩色信息但分辨率较低且彩色扫描会大幅增加扫描周期和点云数据量为后期数据处理带来困难因此扫描参数设置为.、不开彩色在文物扫描的
11、过程中要特别注意文物安全禁止直接接触造像表面 手持扫描仪获取的点云数据和站式扫描点云一样需要预处理以获得文物造像的精细点云 通过预处理后获取的造像点云模型如图 所示图 一号窟文物造像精细点云图.影像密集匹配点云获取在半封闭的石窟环境中由于光照和扫描仪相机的分辨率等原因其获得的彩色数据存在分辨率低、噪点大、光线不均等问题需要用高清数码相机获取整窟的高分辨率影像数据 文章选用佳能 数码相机及 的定焦镜头采集石窟的色彩信息其最高分辨率达到 影像密集匹配点云获取的主要流程如图 所示由于石窟寺的特殊环境相机需要挂载闪光灯对石窟寺进行彩色影像采集保证在不同的角度、不同的 目 标 下 获 得 相 同 亮 度
12、 及 分 辨 率 的 影 像 是人眼能够识别的最大分辨率为了保证文物模型纹理的真实性拍摄获取的影像分辨率要满足 拍摄距离要 石窟寺的影像数据获取后利用实景建模软件 处理生成石窟的密集匹配点云处理结果如图()所示 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 图 影像的密集匹配点云重建图图 一号窟密集匹配点云及细节图 相对于扫描仪的数据获取方式相机拍摄获取石窟的影像数据更加灵活不会受架站空间或扫描视角的限制 通过近景摄影测量获取的密集匹配点云十分完整(如图()和()所示)不会出现大的点云空洞但影像密集匹配获取的复杂文物的点云不如三维激光扫描点云的精度高 石窟寺文物精细建模的实现为了实现多种技
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