三維建模技術(shù)在文物測(cè)繪的應(yīng)用

發(fā)布日期：2019-04-22 23:38 瀏覽量：13567

文物是人類在歷史發(fā)展過(guò)程中遺留下來(lái)的具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值的遺物和遺跡，歷經(jīng)幾千年的沉淀和積累，具有了頑強(qiáng)的生命力及存在價(jià)值。然而，許多文物在留取下來(lái)的過(guò)程中歷經(jīng)滄桑，遭到了不同程度的人為及自然的損壞。

目前已岌岌可危，亟須修復(fù)和復(fù)原。

文物測(cè)繪是文物保護(hù)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)且技術(shù)性要求極高的工作。

傳統(tǒng)的測(cè)量、繪圖、攝影等手段限于自身的種種原因，只能獲取三維文物的二維影像，而無(wú)法準(zhǔn)確、詳盡地呈現(xiàn)出文物的三維形態(tài)，不能為后續(xù)的文物數(shù)字化保存、病害檢測(cè)、虛擬修復(fù)、三維展示及三維力學(xué)分析等應(yīng)用需求，提供完整、詳盡的資料支撐。

而三維數(shù)字建模技術(shù)的不斷發(fā)展，在很大程度上提高了文物信息獲取的能力。尤其是隨著三維掃描儀的出現(xiàn)，空間三維數(shù)據(jù)的獲取有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

一、文物三維模型的作用

三維信息留取，又稱三維數(shù)字化留取，是研究快速獲取物體表面空間坐標(biāo)，進(jìn)而得到物體三維數(shù)字化模型的方法。

隨著三維建模技術(shù)的不斷趨于成熟，三維信息留取成為文物數(shù)字化保護(hù)、修復(fù)及五千年中華文化弘揚(yáng)和傳承的有效手段之一。它不僅滿足考古發(fā)掘過(guò)程中科學(xué)、準(zhǔn)確獲取遺址各類信息的需求，有效地對(duì)文物遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保存、展示及保護(hù)，同時(shí)也為文物的數(shù)字測(cè)繪、輔助修復(fù)、考古資源管理以及虛擬現(xiàn)實(shí)等拓展應(yīng)用提供了基礎(chǔ)的技術(shù)支撐。

二、文物三維模型的特點(diǎn)

與一般的實(shí)體三維模型相比，文物三維模型數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)顯著。

1、數(shù)據(jù)量增大

文物是人類文明的瑰寶，蘊(yùn)含著一個(gè)時(shí)代特有的精神價(jià)值、思維方式和想象力，是人類文明、文化與智慧的結(jié)晶。我國(guó)有著五千余年?duì)N爛的歷史文明，文物遺存也燦若星河。尤其是大型的石質(zhì)佛像、摩崖石刻、壁畫等為人們廣泛熟知并認(rèn)同。

2、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜

隨著三維數(shù)字化、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)的不斷精進(jìn)，目前，已經(jīng)具備了將實(shí)體精確地“復(fù)制”成計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的三維模型的能力。

這樣一來(lái)，研究人員就可以先行在虛擬三維模型上完成方案的制訂、調(diào)整、實(shí)施、結(jié)果評(píng)價(jià)等工作，為實(shí)際操作提供試驗(yàn)材料及參考依據(jù)。

然而，與常規(guī)實(shí)體不同，文物形形色色，千奇百態(tài)，具有不相似、不對(duì)稱特性。況且，我國(guó)古人多喜舞文弄墨，故凡繪畫、雕刻之作品大多刻畫細(xì)膩，布局精巧，分層分段，并裝飾華麗，看起來(lái)場(chǎng)面宏大，氣派十足。再加上隨著時(shí)間的推移，大多文物都呈現(xiàn)出殘缺、破損、不完整情形。

因此，與常規(guī)實(shí)體相比，要將文物實(shí)體精確地“復(fù)制”成計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的三維模型，就必須要面面俱到，將各類病癥清晰、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而為后續(xù)的病害統(tǒng)計(jì)、虛擬修復(fù)、保護(hù)研究提供最精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)處理過(guò)程更加復(fù)雜

文物三維數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云預(yù)處理、三維建模、三維彩色模型構(gòu)建。一般而言，文物體積都比較大，對(duì)大范圍文物進(jìn)行掃描時(shí)，為了保證能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，通常需要對(duì)掃描范圍進(jìn)行分區(qū)、分塊，并根據(jù)劃分規(guī)則對(duì)其命名。

此外，對(duì)某些具有特殊構(gòu)造的部分，有時(shí)候還需要進(jìn)行額外的單獨(dú)采集。

因此，三維激光掃描測(cè)量一般要通過(guò)多站的掃描，才能獲得整個(gè)被掃描物體的完整數(shù)據(jù)。然而，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，數(shù)據(jù)的拼接、合并等程序是不可或缺的。

就一般實(shí)體模型而言，實(shí)體體積小，數(shù)據(jù)采集量也就小，因此在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，諸如數(shù)據(jù)拼接、分割、簡(jiǎn)化、合并之類的操作也就顯得不那么必要。然而較一般實(shí)體模型，文物三維模型數(shù)據(jù)處理量大，數(shù)據(jù)處理過(guò)程也就相應(yīng)地變得更為復(fù)雜。

四、精度控制更加困難

中國(guó)文物一向以器宇不凡、恢弘大氣著稱。因此，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，搭建腳手架輔以操作成了必不可少的程序，重慶大足石刻千手觀音三維數(shù)據(jù)獲取方案設(shè)計(jì)。而在掃描過(guò)程中，只要腳手架存在微米級(jí)的晃動(dòng)，都可能會(huì)導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)的分層，同一曲面出現(xiàn)紅、藍(lán)兩層數(shù)據(jù)。這在一定程度上，為數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中的精度控制加大了難度。

五、數(shù)據(jù)精度要求更高

文物是歷史文化的沉淀，泱泱中華五千年文明，積累了無(wú)數(shù)的歷史瑰寶。但隨著時(shí)間的推移，在長(zhǎng)期自然營(yíng)力和人類活動(dòng)的影響下，許多文物都出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部破壞。

三維模型的一大用途就是為細(xì)微、潛在病害的識(shí)別及尺寸標(biāo)注提供基礎(chǔ)依據(jù)。

在彩色正射影像圖上，可以較清晰地展現(xiàn)出壁畫裂縫、外部墻體裂縫、外部墻體病害的位置、范圍等情況，能夠幫助壁畫保護(hù)修復(fù)工作者詳細(xì)了解病害種類、損壞程度、分布規(guī)律等信息，深入探究病害產(chǎn)生機(jī)理，分析病害演化原因，以進(jìn)行具有針對(duì)性的實(shí)行搶救修復(fù)工作。

然而，文物三維模型數(shù)據(jù)處理是一個(gè)精細(xì)而漫長(zhǎng)的過(guò)程。在這一處理過(guò)程中，無(wú)論是點(diǎn)云的數(shù)據(jù)拼接，還是點(diǎn)云的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，又或者是點(diǎn)云的數(shù)據(jù)合并，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一步處理都伴隨著一定精度的虧損。而文物三維模型是文物最精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是文物數(shù)字化保存、病害檢測(cè)及后續(xù)虛擬修復(fù)工作的前提。

因此，較一般三維模型，文物三維模型數(shù)據(jù)獲取及處理時(shí)的精度控制則更為嚴(yán)格，信息要求也更為精細(xì)。

文物三維模型在文物保護(hù)中的應(yīng)用逐步深入，未來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用還將繼續(xù)以數(shù)字化留取、病害檢測(cè)、虛擬修復(fù)、三維展示及三維力學(xué)分析等應(yīng)用為主。但是針對(duì)文物三維數(shù)據(jù)量大、精度控制困難等特點(diǎn)，提升數(shù)據(jù)采集設(shè)備精度、速度等性能，降低數(shù)據(jù)采集成本，對(duì)促進(jìn)文物三維模型的廣泛應(yīng)用意義重大。

此外，文物三維模型所有權(quán)面臨巨大挑戰(zhàn)，如何加快信息安全技術(shù)的集成，使數(shù)據(jù)安全問(wèn)題得到有效解決，也將是文物三維模型發(fā)展與應(yīng)用研究的重點(diǎn)之一。

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