文物三維數(shù)字化設(shè)計及其實驗方法研究

宗立成

(西北大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，陜西西安 710069)

0 引 言

文化遺產(chǎn)是一個國家、民族的精神支柱，其體現(xiàn)的是民族的文化、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科技等多方面融合的實力，是國家民族持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和動力，有必要對其進(jìn)行保護(hù)、傳承和發(fā)展。21世紀(jì)，人類正經(jīng)歷著信息化和數(shù)字化發(fā)展的重要時期。中國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展十一五規(guī)劃綱要中明確提出“加快國民經(jīng)濟(jì)和社會信息化”建設(shè)步伐，“推動信息產(chǎn)業(yè)與文化產(chǎn)業(yè)結(jié)合”。數(shù)字化具備數(shù)據(jù)壓縮、可編輯修改、重復(fù)利用、虛擬現(xiàn)實等特征，非常適合文化遺產(chǎn)的采集、保護(hù)、開發(fā)和再利用。特別是近年來三維掃描技術(shù)、仿真模型技術(shù)的發(fā)展，可以將文化遺產(chǎn)中的文物進(jìn)行高精度數(shù)字化轉(zhuǎn)換，對于研究人員來說便于對文物進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)獲取、結(jié)構(gòu)分析、多次或者同步實驗分析；對于普通觀眾來說可以近距離、不受時空限制、交互式地全方位觀賞文物。目前國內(nèi)針對文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究主要集中于數(shù)字化理論、模式、體系[1]等方面的研究。例如趙東[2]研究了歷史文化資源的數(shù)字化理論和可行性方案，建立了陜西地區(qū)的文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)與開發(fā)模式；譚必勇[3]從技術(shù)、文化和制度三個角度研究文化遺產(chǎn)的數(shù)字化體系。文獻(xiàn)[4]研究了數(shù)字技術(shù)在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化采集、存儲、復(fù)原、再現(xiàn)、展示和傳播中的基本方法路線；文獻(xiàn)[5]研究了文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)機(jī)制，利用web技術(shù)構(gòu)建滿族非遺的數(shù)字化平臺。美國、英國和日本在文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究方面起步較早，基于快速發(fā)展的計算機(jī)信息技術(shù)，針對文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)、轉(zhuǎn)換和傳播。例如歷史文物的三維數(shù)字建模和文物的增強(qiáng)現(xiàn)實展示等等。Debevec[6]提出了基于少量靜態(tài)圖像的文物建模和渲染方法，結(jié)合攝影測量技術(shù)和立體算法，構(gòu)建了大型物質(zhì)文化遺產(chǎn)場景的虛擬建模方法；Levoy[7]將米開朗基羅進(jìn)行數(shù)字化采集、處理、復(fù)原和展示； Lambers[8]研究基于圖像的文物建模問題，提出了數(shù)字影像和三維掃描技術(shù)的文物數(shù)字化采集方法；Liarokapis[9]研究基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的信息交互平臺，在現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境中疊加虛擬多媒體學(xué)習(xí)內(nèi)容，增強(qiáng)了文化遺產(chǎn)的數(shù)字化展示、學(xué)習(xí)和傳承方式。文物數(shù)字化設(shè)計方法的關(guān)鍵技術(shù)主要是數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化展示和數(shù)字化開發(fā)利用。文物三維數(shù)字化設(shè)計和實驗的目的是構(gòu)建完整、可行的文物三維數(shù)字化技術(shù)路線。

1 文物信息的數(shù)字化

1.1 文物數(shù)字化信息的獲取

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保存的前提條件是數(shù)字信息的獲取，文物數(shù)字化轉(zhuǎn)換就可以很好地解決這類問題。在物質(zhì)文化遺產(chǎn)中，文物的數(shù)字化基本要求是準(zhǔn)確的數(shù)字化還原。目前來說，針對非平面文物的數(shù)字化主要有基于圖像的三維模型重建方法；基于測量的三維重建方法和文物的三維實體掃描方法[10]?；谌S掃描方法的文物數(shù)字化三維模型構(gòu)建路線具備精度高和速度快的特點(diǎn)，三維數(shù)據(jù)掃描和計算機(jī)輔助數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是目前文物數(shù)字化設(shè)計的主要研究方向。三維掃描技術(shù)的原理是利用激光三角測距原理，通過發(fā)射出的水平激光束掃描物體，并接受物體表面的反射激光束，利用CCD傳感器采集幀數(shù)據(jù)，計算和統(tǒng)計采樣點(diǎn)的水平投影距離，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)重構(gòu)采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)還原被掃描模型。

1.2 數(shù)字信息的處理

三維掃描儀可以快速掃描物體，獲得大量的掃描數(shù)據(jù)。一般來說這類掃描數(shù)據(jù)量龐大，需要進(jìn)行拓?fù)涮幚聿拍苁褂谩Ｔ趻呙璧倪^程中，根據(jù)被掃描物體的不同，掃描的方式和結(jié)果需要調(diào)整，而且在掃描的過程中，需要建立多個視點(diǎn)，多個視點(diǎn)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)才能獲得物體的準(zhǔn)確三維數(shù)據(jù)。珍貴文物無法進(jìn)行多次直接觸碰和多角度放置，因此在掃描時會出現(xiàn)空洞數(shù)據(jù)，需要對空洞數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)。

2 文物數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

2.1 基于掃描數(shù)據(jù)的重建

文物三維掃描的過程中，需要確立三維掃描的視點(diǎn)[11]，被掃描物體往往需要建立4～8個以上視點(diǎn)，大型場景往往會達(dá)到幾十個視點(diǎn)。這些視點(diǎn)獲取的掃描點(diǎn)云相對于視點(diǎn)本身是局部坐標(biāo)，需要將各個視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，才能準(zhǔn)確獲得物體的完整坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行各視點(diǎn)數(shù)據(jù)拼合之前，需要將各視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和去噪處理，利用多邊形細(xì)分理念，對于某一視點(diǎn)的三維點(diǎn)云區(qū)域內(nèi)的M×N點(diǎn)：

Step 1：首先計算M×N構(gòu)成的四邊形網(wǎng)格內(nèi)的點(diǎn)是否處于同一平面；

Step 2：判斷：同一平面執(zhí)行step 3；不同平面執(zhí)行step4；

Step 3：保留M×N平面內(nèi)的四個頂點(diǎn)，刪除其余所有的三維點(diǎn)，結(jié)束運(yùn)算；

Step 4：將M×N平面進(jìn)行一次細(xì)分，分為四個四邊形；

Step 5：執(zhí)行step 1。

在進(jìn)行掃描的過程中，掃描本身需要設(shè)置適當(dāng)?shù)暮喕蛢?yōu)化級別，獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行多邊形細(xì)分壓縮的過程中，如何判斷被掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪合適，需要根據(jù)平均距值原理。三維物體的點(diǎn)云密度越大，采樣點(diǎn)之間的平均距值就越小，根據(jù)掃描物體的具體要求和用途，采用平均距值原理。只需要判斷采樣點(diǎn)之間的平均距值大小，從而決定是否需要刪除多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮。

平均距值的主要步驟為：

Step 1：定義采樣立方體變長d和欲精簡數(shù)據(jù)點(diǎn)百分比θ；

Step 2：定義平均點(diǎn)距立方體，如圖1所示；

圖1 采樣立方體

Step 3：計算P到點(diǎn)Qi集內(nèi)任意一點(diǎn)的距離

Step 4：計算平均距離

Step 5：對比定義的精簡百分比θ，刪除比θ小的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)采集和去噪處理，對文物掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過優(yōu)化的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建三維模型進(jìn)行文物的數(shù)字化處理。

關(guān)于三維重建，采用三角刨分原理的三角網(wǎng)格生長法，其優(yōu)勢在于能夠?qū)呙璧狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速重建，并能夠較好地耦合一些三維模型軟件，例如MAYA、3D MAX等進(jìn)行視覺化的呈現(xiàn)和二次修改利用，尤其是掃描數(shù)據(jù)的修補(bǔ)。由于三維掃描不可能做到被掃描面的全覆蓋，在掃描數(shù)據(jù)的處理中也會造成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)不一致，由此這類問題造成的空洞數(shù)據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯ば迯?fù)。三角網(wǎng)格生長法的基本步驟如下：

Step 1：選擇起始點(diǎn)；

Step 2：搜索、連接與起始點(diǎn)最近的點(diǎn)，并將其所在的Delaunay三角網(wǎng)的一條邊作為基線，找出Delaunay三角網(wǎng)的第三個點(diǎn)并連接；

Step 3：由基線的兩個端點(diǎn)與Step 2搜索到的第三點(diǎn)構(gòu)成新的基線；

Step 4：迭代以上兩步；

Step 5：無法搜索第三點(diǎn)，結(jié)束。

文物三維模型的重建需要把握的原則是文物與模型的高度一致性，三維掃描獲取了文物的龐大點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將簡化的結(jié)果進(jìn)行三維視覺化的呈現(xiàn)，同時進(jìn)行空洞數(shù)據(jù)修補(bǔ)、三角面處理以及文物的尺寸、比例和紋理校對。

2.2 數(shù)字紋理映射

在進(jìn)行文物數(shù)字化還原時，三維掃描記錄的是文物的空間坐標(biāo)信息[12]，為了準(zhǔn)確還原文物的完整信息，需要三維掃描的過程中，同步記錄文物的高精度紋理信息。三維掃描儀可以同步獲取文物紋理數(shù)據(jù)，但受限于實驗環(huán)境、掃描儀設(shè)置和分別率，掃描獲取的紋理信息質(zhì)量很低，目前絕大多數(shù)的文物紋理實驗都是基于人工的多重紋理貼圖，利用專業(yè)的三維圖形軟件，例如3d MAX等進(jìn)行人工交互方式，將文物的高精度圖片貼到文物三維模型上。借鑒透視投影成像原理，利用三維掃描透視投影模型，將文物的網(wǎng)格模型與圖像標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行匹配，使文物網(wǎng)格模型坐標(biāo)變換到所拍攝圖像的攝像機(jī)坐標(biāo)系，生成文物的二維色彩圖像，從而進(jìn)行文物的圖像與模型之間的紋理映射，詳細(xì)步驟如下所示：

Step 1：標(biāo)記文物色彩圖像上一點(diǎn)P的坐標(biāo)為(u，v)；

Step 2：設(shè)文物網(wǎng)格模型上該點(diǎn)P的坐標(biāo)為(x，y，z)；

Step 3：那么，(u，v)和(x，y，z)則稱為一組特征對應(yīng)，它們之間的關(guān)系式表達(dá)如下：

Step 4：標(biāo)記Pn點(diǎn)，獲取Mn組矩陣，求解透視投影矩陣；

Step 5：將計算出的P點(diǎn)RGB值賦予網(wǎng)格模型；

Step 6：將文物主要的紋理取值點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)行Step 2～Step 5計算。

文物數(shù)字化還原不僅要求對文物的三維模型進(jìn)行準(zhǔn)確建模，還需要對文物的質(zhì)感和色彩進(jìn)行逼真還原，這就取決于紋理映射。在進(jìn)行文物透視投影原理的紋理映射過程中，文物的數(shù)字模型色彩紋理效果與標(biāo)記點(diǎn)取值有關(guān)，標(biāo)記點(diǎn)越多效果越好，但計算量會急劇加大。因此，在實際的文物數(shù)字化實驗中，采取數(shù)值計算和人工貼圖相結(jié)合的方法，對文物的紋理質(zhì)感和色彩進(jìn)行數(shù)字化還原，便于進(jìn)行后期的文物數(shù)字化應(yīng)用。

3 文物數(shù)字化實驗

為了檢驗上文所研究的方法有效性，針對青銅牛尊文物進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計實驗。實驗采用InSpeck三維掃描儀，該掃描儀通過并行獲取數(shù)據(jù)的方式，獲取速度可以達(dá)到30萬點(diǎn)每秒。案例的青銅牛尊文物是出土于衡陽的商晚期文物，高14cm，長19cm，現(xiàn)藏于湖南省博物館。該文物設(shè)計巧妙，分為蓋和背兩部分，蓋部為牛首立虎形物，杯部有鳳鳥紋路，是一件精巧的尊類器皿。在進(jìn)行青銅牛尊的數(shù)字化實驗中，對青銅牛尊文物進(jìn)行掃描，將文物的立姿側(cè)面進(jìn)行掃描，獲取青銅牛尊的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和重建獲得三維模型并進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用，具體實驗步驟如下：

Step 1：實驗環(huán)境設(shè)定

青銅牛尊(圖2)文物年代久遠(yuǎn)，為了保護(hù)文物不受傷害，對實驗室的光線控制在300lux(日光)+50lux(人工光)，控制實驗環(huán)境濕度低于40%，溫度保持23℃室溫左右，并將文物置于掃描轉(zhuǎn)盤，設(shè)定攝像機(jī)視角與掃描轉(zhuǎn)盤保持水平角度，用于記錄相同角度的文物紋理照片。

圖2 青銅牛尊文物

Step 2：三維掃描設(shè)定

為了保證掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在掃描之前首先對掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)定掃描分別率為2.00mm，定位坐標(biāo)個數(shù)為10個，優(yōu)化掃描網(wǎng)格為20，簡化掃描網(wǎng)格為10，掃描紋理投影方式為自動，紋理尺寸為4096×4096。

Step 3：文物掃描設(shè)定

由于青銅牛尊文物的主要數(shù)據(jù)設(shè)計面都位于足部之上，采用立姿基本可以掃描文物90%的數(shù)據(jù)面。關(guān)于文物足部底面的數(shù)據(jù)面采用人工修補(bǔ)的方式，這樣可以避免文物倒置對文物造成的傷害，也提高了實驗進(jìn)度。

Step 4：三維掃描數(shù)據(jù)的獲取

對青銅牛尊文物進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，獲取文物的三維坐標(biāo)信息(點(diǎn)云數(shù)據(jù))。在進(jìn)行掃描的過程中，設(shè)定掃描儀的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動刻度為15°，將文物從設(shè)定的原始位置開始掃描，每轉(zhuǎn)動15°進(jìn)行一次掃描，一共進(jìn)行24次掃描。同時對這24次相同角度的文物進(jìn)行24次拍照，記錄24次文物紋理照片如圖3B所示。

圖3 掃描示意圖

Step 5：文物掃描數(shù)據(jù)的處理

經(jīng)過24次掃描獲得了大量的文物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才能使用。運(yùn)用上文所構(gòu)建的平均距值精簡方法，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡運(yùn)算，其中根據(jù)文物的實驗?zāi)康暮陀猛径x精簡百分比如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)精簡百分比

實驗的設(shè)定目的是對青銅牛尊文物進(jìn)行數(shù)字化還原與再設(shè)計，因此不需要特別高的還原精度。因此，將精簡百分比定義為53%，通過實驗可知青銅牛尊的原始面片為117648，經(jīng)過精簡后的面片數(shù)為55295。InSpeck三維掃描儀提供了FAPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將精簡之后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入FAPS系統(tǒng)，進(jìn)行三維圖像數(shù)據(jù)處理。基本原理是通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)相函數(shù)圖像和深度圖像，將深度信息轉(zhuǎn)換成三維信息進(jìn)行迭代優(yōu)化。

Step 6：文物三維視覺重建

論文基于VC++和ARX工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實驗，將精簡之后的文物數(shù)據(jù)導(dǎo)入FAPS系統(tǒng)中，提取青銅牛尊的三維信息生產(chǎn)文物的三維模型。將簡化的結(jié)果導(dǎo)入FAPS系統(tǒng)中，進(jìn)行三維視覺化的呈現(xiàn)。由于在文物掃描的過程中，采用了文物立姿狀態(tài)掃描，足底部沒有掃描數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行人工空洞數(shù)據(jù)修補(bǔ)，這部分工作在MAYA三維軟件里進(jìn)行。通過三維重建，獲得了文物的一個完整網(wǎng)格模型，該網(wǎng)格模型已經(jīng)足夠用于普通的文物三維展示和文物數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用。因此可以得step 4定義的53%精簡率的有效性。同時將獲得的網(wǎng)格模型導(dǎo)出為FBX或OBJ格式，可以應(yīng)用于絕大多數(shù)的三維模型軟件和虛擬開發(fā)平臺，如圖4所示。

圖4 文物三維模型及面片數(shù)統(tǒng)計

Step 7：模型紋理映射

紋理映射的目的是將文物進(jìn)行完整的數(shù)字化還原，將模型網(wǎng)格點(diǎn)上的顏色信息與文物進(jìn)行對應(yīng)。在Step 1階段時，同步獲取了文物的紋理照片。三維掃描的同時記錄的是文物表面的三維坐標(biāo)信息和三維點(diǎn)的顏色信息。因此，最終獲取的三維模型具備了紋理信息，模型的網(wǎng)格點(diǎn)已經(jīng)記錄了顏色值(RGB)。但在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，受到實驗環(huán)境的影響，在掃描的過程中，每轉(zhuǎn)動15°掃描數(shù)據(jù)不受影響，但是記錄的紋理信息受到光線影響較大，這部分工作需要進(jìn)行后期修正。因此，基于上文的透視投影原理方法，選取0°，90°，180°，270°四副圖像作為紋理映射的基礎(chǔ)圖案，進(jìn)行網(wǎng)格點(diǎn)標(biāo)定，用于二維圖像和三維模型網(wǎng)格點(diǎn)的配準(zhǔn)，從而獲得三維模型的紋理，最后獲取的效果如圖5所示。

圖5 紋理映射標(biāo)定及貼圖

Step 8：文物數(shù)字化展示

文物數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究中，文物的數(shù)據(jù)獲取、處理和重建是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究工作中，最直觀的呈現(xiàn)就是文物的視覺化虛擬展示，這也是最為有效的文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)和傳承方式。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓大眾切實感受文化遺產(chǎn)的數(shù)字化成果，了解、保護(hù)和傳播文化遺產(chǎn)。基于Virtools平臺開發(fā)文物虛擬展示方案，Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬編輯系統(tǒng)，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)游戲、多媒體、交互式教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。在前面的實驗流程中，已經(jīng)獲得了文物的三維仿真模型，利用Virtools內(nèi)置的交互行為模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能模塊，將青銅牛尊三維數(shù)字模型倒入Virtools系統(tǒng)，設(shè)置和編輯展示交互模式，設(shè)計基于web的文物交互式虛擬展示，普通用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就可以瀏覽和控制數(shù)字復(fù)原模型的360°旋轉(zhuǎn)、縮放和細(xì)節(jié)展示，如圖6所示。

圖6 文物虛擬展示

整體的實驗流程圖如圖7所示。

圖7 青銅牛尊數(shù)字化實驗流程圖

4 結(jié)論及展望

文化的三維數(shù)字化設(shè)計涉及文物的數(shù)據(jù)獲取、處理等關(guān)鍵技術(shù)，三維掃描方法可以快速準(zhǔn)確地獲取文物的三維坐標(biāo)信息，通過對掃描數(shù)據(jù)的處理重建文物的三維模型。結(jié)合青銅牛尊文物數(shù)字化設(shè)計實驗，構(gòu)建了完整的文物數(shù)字化設(shè)計流程和實驗方法，相比基于圖像和測量的文物三維數(shù)字化方式，基于三維掃描和計算機(jī)輔助文物三維數(shù)字化實驗路線可以更精確和快速地獲取文物的三維信息，構(gòu)建文物三維數(shù)字化模型。研究中構(gòu)建了二維圖像標(biāo)記的三維網(wǎng)格紋理映射方法。但該方法在二維圖像標(biāo)記與三維網(wǎng)格映射之間配準(zhǔn)性需要提高，工作量很大。下一步的研究重點(diǎn)主要解決大尺度文物數(shù)據(jù)獲取與處理和紋理映射標(biāo)記配準(zhǔn)問題。

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