三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

陳 川

（四川省第一測(cè)繪工程院，四川 成都）

緒論

中國歷史源遠(yuǎn)流長，造就了豐富的文物遺產(chǎn)。這些遺留文物不僅見證了歷史，也是人們了解歷史的寶貴財(cái)富。由于歷史更新迭代，自然地理環(huán)境的不斷變化等原因，大量文物面臨著流失或損壞的危險(xiǎn)，現(xiàn)今文物保護(hù)已成為社會(huì)研究的熱點(diǎn)。隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)逐漸嶄露頭角，該技術(shù)是通過激光的形式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，并以密集點(diǎn)云的形式將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，不用接觸目標(biāo)而獲得其表面的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它快速、精準(zhǔn)、無接觸、掃描范圍廣等諸多特點(diǎn)使其在測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，也是獲取文物實(shí)體數(shù)據(jù)的最佳選擇。近年來，古文物的價(jià)值不斷提高，其歷史文化的獨(dú)特性和不可重復(fù)性讓人們對(duì)古文物的保護(hù)也越加重視，文物保護(hù)迫在眉睫，它不僅是人類文明發(fā)展的歷史見證，對(duì)于認(rèn)識(shí)歷史、探索文化內(nèi)涵、推進(jìn)文明進(jìn)步也起著重要的作用。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀主要由激光發(fā)射器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、探測(cè)接收器和控制系統(tǒng)等部件組成。工作原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光光束，透過兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的濾光鏡將激光束照射至物體表面，物體將激光束吸收或者反射，探測(cè)器將反射回來的包含紋理和顏色等信息的激光信號(hào)接收記錄，并通過計(jì)算激光發(fā)射到接收的時(shí)間差，得到激光發(fā)射點(diǎn)到物體表面的距離，在利用三維激光掃描儀自帶編碼器計(jì)算獲取激光發(fā)射角度，對(duì)距離和角度進(jìn)行計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)云的三維坐標(biāo)信息。通過旋轉(zhuǎn)激光器或者移動(dòng)掃描平臺(tái)，對(duì)物體進(jìn)行全面掃描，獲得物體表面點(diǎn)完整三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再由控制系統(tǒng)將收集信息轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

三維激光掃描點(diǎn)云的坐標(biāo)系由x、y、z 三個(gè)方向軸，x軸與y軸在水平掃描面相互垂直，z軸與x、y軸垂直。x、y、z 計(jì)算公式為：x = Scosθcos a, y = Scosθsin a, z =Ssinθ，其中，S 為測(cè)得掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離，a 和θ為掃描儀計(jì)算的水平和豎直掃描角度[3]。

三維激光掃描儀的激光測(cè)距方法根據(jù)儀器型號(hào)的不同可分為三種：脈沖式測(cè)距、相位差測(cè)距、激光三角測(cè)距。目前用于測(cè)繪行業(yè)的三維激光掃描儀主要是基于脈沖式測(cè)距法進(jìn)行距離量測(cè)。

（1） 脈沖式測(cè)距。通過激光器發(fā)射單點(diǎn)激光到物體表面，再由接收器記錄激光的回波信號(hào)，通過計(jì)算激光的飛行時(shí)間，利用光速來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離。脈沖式測(cè)距測(cè)量效率高，適用于長距離測(cè)量，精度可達(dá)米級(jí)，測(cè)量精度主要受到脈沖計(jì)數(shù)器工作頻率與激光源脈沖寬度的限制。

（2） 相位差測(cè)距。通過激光發(fā)射器發(fā)射出一束不間斷激光，連續(xù)調(diào)制激光光束的發(fā)光強(qiáng)度并測(cè)定調(diào)制激光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，通過相位延遲計(jì)算測(cè)量的距離。相位差測(cè)距測(cè)量范圍較小，功率一般較低，但測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)，測(cè)量精度主要受相位調(diào)制器的精度和調(diào)制信號(hào)的頻率限制。

（3） 激光三角法測(cè)距。激光發(fā)射器發(fā)射激光到物體表面，利用在基線另一端的CCD相機(jī)接收物體反射信號(hào)，激光發(fā)射器與CCD 之間為固定長度，以此構(gòu)成幾何三角形，根據(jù)夾角和兩邊長度，可算出兩個(gè)物體間的距離。三角法測(cè)距主要應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和逆向工程重建中，測(cè)量精度可達(dá)亞毫米級(jí)。

1.2 三維激光掃描儀分類

三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)載體和掃描距離的不同，又可分為機(jī)載（遠(yuǎn)距）、車載（中距）、地面（中距）和手持（近距）幾種類型。較傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量而言，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量方面有著“從點(diǎn)到面”的革命性技術(shù)突破。

（1） 機(jī)載激光三維掃描系統(tǒng)，多用于大面積遠(yuǎn)距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理可生成精確的數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）和地形級(jí)三維場(chǎng)景等數(shù)字化成果。（2） 車載激光三維掃描系統(tǒng)，多用于中距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該種類型多適用于城市三維建模、交通巡查、高精度地圖、地形測(cè)繪等方面。（3） 地面激光三維掃描系統(tǒng)，多用于中距獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該種類型多適用于文物保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、建筑施工、大型結(jié)構(gòu)設(shè)備建模等方面。（4） 手持激光三維掃描系統(tǒng)，能近距小范圍獲取高密集高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該種類型多適用于文物藝術(shù)品建模、工業(yè)零件逆向設(shè)計(jì)、各類零部件質(zhì)量檢測(cè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、人物建模等方面。

1.3 三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的優(yōu)勢(shì)

目前文物保護(hù)逐漸被人們所重視，同時(shí)隨著新技術(shù)的介入使得文物保護(hù)一步步邁向數(shù)字化。三維激光掃描技術(shù)建立模型可以讓物體、場(chǎng)景和環(huán)境得以逼真的表達(dá)和呈現(xiàn)，再加上其高精度的特性，在文物保護(hù)、數(shù)字考古、數(shù)字城市、變形監(jiān)測(cè)等方向得到廣泛應(yīng)用[1]。原有的文物保護(hù)方法主要是通過常規(guī)測(cè)量加上照片拍攝等方式進(jìn)行，該類方式工作效率低，存在損傷文物的風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)于一些不規(guī)則的、造型獨(dú)特的文物無法獲取其實(shí)體信息，而三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)解決了這一難題，成為文物保護(hù)的新技術(shù)手段，對(duì)于文物的保護(hù)、修復(fù)以及研究都有重要的意義。優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

（1） 保護(hù)作業(yè)過程中的非接觸性。三維激光掃描技術(shù)通過激光掃描的形式對(duì)文物表面的幾何和紋理信息進(jìn)行采集，非接觸式的工作方法避免了對(duì)文物照成損壞。（2） 文物實(shí)體信息的數(shù)字化保存。實(shí)體信息數(shù)字化存儲(chǔ)為文物后期的修復(fù)或重建提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。（3） 可視化。通過對(duì)文物的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，能夠讓文物更直觀的呈現(xiàn)在大眾面前，對(duì)于研究與創(chuàng)新也有很大幫助。

正是由于其技術(shù)有著廣闊的前景和價(jià)值，它在測(cè)量能力、自動(dòng)化的程度、測(cè)量速度以及人工工作強(qiáng)度等方面都高于其它測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)優(yōu)越的特點(diǎn)和性能，讓測(cè)繪在文物中的應(yīng)用從不可能變?yōu)榭赡?，讓文物得以完全?shù)字化的呈現(xiàn)，這項(xiàng)新技術(shù)的突破，真正意義上實(shí)現(xiàn)了歷史文物得以數(shù)字化保存。

1.4 三維激光掃描測(cè)量

三維激光掃描儀能通過激光自動(dòng)化獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，掃描工作一般采用多站式測(cè)量方法進(jìn)行。多站式掃描需現(xiàn)場(chǎng)踏勘布設(shè)標(biāo)靶控制點(diǎn)，標(biāo)靶控制點(diǎn)是用于多測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接以及定義坐標(biāo)系控制精度的關(guān)鍵，在利用RTK 對(duì)標(biāo)靶控制網(wǎng)進(jìn)行GPS 測(cè)量[2]。工藝流程見圖1。

圖1 三維激光掃描工藝流程

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集主要使用徠卡HDS C10 地面三維激光掃描儀和Handyscan700 手持掃描儀兩款儀器。

地面三維激光掃描儀掃描范圍寬廣，用于大面積點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，作業(yè)方式為多站式掃描測(cè)量，掃描模式一般采用基于標(biāo)靶拼接的(需3 個(gè)標(biāo)靶及以上)模式，掃描前應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘合理規(guī)劃標(biāo)靶點(diǎn)位?；跇?biāo)靶拼接模式是為保證點(diǎn)云拼接精度的情況下采取的方式，此種模式需保證相鄰兩測(cè)站之間有3 個(gè)公共標(biāo)靶通過標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云之間的拼接，故點(diǎn)云拼接不受加密控制點(diǎn)精度影響。對(duì)于受地形限制不便采用標(biāo)靶拼接方式的，可以采用控制點(diǎn)拼接方式(需2 個(gè)標(biāo)靶及以上)，采用該方式可布設(shè)不少于2 個(gè)標(biāo)靶位于控制點(diǎn)上。

手持三維激光掃描儀自由度較高，手持掃描時(shí)應(yīng)注意保持勻速、平穩(wěn)，往返進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)充采集。

2.2 紋理信息采集

實(shí)例對(duì)象紋理采集主要以實(shí)地拍照方式采集，對(duì)于實(shí)例對(duì)象頂部等區(qū)域無法完整獲取有效紋理的地方，可采用無人機(jī)拍照進(jìn)行補(bǔ)充。總體原則是先整體后局部，先獲取實(shí)例對(duì)象的整景紋理，在對(duì)局部進(jìn)行精密拍攝。采集要求如下：（1） 采集照片中的成像必須清晰、不能有模糊、抖動(dòng)等現(xiàn)象出現(xiàn)。（2） 拍攝時(shí)要盡量避免任何的陰影，盡量消除所有眩光，提高照片的質(zhì)量。（3） 數(shù)碼相機(jī)的鏡頭應(yīng)盡量保持與拍攝對(duì)象立面平行。確保獲取的紋理影像正直。（4） 盡量減少無關(guān)地物的影響。比如：樹木、行人等等。（5） 實(shí)例對(duì)象的全景影像一張照片無法拍攝完全，則需規(guī)劃劃分拍攝網(wǎng)格，各格網(wǎng)之間至少保證20%的重疊度。按照網(wǎng)格進(jìn)行有序拍攝，最后將分段拍攝的照片拼接成一幅完整的影像。（6） 拍攝過程中，應(yīng)注意拍攝的角度要全面，不能留下死角，尤其要注意其對(duì)象自身的遮擋。

3 三維激光掃描的建模與紋理映射

本次建模實(shí)例對(duì)象為巖壁石刻雕像，高約8 m,寬約7.5 m,采用地面三維激光掃描儀（徠卡HDS C10）和手持三維激光掃描儀（Handyscan700）兩種儀器布設(shè)多站完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。使用Laica Cyclone 軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過Geomagic wrap 和3ds Max 軟件進(jìn)行三維建模與紋理映射。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、封裝及精簡(jiǎn)、擬合曲面等步驟。

3.1.1 地面三維激光掃描儀多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接主要有三種拼接方式：基于同名特征點(diǎn)拼接、基于控制點(diǎn)拼接、基于標(biāo)靶拼接。

（1） 基于同名特征點(diǎn)拼接。掃描過程中相鄰兩測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)保證一定的重疊度，通過人工交互方式選取重疊區(qū)域的同名特征點(diǎn)，利用同名特征點(diǎn)確定點(diǎn)云拼接約束條件，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接。為保證拼接精度，要求不同的掃描視場(chǎng)內(nèi)有足夠的公共區(qū)域（一般不得小于20%）；盡量在重疊區(qū)內(nèi)均勻地選取3 到5 個(gè)同名特征點(diǎn)。（2） 基于控制點(diǎn)拼接?；诳刂泣c(diǎn)拼接主要是將多視點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)并將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。此種拼接方式主要用于后視定向模式及標(biāo)靶拼接模式。在進(jìn)行拼接前，控制點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)先導(dǎo)入Cyclone 軟件。（3）基于標(biāo)靶拼接?；跇?biāo)靶拼接是利用測(cè)站與測(cè)站間的3個(gè)公共標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，這種拼接方式較為自由靈活、精度高，可根據(jù)需要合理的擺放標(biāo)靶位置。

本次實(shí)例對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接采用標(biāo)靶、控制點(diǎn)、同名特征點(diǎn)三種混合的拼接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，在確保點(diǎn)云拼接精度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)與采用坐標(biāo)系之間的匹配。

3.1.2 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

手持三維激光掃描儀獲取的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用選取同名特征點(diǎn)的方式進(jìn)行拼接。為保證拼接精度，應(yīng)盡量選取多處特征明顯的部位進(jìn)行點(diǎn)云拼接。

3.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析

通過Geomagic wrap 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析，可以確定拼接精度是否滿足要求。

（1） 手持三維激光掃描儀與地面三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析。下面兩處拼接實(shí)例，一處位于掃描對(duì)象頂部，位置較高，一處掃描對(duì)象右下方,實(shí)地掃描空間狹窄，點(diǎn)云獲取比較困難,故采用手持掃描儀的方式獲取。圖2 中右側(cè)精度指示條以正中開始，越往上（下）精度偏差越大。偏差分析結(jié)果如下：根據(jù)偏差分析圖可以看出絕大部分點(diǎn)云都集中在中間區(qū)域，精度較高，極小部分點(diǎn)云在精度條上（下）區(qū)域，偏差較大，是因?yàn)槟Ｐ徒⑵唇诱`差和獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)的一些外界因素（如揚(yáng)塵）所致，屬正常范圍。（2） 地面三維激光掃描儀多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接偏差分析。下面兩處拼接實(shí)例，一處位于掃描對(duì)象的右上方區(qū)域，距離相對(duì)較遠(yuǎn)，一處位于掃描對(duì)象的的中間區(qū)域，距離適中，選擇的兩處區(qū)域細(xì)節(jié)特征較多便于進(jìn)行偏差分析。圖3 中右側(cè)精度指示條以正中開始，越往上（下）精度偏差越大。偏差分析結(jié)果如下：根據(jù)偏差分析圖可以看出絕大部分點(diǎn)云都集中在中間區(qū)域，基本無較大偏差，兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊很好，精度較高。

圖2 不同掃描儀間點(diǎn)云拼接偏差分析

圖3 地面掃描儀多站點(diǎn)云拼接偏差分析

3.1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

多測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)后可獲得整個(gè)測(cè)區(qū)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，當(dāng)三維激光掃描儀在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取的時(shí)候可能會(huì)受到周圍環(huán)境因素的影響出現(xiàn)躁點(diǎn)，比如被其它物體遮擋而產(chǎn)生的不屬于掃描物體本身的冗余數(shù)據(jù)。為了更直觀且更便捷的建立三維建模，并提高模型精度，我們必須對(duì)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

（1） 預(yù) 處 理。 在Cyclone 軟件中對(duì)已拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過人機(jī)交互的方式，對(duì)非建模區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和明顯噪聲進(jìn)行去除，僅保建模區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以.XYZ格式導(dǎo)出。（2） 點(diǎn)著色。將.XYZ格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入geomagic wrap 軟件中，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件中顯示為黑色，不能呈現(xiàn)出文物的特征及點(diǎn)云的分布狀況，所以要對(duì)初次導(dǎo)入軟件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)著色處理，便于觀測(cè)文物特征和后續(xù)建模操作。軟件中選擇【點(diǎn)】-【著色】進(jìn)行著色處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色前后對(duì)比見圖4。（3） 刪除體外弧點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的非建模區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如樹木、山體、以及其他構(gòu)筑物等，對(duì)于這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)需人工排查去除。geomagic wrap 軟件中的【點(diǎn)】-【選擇】-【體外浮點(diǎn)】工具，可根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)情況設(shè)置對(duì)應(yīng)敏感度進(jìn)行體外弧點(diǎn)刪除工作。選中的體外弧點(diǎn)在軟件中顯示效果，見圖5。（4） 去除噪聲點(diǎn)。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集過程中會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，在對(duì)象表面產(chǎn)生很多粗糙的、非均勻分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些噪聲是由掃描環(huán)境以及掃描儀本身的震動(dòng)等多種原因產(chǎn)生，所以在點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝之前需要減少噪聲，噪聲點(diǎn)去除的數(shù)量會(huì)根據(jù)設(shè)置的平滑級(jí)別變化，平滑級(jí)別設(shè)置越高，封裝后的模型表面越光滑，這樣也會(huì)導(dǎo)致模型失真，所以在減噪的過程中可以將平滑級(jí)別調(diào)低，反復(fù)進(jìn)行減噪工序，以達(dá)到較好的效果。geomagic wrap 軟件中的【點(diǎn)】-【減少噪音】工具用于減少噪聲。（5） 統(tǒng)一采樣。實(shí)例對(duì)象掃描完成后會(huì)獲得龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，存在海量的冗余數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量會(huì)影響后期的數(shù)據(jù)處理、傳輸和三維模型構(gòu)建效率，因此需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。在geomagic wrap 軟件中【點(diǎn)】-【統(tǒng)一采樣】工具，可以優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)，縮小模型數(shù)據(jù)占用空間，減少后期點(diǎn)云封裝時(shí)的計(jì)算強(qiáng)度及計(jì)算時(shí)間。定義采樣間距時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)象的點(diǎn)云密集度及表面特征進(jìn)行調(diào)整，間距過大會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，間距過小起不到統(tǒng)一采樣的目的。通過統(tǒng)一采樣，對(duì)象表面特征點(diǎn)不明顯之處點(diǎn)云數(shù)量和密度有所下降。（6） 封裝。封裝是將點(diǎn)云模型封裝為多邊形模型，封裝后模型表面則是由無數(shù)個(gè)三角形組成。上述步驟的處理將直接影響封裝模型的整體效果，在不熟悉上述工序參數(shù)設(shè)置的情況下，可多次嘗試，避免點(diǎn)云封裝后模型失真。點(diǎn)云封裝見圖6。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色前后對(duì)比

圖5 體外弧度去除

圖6 點(diǎn)云封裝

3.1.5 多邊形數(shù)據(jù)處理

（1） 創(chuàng)建流型。封裝后的多邊形模型必須進(jìn)行這一操作，將模型數(shù)據(jù)中的非流型三角形刪除，避免后期產(chǎn)生錯(cuò)誤。根據(jù)模型情況選擇創(chuàng)建打開流型或者封閉流型。（2） 填充孔。對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整的情況下，封裝后多邊型模型會(huì)存在孔洞現(xiàn)象，使用【多邊形】-【填充單個(gè)孔】工具進(jìn)行漏洞填補(bǔ)。（3） 簡(jiǎn)化和細(xì)化。使用【多邊形】-【簡(jiǎn)化】工具對(duì)多邊形模型進(jìn)行簡(jiǎn)化操作，在模型不失真的情況下，適當(dāng)優(yōu)化多邊形模型的三角形分布以減小模型數(shù)據(jù)量提高建模效率。該工序可重復(fù)操作，使模型的三角形數(shù)量和分布到達(dá)最優(yōu)。對(duì)模型特征細(xì)節(jié)較為明顯的區(qū)域使用【多邊形】-【細(xì)化】工具，增加三角形數(shù)量以保證模型的輪廓特征。（4） 砂紙打磨與去除特征。使用【多邊形】-【砂紙】工具對(duì)模型進(jìn)行打磨處理，使模型表面更加光滑，三角格網(wǎng)更加規(guī)律。使用【多邊形】-【去除特征】工具，去除模型本身不應(yīng)該有的特征表現(xiàn)，減少三角格網(wǎng)。（5） 銳化。使用【銳化向?qū)А抗ぞ咦屇Ｐ瓦^于圓滑的地方變得棱角分明，同樣銳化執(zhí)行參數(shù)需進(jìn)行多次嘗試，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)模型進(jìn)行區(qū)域分割，人工對(duì)分割紅線進(jìn)行調(diào)整以反應(yīng)物體對(duì)象的真實(shí)輪廓。銳化結(jié)束后模型生成的輪廓線用于下一步邊界線擬合。（6） 構(gòu)造曲面片。構(gòu)造曲面片前應(yīng)將模型的錯(cuò)誤三角格網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)和去除，使用【網(wǎng)格醫(yī)生】工具對(duì)模型的三角形進(jìn)行檢查，可選擇手動(dòng)或自動(dòng)的方式處理模型中存在錯(cuò)誤的三角形。然后對(duì)模型進(jìn)行特征線探測(cè)，將模型的整體輪廓特征提取顯示。探測(cè)有兩種方式【探測(cè)輪廓線】和【探測(cè)曲率】，探測(cè)輪廓線適用于輪廓明顯的模型，探測(cè)曲率則適用于模型表面光滑，輪廓不明顯的模型，軟件自動(dòng)計(jì)算提出的輪廓線同樣需要人工修整。輪廓線修整完成后使用【構(gòu)造曲面片】工具創(chuàng)建曲面格網(wǎng)，并對(duì)曲面格網(wǎng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，以更好的還原模型的各類表面特征。（7） 構(gòu)造格柵和曲面擬合。使用【精確曲面】-【構(gòu)造格柵】工具在每個(gè)曲面片中生成格柵，格柵的生成數(shù)量通過設(shè)置分辨率調(diào)整，在構(gòu)造格柵同時(shí)勾選修復(fù)相交區(qū)域，軟件將自動(dòng)處理修復(fù)錯(cuò)誤的格柵。最后使用【擬合曲面】工具，擬合曲面形成最終幾何模型。

3.2 紋理映射

紋理映射是將現(xiàn)場(chǎng)獲取的二維照片圖像通過軟件對(duì)三維模型進(jìn)行紋理映射，還原對(duì)象本身的真實(shí)色彩和紋理特征。本次實(shí)例對(duì)象模型紋理映射使用3DSMAX軟件完成，模型文件需轉(zhuǎn)換為.MAX格式導(dǎo)入。

（1） 接縫。添加【UVW展開】修改器工具，點(diǎn)擊【邊】在格網(wǎng)模型上選擇要成為縫線的邊，比如石刻雕像的手臂與身體的交接處，使用【將邊選擇轉(zhuǎn)換為接縫】工具，對(duì)整個(gè)三維格網(wǎng)模型進(jìn)行接縫處理。（2） UV展開。標(biāo)記完所有接縫后，選擇特征區(qū)域使用“剝”面板中的【毛皮貼圖】-【開始毛皮】工具將其二維展平，再使用【松弛】工具自動(dòng)將展平區(qū)域松弛到盡可能與原網(wǎng)格的形狀匹配。對(duì)每個(gè)接縫區(qū)域進(jìn)行展平操作組成模型UVW 貼圖。（3） 紋理化。使用圖像處理軟件對(duì)精心布局的UVW貼圖進(jìn)行紋理化，通過3dsmax 軟件的材質(zhì)編輯器對(duì)格網(wǎng)模型進(jìn)行最終的紋理映射。紋理映射效果展示見圖7。

圖7 紋理映射效果展示

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的高新技術(shù)，是對(duì)文物保護(hù)數(shù)字化的重要手段，它不僅可以讓文物真實(shí)面貌再現(xiàn)，還能將文物表面信息數(shù)字化，得到文物精確的幾何信息。例如文物的長度、寬度、特征點(diǎn)、以及一些色彩信息等，使得這些信息能夠得以保存，為今后的文物修復(fù)打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。本研究主要描述三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用，具體總結(jié)如果：

（1） 利用地面三維激光掃描儀和手持三維激光掃描儀實(shí)地獲取文物對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用數(shù)碼相機(jī)采集二維紋理影像。（2） 利用Cyclone 軟件中混合拼接的方式對(duì)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理等預(yù)處理。（3） 通過Geomagic 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化建模。（4） 通過3DMAX 軟件對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，獲得逼真的三維數(shù)字化模型。