三維激光掃描技術(shù)在木雕展品建模中的應(yīng)用

李華偉

（廈門城市職業(yè)學(xué)院 旅游系，福建 廈門361008）

三維掃描技術(shù)也稱實景復(fù)制技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于文物古跡保護(hù)、土木工程、室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域.在獲取空間信息方面，激光三維掃描系統(tǒng)把傳統(tǒng)的單點采集數(shù)據(jù)變?yōu)檫B續(xù)自動獲取數(shù)據(jù)，提高了測量的效率.木雕是我國特殊的民間工藝，在國家工種分類中被稱為精細(xì)木工，其種類紛繁復(fù)雜、圖案優(yōu)美、結(jié)構(gòu)精巧，有浮雕、圓雕、鏤空雕、雙面雕等.傳統(tǒng)的拍攝及測繪方法無法對木雕進(jìn)行高精度的分析.激光三維掃描在測量的速度和效率、三維立體建模、模型化精度，以及數(shù)據(jù)處理方面有較大的優(yōu)越性，可將其應(yīng)用于復(fù)雜的木雕展品測繪中.然而，木雕因其本身紋路豐富及雕工精細(xì)等特點，對掃描的環(huán)境和設(shè)備提出了更加規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和要求.本文采用三維激光掃描技術(shù)對木雕展品進(jìn)行三維掃描建模.

1 基本原理與技術(shù)平臺

1.1 基本原理

三維數(shù)據(jù)的可靠性和精準(zhǔn)性，工藝品建模速度的穩(wěn)定性是三維數(shù)據(jù)采集和處理的要素.三維掃描技術(shù)是將實物的立體信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，從而實現(xiàn)非接觸測量的目的，具有無損傷、高精度等特點.獲取被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息需要經(jīng)過測距、角位移、掃描和定向等4個過程［1］.三維激光掃描儀通過連續(xù)的發(fā)射激光，將空間信息以點云、線、三角面片、面數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行記錄.點云數(shù)據(jù)不分層用于填補被測實體的表面形狀，打破測量死角和效率低等缺陷，借助拼接等手段實現(xiàn)“所見即所得”的效果［2］.此外，3D 比較流程可使兩套數(shù)據(jù)達(dá)到最佳擬合對齊，通過顏色偏差來顯示產(chǎn)品的質(zhì)量.

1.2 技術(shù)平臺

VXelements是完全集成式3D 數(shù)據(jù)采集軟件，Geomagic studio軟件是一款逆向軟件.采用VXelements軟件對實物進(jìn)行掃描，然后采用Geomagic studio軟件對掃描完成的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化、修補破洞、去除特征等初步處理.

手持三維激光掃描儀（Handy SCAN 3D）是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也是其自身的定位系統(tǒng)，具有靈活、高效、易用的優(yōu)點，可精確、實時地確定任意時刻點的空間位置，測距方式屬于近距離激光掃描［3］.它無需配備外部跟蹤或定位設(shè)備，使用三角測量法實時確定自身與被掃描部件的相對位置，并可自動記憶定位點在系統(tǒng)中的空間位置，隨著旋轉(zhuǎn)、移動被測實體逐點進(jìn)行每個零件的測量，不附屬任何外部跟蹤裝置.普通掃描儀不能從不同的角度獲取物體的整體位置信息［4］，而3D 掃描儀可以從不同角度獲取和比對物體位置信息，從而形成物體整體位置信息，只有當(dāng)融合這些位置信息之后，建模才算完整.此外，3D 掃描儀的精度還與它所獲取的小三角形數(shù)量相關(guān)，小三角形獲取的數(shù)量越多，3D 掃描儀的精確度就越高.掃描儀掃描實體時，系統(tǒng)實時捕捉參考點，用于計算和記憶每個點的相對空間位置［5］.

2 建模方法

2.1 儀器校準(zhǔn)及掃描參數(shù)配置

經(jīng)過長途運輸和長期使用后，精密儀器的校正部件發(fā)生變化，幾何關(guān)系被破壞，因此，使用之前必須進(jìn)行檢測和校正.手持激光掃描儀的校正，需要VXelements－3D 軟件平臺和掃描儀、校準(zhǔn)板配合進(jìn)行.掃描不同物體，所需的掃描參數(shù)不同.分辨率越高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越大，掃描速度越慢.手持激光掃描儀的精度可達(dá)0.040mm，分辨率可達(dá)0.1mm，具有極高的可重復(fù)性和可追蹤性.掃描的解析度、優(yōu)化網(wǎng)格、邊界銳度等參數(shù)可根據(jù)實際要求進(jìn)行設(shè)置.

2.2 目標(biāo)對象的掃描

手持式設(shè)備的偵測器不能識別待測物體反射的激光.因此，在掃描前需對待測物體進(jìn)行貼片，以便掃描儀在空間中的定位及校準(zhǔn).應(yīng)選擇在一些紋理比較復(fù)雜的地方進(jìn)行貼片，并注意不要貼成直線.貼片后的掃描對象，如圖1（a）所示.

在一個掃描面上，手持掃描儀至少要識別4個點，才能建立坐標(biāo)系和計算距離.如果不滿足4個點，則掃描紅線停頓，屏幕右邊的進(jìn)度條變綠.在剛開始對物體進(jìn)行掃描時，需緩慢掃描物體的一個面.當(dāng)點云數(shù)據(jù)足夠多時，掃描儀會建立坐標(biāo)系.之后，便可快速掃描待測物體.若一開始就進(jìn)行快速掃描，掃描儀會掃描到不同面的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致建立的坐標(biāo)系混亂，模型會出現(xiàn)重復(fù)的地方，而且還不完整.

在對物體的掃描過程中，屏幕左邊的進(jìn)度條保持在綠色的狀態(tài)，此時掃描的質(zhì)量最好.對于一些紋理比較細(xì)膩的地方，應(yīng)順著紋理緩慢掃描，才不會破壞物體的紋路.掃描過程的開始一般是粗描，掃出待測物體的大概形狀；然后，進(jìn)行進(jìn)一步地仔細(xì)掃描.在掃描過程中，如果貼片不足，可以適當(dāng)?shù)卦黾淤N片.

圖1 掃描對象Fig.1 Scanning images

2.3 掃描結(jié)果處理

Handy SCAN 3D 的測量速率可達(dá)205 000 次·s－1，速度極快.圖例模型（關(guān)公雕像）掃描完成只需十幾分鐘，操作簡便，效率高.對于一些復(fù)雜物體的陰影和死角，掃描光線無法掃描到或無法掃描完整，會導(dǎo)致掃描成果存在一些影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性的破洞［6］.掃描物體存在的破洞，可通過第三方軟件Geomagic studio進(jìn)行修正和處理，以確保用戶獲得完美無缺的多邊形和NURBS模型.

由于掃描的精度高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量巨大，一些配置相對較低的電腦無法運行.因此，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化.根據(jù)實際要求，采用Geomagic studio對掃描物體進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化，可減少物體的數(shù)據(jù)量，且不會影響物體的細(xì)節(jié)和顏色.簡化后的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行進(jìn)一步的銳化處理，使數(shù)據(jù)保持更好的棱角關(guān)系［7］.

此外，還需要使用網(wǎng)格醫(yī)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行偵查.對于一些小孔、小通道、尖狀物等，網(wǎng)格醫(yī)生可以自行修復(fù).經(jīng)網(wǎng)格醫(yī)生處理完的數(shù)據(jù)還不能完全修補數(shù)據(jù)模型的破洞，需進(jìn)行進(jìn)一步的修補.填充命令可以對數(shù)據(jù)的破洞進(jìn)行填充.對于形狀和大小不同的破洞，可以選擇不同的填充命令.在多邊形網(wǎng)格上，網(wǎng)格醫(yī)生自動地探測并糾正錯誤［8］，最終生成高質(zhì)量曲面的多邊形網(wǎng)格模型（圖1（c））.

2.4 實例應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸主動測量方式，可直接獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，極大節(jié)省了時間和成本.三維模型與實物的形狀和大小，紋理的凹凸和走向幾乎相同，如圖2（a）所示.模型的準(zhǔn)確性可通過距離的量測進(jìn)行檢驗，如圖2（b）所示.由圖2（b）可知：實物刀柄與模型刀柄的量測距離均為7.28cm.

圖2 實物與模型的比較Fig.2 Comparison of object and model

對于不同的應(yīng)用，模型可輸出不同的數(shù)據(jù)格式，如AutoCAD 的DXF 文件，支持3D 打印的＊.stl，支持3D max通用化3D 專業(yè)軟件的＊.obj，以及支持大眾化閱讀器PDF等.

3 結(jié)束語

在現(xiàn)代工藝品中，特別是在現(xiàn)代雕塑中，可利用三維激光掃描技術(shù)對復(fù)雜的藝術(shù)品進(jìn)行掃描建模，輸出多種數(shù)據(jù)格式，將其直接輸入至加工軟件中，配合數(shù)控加工設(shè)備可生產(chǎn)出精美的模具和工藝品.此外，在立體建模、滑坡監(jiān)測、逆向工程等領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)還能進(jìn)一步得到應(yīng)用和推廣.

［1］張亞.三維激光掃描技術(shù)在三維景觀重建中的應(yīng)用研究［D］.西安：長安大學(xué)，2011：1－72.

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［8］張瑞，駱巖林，周明全，等.文物數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，14（2）：150－153.