一種面向文物本體微小變化監(jiān)測(cè)的三點(diǎn)重定位方法

陳冬冬+黃睿+馮偉+王小偉+柴勃隆+丁淑君+孫濟(jì)洲

內(nèi)容摘要：在對(duì)文物進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)中，需要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)而獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于大多數(shù)文物依存環(huán)境不允許在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置監(jiān)測(cè)標(biāo)記，因此不破壞文物依存環(huán)境的重定位技術(shù)就顯得尤為重要。本文提出了一種基于幾何約束的三點(diǎn)重定位方法，借助激光標(biāo)線儀、激光測(cè)距儀等設(shè)備，在不需要破壞文物依存環(huán)境的情況下，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精確的重定位。重定位的理論精度達(dá)到了0.1mm。在實(shí)驗(yàn)室和敦煌莫高窟的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中證明，我們提出的三點(diǎn)重定位方法重定位精度高、操作簡(jiǎn)單、易于安置、不破壞文物的依存環(huán)境，適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；重定位；自由度；基準(zhǔn)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：K854.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2017）03-0132-06

Abstract： During the preventive conservation of cultural relics， regular monitoring is needed to obtain data. Because most cultural relics rely on their environment for stability， which makes it impossible to set accurate marks in monitoring equipment， non-destructive relocation techniques are very important. In this study， the authors propose a geometric constraints-based three-point relocation method that would resort to devices such as laser distance measurement instruments（LDMI）and laser marking instruments（LMI）. Even in such opera tio-ns where the theoretical accuracy of relocation is 0.1 mm， this technology can relocate monitoring points accurately without destroying the cultural relics.Bothlab experiments and field tests at Dunhuang Mogao grottoes prove that this method has the advantages of high relocation accuracy， simple operation， easy preparation， and being entirely non-destructive， as well as being applicable to diverse monitoring environments.

Keywords： monitor； relocation； degrees of freedom（DOF）； reference points

1. 背景介紹

中國歷史悠久，文化遺產(chǎn)豐富。然而，隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國的文化生態(tài)正在發(fā)生巨大變化，許多歷史文化名城（街區(qū)、村鎮(zhèn)）、古建筑、古遺址以及風(fēng)景名勝區(qū)整體風(fēng)貌遭到破壞，由于過度開發(fā)和不合理利用，許多重要物質(zhì)文化遺產(chǎn)消亡或失傳，具有不可再生特性的物質(zhì)文化遺產(chǎn)現(xiàn)今面臨著留存延續(xù)的危機(jī)。

在物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，普遍認(rèn)為，對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)采取預(yù)防性保護(hù)，其效果完全優(yōu)于緊急情況下的搶救性修復(fù)。預(yù)防性保護(hù)的基本理念是，建筑遺產(chǎn)的損毀或破壞是可以通過控制引起損毀或破壞的主要因素得以降低或消除的[1]。它不同于以往物質(zhì)文化遺產(chǎn)損毀后應(yīng)急性的保護(hù)工程，強(qiáng)調(diào)基于信息收集、精密勘察、價(jià)值和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等來確定文化遺產(chǎn)面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，通過定期檢測(cè)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)來分析物質(zhì)文化遺產(chǎn)的劣化規(guī)律，然后采取災(zāi)害預(yù)防、日常維護(hù)、科學(xué)管理等措施及時(shí)降低或消除面臨的風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)的全面保護(hù)[2]。

2014年，敦煌研究院王旭東院長也同樣在莫高窟風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系中，將前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于一個(gè)基礎(chǔ)位置上。他強(qiáng)調(diào)應(yīng)該構(gòu)建一個(gè)監(jiān)測(cè)體系以采集石窟大環(huán)境、洞窟微環(huán)境、石窟崖體、文物本體、游客等方面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[3]。其中，針對(duì)石窟大環(huán)境、洞窟微環(huán)境、石窟崖體、游客等方面的研究和監(jiān)測(cè)工作已經(jīng)開展多年，并且獲得了很多的數(shù)據(jù)和成果。

然而由于文物（壁畫）本體病害的演變是一個(gè)長期且緩慢的過程，再加之受監(jiān)測(cè)成本等因素的影響，不可能對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)都采取定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法。同時(shí)，為了便于對(duì)病害進(jìn)行分析和度量，要求監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)儀器、儀器的參數(shù)和光照條件等必須精確一致，即需要對(duì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行精確重定位。以上這些因素尤其是重定位因素使得對(duì)文物本體的監(jiān)測(cè)工作止步不前。

目前，直接以恢復(fù)相機(jī)的位置和姿態(tài)為目標(biāo)的相機(jī)重定位研究并不多，Shotton J等人研究了利用深度相機(jī)（RGB-D Camera）實(shí)現(xiàn)相機(jī)重定位的方法[4]，但Shotton的方法需要通過算法訓(xùn)練已知的場(chǎng)景，然后借助深度相機(jī)拍攝的帶有深度信息的圖像才能實(shí)現(xiàn)特定位置相機(jī)姿態(tài)估計(jì)，從而完成相機(jī)重定位工作。同時(shí)，重定位工作也一直是SLAM（及時(shí)定位與地圖構(gòu)建）中研究的內(nèi)容[5-7]。然而，該研究中重定位僅作為中間過程，其目標(biāo)是為了構(gòu)建地圖和實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，其方法也往往借助機(jī)器人在不斷運(yùn)動(dòng)過程中連續(xù)采集的各種信息來構(gòu)建場(chǎng)景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置的定位。因此，這些方法難以應(yīng)用于針對(duì)某一特定位置來實(shí)現(xiàn)相機(jī)重定位而無需構(gòu)建周圍整個(gè)場(chǎng)景信息的情況。

與Shotton等人基于深度相機(jī)的重定位方法不同，本文所提出的三點(diǎn)重定位方法不需要訓(xùn)練，直接使用測(cè)距儀等配套硬件進(jìn)行相關(guān)操作便可實(shí)現(xiàn)精確的重定位。其次，在重定位過程中，我們無需在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)打標(biāo)記點(diǎn)，因此這種方法可以保證不破壞文物依存環(huán)境，這一特點(diǎn)也使得該方法的環(huán)境約束少，從而可適用于更多的監(jiān)測(cè)環(huán)境。

2. 重定位方法

2.1 基本原理

2.2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)組件

監(jiān)測(cè)平臺(tái)是我們實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行“敦煌莫高窟風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究”課題時(shí)，為監(jiān)測(cè)文物的微小變化而設(shè)計(jì)出來的一個(gè)精確監(jiān)測(cè)設(shè)備。其主要構(gòu)成組件包括：

ɑ）三個(gè)激光標(biāo)線儀，記為LMI1與LMI2和LMI3，可分別發(fā)射出一條水平激光線L1和兩條垂直激光線L2和L3；

b）兩個(gè)激光測(cè)距儀，記為LDMI1和LDMI2，可分別測(cè)量到達(dá)L2和L3的距離；

c）一個(gè)微動(dòng)云臺(tái)，可以在平面上調(diào)節(jié)3個(gè)自由度：分別為x和y軸的平移以及繞z軸的旋轉(zhuǎn)角；

d）工業(yè)相機(jī)和基準(zhǔn)點(diǎn)相機(jī)，分別用于監(jiān)測(cè)文物微小變化和記錄基準(zhǔn)點(diǎn)；

e）光源、舵機(jī)、傳感器、電路板等設(shè)備置于平臺(tái)內(nèi)部，以完成平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平工作。

在以上設(shè)備中，LDMI1、LMI1和工業(yè)相機(jī)被固定在平臺(tái)內(nèi)部，以確保它們的相對(duì)位置不發(fā)生變化，而LDMI2在平臺(tái)內(nèi)部可在水平面上繞z軸旋轉(zhuǎn)。

除此之外，還需要一些輔助設(shè)備，例如三腳架、控制電腦等。其中，三腳架可以調(diào)節(jié)平臺(tái)高度和粗調(diào)繞x和y軸的旋轉(zhuǎn)以使平臺(tái)粗略水平，電腦可以總控平臺(tái)的各種參數(shù)。

2.3 操作步驟

監(jiān)測(cè)平臺(tái)的重定位工作是基于首次定位時(shí)記錄的信息去恢復(fù)平臺(tái)的位置、姿態(tài)和內(nèi)部其他部件的參數(shù)信息。因此，重定位工作包含首次定位和重定位兩步。

2.3.1 首次定位的步驟（圖3）

A.連接相關(guān)設(shè)備，根據(jù)目標(biāo)拍攝區(qū)域的位置，將三腳架置于監(jiān)測(cè)區(qū)域前方合適的拍攝位置和高度，使得工業(yè)相機(jī)和監(jiān)測(cè)區(qū)域的高度基本一致，然后運(yùn)行調(diào)平程序，調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)平臺(tái)到水平狀態(tài)，最后旋轉(zhuǎn)微動(dòng)云臺(tái)，從而調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的水平擺角使工業(yè)相機(jī)正對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

B.打開水平激光標(biāo)線儀LMI1，在前方監(jiān)測(cè)區(qū)域投射出一條水平激光線L1，在該激光線上選取一個(gè)或多個(gè)具有明顯特征的標(biāo)志點(diǎn)作為C類基準(zhǔn)點(diǎn)。例如：文物圖像中的十字交叉點(diǎn)、線的交匯點(diǎn)等?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的選取應(yīng)保證容易識(shí)別。

C.打開固定激光測(cè)距儀LDMI1和旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距儀LDMI2，其中LDMI1在前方壁畫上投射出一個(gè)激光點(diǎn)a，旋轉(zhuǎn)LDMI2至合適位置（即保證LDMI2投射出的激光點(diǎn)b所在的垂線上有多個(gè)明顯的特征點(diǎn)），然后打開地面上的兩個(gè)豎直激光標(biāo)線儀LMI2和LMI3，使其投射出的兩條激光線L2和L3分別經(jīng)過激光點(diǎn)a和b，最后在L2和L3上分別選取A類基準(zhǔn)點(diǎn)和B類基準(zhǔn)點(diǎn)，選取原則和C類基準(zhǔn)點(diǎn)相同（即容易識(shí)別）。

D.使用基準(zhǔn)點(diǎn)相機(jī)拍攝和記錄A、B、C類基準(zhǔn)點(diǎn)以及三腳架位置的，同時(shí)記錄LDMI1和LDMI2的讀數(shù)，并分別記為d1和d2。

由B和C步驟可知，基準(zhǔn)點(diǎn)的選取靈活，同時(shí)，為了保證重定位的穩(wěn)定性，每類基準(zhǔn)點(diǎn)可以選取多個(gè)，從而消除單個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)所帶來的不穩(wěn)定性。2.3.2 重定位的步驟（圖4）

A.連接相關(guān)設(shè)備，根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)相機(jī)記錄的三腳架位置，將三腳架初步移到大概位置，然后運(yùn)行調(diào)平程序，調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)平臺(tái)到水平狀態(tài)，最后旋轉(zhuǎn)微動(dòng)云臺(tái)，從而調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的水平擺角使工業(yè)相機(jī)正對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

B.打開水平激光標(biāo)線儀LMI1，根據(jù)C類基準(zhǔn)點(diǎn)調(diào)節(jié)三腳架高度，使水平激光線L1過C類基準(zhǔn)點(diǎn)。

C.根據(jù)A和B類基準(zhǔn)點(diǎn)圖片找出A和B類基準(zhǔn)點(diǎn)，然后打開豎直激光標(biāo)線儀LMI2和LMI3，使豎直激光線L2和L3分別過A和B類基準(zhǔn)點(diǎn)。

D.打開固定激光測(cè)距儀LDMI1，旋轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使激光點(diǎn)a落在L2上，移動(dòng)三腳架位置，使LDMI1的讀數(shù)逼近d1。

E.打開旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距儀LDMI2，并旋轉(zhuǎn)LDMI2，使激光點(diǎn)b落在L2上，移動(dòng)三腳架，使LDMI2的讀數(shù)逼近d2。

F.多次重復(fù)步驟D和E，直至LDMI1和LDMI2的讀數(shù)都精確接近d1和d2，然后再次確認(rèn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的高度，使L1過C類基準(zhǔn)點(diǎn)，則重定位完成。

3. 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提出的重定位方法，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下，以室內(nèi)大型仿制壁畫的多處場(chǎng)景和壁畫病害樣本為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，拍攝距離控制在0.5—2m，利用實(shí)驗(yàn)室所搭建的監(jiān)測(cè)平臺(tái)和本文所提出的三點(diǎn)重定位方法，分別模擬初定位和重定位，然后在像素級(jí)別和毫米級(jí)別去分析重定位的精度。按照2.3.1和2.3.2的操作步驟，我們進(jìn)行了4次模擬實(shí)驗(yàn)，獲得的監(jiān)測(cè)圖像（圖5），而4組實(shí)驗(yàn)的初定位和重定位的激光測(cè)距儀的讀數(shù)對(duì)比如表1所示。

我們采用的精度分析方法是：首先使用SIFT[8]算法，提取兩幅圖像的特征點(diǎn)并做匹配，然后使用RANSAC[9]算法去除錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)對(duì)，得到正確的匹配點(diǎn)對(duì)A1（xɑ1，yɑ1）和B1（xb1，yɑ2），A2（xɑ2，yɑ2）和B2（xb2，yb2），…，An（xɑn，yɑn）和Bn（xbn，ybn），從而得到對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)的距離：

最后，由公式（1）得到像素級(jí)誤差：

然后經(jīng)過表2的比例將像素級(jí)誤差errorpixel轉(zhuǎn)換為毫米級(jí)誤差，不妨設(shè)實(shí)際值為t，對(duì)應(yīng)的像素值為p，則毫米級(jí)誤差為：

則4組實(shí)驗(yàn)的特征點(diǎn)匹配如圖6所示，誤差如表3所示。

由表3可知，實(shí)驗(yàn)3的精度最高，整體誤差為1.1mm，因此，我們的方法已經(jīng)可以精確到0.1mm。

總的來說，在模擬實(shí)驗(yàn)中，三點(diǎn)法重定位的精度可達(dá)0.1mm，同時(shí)，由于無需打標(biāo)記點(diǎn)，使得本方法在多種監(jiān)測(cè)環(huán)境均適用。

4. 總結(jié)

本文提出了一套合理的面向文物微小變化監(jiān)測(cè)的三點(diǎn)重定位方法，有效地解決了監(jiān)測(cè)過程中監(jiān)測(cè)平臺(tái)重定位的問題，定位過程快，操作靈活。具體來說，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）重定位精度高。本文提出的監(jiān)測(cè)設(shè)備采用了激光測(cè)距儀和激光標(biāo)線儀來輔助重定位，測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí)別，而在實(shí)驗(yàn)室模擬重定位時(shí)，物理誤差上可達(dá)0.1mm。

2）重定位速度快。當(dāng)操作上采取合理的調(diào)節(jié)策略可使激光測(cè)距儀讀數(shù)迅速收斂到第一距離d1和第二距離d2，同時(shí)借助激光標(biāo)線儀來迅速恢復(fù)相機(jī)高度，保證操作效率。

3）基準(zhǔn)點(diǎn)的選取靈活。同時(shí)，為了保證重定位的穩(wěn)定性，每類基準(zhǔn)點(diǎn)可以選取多個(gè)，從而消除單個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)所帶來的不穩(wěn)定性。

4）環(huán)境約束少，適用于多種監(jiān)測(cè)環(huán)境。在環(huán)境約束要求方面，本方法只需要在拍攝區(qū)域方向上（即拍攝前方）存在一面墻壁或遮擋物即可進(jìn)行重定位。

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