一種面向造像類文物的真三維模型精細(xì)重建方法

夏國(guó)芳 胡春梅 范亮

內(nèi)容摘要：本文提出了一種造像類文物高幾何精度、高紋理分辨率的精細(xì)三維重建方法。首先利用高精關(guān)節(jié)臂激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建高精度幾何模型；其次，應(yīng)用高分辨率、高重疊度影像重建高分辨率三維紋理模型；再次，根據(jù)最鄰近點(diǎn)迭代算法對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度配準(zhǔn)，并內(nèi)插關(guān)節(jié)臂幾何模型各頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)，以生成對(duì)象的精細(xì)真三維彩色模型。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠進(jìn)行高效精細(xì)建模，對(duì)造像類及其他所有非規(guī)則文物的數(shù)字存檔、三維監(jiān)測(cè)、虛擬展示等有重大應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：石窟寺；造像；測(cè)量臂；精細(xì)重建；紋理坐標(biāo)

中圖分類號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2018）03-0131-10

Abstract： In this paper， a 3D reconstruction method for statues of high geometricand texture resolution is proposed. The reconstruction procedure of the model for a statue is as follows： First， a measuring arm laser is used to acquirea high precision geometric outline， followed by the construction of a mesh model； Second， using overlapped high resolution images to reconstruct a 3D texture model； and third， finishing the high precision coordination of the two kinds of data according to the nearest point-iterative algorithm and then interpolating the texture coordinate of each vertex of the geometric mesh model to createa a precise 3D texture model. The experimental results show that this method is very effectivefor high precision modeling with realistic texture and will be of great use for digital archiving， 3D monitoring， and virtual displays.

Keywords： cave temple； statue； measuring arm； precisere construction； texture coordinates

造像類文物在我國(guó)各大石窟寺及寺廟分布廣泛，尤其是在甘肅、新疆等地。由于其獨(dú)特豐富的形態(tài)、尺寸、色彩、裝飾等信息，對(duì)研究古代宗教文化、民族文化及地方特色的風(fēng)俗文化有著極其重要的價(jià)值。2000年以來(lái)，特別是近十年以來(lái)，數(shù)字化保護(hù)技術(shù)手段越來(lái)越豐富，計(jì)算機(jī)的性能也大幅提升，數(shù)字化技術(shù)在石窟寺造像類文物上的應(yīng)用也越來(lái)越多，相比較而言，敦煌莫高窟的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用較為成熟[1]。與古建筑不同，造像類文物屬于非規(guī)則文物，僅憑幾處簡(jiǎn)單的尺寸無(wú)法對(duì)其進(jìn)行模型推演重構(gòu)。對(duì)于非規(guī)則文物，真三維彩色模型的重構(gòu)是一切數(shù)字化的基礎(chǔ)。目前，對(duì)文物類對(duì)象進(jìn)行三維重建主要有三種方法。

利用三維激光掃描數(shù)據(jù)+影像同名點(diǎn)貼圖的方法實(shí)現(xiàn)文物對(duì)象真三維彩色模型重建是比較成熟的方法，該方法通過(guò)設(shè)立多個(gè)站點(diǎn)對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行多角度掃描，經(jīng)過(guò)拼接、去燥、去冗等一系列處理，實(shí)現(xiàn)文物對(duì)象的真三維幾何重構(gòu)。然后，基于共線方程的原理將利用高清單反相機(jī)獲取的多張紋理照片分別映射至高精幾何模型，最終完成真三維彩色模型的重建[2-3]。該方法的確能夠?qū)崿F(xiàn)造像類等非規(guī)則文物的三維重構(gòu)，但其幾何精度一般只能達(dá)到幾毫米，在單相貼圖環(huán)節(jié)，每張照片需手動(dòng)選取至少4對(duì)及以上同名點(diǎn)，精度差且效率極低。目前比較成熟的軟件有美國(guó)天寶的Realworks、法國(guó)Technodigit的3dreshaper和武漢大學(xué)的ModelPaint等。

第二種方法可稱之為旋轉(zhuǎn)平移模型法，其貼圖原理與第一種方法相同，區(qū)別是直接在透視模式下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平移模型至相片拍攝視角來(lái)計(jì)算影像拍攝時(shí)的空間位置和姿態(tài)而非通過(guò)選取同名點(diǎn)的方式。旋轉(zhuǎn)平移后，影像相對(duì)于模型的定向元素被確定，從而完成映射過(guò)程。另外，被映射的相鄰兩張紋理其接縫可以被編輯以達(dá)到漸變的效果，代表性的軟件有Autodesk公司旗下的Mudbox軟件。該方法雖然一定程度上提高了重建效率，但是其準(zhǔn)確度難以控制，尤其是在相鄰紋理的接縫區(qū)域（不適合大體量復(fù)雜對(duì)象）。并且，目前的軟件尚不能對(duì)高精細(xì)大數(shù)據(jù)量的幾何模型進(jìn)行操作，需要分塊進(jìn)行，效率低下。

第三種方法為近景攝影測(cè)量方法，即利用高清相機(jī)對(duì)對(duì)象進(jìn)行多視角高重疊度拍攝，通過(guò)重疊影像空中三角測(cè)量、點(diǎn)云密集匹配等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)象三維模型的重構(gòu)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是重建效率高，紋理信息豐富準(zhǔn)確，但其問(wèn)題是重建后的三維模型幾何精度相對(duì)較低，不能夠滿足某些高精度量測(cè)的需求。

針對(duì)上述三種方法，本文將結(jié)合關(guān)節(jié)臂激光掃描的高精幾何特性和近景攝影測(cè)量技術(shù)的精細(xì)紋理特性，實(shí)現(xiàn)造像類文物的快速精細(xì)真三維重建。

1 重建原理及方法

1.1 高精幾何模型重建

文物類三維高精度幾何重建主要采用三維激光掃描技術(shù)。地面激光掃描儀以Faro、Reigl、Leica等儀器為主，一般掃描分辨率可達(dá)到毫米級(jí)，但是針對(duì)造像類文物，地面激光掃描儀并不能獲取完整的、均勻的、精細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。綜合考慮測(cè)量精度、掃描范圍、獲取效率三方面因素，基于關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)獲取的高精點(diǎn)云數(shù)據(jù)所構(gòu)建的三維模型，能夠有效地記錄造像類文物精細(xì)的三維幾何特征。從機(jī)械組成來(lái)看，關(guān)節(jié)臂式激光掃描系統(tǒng)主要由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光掃描頭組成。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理是在離基座最遠(yuǎn)的關(guān)節(jié)端部安裝測(cè)頭，在各個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處安裝角度編碼器，測(cè)出相鄰兩關(guān)節(jié)臂之間相對(duì)的旋轉(zhuǎn)角度，在各關(guān)節(jié)臂長(zhǎng)度固定且已知的情況下，就可以通過(guò)空間齊次坐標(biāo)變換的方法，求得測(cè)頭相對(duì)于儀器基座的空間方位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)球半徑空間范圍內(nèi)任意一點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量的功能，如圖1所示。

激光掃描頭的工作原理是采用三角測(cè)量原理獲取被測(cè)物體表面的密集點(diǎn)云三維坐標(biāo)，如圖2所示。即使用線激光發(fā)射器發(fā)射一束激光，照射到物體表面，由于被測(cè)物體表面高低不一，所以形成的激光條紋是不規(guī)則的，在攝像頭成像面上的激光條紋位置也是不同的。被測(cè)物位置與攝像頭上條紋成像位置具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)攝像頭成像面上光點(diǎn)坐標(biāo)，可以求得被測(cè)物表面上該點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[5]。

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的末關(guān)節(jié)端部和掃描頭的空間相對(duì)關(guān)系固定，因此其空間坐標(biāo)傳遞矩陣也是固定的。

基于關(guān)節(jié)臂激光掃描系統(tǒng)的點(diǎn)云精度優(yōu)于0.1mm，遠(yuǎn)高于地面激光掃描儀獲取的點(diǎn)云精度。掃描完成后，在Geomagic Studio軟件平臺(tái)下對(duì)各組點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、去冗、聯(lián)合等預(yù)處理，獲得掃描對(duì)象完整單一的高精度點(diǎn)云模型，最后基于該模型構(gòu)建出掃描對(duì)象的高精不規(guī)則三角網(wǎng)模型，以下簡(jiǎn)稱關(guān)節(jié)臂模型。

1.2 高保真紋理模型重建

高精度三維紋理重建是文物數(shù)字化的重要內(nèi)容，其重建的模型是精細(xì)測(cè)量、病害檢測(cè)、高保真可視化等應(yīng)用的基礎(chǔ)。如引言中所述，應(yīng)用近景攝影測(cè)量的方法進(jìn)行高精度紋理重建是目前最理想的方法。從攝影測(cè)量技術(shù)誕生以來(lái)，更多的應(yīng)用是以地形測(cè)量為主的航空航天攝影測(cè)量。近景攝影測(cè)量是在最近幾年時(shí)間內(nèi)，隨著傾斜相機(jī)的出現(xiàn)及相應(yīng)的攝影測(cè)量軟件的成熟才得到更多的應(yīng)用。文物的攝影測(cè)量三維重建屬于近景攝影測(cè)量的范疇。攝影測(cè)量三維重建理論嚴(yán)密、紋理重建精度高，在像片拍攝質(zhì)量高重疊度高的情況下，不會(huì)出現(xiàn)單張貼圖所述的現(xiàn)象，并且只需要極少的人工干預(yù)即可自動(dòng)建立紋理模型，效率高、紋理細(xì)節(jié)豐富。本文的造像類文物屬于比較復(fù)雜的對(duì)象，根據(jù)文保行業(yè)的需求，影像分辨率高達(dá)300DPI，為保證紋理細(xì)節(jié)層次，選擇近景攝影測(cè)量的方法進(jìn)行高分辨率三維紋理重建。

1.2.1攝影測(cè)量三維重建理論

影像三維重建主要包括影像定向（影像空間位置和姿態(tài)的確定）、高密度影像特征提取與匹配、前方交會(huì)三維模型的生成等幾個(gè)主要的內(nèi)容。在攝影測(cè)量范疇內(nèi)，影像定向的主要理論是空中三角測(cè)量，其內(nèi)容包括相鄰影像間同名點(diǎn)的自動(dòng)匹配、相對(duì)定向建立影像立體模型、相鄰模型之間的鏈接、區(qū)域網(wǎng)平差等主要內(nèi)容。同名點(diǎn)的匹配為了影像的相對(duì)定向，相對(duì)定向后即可建立影像三維模型，多張影像多個(gè)模型生成對(duì)象的整體模型后，為了降低誤差的累積再進(jìn)行模型的平差計(jì)算。影像定向是影像三維重建的重要基礎(chǔ)，影像定向的結(jié)果直接決定著后續(xù)的密集匹配及生成的影像模型的質(zhì)量。應(yīng)用每張影像的定向結(jié)果，對(duì)影像進(jìn)行高密度的特征提取和匹配，并通過(guò)前方交會(huì)生成密集的影像點(diǎn)云模型及三角網(wǎng)模型，隨之附上高分辨率的紋理圖像，即可生成高分辨率的對(duì)象三維紋理模型。由于相鄰影像之間的匹配精度可以達(dá)到1/10甚至1/100像素（pixel），并且在模型重建前對(duì)影像進(jìn)行云光勻色處理，所以，相鄰影像間不會(huì)出現(xiàn)紋理錯(cuò)位和紋理接縫的現(xiàn)象。近景攝影測(cè)量三維重建可以高效地重建出高分辨率的紋理模型，是目前復(fù)雜對(duì)象高精度三維紋理重建的最優(yōu)方法。

1.2.2近景攝影測(cè)量三維重建軟件

在航空攝影測(cè)量軟件發(fā)展比較完備的基礎(chǔ)上，隨著需求的增加，近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理模塊也發(fā)展得較快，目前能夠處理近景影像的主流攝影測(cè)量軟件包括ContextCapture和Photoscan。這兩款軟件各有優(yōu)勢(shì)。兩款軟件都可以進(jìn)行三維彩色模型重建及正射影像生成等工作。PhotoScan軟件對(duì)硬件設(shè)備的要求較低，但是與ContextCa-

pture相比，其運(yùn)行速度較慢、模型幾何精度較低、模型紋理精度較低、三維彩色模型在多影像映射時(shí)會(huì)出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象。ContextCapture軟件由于運(yùn)用了CPU并行計(jì)算及GPU加速計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件會(huì)有一定的要求，但其計(jì)算速度快，在模型精度方面，其邊緣精度較高，在紋理模型方面，勻光勻色算法較好，多紋理映射時(shí)不會(huì)出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，連續(xù)性較好。針對(duì)本文的造像類文物，選擇ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建，能夠快速地生成三維高精度紋理模型。

1.3 精細(xì)真三維模型快速重建

1.3.1 異源模型配準(zhǔn)

關(guān)節(jié)臂模型與影像模型為兩組非同源三維模型，為實(shí)現(xiàn)兩種模型的高精度幾何信息和高保真的紋理信息的融合，需對(duì)其進(jìn)行空間配準(zhǔn)。在假定兩種模型均為剛體的前提下，配準(zhǔn)過(guò)程需歷經(jīng)初配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩個(gè)步驟。

初配準(zhǔn)是以關(guān)節(jié)臂模型的坐標(biāo)系為空間物方坐標(biāo)系，基于空間相似變換原理，在兩種模型上選取4對(duì)以上同名點(diǎn)，計(jì)算出縮放、旋轉(zhuǎn)與平移7參數(shù)，以此列出公式（1）相似變換方程，將后者的三維模型粗略配準(zhǔn)至測(cè)量臂模型。

初配準(zhǔn)過(guò)程獲得了兩種模型的初始配準(zhǔn)參數(shù)，要想精確獲得其配準(zhǔn)參數(shù)，需在此基礎(chǔ)上，利用ICP算法，計(jì)算出精確的變換矩陣，最終完成關(guān)節(jié)臂模型與近景模型的精細(xì)配準(zhǔn)。

1.3.2 UV精細(xì)構(gòu)建與紋理映射

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，UV紋理坐標(biāo)是可視化三維模型表面紋理的橋梁。換言之，彩色三維模型的每個(gè)頂點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著UV坐標(biāo)，而在這個(gè)二維UV坐標(biāo)空間中又對(duì)應(yīng)著用于映射三維模型的二維紋理影像（圖3）。此過(guò)程構(gòu)建的三維彩色模型，省去了計(jì)算機(jī)因紋理映射關(guān)系計(jì)算所帶來(lái)的資源消耗，大大提升了三維模型可視化的能力。

影像模型在重構(gòu)過(guò)程中，已獲得其各個(gè)三維頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)，可在計(jì)算機(jī)中直接可視化其紋理信息，相比之下，關(guān)節(jié)臂模型在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，僅獲取對(duì)象高精度幾何信息，重構(gòu)后的三角網(wǎng)模型不具備紋理信息。因此，為促成高精度幾何信息和高保真紋理信息的統(tǒng)一，需基于影像模型的紋理坐標(biāo)，在異源模型精細(xì)配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)節(jié)臂模型進(jìn)行UV精細(xì)構(gòu)建。構(gòu)建方法如圖4所示，假定△ABC為影像模型中的一個(gè)三角面片，頂點(diǎn)A、B、C均具有三維空間坐標(biāo)（X，Y，Z）及紋理坐標(biāo)（U.V）。利用△ABC的頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，計(jì)算出該三角面的法向矢量（Xn，Yn，Zn），再將關(guān)節(jié)臂頂點(diǎn)數(shù)據(jù)P按照此法矢方向投影至△ABC所在平面，投影點(diǎn)計(jì)為P，求得投影點(diǎn)至三角形頂點(diǎn)的距離后，采用反距離加權(quán)平均法內(nèi)插出P對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)（UP，VP）。具體過(guò)程如公式（2）至公式（8）所示。

關(guān)節(jié)臂模型的三維頂點(diǎn)起初不具備UV紋理坐標(biāo)，經(jīng)上述方法內(nèi)插計(jì)算后，關(guān)節(jié)臂模型的三維頂點(diǎn)便獲得了UV紋理坐標(biāo)，并且與影像三維模型頂點(diǎn)的UV坐標(biāo)完全一致?；诖薝V紋理坐標(biāo)，可將影像三維模型的紋理影像直接映射至關(guān)節(jié)臂模型上以實(shí)現(xiàn)高精度彩色三維模型的精細(xì)重建。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證上述方法，本文以某石窟寺造像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，造像高度1.6m，面寬1m，厚度約0.4m，如圖5所示，選用Faro關(guān)節(jié)臂獲取對(duì)象高精點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選用Nikon D810獲取對(duì)象的300DPI高分辨率紋理信息。

Faro 關(guān)節(jié)臂點(diǎn)云綜合精度優(yōu)于0.1mm，是獲取造像類文物高精幾何模型的理想手段。在造像前選擇合適的測(cè)站位置，設(shè)置掃描密度參數(shù)為1/1，即每條掃描激光線采樣點(diǎn)為760點(diǎn)/線，在實(shí)地通過(guò)高精標(biāo)準(zhǔn)檢校板對(duì)其進(jìn)行檢校補(bǔ)償，檢校通過(guò)后，按從左到右、先上后下的順序獲取實(shí)驗(yàn)造像高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)原始點(diǎn)云模型進(jìn)行配準(zhǔn)去冗后，獲得一個(gè)完整的高精點(diǎn)云模型，如圖6所示，點(diǎn)數(shù)為18291236個(gè)，平均點(diǎn)間距約為0.3mm，相比于影像三維模型和地面激光掃描儀，其幾何信息要精細(xì)得多。

基于上述點(diǎn)云模型可構(gòu)建目標(biāo)對(duì)象的三角網(wǎng)模型，圖7所示的三角網(wǎng)模型分別由四種方法實(shí)現(xiàn)，從局部放大圖可知，關(guān)節(jié)臂模型的幾何精細(xì)程度最高，ContextCapture軟件重構(gòu)的三維模型次之，photoscan軟件重構(gòu)的三維模型再次之，在同樣分辨率下，其幾何模型精度低于ContextCapture軟件重構(gòu)模型，基于地面激光掃描技術(shù)重構(gòu)的三維模型其細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力最差。

Nikon D810相機(jī)是目前攝影測(cè)量學(xué)中應(yīng)用較多的一款相機(jī)，其CCD傳感器尺寸大小35.9*24mm，最高分辨率為7360*4912，有效像素3635萬(wàn)。本實(shí)驗(yàn)基于Nikon D810單反相機(jī)，配合色卡對(duì)其顏色進(jìn)行校正，完成拍攝對(duì)象的紋理獲取。拍攝過(guò)程先是按照影像實(shí)際分辨率為300DPI的要求計(jì)算出相機(jī)焦距和拍攝距離，在保持焦距和拍攝距離不變的前提下，確保上下左右相鄰影像間的重疊率為85%以上，然后對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行拍攝。另外，由于造像位于洞窟內(nèi)部，其光線灰暗且不均勻，需在造像四周布設(shè)冷光源，營(yíng)造色溫與亮度相對(duì)均勻穩(wěn)定的光環(huán)境。與此同時(shí)，為防止拍攝顫抖導(dǎo)致影像虛化，還需將相機(jī)固定于三腳架上，利用遙控器控制快門進(jìn)行拍攝，拍攝過(guò)程如圖8所示。

按上述方法共計(jì)拍攝有效序列照片81張，每張影像的實(shí)際分辨率均優(yōu)于300DPI。在序列照片和關(guān)節(jié)臂模型上選取4對(duì)同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)，記錄下同名點(diǎn)在照片上的（x，y）坐標(biāo)和在三維模型上的（X，Y，Z）坐標(biāo)?；谑謩?dòng)選取的同名點(diǎn)，將序列照片分別導(dǎo)入ContextCapture軟件和PhotoScan軟件下對(duì)實(shí)驗(yàn)造像進(jìn)行三維重建，該過(guò)程同時(shí)也完成了影像三維模型的空間相似變換。重建后的紋理效果如圖9所示，基于ContextCapture構(gòu)建的模型（左圖a）其紋理整體清晰度和飽和度較高，能夠達(dá)到原片級(jí)別，而基于PhotoScan構(gòu)建的模型其紋理存在局部虛化的現(xiàn)象，仔細(xì)觀察右圖b可見縱向裂隙至耳朵之間區(qū)域有明顯虛化現(xiàn)象。

卸載紋理信息，直接觀察其模型的幾何構(gòu)建情況，如圖10所示，基于ContextCapture構(gòu)建的模型（左圖a）其細(xì)節(jié)信息比較豐富，而基于photo-

scan構(gòu)建的模型（右圖b）存在整體平滑的現(xiàn)象。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況，列出基于兩種軟件的三維重建性能對(duì)比表，如表1所示。

由表1可知，針對(duì)同一組照片，無(wú)論是清晰度、飽和度還是幾何精度上，ContextCapture軟件的性能表現(xiàn)均優(yōu)于photoscan軟件，這也正是本文在眾多攝影測(cè)量軟件中選擇ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建的原因。

重建后，將三維紋理模型導(dǎo)出為基于文本格式存儲(chǔ)的通用型Obj文件，每個(gè)文件包括一個(gè)obj文件、一個(gè)mtl文件以及若干張jpg紋理數(shù)據(jù)。Obj文件存儲(chǔ)了模型頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)、頂點(diǎn)法向坐標(biāo)、UV紋理坐標(biāo)以及由頂點(diǎn)序號(hào)、法向量序號(hào)和紋理坐標(biāo)序號(hào)構(gòu)成的三角面片信息。mtl文件是obj文件和jpg文件之間的橋梁，jpg文件則是各個(gè)UV坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的紋理圖。Obj文件及其紋理圖如圖11及圖12所示。

圖11中，v代表頂點(diǎn)三維坐標(biāo)，vt代表頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)，vn代表頂點(diǎn)的法向矢量，f代表構(gòu)建各個(gè)三角面所涉及的頂點(diǎn)序號(hào)、紋理坐標(biāo)序號(hào)以及頂點(diǎn)法向向量序號(hào)。

由ContextCapture軟件直接生成的三維彩色模型擁有高保真紋理信息，但是其三維頂點(diǎn)的幾何精度相比于關(guān)節(jié)臂模型的幾何精度要低得多，因此需基于ICP算法在初配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上將該模型精確配準(zhǔn)至關(guān)節(jié)臂三角網(wǎng)模型。本文在Geomagic Studio軟件下，以關(guān)節(jié)臂模型為參考，以影像三維模型為旋平對(duì)象，采樣個(gè)數(shù)設(shè)置為5000，迭代次數(shù)上限為100。模型配準(zhǔn)中誤差為0.438mm，迭代13次后結(jié)果收斂，配準(zhǔn)結(jié)果如圖13所示，灰色代表關(guān)節(jié)臂模型，褐色代表影像三維模型。

精確配準(zhǔn)后，利用本文的研究方法內(nèi)插出關(guān)節(jié)臂三角網(wǎng)模型頂點(diǎn)UV坐標(biāo)，并將影像三維模型的紋理直接映射至關(guān)節(jié)臂三角網(wǎng)模型上，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)象的高精度三維彩色模型重建。重建結(jié)果如圖14所示，左圖為造像整體重建效果，右圖為頭部放大圖。

對(duì)造像的嘴部區(qū)域進(jìn)行局部再放大，直觀對(duì)比基于ContextCapture重建方法和基于本文重建方法的模型重建質(zhì)量。通過(guò)模型幾何的精細(xì)程度和紋理的保真度來(lái)衡量質(zhì)量高低情況，如圖15所示，基于本文方法生成的b1圖，其幾何精細(xì)程度遠(yuǎn)高于基于ContextCapture軟件生成的a1圖，而在紋理的保真度上，由a2和b2可知兩種方法的結(jié)果是一致的，a3和b3分別是兩種方法幾何信息和紋理信息同時(shí)顯示的模型圖片。由此可見，本文方法成功實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)臂模型的高精幾何信息與影像三維模型的高保真紋理信息的準(zhǔn)確融合。

圖16所示為造像鼻尖和唇部的側(cè)視局部放大圖，同樣可見由本文方法構(gòu)建的精細(xì)三維模型，其幾何凹凸信息和紋理信息非常細(xì)致真實(shí)。

3 結(jié)論與展望

本文方法旨在構(gòu)建兼具高精幾何與精細(xì)紋理信息的真三維彩色模型。在幾何重建過(guò)程中，充分利用了關(guān)節(jié)臂模型的高精幾何特性，使得構(gòu)建的三維模型在幾何細(xì)節(jié)表現(xiàn)上更為精細(xì)；在紋理重建過(guò)程中，對(duì)目前主流的影像三維重建軟件的效果性能做了比較，并最終選用ContextCapture軟件重構(gòu)對(duì)象的紋理模型，獲得了高清晰度、高保真度的紋理模型；最后通過(guò)異源模型精細(xì)配準(zhǔn)和模型頂點(diǎn)UV內(nèi)插計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精幾何模型的精細(xì)紋理重建。該方法極大程度地提高了高精幾何與紋理三維彩色模型的重建質(zhì)量，同時(shí)，相比于單張紋理貼圖的三維重建方法，其重建效率也有了顯著的提高。高精幾何與紋理真三維彩色模型的構(gòu)建將極大地推動(dòng)文物對(duì)象的資料存檔、文物復(fù)原、三維監(jiān)測(cè)以及數(shù)字化展示等領(lǐng)域工作的開展，真正意義上實(shí)現(xiàn)文物的數(shù)字化保護(hù)。

由于本文方法同時(shí)顧及重建對(duì)象的高精幾何信息與精細(xì)紋理信息，將不可避免地帶來(lái)模型數(shù)據(jù)量龐大的問(wèn)題，尤其是對(duì)于體量較大的文物對(duì)象，其模型可視化將會(huì)出現(xiàn)一定的困難，研究大數(shù)據(jù)量真三維彩色模型可視化的相關(guān)技術(shù)將是下一步研究的重要方向。另外，異源模型的自動(dòng)配準(zhǔn)以及頂點(diǎn)UV坐標(biāo)的快速內(nèi)插同樣是后續(xù)研究的重要內(nèi)容與方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳健.多元異構(gòu)的數(shù)字文化——敦煌石窟數(shù)字文化呈現(xiàn)與展示[J].敦煌研究，2016（1）：123-127.

[2]王晏民，胡春梅.一種地面激光雷達(dá)點(diǎn)云與紋理影像穩(wěn)健配準(zhǔn)方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012（2）：266-272.

[3]鄭書民，夏國(guó)芳.地面激光雷達(dá)技術(shù)在石窟寺立面精細(xì)測(cè)繪中的應(yīng)用研究[J].激光雜志，2016（1）：5-8.

[4]王金橋，段發(fā)階，馮帆，吳國(guó)秀，伯恩.關(guān)節(jié)臂激光掃描系統(tǒng)光條中心提取方法研究[J].光電工程，2015（1）：13-19.

[5]許冬磊.基于線激光的三維測(cè)量系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].南京林業(yè)大學(xué)，2016.

[6]謝梓威，范沖，張?jiān)粕?一種結(jié)合紋理?yè)駜?yōu)算法的影像三維重建方法[J].測(cè)繪科學(xué)，2017（1）：101-106.