一種不規則表面文物體積的測量方法
2023-10-08 15:47:04
專利名稱：一種不規則表面文物體積的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種文物體積測量方法，尤其涉及一種不規則表面文物體積的測量方法。
背景技術：
隨著歲月的流逝和人類活動的影響，人類留下來的珍貴而豐富的自然、文化遺產在逐漸的損毀、破壞和消失。如何利用先進的技術手段來保護、修復這些寶貴文物，成為迫在眉睫的問題。在文物修復中經常需要估算材料的用量，然而一些文物結構非常複雜，表面呈不規則形狀，傳統測量方法無法直接求得精確體積以估算材料用量，通常是採用把體積參數轉換成質量和密度的關係而進行間接測量。但間接測量方式易受條件、經驗的約束，且測量速度慢、精度低、自動化程度不高。
發明內容
本發明針對現有技術的弊端，提供一種不規則表面文物體積的測量方法。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法，包括如下步驟步驟一，獲取待測文物表面三維空間點雲數據信息；步驟二，根據上述獲取的三維空間點雲數據信息構建文物的三角格網模型；步驟三，對上述三角格網模型進行仿射變換，以將該三角格網模型的中心平移至坐標原點；步驟四，計算該仿射變換後的三角格網模型中所有三角形與坐標原點構成的四面體的體積的代數和，該代數和即為所述待測文物的體積。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法的步驟一中，對獲取的三維空間點雲數據信息中的雜點信息和噪點信息進行剔除。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法的步驟一中，對獲取的三維空間點雲數據信息進行拼合合併。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法的步驟三中，確定三角格網模型中心的步驟如下獲取三角格網模型頂點坐標在X軸、Y軸、Z軸方向上的最小值與最大值，並標記為
Xmin、Xmax，^η ηΛ ^max; ^ηι ηΛ ^max ;以三維坐標值為xmin、ymin、Zmin的點和三維坐標值為Xmax、ymax、Zmax的點為對角頂點，構建包圍住三角格網模型的包圍盒，所述包圍盒的中心即為該三角格網模型的中心。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法的步驟四中，將所述仿射變換後的三角格網模型中的任意三角形Λ ABC的一個頂點A至坐標原點O方向的單位向量標記為N，將該任意三角形AABC所在平面一側的單位法向量標記為Nabc;,所述任意三角形頂點Α、B、C按逆時針排列時與N成右手系，貝U當向量N與向量Nabc;的內積大於O時，該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為正數；若向量N與向量Nabc的內積小於O時,則該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為負數。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法中，通過三維掃描儀獲取文物表面的三維空間點雲數據信息，並通過這些點雲數據信息構建三角格網模型，進而基於該三角格網模型採用改進的有向體積法計算文物體積，能夠提高文物體積的測量精度，且整個測量過程操作簡便、速度快、效率高。
圖I為本發明所述不規則表面文物體積的測量方法的流程示意圖；圖2所示為格網模型中任意一個三角形與坐標原點所構成的四面體的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。由於四面體是三維空間最簡單的不規則體單元，是進行三維幾何拓撲關係描述的最基本的元素之一，因此，本發明中利用計算四面體有向體積法來計算三角格網模型體積，其實質是利用三維雷射掃描儀對文物進行掃描獲取其表面幾何信息點雲，再經過對點雲數據預處理並通過拓撲重建得到文物的三角格網模型，從而來計算表面複雜的文物體積。如圖I所示，本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法，包括如下步驟步驟101，獲取待測文物表面三維空間點雲數據信息。文物表面三維信息數據的獲取也可稱之為實物表面數位化，通過特定的測量設備和測量方法獲取實物表面點的三維坐標，從而獲取大量的數據點信息，這些數據點稱之為點雲。本實施例中，是利用可攜式關節臂測量機(CM CORE Infinite 2.0)，其三維空間坐標測量精度為O. 045mm，獲取文物表面高精度三維空間點雲。由於掃描實體模型的過程中難免會受到環境光和載物裝置等幹擾，因此會出現雜點信息與噪點信息等，故而需要進行剔除。同時，為減少信息處理量，還需要精減數據，例如，對於多視圖掃描文件，需要對這些掃描文件中的三維空間點雲數據信息進行拼合合併
處理等。步驟102，根據上述獲取的三維空間點雲數據信息構建文物的三角格網模型。由於點雲模型實質上是採用大量具有三維坐標的點來描述被測物體的表面形態，是無數個離散點的集合，點與點之間是沒有拓撲關係的，這些點雲之間並沒有構成文物的實際表面，所以要得到文物有拓撲關係的真實表面，有限元算法就是確定兩點之間空間關係的基本算法，常用的建模方法有採用基本格網構造法和三角格網構造法等。本步驟中，採用三角格網構造法構建文物的三角格網模型。所述三角格網模型是一種重要的三維形體表示方法，從大量的點雲數據中重建的三維形體轉化為三角格網模型進行存儲和管理，便於採用不同的方法進行後續處理和分析，便於提取不同實際應用所需要的重要信息。步驟103，對上述三角格網模型進行仿射變換，以將該三角格網模型的中心平移至坐標原點。按照步驟102構建得到的三角格網模型，其表面極其複雜且不規則，為了提高體積計算精度，本步驟中，在對文物體積進行計算之前，還需將模型數據進行預處理，其目的是對原始三角格網模型進行仿射變換以將該模型的中心平移到坐標原點。 本步驟中，首先獲取三角格網模型頂點坐標在X軸、Y軸、Z軸方向上的最小值與最大值，並標記為 Xmin、Xmax，Yrnin' Ymax Zmin、Zmax ;以三維坐標值為xmin、ymin、zmin的點和三維坐標值為xmax、ymax、zmax的點為對角頂點，構建包圍住三角格網模型的 包圍盒，所述包圍盒的中心即為該三角格網模型的中心。之後，將上述確定的三角格網模型的中心平移到坐標原點。在此基礎上再進行體積計算，能夠提高體積計算的精度。步驟104，計算該仿射變換後的三角格網模型中所有三角形與坐標原點構成的四面體的體積的代數和，該代數和即為所述待測文物的體積。對於任一給定的網格模型，只有在它的網格面片圍成有限封閉空間的情況下，求其體積才有意義。在體積計算之前確保模型的每個面片都是三角形，三角形的法向量與三角形的三個頂點編號順序成右手規則，即所有三角形面片的法向一致，均指向體外。本發明中涉及的網格模型就是指這類模型，並且滿足以下條件(I)網格上的每個面片都是平面凸多邊形。(2)網格上的每條邊由且只由2個面片共有並且共用網格上任一頂點的各面片在該頂點處形成的曲面與單位圓拓撲同構。在前述文物三角格網模型構建好並仿射變換後，即可基於該格網模型計算文物體積。如圖2所示，設格網模型中的任意一個三角形的三個頂點為A(Xl，y 1； Z1), B(x2,I2, z2)，C(x3, y3，z3)，則以AABC為底(按逆時針順序排列)，以坐標原點0(0，0，0)為頂點的四面體體積可以表示為如下形式
1J7I ZiVOABc=_ X2 y Z2
6 _
X3 少3 Z 3本發明中，將所述仿射變換後的三角格網模型中的三角形AABC的一個頂點A至坐標原點O方向的單位向量標記為N,將該任意三角形AABC所在平面一側的單位法向量標記為Nab。,所述任意三角形頂點A、B、C按逆時針排列時與N成右手系,則當向量N與向量Nab。的內積大於O時,該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為正數；若向量N與向量Nab。的內積小於O時，則該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為負數。設三角格網模型表面由η個分片三角形所組成，其外側面第i個三角形的三個頂點為Ail (xn, yn, zn), BiUi2, yi2, zi2), Ci (x i3, yi3, zi3),三個頂點的順序按曲面外側逆時針方向排列，則三維模型總體積計算公式可以用如下公式表示
I η
,「=辦
6 /=1其中，Vi為第i個三角形與坐標原點構成的帶符號體積，其正負符號同樣根據原點O和三角形中一頂點構成的向量與三角形的法向量的內積的正負號確定。
本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法中，通過三維掃描儀獲取文物表面的三維空間點雲數據信息，並通過這些點雲數據信息構建三角格網模型，進而基於該三角格網模型採用改進的有向體積法計算文物體積，能夠提高文物體積的測量精度，且整個測量過程操作簡便、速度快、效率高。儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列
運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。
權利要求
1.一種不規則表面文物體積的測量方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟一，獲取待測文物表面三維空間點雲數據信息； 步驟二，根據上述獲取的三維空間點雲數據信息構建文物的三角格網模型； 步驟三，對上述三角格網模型進行仿射變換，以將該三角格網模型的中心平移至坐標原點； 步驟四，計算該仿射變換後的三角格網模型中所有三角形與坐標原點構成的四面體的體積的代數和，該代數和即為所述待測文物的體積。
2.如權利要求I所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟一中，對獲取的三維空間點雲 數據信息中的雜點信息和噪點信息進行剔除。
3.如權利要求I所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟一中，對獲取的三維空間點雲數據信息進行拼合合併。
4.如權利要求I所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟三中，確定三角格網模型中心 的步驟如下 獲取三角格網模型頂點坐標在X軸、Y軸、Z軸方向上的最小值與最大值，並標記為xmin、Xmax，yηι ηΛ ^max，^ηι ηΛ ^max ; 以三維坐標值為xmin、ymin、zmin的點和三維坐標值為xmax、ymax、zmax的點為對角頂點，構建包圍住三角格網模型的包圍盒，所述包圍盒的中心即為該三角格網模型的中心。
5.如權利要求I所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟四中，將所述仿射變換後的三角格網模型中的任意三角形Λ ABC的一個頂點A至坐標原點O方向的單位向量標記為N，將該任意三角形Λ ABC所在平面一側的單位法向量標記為Nabc;,所述任意三角形頂點Α、B、C按逆時針排列時與N成右手系，貝U當向量N與向量Nabc;的內積大於O時，該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為正數；若向量N與向量Nabc的內積小於O時,則該任意三角形與坐標原點構成的四面體的體積為負數。
全文摘要
本發明公開了一種不規則表面文物體積的測量方法，包括如下步驟獲取待測文物表面三維空間點雲數據信息；根據上述獲取的三維空間點雲數據信息構建文物的三角格網模型；對上述三角格網模型進行仿射變換，以將該三角格網模型的中心平移至坐標原點；計算該仿射變換後的三角格網模型中所有三角形與坐標原點構成的四面體的體積的代數和，該代數和即為所述待測文物的體積。本發明所述的不規則表面文物體積的測量方法中，通過三維掃描儀獲取文物表面的三維空間點雲數據信息，並通過這些點雲數據信息構建三角格網模型，進而基於該三角格網模型採用改進的有向體積法計算文物體積，能夠提高文物體積的測量精度，且整個測量過程操作簡便、速度快、效率高。
文檔編號G01B11/00GK102853763SQ201210281270
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者侯妙樂, 吳育華, 胡云崗 申請人:北京建築工程學院