一種獲取文物三維圖形數據的方法
2023-04-26 15:23:16
專利名稱：一種獲取文物三維圖形數據的方法
技術領域：
本發明涉及一種獲取文物圖形信息的方法，尤其涉及一種獲取文物三維圖形數據的方法。
背景技術：
文物記載了人類社會的歷史變遷及風俗文化等內容，對於現代文明的發展具有重大的參考意義。然而，千百年來，由於環境的變遷和人類活動的影響以及重大自然災害的嚴重破壞，使珍貴的古代文物遭受著嚴重的褪化和不斷的損壞。為了有效的保護這些人類的遺產， 人們對破壞嚴重的文物現狀進行有效的量測、評估和分析，並根據結果在不損壞原有文物的前提下，對其進行修復。現有的文物修復調查多採用手工測量和記錄完成，這就存在一些弊端一方面需要接觸文物，會加速文物的損壞；再者，手工測量精度有限；其三在於文物的病害多種多樣，有很多種類的病害依靠手工辦法根本無法進行準確表現量算或定位。
發明內容
本發明針對現有技術的弊端，提供一種基於雷射雷達測量技術獲取文物三維圖形數據的方法，以利於後續的文物病害調查和修復設計等過程。本發明所述的獲取文物三維圖形數據的方法，其步驟包括步驟一，通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、 場景影像數據信息；步驟二，將上述獲取的三維坐標值信息配準並剔除誤差信息，以得到第一勻化數據；步驟三，以第一期勻化數據為例，按照文物量測需要的解析度進行數據重採樣和線性插值(主要以掃描帶間插值為主)，得到插值後的勻化模型數據。步驟四，根據上述插值模型數據按照插值步長或者更長(一般設定為採樣間隔的整數倍)的步長構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的彩色模型；本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法的步驟一中，根據地面雷射雷達兩個連續轉動的用來反射脈衝雷射的鏡子的角度值測到雷射束的水平方向值和豎直方向值，根據脈衝雷射的傳播的時間而計算得到地面雷射雷達到所述掃描點的距離值；根據上述雷射束的水平方向值、豎直方向值、地面雷射雷達到所述掃描點的距離值確定各掃描點的三維坐標值信息。使用地面雷射雷達掃描時，各掃描點所在的不同掃描段之間保持5% 10%的掃描重疊度。使用地面雷射雷達獲取場景影像數據信息時，相鄰攝站之間保持30%的重疊度。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法的步驟二中進一步包括，將不同攝站獲取的同一對象的三維坐標值信息依預定規則歸併到同一個攝站坐標系中。所述預定規則包括取其中一個攝站的三維坐標值信息為最終結果，或者，依兩個攝站的重疊區域數據進行重新採樣。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法的步驟二中，對獲取的三維坐標值信息按設定的採樣間距重新採樣，或者對同質區域進行合併及重採樣以剔除冗餘信息。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法的步驟四中，構建三角網模型時，去除文物邊緣的雜物所對應的數據信息，原始三角網構網步長以重採樣點間距為準，邊界區域根據構網跨度定位0. 2m的極限邊長。構建簡化三角網一般取2到4倍的步長作為構網步長，具體情況依具體對象表面複雜度來確定。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法中，可利用雷射雷達技術無接觸直接獲取文物表面三維數據，可在無損文物的前提下得到文物的真實三維數據，可以獲取包括表面人工切縫、自然裂縫、文物形變等信息，並且在獲取大數據量方面具有絕對的優勢。
附圖1為本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法的簡化流程示意圖。
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。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法中，是應用了雷射雷達技術。地面雷射雷達是一種集成了多種高新技術的新型測繪儀器，採用非接觸式高速雷射測量方式，以點雲的形式獲取地形及複雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數據。儀器主要包括雷射測距系統和雷射掃描系統，同時也集成CCD數字攝影和儀器內部校正等系統。其工作原理是掃描儀對目標發射雷射，根據雷射發射和接收的時間差，計算出相應被測點與掃描儀的距離，再根據水平向和垂直向的步進角距值，即可實時計算出被測點的三維坐標。如圖1所示，本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法，包括如下步驟步驟101，通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、以及場景影像數據信息。本步驟中，根據地面雷射雷達兩個連續轉動的用來反射脈衝雷射的鏡子的角度值測到雷射束的水平方向值和豎直方向值，根據脈衝雷射的傳播的時間而計算得到地面雷射雷達到所述掃描點的距離值；並進而根據上述雷射束的水平方向值、豎直方向值、地面雷射雷達到所述掃描點的距離值確定各掃描點的三維坐標值信息。所述反射強度信息及場景影像數據信息被用作後述給反射點匹配顏色或給模型映射紋理。雷射雷達數據採集主要是用手持雷射掃描儀獲取文物表面數據，這些數據包含文物的正面、背面及側面，掃描的文物尺寸位於3X0. 7m範圍以內，因此掃描過程是將手持掃描儀定位以後逐塊掃描獲得。在上述掃描過程中，需要遵循如下原則1.在進行掃描時，各掃描點所在的不同掃描段之間需保持5 10%重疊度。不同掃描塊在邊界連接處應進行完全重疊掃描以便點雲模型連接。
2.在每一個觀測角度掃描數據應儘量獲取表面數據完整。3.在遇到特徵複雜或損壞嚴重的地方，掃描行間距要適當加密以保證表面數據獲取完整。所述獲取的場景影像數據信息直接反應文物表面病害狀況並反應文物的自然色彩。因此，在獲取場景影像數據信息時，儘量選擇垂直文物表面的角度進行拍攝，並將單張相片相幅設置到相機固定合適的解析度，相鄰場景之間至少保證30%的重疊度。步驟102，將上述獲取的三維坐標值信息剔除誤差信息及冗餘信息，以得到簡化數據。雷射雷達提供的最原始信息即是利用儀器廠家提供的隨機商用軟體獲得的基於儀器坐標系的三維坐標數據，這些原始數據是大量空間的沒有屬性的離散的點陣數據，通常稱之為「點雲」。這些點雲數據包含了大量的粗差和系統誤差，不能直接被使用，此外，所採集的點雲數據包含了大量的冗餘信息，這些冗餘信息加重後續的數據分析負擔，佔用存儲空間及耗費大量的運算時間。鑑於此，必須對這些三維坐標值信息剔除誤差及冗餘信息， 以得到簡化後的數據為後續使用。關於粗差的剔除，如前所述，原始點雲數據包含了大量的粗差、錯誤和無關信息。 這些信息的產生原因是多方面的，如運動目標反射信號(如飛鳥或其他游離在雷射雷達視場內的目標)產生的數據、局部的跳變數據(如低於地面的點)、前景遮擋數據以及無回波信息的局部空洞(如雷射穿透窗戶或照射目標完全吸收了雷射信號等情形)等等。這些粗差、錯誤或無關信息的修正和處理是在交互編輯環境下，交互地實現粗差的剔除、與考察對象無關信息的剔除和系統性遺漏信息的彌補及修正。儘管雷射雷達具有一定的穿透能力，和近景攝影一樣，地面雷射雷達的信息採集仍然存在前景遮擋後景現象。此外，要獲取某對象的三維模型，往往需要環繞該對象設置多站，獲取其不同視角下的點雲數據。地面雷射雷達直接輸出的數據信息是基於該攝站坐標體系的局部坐標數據，為獲得研究對象的整體三維模型，不同視角獲取的點雲數據必須藉助於重疊信息融為一體，即將不同攝站的點雲數據歸併到某一個攝站坐標體系裡去。為此，本步驟102進一步包括了 將不同攝站獲取的同一對象的三維坐標值信息依預定規則歸併到同一個攝站坐標系中。所述預定規則則可包括取其中一個攝站的三維坐標值信息為最終結果，或者，依兩個攝站的重疊區域數據進行重新採樣。地面雷射雷達雖然具有測量精度高、作業效率高和三維建模快等優點，但也存在像非連續覆蓋(基於一定的採樣間距採樣)和數據量巨大等缺點，尤其是它的龐大數據量， 給後期的數據處理、數據傳輸和進一步數據應用造成了較大的障礙。雷射雷達的採樣數據包含了較多的冗餘數據(如構築物的某個立面，只需要有其邊緣信息就足夠了，但雷射雷達仍按設定的採樣間距提供立面邊緣及內部的全部採樣點信息)，這些冗餘信息對模型的建立或模型特徵的提取幾乎沒有幫助。所以，需要剔除獲取的三維坐標值信息中的冗餘信息，以得到簡化數據。本步驟102中，剔除冗餘信息的方法可具體包括一.簡單重採樣。對原始數據集按預定的採樣間距重新採樣(如隔行、隔列採樣)， 這種方法存在明顯的弊端就是冗餘信息和非冗餘信息受到了同等的削弱，丟失了部分有用 fn息ο
二.對同質區域的合併及重採樣。原始數據集內的同質區域(如某建築物的立面)明顯存在巨大的數據冗餘，通過對該區域進行合併，用少量的採樣點(或合成採樣點) 替代原來的眾多採樣數據，以達到數據簡化的目的。這種方法具有明顯的優勢，即數據的重採樣能根據對象的實際情況自適應變化，既達到了數據簡化的目的，又能有效保留有用的特徵信息。步驟103，根據上述簡化數據構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的彩色模型。三角網模型是精確表達空間不規則體的最佳模型，它是一種精確的表面模型，通過成型的三角網可以方便地構建剖面，進行影像校正(紋理映射)、物體表面對比分析和相關的空間量測等。本步驟中，根據勻化後的三維坐標值數據構建三角網模型。在進行三角網模型構建時需要注意如下幾點1)去除文物邊緣的雜物所對應的數據信息；2)構網步長以重採樣點間距為準，邊界區域根據構網跨度定位0. 2米的極限邊長。上述構建得到的三角網模型並不包含紋理信息，不能反映文物的色彩信息，因此， 需要將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，即利用模型與紋理圖像之間的空間對應關係，計算出模型上的每一個點在圖像上所對應的顏色值。紋理映射的過程是將三角網模型與對應照片通過空間投影關係對映融合而生成虛擬彩色模型。經過映射的紋理模型比原始無色彩的三角網模型更容易清晰觀察分析，同時模型本身對相片的幾何投影誤差進行校正之後輸出正射影像能夠按照模型的幾何精度來表現文物表面的各類特徵，這對文物病害調查分析評價具有重要的意義和作用。紋理映射的過程是嚴格按照攝影測量中心投影的方式來將照片與實物模型進行映射計算生成彩色模型的過程。實際映射過程中，由於單張影像像幅有限，而且越是到達相片的邊緣，對象變形愈大，這樣一般邊界信息是不準確的，所以，一般貼圖完成的彩色模型需要修剪一些邊界。一整塊文物一般由三到四塊模型構成，將所有文物模型轉入一個整體坐標系中以後，將模型正射渲染輸出就可以得到真實的，具有一定比例的正射影像，這樣的影像就具有可量測性了。當勻化建網的數據量太大時，可以通過勻化數據構建三角網來進行定向，實際映射模型採用構網步長較大的簡化模型，這樣可以大大減少處理的數據量，加速數據的瀏覽及渲染，同時簡化模型輸出的同樣能夠達到校正效果的正射影像。通過彩色模型的不同角度的渲染，可以得到各樣解析度的正射影像，該正射影像即對應了文物三維圖形數據，該數據可用於後續的文物病害分析。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法中，可利用雷射雷達技術無接觸直接獲取文物表面三維數據，可在無損文物的前提下得到文物的真實三維數據，可以獲取包括表面人工切縫、自然裂縫、文物形變等信息，並且在獲取大數據量方面具有絕對的優勢。本發明的具體步驟是步驟一，通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、 場景影像數據信息；步驟二，將上述獲取的三維坐標值信息剔除誤差信息，以得到第一簡化數據；
步驟三，根據上述第一簡化數據構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的第一彩色模型；步驟四，重複上述步驟一，將步驟一中獲取的三維坐標值信息剔除冗餘信息，以得到第二簡化數據；步驟五，根據上述第二簡化數據構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的第二彩色模型；步驟六，分析第一彩色模型和第二彩色模型，提取其中相同的要素，形成最終彩色模型。又或，本發明提供一種獲取文物三維圖形數據的方法，包括如下步驟步驟一，通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、 場景影像數據信息；步驟二，將上述獲取的三維坐標值信息配準並剔除誤差信息，通過重採樣及線性插值得到第一勻化數據；步驟三，根據上述第一勻化數據，按照文物量測需要的解析度進行數據重採樣和線性插值，得到插值後的勻化模型數據；步驟四，根據上述插值模型數據按照插值步長或者更長的步長構建三角網模型， 並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的彩色模型。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟一中，根據地面雷射雷達兩個連續轉動的用來反射脈衝雷射的鏡子的角度值測到雷射束的水平方向值和豎直方向值，根據脈衝雷射的傳播的時間而計算得到地面雷射雷達到所述掃描點的距離值；根據上述雷射束的水平方向值、豎直方向值、地面雷射雷達到所述掃描點的距離值確定各掃描點的三維坐標值信肩、ο所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟一中，使用地面雷射雷達掃描時，各掃描點所在的不同掃描段之間保持掃描段的長度的5 10%的掃描重疊度。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟一中，使用地面雷射雷達獲取場景影像數據信息時，相鄰場景之間保持30%的重疊度。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟二中進一步包括，將不同攝站獲取的同一對象的三維坐標值信息依預定規則歸併到同一個攝站坐標系中。所述獲取文物三維圖形數據的方法中，所述預定規則包括取其中一個攝站的三維坐標值信息為最終結果，或者，依兩個攝站的重疊區域數據進行重新採樣。所述獲取文物三維圖形數據的方法中，所述步驟二中，對獲取的三維坐標值信息按設定的採樣間距重新採樣，或者對同質區域進行合併及重採樣以剔除冗餘信息。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟三和步驟五中，構建三角網模型時，去除文物邊緣的雜物所對應的數據信息，以及，構網步長以重採樣點間距為準，邊界區域根據構網跨度定位0.2的極限邊長。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟三中，所述線性插值為掃描帶間插值。所述獲取文物三維圖形數據的方法在步驟四中，根據上述插值模型數據按照插值步長或者設定為採樣間隔的整數倍的步長構建三角網模型。
通過將剔出誤差信息和冗餘信息的坐標值信息分別進行彩色模型的繪製，並且最終將兩個彩色模型進行匯總，取其中的相同點，形成最終彩色模型，這樣形成的彩色模型， 具有更高的文物模擬度。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
1.一種獲取文物三維圖形數據的方法，包括如下步驟步驟一，通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、場景影像數據信息；步驟二，將上述獲取的三維坐標值信息配準並剔除誤差及冗餘信息，通過重採樣及線性插值得到第一勻化數據；步驟三，根據上述第一勻化數據，按照文物量測需要的解析度進行數據重採樣和線性插值，得到插值後的勻化模型數據；步驟四，根據上述插值模型數據按照插值步長或者更長的步長構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的彩色模型。
2.如權利要求1所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟一中，根據地面雷射雷達兩個連續轉動的用來反射脈衝雷射的鏡子的角度值測到雷射束的水平方向值和豎直方向值，根據脈衝雷射的傳播的時間而計算得到地面雷射雷達到所述掃描點的距離值；根據上述雷射束的水平方向值、豎直方向值、地面雷射雷達到所述掃描點的距離值確定各掃描點的三維坐標值信息。
3.如權利要求2所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟一中，使用地面雷射雷達掃描時，各掃描點所在的不同掃描段之間保持掃描段的長度的5 10%的掃描重疊度。
4.如權利要求2所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟一中，使用地面雷射雷達獲取場景影像數據信息時，相鄰場景之間保持30%的重疊度。
5.如權利要求1所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟二中進一步包括，將不同攝站獲取的同一對象的三維坐標值信息依預定規則歸併到同一個攝站坐標系中。
6.如權利要求5所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述預定規則包括 取其中一個攝站的三維坐標值信息為最終結果，或者，依兩個攝站的重疊區域數據進行重新採樣。
7.如權利要求1所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟二中，對獲取的三維坐標值信息按設定的採樣間距重新採樣，或者對同質區域進行合併及重採樣以剔 1 幾餘{曰息O
8.如權利要求7所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，所述步驟三和步驟五中，構建三角網模型時，去除文物邊緣的雜物所對應的數據信息，以及，構網步長以重採樣點間距為準，邊界區域根據構網跨度定位0. 2的極限邊長。
9.如權利要求1所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，在步驟三中，所述線性插值為掃描帶間插值。
10.如權利要求1所述獲取文物三維圖形數據的方法，其特徵在於，在步驟四中，根據上述插值模型數據按照插值步長或者設定為採樣間隔的整數倍的步長構建三角網模型。
全文摘要
本發明公開了一種獲取文物三維圖形數據的方法，包括如下步驟通過地面雷射雷達獲取文物各掃描點的三維坐標值信息、反射強度信息、場景影像數據信息；將上述獲取的三維坐標值信息剔除誤差信息及冗餘信息，通過採樣及插值以得到勻化數據；根據上述勻化數據構建三角網模型，並將反射強度信息及場景影像數據信息映射到所述三角網模型，以生成包含文物三維圖形數據信息的彩色模型。本發明所述獲取文物三維圖形數據的方法中，可利用雷射雷達技術無接觸直接獲取文物表面三維數據，可在無損文物的前提下得到文物的真實三維數據，可以獲取包括表面人工切縫、自然裂縫、文物形變等信息，並且在獲取大數據量方面具有絕對的優勢。
文檔編號G06T17/00GK102298793SQ20111023844
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者王國利, 王晏民, 胡春梅, 郭明 申請人:北京建築工程學院