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靖江王陵三维数字化设计与关键技术
2015年11月28日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:周国奎,张帆,张慎满,曾祥忠
    单位:广西壮族自治区地图院
        武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室
        武汉大学遥感学院
        桂林市靖江王陵文物管理处

    摘要: 利用激光扫描、无人机航摄等测绘手段对靖江王陵陵墓遗址建立了三维数字化信息系统,将数字化保护与考古研究有机结合,设计了系统的技术路线,研究了涉及的激光点云球面投影的三角网构网、高保真度纹理映射、多源数据融合的陵墓三维场景建模和文物信息组织与查询等关键技术,采用高真实感仿真和高效信息查询技术可逼真表现文化遗产场景、查询文物信息。通过本文工作建立的靖江王陵三维数字化系统在靖江王陵文化遗产的保护、考古、旅游、文化传播、信息化建设等方面有着重要的意义。

    一、概 述

    数字化是文化遗产保护的重要手段,也是永久保护的唯一途径。将测绘科学、信息科学与考古科学等学科进行综合集成进行文化遗产的数字化复原是一个新兴的多学科交叉研究领域,是保护、修复和传承文化遗产的现代化高科技手段,对传承和弘扬中华文化有十分重要的作用。

    在文物三维数字化保护方面,目前的研究主要集中于精细几何模型重建和高质量纹理重建两个方面。在三维几何模型重建方面,立体视觉技术和激光测量技术使用最为广泛。1999 年,斯坦福大学开展的米开朗基罗计划对意大利文艺复兴时期的雕像进行激光扫描,建立了精度达 0.5 mm 的三维数字化档案[1],在全球掀起了文化 遗产数字化保护热潮[2-3]。在我国,武汉大学[4]、浙江大学[5]、北京建筑大学[6]等多个研究机构也利用激光扫描和立体视觉技术在敦煌、龙门、云冈、大足、故宫、颐和园、兵马俑等多个文物单位进行了三维几何重建方面的工作,取得了一系列重要的理论与实践成果,大力推动了我国文化遗产数字化保护工作。但是,针对大型遗址,结合高精度建模、高真实感展示、高效信息查询等功能于一体的文物数字化系统由于涉及测绘、考古、计算机视觉、计算机图形学等多领域的核心难题,在国内外仍然鲜见。

    靖江王陵是历代靖江王的王陵,位于广西桂林市区七星区东郊尧山西南麓,南北 15 km,东西 7 km,共有王亲藩戚墓葬 300 多座,是现存最大、保存最完好的明代藩王墓群。然而,在自然和人类活动的影响下,靖江王陵的文物正面临加速破坏的风险。

    本文将以靖江王陵为对象,研究对大型文物遗址建立三维数字化系统中涉及的文物精细建模、多源数据融合三维场景重建、文物信息组织与查询等关键技术,设计并实现靖江王陵三维数字化系统,为靖江王陵文化遗产的保护和展示提供科技支撑。

    二、技术路线

    本文将靖江王陵三维数字化系统总体技术路线分解为数据采集、数据处理、数据建库、系统研发4 个层次进行,总体技术路线如图 1 所示。


图 1 靖江王陵三维场景与信息数据库技术路线

    1. 数据采集

    数据采集层次是利用无人机航空摄影方法采集陵墓集中区域及重点保护区域航空立体像对; 利用三维激光扫描和近景拍摄技术获取文物的精细几何与纹理数据。

    2. 数据处理

    对于无人机数据,利用现有的商用软件整体进行光束法区域网平差,解算高精度的航片外方位元素。利用航空测图方法,生产较高精度的 DEM 和分辨率较高的 DOM 产品,严格按照国家测量技术规范及产品标准进行质量控制。

    靖江王陵陵墓遗址包括石刻像、修复的古建筑、建筑遗址及整体陵墓场景等。对于石刻像、建筑遗址等不规则的复杂对象,利用现有的激光扫描商用软件和自主研发的软件,通过人机交互的方式将离散的点云建立具有完好空间拓扑关系的高精度几何模型。并用自主软件 ModelPainter 进行纹理重建。

    对于修复的古建筑对象,采用结合激光扫描、摄影测量等的方式,开发相关算法,并结合三维建模软件进行高精度建模。整体的陵墓遗址场景,采用融合激光扫描、无人机航测等多源数据,同时对细节精细重建和整体高精度空间控制进行建模。
 
    3. 数据建库

    数据库是三维仿真和信息查询的基础,建立的数据库需按应用目的进行优化设计。针对靖江王陵数据及组织结构特点,设计数据存储组织编目方法,并建立文件数据库。

    4. 系统研发与应用

    在三维模型与文物信息数据库支持下,利用成熟的三维仿真渲染引擎,研发适合靖江王陵大型陵墓遗址场景的高真实感仿真系统,并在系统中开发三维信息查询用户界面,研发信息查询系统,并整合形成靖江王陵三维数字化系统。

    三、关键技术

    1. 激光点云球面投影的三角网构网

    地面激光扫描仪是文化遗产三维建模中的常用技术手段。使用地面激光扫描数据构建对象模型时,需要对离散点进行三角化,构成三角网。传统构网方法主要分为两类: 直接法和间接法。直接法可以用真三维 TIN 较真实地描述对象的表面,但是在点密度不均匀或存在噪声的情况下,容易出现表面空洞、面片重叠、法向不一致等构网错误。间接法将复杂的三维问题简化为二维问题,具有较高的效率,但是其结果依赖于 K 邻域大小的选取,而且将三维点集平行投影到平面上也容易导致点与点之间的邻接关系判断错误。而文化遗产数据往往点云数据量大、场景复杂、建模精度要求高。因此,如何快速、正确地构网成为文化遗产三维数字化建模的关键性问题之一。

    本文使用了基于球面投影的点云构网方法[7],利用中心投影的方式将单站激光扫描点云数据投影到一个球面上,在球面上进行构网,保证了点之间的正确连接关系。大致步骤为: 先定义投影球面,将数据点以中心投影的方式投影到球面; 然后构建一个覆盖整个球面的初始球面 Delaunay 三角网; 再将投影到球面上的数据点逐点插入三角网,并用球面局部优化算法( local optimization procedure) 保证生成的三角网符合球面 Delaunay 准则,循环此步骤直到所有的点都被处理; 删除初始三角网的顶点,以及包含这些点的三角形,并局部修复三角网; 最后保持投影点球面的构网关系,将其反投影到数据点原始位置,完成构网。

    2. 高保真度纹理映射

    重建对象表面纹理信息是三维重建的重要内容,但是,激光扫描技术对色彩信息的获取远远比不上其在几何数据获取上的性能。色彩信息需要将数码相机获取的高分辨率照片通过纹理映射技术正确绑定到三维模型表面来表现。高保真度纹理重建是将对象表面各角度高质量的纹理影像映射到对象表面几何模型上,涉及纹理影像与三维几何模型的精确配准、纹理影像的变形处理等一系列难题。本文通过文物复杂表面特性进行研究,提出了基于非刚性变换的纹理影像与三维几何模型的配准方法和利用激光扫描强度的影像与三维模型匹配方法解决这些难题。

    相机镜头的畸变、激光扫描仪器本身的误差,以及处理中不可避免的精度损失,会使得刚性配准后的模型和影像在局部细节上存在偏差。因此,需要采用基于非刚性变换的高精度纹理重建方法进行解决。本文采用了一种基于非刚性变换的纹理映射方法,步骤为: 首先利用直接线性变换进行二维影像与三维模型的初始刚性配准; 再将改进后的薄板样条作为非刚性变换准则对二维影像与三维模型进行非刚性配准,并在非刚性配准基础上将二维影像映射至三维模型,完成纹理映射。本方法基于非刚性变换的纹理映射可使影像与模型在整体和细节上都精确对齐,具有较高的映射精度。

    激光扫描系统能够快速获取目标表面精确而密集的点集,大多数激光扫描系统在测定激光脚点三维坐标的同时,也记录了该激光脚点位置反射信号的强度值。激光数据强度大小与被测对象表面的材质、颜色等因素密切相关,类似于光谱数据,其分辨率相对较低,为单谱段图像,激光扫描数据相当于将被测表面的光谱信息记录在三维空间上。本文充分利用激光扫描的这一技术特点,在纹理影像与三维模型配准中,将激光点云反投影到近似的影像平面,形成强度影像,通过强度影像与纹理影像的配准,解决二维影像与三维几何模型的配准难题。

    3. 多源数据融合的陵墓三维场景建模

    通过激光扫描技术和精细建模方法,可以将石刻像、石台、石阶、柱础等单体对象进行高精度建模,但较难重建陵墓整体地形和整体空间结构; 无人机航空摄影结合高精度的像控点和空三加密技术,生成的 1 ∶ 2000 数字高程模型和 0.1 ~ 0.2 m 分辨率的数字正射影像能很好地表现陵墓整体地形和整理空间结构。因此,重建高精度陵墓三维场景需融合无人机航空摄影与地面三维激光扫描数据进行。

    无人机数据可以完整地获取整个测区的地形地貌数据,而对于表达要求更高的石刻像、墓地遗址等精细特征却无能为力,但可以提供大致位置。激光扫描可以对局部对象进行高精度几何建模,但结果数据是以扫描仪为中心的局部坐标系统中的坐标。

    如何有效地融合两种不同的数据是本文需要解决的关键问题。

    本文通过控制测量,将地面激光扫描数据纳入到无人机坐标系统中以完成两种数据融合的目标,如图 2 所示。


图 2 控制测量与激光扫描示意图

    具体方法可以分为以下几个步骤:

    1) 采用静态基线的 GPS 测量技术,获取测区中导线控制点高精度坐标。

    2) 在测区中均匀布设标靶点,布设规则为保扫描仪每次扫描可观测 4 个及以上的标靶点数量。通过全站仪架站控制点,以碎部测量方式获取标靶点中心坐标,解算后可得世界坐标系中的标靶点坐标。

    3) 用激光扫描仪扫描对象,保证激光扫描仪架站能完整观测到 4 个及以上标靶点。

    4) 激光扫描数据的绝对坐标转换。以单站为例,设观测到标靶点数为 n,n≥4; 观测到的标靶中心点在扫描坐标系中的点坐标集合 s = { pi} ,i = 1,2,…,n; 对应在世界坐标系中的点坐标集合 t = { p’i } ,i = 1,2,…,n。此时,需计算一个旋转矩阵和一个平移矩阵,建立扫描坐标系和世界坐标系的关联,即t =R×s+T式中,R 为 3×3 旋转矩阵; T 为 3×1 平移矩阵。求解以上问题可利用 SVD 分解快速求解 R,T 则为两个坐标系的中心点偏移量。

    通过以上方法,可以将局部的激光扫描数据和区域的无人机扫描数据进行精确配准与融合建模。

    4. 文物信息组织与查询

    文件系统数据库管理具有灵活、可移植性强、速度快等特点,有较强的通用性,对环境依赖程度较低。而且,目前大多数的应用程序对文件数据系统提供了较好的支持,在某种意义上,此特点更加有利于数据转换级的数据共享。同时,文件数据库的复杂程度低,对第三方软件或产品的依赖程度低,降低了系统的耦合性,便于系统维护与集成。因此,本文确定利用文件系统数据库来组织与管理数据。

    如图 3 所示,靖江王陵文物信息数据库系统的建立以文件夹为单位,采用树状结构进行组织管理,并进行统一编码组织,为文物信息查询提供基础。


图3 靖江王陵文物信息数据库组织结构与编码

    在数据组织完成的基础上,文物信息查询通过正表达式组合完成。

    四、系统实现

    在关键问题研究的基础上,本文基于 Unreal 3D三维渲染引擎进行优化和人机交互设计,实现了靖江王陵三维数字化系统的各项功能。

    靖江王陵三维数字化系统的截图如图 4—图 9所示。其中,图 4 为系统主界面,图 5 为文物信息查询结果界面,图 6 为各陵墓的三维空间分布图,图 7、图 8 和图 9 为陵墓三维仿真场景。


图4 靖江王陵三维数字化系统主界面       图5 文物信息查询结果

   除如图所示的渲染真实感外,本文实现的靖江王陵三维数字化系统拥有较高的渲染效率,如图 9 所示的第三代靖江王庄简王陵场景( 包含模型数量为 1302 个,包含约 486 万个三角形和多边形面片及 1686 张纹理贴图) ,在主要配置为 CPU/3.07 GHz 的 i3、内存 8 GB、显卡 650 Ti 的台式机上,平均渲染效率为 35 帧/ s,可以达到实时渲染的要求( 普通的视频的帧率是 24 帧/ s) 。


    图6 各陵墓的三维空间分布   图7 虚拟场景: 第九代康僖王陵石刻仪仗


图 8 三维场景: 第九代康僖王陵全景 图 9 三维场景: 第三代庄简王陵神道、金水桥、石刻仪仗等

    五、结论与展望

    本文利用激光扫描、无人机航摄等测绘手段对陵墓遗址建立三维数字化信息系统,将数字化保护与考古研究有机结合,并采用高真实感仿真和高效信息查询技术,逼真表现文化遗产场景、查询文物信息。通过本文工作建立的靖江王陵三维数字化系统在靖江王陵文化遗产的保护、考古、旅游、文化传播、信息化建设等方面有着重要的意义。

    目前靖江王陵三维数字化系统的建设还只是处在文物数字化系统的初级阶段,在本系统框架基础上,可以从多个方向和领域进行拓展:

    1) 结合考古工作流程,为数字化考古提供技术支持。将紧密结合考古工作流程的需求,为对考古方案辅助决策、考古发掘现场的三维记录和展示、考古报告的辅助生成提供技术手段,为数字化考古提供技术支撑。

    2) 考古发掘过程的三维记录与展示。利用本文的关键技术,全方位、高精度、三维数字化记录古发掘过程,并通过本系统平台动态展示,为考古发掘提供科学的全新视角。

    3) 陵墓遗址的虚拟修复。在陵墓现状的三维模型基础上,结合明代王陵建筑法式和考古资料的研究,对靖江王陵的陵墓进行虚拟修复,动态演绎靖江王陵的修建历史和毁损过程。

    4) 更全面的陵区三维场景建设。继续推动陵区三维仿真场景的建设,为靖江王陵的全部遗址建立高精度和高逼真度的三维虚拟场景。

    5) 地理陵区监测。通过无人机航摄技术,定期对陵区的私坟、建筑情况进行检测,并导入三维数字化系统,建立时空数据库,更加科学严谨地对陵区进行保护。

    6) 环幕或球幕三维展示。通过本文的基础数据与三维仿真技术,结合 3D 投影技术,在大型球幕或环幕上展示靖江王陵的现状与历史,使观众获得沉浸感和融入感,让观众能更清晰和直接地了解到靖江王陵相关信息。

    7) 基于移动终端或触摸屏的漫游与查询。将靖江王陵三维数字化系统扩展至移动终端或触屏终端上,使用户通过互联网或移动互联网更方便地了解靖江王陵的信息和更个性化的景区导览。

    参考文献:

   [1] LEVOY M,PULLI K,CURLESS B,et al. The Digital Michelangelo Project: 3D Scanning of Large Statues[C]∥ Proceedings of ACM SIGGRAPH 2000 Conference.New Orleans: [s.n.],2000.

   [2] IKEUCHI K.The Great Buddha Project: Digitally Archiving,Restoring,and Analyzing Cultural Heritage Objects[J].Int J Comput Vision,2007,75( 1) : 189-208.

   [3] ARBACE L. Innovative Uses of 3D Digital Technologies to Assist the Restoration of a Fragmented Terracotta Statue[J].Journal of Cultural Heritage,2012,14( 4) : 332-345.

   [4] 黄先锋,张帆,方伟,等. 基于多元数据融合的莫高窟三维重建研究[C]∥第一届全国激光雷达对地观测高级学术研讨会论文集.北京: 中国科学院,2010.

   [5] 刘刚,张俊,刁常宇.敦煌莫高窟石窟三维数字化技术研究[J].敦煌研究,2005( 4) : 104-109.

   [6] 吴海毓.三维激光扫描技术在古建数字化保护中的应用[D].北京: 北京建筑工程学院,2008.

   [7] 张帆,黄先锋,李德仁.基于球面投影的单站地面激光扫描点云构网方法[J].测绘学报,2009,38( 1) : 48-54.
   
标签:靖江王陵扫描无人机数字化
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