基于三维激光扫描仪的古建筑虚拟现实技术研究

2020-06-15方伟黄河朱圣元机械工业勘察设计研究院有限公司陕西西安710034

安徽建筑 2020年5期

方伟，黄河，朱圣元（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710034）

0 前言

由于社会经济的不断变革以及各种环境及人为因素的影响，许多文物古迹都遭受到各种程度的毁坏，甚至是直接消失，因此，为了让这些文物古迹长久留存下去，加强对文物古迹的保护已经变得刻不容缓。而相对于传统的文物保护工作，三维激光扫描作为一种新出现的技术为其提供了新的工作方式[1,2]。在2015年，Emmanual等人利用激光扫描技术采集一运河桥隧道结构点云数据，并由此建立了隧道完整的三维模型[3]。国内在三峡大坝的修建过程中，发现了一些遗迹和很多出土文物，为了保护好这些珍贵财产，当时人们便采用三维激光扫描技术对这些东西进行扫描，获取数字数据，并进行了三维重建[4]；又比如重庆的大足石刻，文物局为了实现更好的保护和管理，便获取了其完整的三维点云数据[5]；另外清华大学使用三维激光扫描仪对圆明园碧澜桥的残余部分进行扫描，并借助计算机技术进行复原，得到完整的数字模型[6]。

本文介绍了三维激光扫描技术的原理以及该技术所具备的一些优势。在此基础上获取了宿州市埇桥区褚兰镇夏疃村九女坟表面的点云数据，并对其进行了三维重建以及纹理映射的研究。此次研究内容是基于九女坟数字化考古项目的进一步探讨，原有数字成果文件存有瑕疵，最终经纹理映射后的模型表面与纹理图像匹配不理想，因此此次研究需对此进行优化。

1 三维激光扫描技术

1.1 工作原理

传统的全站仪是单点测量模式，其工作时由人工寻找目标，每次只能获取一个目标点坐标。三维激光扫描仪则相当于一个高速测量的全站仪系统，基于激光测距技术和自动控制系统的结合，能快速的测量物体表面的点，而这些点的集合称为点云。

激光测距技术的原理[7]主要有脉冲测距法、相位测距法、激光三角法和脉冲-相位式测距法4种。如今所使用的三维激光扫描仪一般采用的是脉冲测距法。

1.1.1 脉冲测距法

基于脉冲测距原理的扫描仪通过激光发射器发射脉冲光源，经旋转棱镜射向目标，并记录下反射信号，然后测定激光的往返时间间隔t，根据空气中的光速c便可以间接计算出待测目标点与仪器间的距离S，可由公式（1）计算：

脉冲测距可达到千米以上的测距半径，对于超长距离的测量具有显著优势，测量精度主要受激光脉冲的上升沿、接收通道带宽和时间间隔的精确度限制，可达米数量级。

1.1.2 相位测距法

相位测距使用的是无线电波段的频率，通过对激光束进行振幅调制并测定调制光在目标对象与仪器间往返一次所产生的相位差，再根据调制光的波长，便可间接计算出距离S。可由公式（2）计算：

基于相位测距的扫描仪采用连续光源，所以其功率一般比较低，测量的范围因此也较小，通常在百米以内。测量精度主要受调制频率和相位测定精度影响，增大信号的调制频率可以提高精度，而相应的测量距离会缩短，所以在不影响测量范围的基础上要提高测量的精度，一般设置两种以上的调制频率。相位测距的精度可以达到毫米数量级。

1.1.3 激光三角法

激光三角测距是根据三角形的几何关系来解算距离。扫描仪发射的激光射向物体表面，其反射信号被CCD相机接收，并记录入射光和反射光之间的夹角，又因为已知发射器和CCD相机之间基线长度，这样就构成一个三角几何关系，可以计算出目标对象的距离。其几何图示如图1。

图1 激光三角测距原理

为保证扫描信息的完整性，扫描仪的范围一般在几十米以内，主要应用在工业测量和逆向工程重建中，其测量精度可达亚毫米数量级。

1.1.4 脉冲-相位式测距法

脉冲测距和相位测距的结合就产生新的脉冲-相位式测距法，这种方法依靠脉冲测距完成对距离的粗侧，在利用相位测距完成精测。

1.2 技术优势

三维激光扫描技术获取的则是三维空间信息，包括点的三维坐标、古建筑的纹理信息以及其所有的结构、细节乃至材质信息[8]。同时，相对于传统技术，三维激光扫描技术的效率和适用性更强。现如今的三维激光扫描设备可达到每秒100万点的扫描速度，可以在几小时内获得大量点云数据的坐标信息，同时这些数据不会存在误差累积，大大提高了古建筑的测量精度。在对数据进行处理的时候，可以进行拼接和分块操作，因此可以同时处理多个特征模块，降低了对计算机的硬件要求并提高了效率。由于三维激光扫描设备采用自身携带光源，并能够做到“所见即所得”的效果，所以可以承接很多复杂环境下的工作。

2.3.7 米索硝唑pH敏感脂质体中主成分的含量测定取“2.1”项下米索硝唑pH敏感脂质体适量，按“2.2.4”项下方法制备经预处理的米索硝唑pH敏感脂质体溶液。以甲醇为空白，于322 nm波长处测定吸光度并计算含量。平行测定3次。结果，3次测得的米索硝唑含量分别为99.86%、100.16%、100.32%（RSD＝0.56）。

2 基于点云数据的三维重建

2.1 Geomagic Studio软件简介

Geomagic Studio是由Geomagic公司开发的一件产品，是一个被广泛应用的逆向工程软件，用户可以从点云数据中创建多边形网格、NURBS曲面和CAD模型。Geomagic Studio软件的主要功能如下：

①点云数据的预处理，包括去噪、简化、采样等；

②可以直接将散乱的点云数据转换为多边形对象（Polygons）；

③多边形阶段处理，包括删除钉状物、修补孔洞、锐化编辑等；

④将多边形转换为NURBS曲面，并提供了多种实现方式；

⑤纹理贴图；

2.2 研究数据

图2 九女坟封装模型

此次研究数据为九女坟的网格模型。九女坟位于宿州市墉桥区褚兰镇夏疃村墓山孜北坡，是一座东汉晚期的画像石墓，其墓室由双甬道、双后室、横前室和一个耳室组成，1961年公布为安徽省省级文物保护单位。

2.3 数据处理

通过Geom agic Studio软件对模型进行了进一步处理。对模型局部，利用填充孔、去除特征、砂纸、偏移等命令对模型进行精细修复；对于模型整体，利用重划网格、优化、增强网格、松弛和光顺等命令使多边形网格更平滑而保持曲率特征；并采用网格医生修复网格还存在的缺陷。多边形阶段的处理不是一蹴而就的，需反复交叉处理并加以比较以得出最优效果。针对处理好的的多边形模型进行分块，并利用3DMAX软件进行纹理映射，以获取更具真实感的模型。

古建筑表面都会有色彩、纹路以及其自身的几何细节等纹理信息，而根据点云数据建立的三维模型是没有纹理特征的，所以真实感就比较差，这样在虚拟展示时用户的体验感便会大大降低。为了建立更逼真的模型，需获取古建筑的纹理数据，并通过纹理映射将其附着在模型上。

纹理映射是真实感建模的关键，这是将二维的平面图像映射到三维模型表面的一项技术，其本质是建立二维纹理图像点坐标（u，v）和目标三维模型表面点坐标（x，y，z）的一一对应关系[9]。

此次研究中，通过3D MAX软件进行纹理映射。因为所使用的每张纹理正射影像只是古建筑的一部分，所以在纹理映射之前，需在Geomagic Studio中将已建好的三维模型切片。通过“新对象”命令，将所选择的区域转为对象，并保存下来，保存时为使能在3D MAX打开，将文件格式设置为.obj格式。切片的选择范围需由正射影像决定。将一块模型的切片导入3DMAX中，在软件里会有4个窗口分别显示对象的三视图和透视图，按住Alt+W将，将透视图最大化视口显示，并将对象大致调平，利用“材质编辑器”选择对应的正射影像图，使用UVW贴图可以移动贴图位置并修改参数，以使得正射影像与对象更好地契合，通过纹理映射后，贴图前后对比如图3所示，九女坟整体贴图效果如图4所示。

本次研究是对已有九女坟模型进行优化，通过对比可以发现，模型各处细节都得到了很大改善。如图5所示，此处墙体有1处凹陷的缝隙，而周围是一个平面，在旧的模型中，凹陷处边界以及周围平面都可以看到稀疏的三角面片，拟合效果较差，经过此次优化后，这些问题得以解决。

在图6中，可以看出这是一面由砖块堆筑的墙壁，因为其表面的各种凹凸，使得其封装的模型存在重叠的三角形，而旧的模型没有对此进行完善的修复，导致贴图后依然能看到这些三角片，在新的模型中，这种情况已被修复；

图3 贴图前后对比

图4 整体贴图效果

在图7中，这是一处墙角，由于是两个平面的交界处，在分别进行贴图后，其连接处不能得到很好的结合，所以此次贴图时便对其进行改正，在新的模型中有了很大改善。

3 结论

通过一系列的处理，可以发现优化后的模型较原模型效果有了很大改进。原有模型表面三角面片的稀疏程度不合理并且相互偏移较大，致使模型表面不平滑；在模型转折边界处，因曲率拟合的较差，致使边界可见三角面片；同时模型部分区域还存在重叠三角形以及纹理映射的图片边界处模糊。这些问题在此次研究中都得到了优化，模型真实感增强，达到了此次研究目的。