激光掃描與近景攝影測(cè)量結(jié)合的小型館藏文物三維重建

1、武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺中心 http:/ Reconstruction Of Small-sized Cultural Relics Based On Laser Scanning And Close-Range Photogrammetry 季錚 張劍清 鄭順義 孫明偉主要內(nèi)容:n概述n數(shù)字文物制作之?dāng)?shù)據(jù)采集n攝像機(jī)標(biāo)定n三類重建方法l 激光點(diǎn)云結(jié)合數(shù)碼影像的重建方法-編鐘l 基于離散點(diǎn)的攝影測(cè)量重建-鄖縣人頭骨l 基于幾何模型的攝影測(cè)量重建 -青花梅瓶概述n重建對(duì)象:單個(gè)物體尺寸相對(duì)較小,(0.1米100米)已有的制作經(jīng)驗(yàn): 文物,遺址,座椅,飛機(jī),n敦煌石窟佛

2、像的多分辨敦煌石窟佛像的多分辨率三維重建模型率三維重建模型 n故宮太和殿三維激光掃故宮太和殿三維激光掃描建模描建模 n大衛(wèi)雕像的三維數(shù)字化大衛(wèi)雕像的三維數(shù)字化 文物的數(shù)字三維模型制作，是將文物標(biāo)本資源數(shù)字化、信息傳播網(wǎng)絡(luò)化和觀賞瀏覽公眾化的一個(gè)重要部分。國(guó)內(nèi)外博物館： 博物館的數(shù)量：博物館總數(shù)達(dá)五萬多座，其中一半以上是20世紀(jì)50年代以后建立的。當(dāng)代博物館發(fā)展最快的是歐洲，北美和大洋洲地區(qū)。美 國(guó)：約8000個(gè) 英 國(guó)：約2500個(gè)德 國(guó)：約4680個(gè) 法 國(guó)：約1500個(gè)意大利：約3442個(gè) 加拿大：約1400個(gè)澳大利亞：約1900個(gè) 日 本：約3700個(gè)中國(guó)大陸地區(qū)：約個(gè)博物館近景三維重建

3、的“非常規(guī)”航空航空攝影的重建近景近景攝影的重建帶來的問題攝影方式、特點(diǎn)距離遠(yuǎn)，拍攝較規(guī)范，能形成規(guī)范的航帶距離近，拍攝條件受現(xiàn)場(chǎng)限制，拍攝方式變化較多初始值的確定變形大目標(biāo)種類相對(duì)固定：地形、建筑、道路、居民地等較多：城區(qū)建筑、室內(nèi)物體、各種設(shè)備、設(shè)施等需要對(duì)更多的不同目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分表達(dá)方式DEM、正射影像，矢量圖(2.5D)全三維的表達(dá)更多的模型表達(dá)方式場(chǎng)景性質(zhì)表面較連續(xù)，紋理性質(zhì)比較固定深度變化大，物體形狀多樣，紋理差異大表面連續(xù)性假設(shè)不成立，特征顯著性難以保證航空、衛(wèi)星遙感影像航空、衛(wèi)星遙感影像近景目標(biāo)近景目標(biāo)DEMDEM+正射影像正射影像建筑模型建筑模型飛機(jī)模型飛機(jī)模型 元代青花梅瓶

4、曾侯乙編鐘組（其中一個(gè)中等大小的編鐘）鄖縣人頭骨化石越王勾踐劍 數(shù)字文物制作之?dāng)?shù)據(jù)采集主要包括激光掃描儀、高分辨率數(shù)碼像機(jī)、平面格網(wǎng)板、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)五個(gè)部分。Canon EOS 5D數(shù)碼柯尼卡美能達(dá)的VIVID910激光掃描儀十字絲標(biāo)記 格網(wǎng)間距是30mm雙圓的標(biāo)記 格網(wǎng)間距50mm數(shù)據(jù)獲取：l激光掃描 l控制攝影l(fā)一般攝影 掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于標(biāo)定影像控制攝影基于二維直接線性變換和光束法平差的攝像機(jī)高精度標(biāo)定算法基于二維直接線性變換和光束法平差的攝像機(jī)高精度標(biāo)定算法 張永軍張永軍 20022002 118765487321YhXhhYhXhyYhXhhYhXhx格網(wǎng)點(diǎn)提取(十字絲或圓心)格

5、網(wǎng)點(diǎn)空間坐標(biāo)計(jì)算二維DLT參數(shù)匹配格網(wǎng)點(diǎn)分解外方位元素光束法平差求解主點(diǎn)和焦距激光點(diǎn)云結(jié)合數(shù)碼影像的重建方法編鐘的三維重建 技術(shù)路線圖編鐘制作(典型的典型的 激光掃描激光掃描+紋理映射紋理映射 方法方法)n數(shù)據(jù)采集 53片拼接軟件：掃描自帶軟件PET (Polygon Edit Tool)拼接后存在 “洞”三角網(wǎng)編輯：三角網(wǎng)編輯：Polyworks,Geomagic等等修補(bǔ)后經(jīng)過點(diǎn)云與影像的點(diǎn)云與影像套合n瓶、頭骨、劍的掃描結(jié)果與問題梅瓶 掃描數(shù)據(jù)頭骨掃描數(shù)據(jù)底部復(fù)雜凸凹處，數(shù)據(jù)散亂，修補(bǔ)工作量大！勾踐劍掃描數(shù)據(jù)基于離散點(diǎn)的攝影測(cè)量重建 -鄖縣人頭骨的重建 面片邊界與整體三角網(wǎng) n頭骨的三維模

6、型由頭骨的三維模型由27863個(gè)點(diǎn)組成，分個(gè)點(diǎn)組成，分48個(gè)特征三個(gè)特征三角網(wǎng)進(jìn)行拼接，整體三角網(wǎng)中共包含角網(wǎng)進(jìn)行拼接，整體三角網(wǎng)中共包含52316個(gè)三角個(gè)三角形。形。 頭骨的模型精度表頭骨的模型精度表觀測(cè)值中誤差（mm）平均深度（mm）平面相對(duì)精度高程相對(duì)精度頭骨上部0.00571100.541/107161/10146頭骨下部0.00641107.351/108271/10302基于幾何模型的攝影測(cè)量重建青花梅瓶的重建 對(duì)于參數(shù)幾何模型需要求解兩類參數(shù)；n1) 位姿參數(shù)(空間方位)n2) 模型的幾何造型參數(shù)(形體參數(shù))； 廣義柱體模型廣義柱體模型 (積分模型積分模型) )廣義柱體模型(也稱

7、掃掠表示法)，它由一條作為軸線的空間曲線，一個(gè)二維截面圖和定義截面如何沿軸線運(yùn)動(dòng)的表示方法。理論上任意物體都可以表示成截面的運(yùn)動(dòng)模型。一般要求截面變化是連續(xù)的，截面運(yùn)動(dòng)也是有一定規(guī)則的，才比較適合用該模型。xyzri, zixyzx0 x1P0P1P2P3P4PnP0P1P2P3P4Pn圓截面矩形截面多邊形截面參數(shù)：各個(gè)截面的半徑,，截面間距；可以衍生的幾何體：圓柱、圓臺(tái)、圓錐；參數(shù)：矩形截面(長(zhǎng)、寬)，截面距離、截平面方向偏移距離便于構(gòu)造單方向的曲線造型 參數(shù)：基準(zhǔn)截面多邊形(P0，Pn)， 截面間距衍生的幾何體：直棱臺(tái)、直棱柱等 n梅瓶由一組平行的空間圓截面構(gòu)成，在影像上的輪梅瓶由一組平行

8、的空間圓截面構(gòu)成，在影像上的輪廓點(diǎn)為對(duì)應(yīng)視線與空間圓截面的切點(diǎn)。廓點(diǎn)為對(duì)應(yīng)視線與空間圓截面的切點(diǎn)。n根據(jù)多張影像上提取的梅瓶邊緣輪廓，利用共線方根據(jù)多張影像上提取的梅瓶邊緣輪廓，利用共線方程最小二乘平差可求得每個(gè)空間圓截面的位置和形程最小二乘平差可求得每個(gè)空間圓截面的位置和形狀參數(shù)。狀參數(shù)。利用輪廓線重建圓截面體利用輪廓線重建圓截面體n假定梅瓶的橫截面為圓形，空間圓的參數(shù)方程可假定梅瓶的橫截面為圓形，空間圓的參數(shù)方程可表示為表示為: (旋轉(zhuǎn)軸方向已知旋轉(zhuǎn)軸方向已知:Z 軸軸)n視線與空間圓相切，切點(diǎn)為視線與空間圓相切，切點(diǎn)為A、C，坐標(biāo)可分別表，坐標(biāo)可分別表示為：示為：A ， C 000cos

9、sinXXRYYRZZ01010cos,sin,XRYRZ02020cos,sin,XRYRZ未知數(shù)：每個(gè)圓截面的圓心(X0,Y0)和半徑Rn給定空間截面的高程積分步長(zhǎng)，即截面之間的間距，給定空間截面的高程積分步長(zhǎng)，即截面之間的間距，以及截面的高度范圍，則所有截面參數(shù)可以通過多以及截面的高度范圍，則所有截面參數(shù)可以通過多張影像上提取的輪廓，自動(dòng)迭代解算出來。張影像上提取的輪廓，自動(dòng)迭代解算出來。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 n當(dāng)截面高度的積分步長(zhǎng)為當(dāng)截面高度的積分步長(zhǎng)為2mm時(shí)，整個(gè)模型由時(shí)，整個(gè)模型由189個(gè)空間截面組成，解算得到的截面參數(shù)部分個(gè)空間截面組成，解算得到的截面參數(shù)部分如表。如表。積分步長(zhǎng)為積分步長(zhǎng)為2mm的空間圓截面參數(shù)表的空間圓截面參數(shù)表梅瓶-自動(dòng)紋理映射 展開圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 梅瓶的控制點(diǎn)誤差梅瓶的控制點(diǎn)誤差最大誤差(mm)中誤差(mm) 平面中誤差(mm)深度中誤差(mm)X0.66 5Y0.880.13Z-0.650.15梅瓶的模型精度表梅瓶的模型精度表觀測(cè)值中誤差（mm）平均深度（mm）平面相對(duì)精度深度相對(duì)精度0.00381547.201/83891/10579n已經(jīng)進(jìn)入湖北省博物館展廳的數(shù)字文物展臺(tái)總結(jié)與展望總結(jié)與展望n結(jié)合參數(shù)幾何模型的約束條件在重建的