三維物體數(shù)字化及可視化技術在考古學中的應用畢設論文

1、.PAGE 1：公開NANCHANGUNIVERSITY 學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR20212021年題 目三維物體數(shù)字化與可視化技術在考古學中的應用學 院：機電工程系： 機械工程 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化班 級： 機制094班 學 號： 5901109182學生：科指導教師：吳祿慎教授 起訖日期：*大學學士學位論文原創(chuàng)性申明本人重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進展研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對本文的研究作出重要奉獻的個人和集體，均已在文中以明確方式說明。本人完全意

2、識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名：日期：學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保存、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保存并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本論文的全部或局部容編入有關數(shù)據(jù)庫進展檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。，在年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不。請在以上相應方框打“作者簽名：日期：導師簽名：日期：.1三維物體數(shù)字化與可視化技術在考古學中的應用專業(yè)：機械設計制造及其自動化 *：5901109182： 科 指導教師：吳祿慎摘要古代文物是人類文明與智慧的結晶, 歷史悠久的人類文化遺

3、產(chǎn)的保護、修復和重建是一項艱辛復雜的系統(tǒng)工程。隨著信息化技術在考古學及文物保護領域中應用的深入，三維物體數(shù)字化及可視化技術在考古和文物保護領域的應用具有重大的現(xiàn)實和歷史意義,能夠真實記錄考古文物數(shù)據(jù)，有利于文物的復原。本文通過研究三維物體數(shù)字化及可視化技術在考古學中的應用，學習并掌握三維物體數(shù)字化及可視化技術在考古學中所涉及的關鍵技術，學習并掌握使用投影法快速、準確獲取文物外表各種數(shù)據(jù)的方法、經(jīng)過逆向工程軟件Geomagic的點云預處理和曲面重構的方法等等。繼而通過研究獲得的數(shù)據(jù)模型到達文物成型和文物復制的目的。關鍵詞：考古文物、三維物體數(shù)字化、投影法、點云處理、.1Application o

4、f 3D digitization and visualization technology in archaeologyAbstractAncient artifacts are crystallization of human civilization and wisdom, has a long history of human cultural heritage protection, restoration and reconstruction is anarduous and plicated system engineering. With the application of

5、information technology in the field of Archaeology and cultural relics protection continuously, 3D digitization and visualization technology is of great practical and historical significance in the application of archaeological and cultural relics protection field, can the real record of archaeologi

6、cal data, reduction in favor of cultural relics.In this paper, through the application of 3D digitization and visualization technology in archaeology, key technology study and master the 3D digitization and visualization techniques involved in archaeology, learning and mastering the use of projectio

7、n method is rapid, accurate method for obtaining, various surface relics data through the reverse engineering software Geomagic point cloud pre-processing and surface reconstruction method etc. The data model and then through the study of cultural relics and artifacts acquired forming the purpose of

8、 reproduction.Key Words: Cultural relics and Archaeology，Three-dimensional digital，method of projection，Point cloud processing.1目錄摘要.Abstract.第一章 緒論.11.1、選題的依據(jù)及意義.11.2、國外研究現(xiàn)狀及開展趨勢.11.3、主要研究容.3第二章 三維數(shù)據(jù)測量.52.1、三維數(shù)據(jù)測量簡介.52.2、投影柵相位法的根本原理.52.3、測量設備介紹.7第三章 實驗.93.1、實驗介紹.93.2、儀器系統(tǒng)的標定.93.3、文物杯點云數(shù)據(jù)的獲取.13第四章 點

9、云預處理144.1、點云預處理的原因144.2、點云除噪154.3、點云刪除164.4、點云拼接17第五章 自由曲面重構185.1、曲面重構簡介285.2、點階段205.3、多邊形階段215.4、曲面階段24第六章 總結與展望276.1、總結276.2、展望27參考文獻28致29.1第一章緒論11、選題的依據(jù)及意義選題的依據(jù)三維數(shù)字建模技術是近年來開展起來的一項高新技術，它通過高速激光掃描測量的方法，以被測對象的采樣點、離散點集合稱之為“點云的形式獲取物體或地形外表的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)?？梢钥焖?、大量的采集空間點位信息，為快速、準確地獲取物體的三維信息，并進而建立起科學準確的數(shù)據(jù)模型提供了一種

10、全新的技術手段。正是基于這些優(yōu)點，近年來，在文物考古領域也開展了一系列三維數(shù)字建模技術應用實踐工作，如故宮博物院正在開展的古建筑數(shù)字建模工程，龍門石窟研究院利用三維技術建立的數(shù)字檔案。這些實踐工作為三維數(shù)字建模技術在文物考古領域的進一步深入開展都是有益的探索和實踐。引入三維數(shù)字建模技術，對考古遺址的相關信息進展同步采集和處理，并進而建立數(shù)字模型，不僅可以滿足考古開掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的要求，同時也為后期研究、保護、考古資源管理、公眾教育奠定了重要的根底。選題的意義三維物體數(shù)字化技術與可視化技術在考古學中的應用，不僅能夠準確獲取文物遺址的各類信息，而且與其他信息技術相結合可以拓展考

11、古遺址三維數(shù)字模型的應用圍，如文物遺址的數(shù)字化存儲、測繪、文物修復、考古現(xiàn)場及遺址中的文物管理與監(jiān)測以及虛擬研究和展示等方面的應用。妥善而永久地保存文物遺址信息是文物考古工作的根本需求，三維數(shù)字建模技術提供的文物數(shù)字化存儲，是當前滿足這一需求的最正確手段。通過三維數(shù)字建模技術可以建立高精度的文物遺址數(shù)字模型，包括外部幾何信息、構造信息以及局部細節(jié)信息，還可以為文物的數(shù)字測繪、輔助修復、管理以及虛擬現(xiàn)實等拓展應用提供最根底的支撐。1.2、國外研究現(xiàn)狀及開展趨勢關于考古信息技術研究的進展1.全球定位系統(tǒng)與電子全站2.儀測繪數(shù)字攝影測量與三維激光掃描3.儀遙感考古4.考古地理信息系統(tǒng)gis5.空間信

12、息可視化與虛擬6.現(xiàn)實空間信息可視化與虛擬現(xiàn)實從目前開展狀況看,考古數(shù)字化工程存在以下問題:利用大型計算機實時描繪虛擬現(xiàn)實圖像, 設備昂貴,場地限制大;模型數(shù)據(jù)的大量簡化和全景照片的使用可以滿足普通硬件的需求, 但場景的逼真度和沉浸感較差;目前互聯(lián)網(wǎng)提供的展示功能, 缺乏三維沉浸感和交互性;模型數(shù)據(jù)僅具有展示功能, 難以滿足維修重建的工程技術參考需要目前，國外對此類工作的相關研究多集中在古建筑的測繪號恢復方法上，并且由于測量對象有限，尚無系統(tǒng)的工作方法與規(guī)。HSternberg等使用三維激光掃描技術對漢堡市政大廳的Kaisersaal和Grober Festsaal兩個有著悠久歷史的大廳進展了

13、三維掃描并建立了模型；CAhuntas使用三維激光掃描技術為Konya考古博物館進展了測量和建模，用彩色和灰度模式可視化了由點云生成的外表模型 ；國清華大學使用三維激光掃描儀對陵川縣西溪二仙廟的局部建筑和的佛光寺東大殿進展了掃描，繪制出了梁架平面、剖面理想圖，并與現(xiàn)狀點云作比，從而得出量化的殘損變形評估閏。近幾年，3維激光掃描技術和CCD成像技術在大遺址數(shù)字化中發(fā)揮重要作用，相關技術不斷報道。以三星堆遺址的一號祭祀坑為例，采用RieglLMSZ420i 3維激光掃描儀和尼康D100數(shù)碼相機分別獲取幾何點云數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)，并通過PolyWorks軟件實現(xiàn)多站點點云數(shù)據(jù)配準與3維建模，給出從數(shù)據(jù)采

14、集、數(shù)據(jù)加工到模型建立大遺址數(shù)字化的合理工藝流程。以省市的國家級重點保護文物“鐵塔為研究對象為例，以古建筑的數(shù)據(jù)采集與處理、三維模型重建、數(shù)據(jù)庫建立、系統(tǒng)設計為主要研究容，初步設計了基于三維激光掃描技術、GIS技術和虛擬現(xiàn)實技術的古建筑數(shù)字化保護系統(tǒng)。即通過數(shù)據(jù)與方法的集成，建立基于三維激光掃描儀等現(xiàn)代信息技術條件下的古建筑數(shù)字化保護系統(tǒng)；通過整理、挖掘相關歷史文檔資料，形成古建筑屬性數(shù)據(jù)庫；通過GIS技術與虛擬現(xiàn)實等技術的整合，對數(shù)字化建筑構成要素進展準確分析，建立古建筑空間數(shù)據(jù)庫。 投影攝像系統(tǒng)的整體缺陷Inspeck構造光成像系統(tǒng)是由機械光柵、單一光譜組成的。一般而言，光柵越密，精度越高

15、，但高密光柵對加工工藝的要求近乎苛刻。另一方面，由于使用單光譜，高密光柵會降低光強，影響投射效果。三維成像系統(tǒng)依靠計算投射在物體外表的明暗條紋來獲得空間位置信息，而環(huán)境光會影響明暗條紋的形成，因此該成像系統(tǒng)還需要一個良好的光環(huán)境。三維激光掃描技術具有以下優(yōu)點：(1)速度快：幾千幾十萬點秒；(2)信息豐富：它包含大量物體外表的被測點，每個點均帶有三維坐標和激光反射強度值，能真實地展現(xiàn)物體的外貌，可有效解決對形狀復雜物體的觀測問題；(3)精度高：精度為毫米級；(4)有益保護被測物體：屬于看到即可的非接觸式測量；f5)節(jié)省資金：很少需要搭建腳手架；f6)數(shù)據(jù)價值高：數(shù)字化的資料能夠長久保存，古建筑點

16、云具有廣泛的應用性。三維數(shù)字建模技術是近年來開展起來的一項高新技術，它通過高速激光掃描測量的方法, 以被測對象的采樣點(離散點)集合稱之為“點云的形式獲取物體或地形外表的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)?？梢钥焖?、大量的采集空間點位信息, 為快速、準確地獲取物體的三維信息，并進而建立起科學準確的數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術手段。近年來，在文物考古領域也開展了一系列三維數(shù)字建模技術應用實踐工作，如故宮博物院正在開展的古建筑數(shù)字建模工程，龍門石窟研究院利用三維技術建立的數(shù)字檔案。這些實踐工作為三維數(shù)字建模技術在文物考古領域的進一步深入開展都是有益的探索和實踐。而俑二號坑遺址三維數(shù)字建模工程的工作實踐說明，在考古

17、開掘與文物保護工作的同時，引入三維數(shù)字建模技術，對考古遺址的相關信息進展同步采集和處理，并進而建立數(shù)字模型，不僅可以滿足考古開掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的要求，同時也為后期研究、保護、考古資源管理、公眾教育奠定了重要的根底。三維激光掃描技術是近幾年逐步開展成熟的最新測量技術，它具有其它測量技術無法比擬的優(yōu)勢。尤其是非接觸式的測量手段，不會對考古文物造成損壞。此外，該技術明顯降低了對考古文物的測量工作的難度和工作量，所得數(shù)據(jù)的可挖掘性強，多用性好。隨著三維掃描技術同GIS等相關技術的結合，必將不斷增強其在古建筑保護領域的應用價值和潛力。前段時間見識的Creaform公司的Handysca

18、n三維掃描儀更是將三維激光掃描技術的有點發(fā)揮的淋漓盡致。從文物掃描獲取準數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，都更方便了。Handyscan三維掃描儀對于小型考古文物的研究確實有其它技術不可比擬的優(yōu)勢。通過曲線曲面掃描，全面質(zhì)量檢查；曲線曲面掃描，逆向工程；三維數(shù)據(jù)采集建立數(shù)據(jù)庫；激光雕刻?？焖俪尚?。具有質(zhì)量高，準確度高，分辨率高，快捷等優(yōu)點。1.3、主要研究容本論文采用以光柵掃描測量技術為根底，以文物杯的數(shù)字化掃描系統(tǒng)為手段，準確獲取文物杯外表的各種數(shù)據(jù)，通過點云的數(shù)據(jù)處理和曲面重構等方法，獲得物體數(shù)字化模型?；谝陨峡紤]，本論文主要研究一下容：第一章：緒論。本章主要闡述選題的依據(jù)、課題的研究意義、國外研究的現(xiàn)狀

19、及主要應用領域和開展趨勢。第二章: 三維數(shù)據(jù)測量。本章主要介紹常用的三維測量方法及本課題所采用的方案等。為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集提供理論依據(jù)，使所選出的方案比其他測量方法更適合該課題的研究。第三章：點云預處理。本章主要研究對獲取的點云數(shù)據(jù)進展處理的工作，主要包括：點云除噪、點云插補、刪除、最正確拼接、消差等，為下一步的曲面重建作準備工作。第四章：曲面重構。對離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面，完成自由曲面的重建工作。第五章：實驗。依據(jù)硬件設備和軟件設施，完成對文物杯的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、自由曲面的重建工作。第六章：總結與展望。對本文的主要研究容和主要創(chuàng)新點進展總結，對本文尚需進一步研究的假設干問題提出參考建議。

20、.1第二章 三維數(shù)據(jù)測量2.1、三維數(shù)據(jù)測量簡介數(shù)據(jù)測量，又稱產(chǎn)品外表數(shù)字化，是指通過特定的測量設備和測量方法，將物體的外表形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點坐標數(shù)據(jù)，在此根底上，就可以進展復雜曲面的建模、評價、改進和制造。三維型面檢測技術在新產(chǎn)品開發(fā)、破損零件復原、工業(yè)產(chǎn)品外形設計、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、醫(yī)學檢查、藝術品鑒定及三維動畫設計等許多方面都有著廣泛的應用。目前，用來采集物體外表數(shù)據(jù)的測量設備和方法多種多樣，其原理也各不一樣。按照傳統(tǒng)的劃分，數(shù)據(jù)測量主要有接觸式和非接觸式兩種測量方法。接觸式測量方法的典型代表是三坐標測量機，它通過探測頭上的探針與樣件外表的接觸情況進展數(shù)據(jù)采集，這種方法有很高的精度，對物

21、體的邊界測量相對準確，但由于其接觸式的測量，使其易于損傷物體和測頭，而且速度慢，對軟質(zhì)材料難以測量，存在測頭半徑的三維補償，而且價格昂貴，這就限制了其應用，主要應用于制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)中。非接觸式方法主要是基于光學原理進展數(shù)據(jù)采集，典型方法有激光三角法、激光測距法、構造光法等，特點是不與樣件接觸因而有較高的測量速度，可測量軟質(zhì)材料，可用于實時測量，適用圍廣，但精度稍低。本文采用非相干光源，利用投影柵相位法原理進展三維數(shù)據(jù)測量。2.2、投影柵相位法的根本原理投影光柵相位法與其它三維測量方法相比有處理方法簡單、測量速度快、不受物體材質(zhì)影響、本錢低和易于操作等優(yōu)點，但精度低于接觸式三坐

22、標機測量，且一般要在被測物體外表進展噴涂改色處理。投影光柵相位法測量的工作原理是從獲取的包含物體高度信息的二維光柵圖像中恢復出真實的三維空間信息。它主要分為三個步驟：1、相位調(diào)制：即通過投影光柵掃描設備獲得三維物體外表的變形光柵圖像，它包含物體高度信息。2、相位解調(diào)：即求解出所獲取的變形光柵圖像中的準確相位。3、相位展開：即求取包含物體高度信息的光柵絕對相位值。投影柵相位法的的原理光路圖如圖2-1所示。投影系統(tǒng)光軸與攝像系統(tǒng)光軸相交于參考平面R上的O點，投影光柵為正弦光柵，和分別表示投影系統(tǒng)的入瞳和出瞳，和分別表示攝像系統(tǒng)的入瞳和出瞳，和到參考平面R的距離相等，均為L，正弦光柵G的柵線垂直于圖

23、平面1。圖2.1投影柵相位法的的原理光路圖首先通過投影系統(tǒng)將計算機生成的虛擬正弦光柵投影到被測物體外表，投影系統(tǒng)通過計算 2-1式中r(*,y)為物體外表反射率分布函數(shù)，為物體外表高度變化引起的調(diào)制位相。由投影光路的簡單幾何關系，得到 2-2中包含了物體的高度信息，但此相位是包裹的，需通過相位去包裹得到連續(xù)的相位，再代入高度公式 2-3即可得到物體的高度數(shù)據(jù)。2.3、測量設備介紹、硬件設備實體輪廓的數(shù)據(jù)采集是獲取實體幾何形狀信息的首要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集的速度、點數(shù)、精度是影響構造光三維視覺測量系統(tǒng)工作質(zhì)量的最重要的技術指標。不同的采集方式，具有不同的采集速度和精度。本課題采用的是非接觸式光柵掃描法

24、，該方法操作簡單，對硬件環(huán)境要求不高，掃描速度快，有較高的實用性。由于投影光柵法是一次性瞬間獲取物體外表形狀的三維信息，并且投影光模式可變，因而具有很高的測量速度和較高的精度，而且采集到的數(shù)據(jù)空間分辨率高，設備要求簡單，比擬易于在實驗室中實現(xiàn)。實驗室采用的是3DCamega三維數(shù)字化掃描系統(tǒng)，本硬件設備包括一臺進展數(shù)據(jù)處理的計算機，DCF系列的單機兩臺，控制盒一個，標定塊一塊，與三腳架配套使用。該系統(tǒng)采用無接觸式白光三維掃描，具有以下優(yōu)點：1、無接觸掃描，可以更加方便和準確地測量文物杯外表。2、照相式掃描，可以方便實現(xiàn)所見即所測的結果。3、白光掃描，防止了傳統(tǒng)的激光掃描對文物杯的潛在傷害。4、

25、掃描時間短，點云數(shù)量大，可以提高掃描的可靠性。5、針對文物杯特征設定參數(shù)，更有效，更準確求解文物杯三維數(shù)據(jù)。圖2.2轉(zhuǎn)臺與標定塊圖2.3文物杯與三維光柵圖像采集系統(tǒng)、軟件設施1、系統(tǒng)控制軟件CPC.e*e，用于控制雙機系統(tǒng)的參數(shù)、顯示效果以及運行動作的。2、三維點云反求軟件Winmoire，主要用于從二維圖像到三維圖像的反求、觀察以及自動拼接。3、點云處理軟件Cloudform，用于對點云的預處理及數(shù)據(jù)保存格式的轉(zhuǎn)換。4、逆向工程軟件Geomagic，主要進展三角網(wǎng)格劃分、四邊形網(wǎng)格剖分和曲面擬合，生成高精度的NURBS曲面，完成曲面的重建工作。.1第三章 實驗3.1、實驗介紹本實驗在大學機電

26、工程學院三維圖像測量技術與逆向工程研究室完成，采用3DCamega三維數(shù)字化掃描系統(tǒng)對文物杯進展光柵掃描，獲得文物杯雙光柵圖像，經(jīng)軟件解相等處理獲得點云數(shù)據(jù)。在Cloudform軟件中對獲得的點云進展除噪、消差等預處理，并將轉(zhuǎn)換的IGES格式文件導入逆向工程軟件Geomagic中進展多邊形和曲面處理，完成面部曲面的重構工作。本實驗的目的就是獲得準確地文物杯三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗目的及實驗所采用儀器系統(tǒng)的特點，可以把實驗分為兩大步驟：儀器系統(tǒng)的標定和文物杯三維點云數(shù)據(jù)的獲取。3.2、儀器系統(tǒng)的標定1設備組裝及連線1整套設備由四局部組成：一臺*P電腦，兩臺相機，一臺專用光柵投影儀，轉(zhuǎn)臺。電腦與其他

27、設備進展連接。其中兩根USB接口線，一根電腦與轉(zhuǎn)臺控制盒，另一根電腦與CPU掃描頭，轉(zhuǎn)臺自身附帶一根串口線接連到控制盒，轉(zhuǎn)臺和控制盒還有一根串口線連接，兩個24伏電壓。2完成上面步驟后，如第一次使用，會彈出相應硬件驅(qū)動安裝的提示，根據(jù)提示安裝驅(qū)動。3確認第二屏幕已經(jīng)啟用，并設般只有一個用來連接顯示器的VGA接口，這是需要另一個顯卡來提置分辨率為1024*768。注意：在1中，投影儀與電腦的連接在硬件條件容許的情況下是直接以VGA接口接入，但在常規(guī)臺式電腦上，一供一個VGA接口，也可以利用V2U轉(zhuǎn)換卡將VGA接口轉(zhuǎn)換成USB接口，可直接接上投影儀。CPC控制程序界面如以下圖3.1所示圖3.1 C

28、PC控制程序主框架CPC控制程序主界面主要分為四大區(qū)域，上邊是菜單，左邊是控制面板，中間是預覽區(qū)域，下邊是信息區(qū)?？刂泼姘逯饕譃橄到y(tǒng)控制面板和轉(zhuǎn)臺控制面板。相接連接處可以任意勾選兩個相機，類似于左相機和右相機，兩相機有置編號，且具有唯一性。勾選兩相機可以選擇性的查看*個相機的預覽視圖，連續(xù)拍照可同時獲得兩個相機的一組特定照片。2設備調(diào)整及參數(shù)調(diào)整視場選取，光圈調(diào)整，光源補償，投影條紋調(diào)整。根據(jù)市場圍標定距離有兩種：1、相機在外側(cè)時，距離為780；2、相機在側(cè)時，距離為420.鏡頭可以分為5組：1、400和200視場， 2、300和150視場，3、100和50視場，4、600視場，5、25視場

29、。光源檢測投影灰度的理論值與市級灰度只有差異性，而且相機采集得到的灰度會加大這種差異。于是，我們在這里做光源補償使投影灰度與采集得到的灰度保持一致，即相機一定要調(diào)整清晰，投影條紋也要調(diào)整清晰。翻開控制程序，點擊開投光燈，把視頻跳到120左右，再翻開控制面板把條紋切換成對焦條紋，開場對焦。在條件容許的情況下關燈找一面實惠百強或者白板，根據(jù)視場大小讓投影儀透出明亮清晰圖形。調(diào)整相機角度，讓相機中線與投影中線重合，最重要的是盡量讓相機視圖部全都在投影圍條紋調(diào)整。先把控制程序里的條紋切換成23或其他小一些的條紋，調(diào)整相機光圈1使得界面最清晰，前面光圈為最清晰，調(diào)整到條紋明暗特別清晰為好。市場視角調(diào)好后

30、調(diào)整光圈。翻開CPC控制軟件，先把條紋切換成白圖，點擊“光源檢測會彈出光源檢測對話框，左上角的滑塊可調(diào)節(jié)相機的采集區(qū)域大小，滑動快下方矩形顏色為當前投影灰度，黃色矩形框表示滑塊標定的采集區(qū)域。選擇“光圈調(diào)整點擊“開場右邊顯示出當前兩個相機采集到的灰度，數(shù)值為量化表示，藍色局部為圖形化表示，這是“開場變?yōu)椤皶和?。在投影灰度?50的情況下，調(diào)整兩相機光圈值采集灰度值為100至200之間，兩相機調(diào)到根本一致。帶相機光圈調(diào)整后，點擊“暫停。31.相機標定根據(jù)你所選擇的視場，選擇適當?shù)臉硕▔K。注意標定過程中標定快的正確擺放方向。先把打包中的kernel文件全部復制到D盤至mk7dat至kernel中，

31、再把對應視場的參數(shù)拷貝到相應的文檔，200或以下視場拷貝到D盤至mk7dat至kernel至TGSpoint*YZ.t*t，300或以上拷貝到D盤至mk7dat至kernel至TGpoint*YZ.t*t。將標定快放置穩(wěn)定，之力或靠后傾斜一定角度。翻開CPC控制軟件和winmoire，先把CPC控制軟件的條紋調(diào)為對焦條紋，移動三腳架讓對焦線和標定快的中心重合，再把CPC控制軟件的條文調(diào)為白圖，調(diào)節(jié)相機的高度讓標定塊中心跟視圖中心盡量想和。切換到winmorire，在菜單“Cal/Align下點擊“LR Cal5”，彈出如以下圖所示對話框。當視場選擇為300或以上時LR Target Type后

32、面的框選擇1，當視場選擇為200或以下時LR Target Type后面的框選擇2.圖3.2 LR Cal5對話框 點擊“Ok，出現(xiàn)新的對話框。手工移動到相機標定塊，先左偏10度左右，點擊OK；再右偏10度左右，點擊OK；然后點擊NO，帶右上角出現(xiàn)正確的標定結果即完成標定。2，轉(zhuǎn)臺標定根據(jù)選取的視場大小，選擇適宜的轉(zhuǎn)臺標定板置于轉(zhuǎn)臺上，將CPC控制程序界面翻開，點擊加載轉(zhuǎn)臺，讓轉(zhuǎn)臺位置置零。在winmoire中選擇菜單“Param下的“Machine Param，彈出如以下圖所示的對話框，圖3.3 Machine Param對話框?qū)ⅰ癕achine Type取值為5.在選擇菜單“Cal/Ali

33、gn下的“Camera Table Align，彈出如以下圖所示對話框圖3.4Camera Table Align對話框點擊“Calc Param即可完成自動標定過程。待得出正確標定結果后即可完成轉(zhuǎn)臺的標定，但這時候要注意務必防止破壞兩相機與轉(zhuǎn)臺這三者的相對位置關系。3、翻開“Cal/Align“Camera Align,會出現(xiàn)如圖3.5所示的界面，因為我們使用的是雙機，所以在界面上會有兩個“View,這個界面就是雙機系統(tǒng)的標定界面。圖3.5雙機系統(tǒng)標定界面3.3、文物杯三維點云數(shù)據(jù)的獲取1光柵圖像采集確認校準完畢后，則進展文物杯的光柵圖像采集。本實驗采用文物杯做為實驗對象，對其進展三維點云數(shù)

34、據(jù)采集。將文物杯擺放于光柵的正前方，將文物杯擺放端正，調(diào)整被測物與三維采集系統(tǒng)的相對位置，使被拍攝部位圖像處于圖像矩形窗，且左右對稱。利用圖像拼接的方法進展文物杯點云數(shù)據(jù)的拼接。應該注意的是，在進展分區(qū)域拍攝時，相鄰的區(qū)域必須將他們公共的標志點拍攝入，否則不利于后續(xù)的點云拼接工作的進展。 在計算機中開啟光柵，開啟閃光燈，進展圖像拍攝。拍攝完成后查看文件是否保存。一次拍攝將會有六圖片，其中一為原始圖像，另外三為光柵每移動/2的光柵圖像。2生成文物杯三維點云完成文物杯光柵圖像采集后，在計算機中翻開winmoire軟件，設置保存目錄后，開場拍攝。圖像拍攝完成后，選取圖像中適宜的區(qū)域生成點云。這樣可減

35、少噪聲點對三維文物杯點云的影響，大大降低圖像處理的難度，同時也減少了圖像處理的工作量。生成文物杯三維數(shù)據(jù)點云后，利用cloudform軟件將其翻開，如圖3.6所示點云圖。將屢次測量的點云進展拼接，拼接完成后以IGS格式輸出點云，以便于在geomagic軟件中進展點云的處理以及曲面重構。圖3.6cloudform軟件中翻開的文物杯點云圖.1第四章 點云預處理4.1、點云預處理的原因在對獲取的數(shù)據(jù)進展CAD反求建模時，由于多方面原因，譬如被測對象外表的粗糙度、波紋以及其它一些外表缺陷等，以及測量系統(tǒng)本身和測量環(huán)境比方透光比擬嚴重產(chǎn)生的影響，在數(shù)據(jù)采樣過程中，不可防止地在真實數(shù)據(jù)點中混有不合理的噪聲

36、點，其結果將導致重構曲線、曲面不光滑。當物體的幾何形狀復雜或者尺寸較大時，我們難于通過一次測量完成整個測量，此時需要對各個視角獲取的點云數(shù)據(jù)進展拼接。而且由于拍攝角度的影響，會導致物體*些部位數(shù)據(jù)的缺失或不完整，這時我們要對它進展點云插補。所以，在曲面重建前，需要對三維點云數(shù)據(jù)進展一些必要的處理，以獲得可以滿足要求的點云數(shù)據(jù)。4.2、點云除噪由于實際測量過程中受到各種人為和隨機因素的影響，使得測量結果中包含噪聲。尤其是鋒利邊和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，不可防止地會引入數(shù)據(jù)誤差。測量數(shù)據(jù)上的壞點，可能使該點及其周圍的曲面面片偏離原曲面，為了降低后消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，必須對原始數(shù)據(jù)進展去噪

37、處理，以去掉壞點。在Cloudform軟件中，支持三種根本除噪模式以及一種增強式除噪模式：最小包圍球模式、最正確平面模式、臨近關系模式、三種疊加模式。除噪處理：圖4.1除噪前文物杯三維點云數(shù)據(jù)圖圖4.1中紅色局部為選中狀態(tài)，點擊除噪，紅色局部刪除。選擇后一片，全部處理完畢點擊確定。此時只有一片處于顯示狀態(tài)，點擊“全顯點云，將數(shù)據(jù)全部顯示。如圖4.2所示，圖中的“小黑點是噪聲點去掉后留下的小孔洞。圖4.2除噪后文物杯三維點云數(shù)據(jù)圖4.3、點云刪除該操作用于刪除不理想的或無用的點云，以及除噪后仍然存在的噪聲點。點云數(shù)據(jù)在CloudForm軟件中，可以在窗口使用變換工具條中的各種工具項，旋轉(zhuǎn)和縮放視

38、圖。能夠觀察到局部離散的點云數(shù)據(jù)或者不理想的點云數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^對象工具條選擇不同種類對象手動刪除。手動刪除的步驟是：觀察對象，找到多余的或者會影響圖像效果的目標，確定該目標的屬性點、邊界、片在選擇工具條上，針對不同的對象選擇不同的使用模式，一般情況下，我們使用點云點對象模式；使用選擇工具條各種不同的選擇工具選定點云，按delete按鈕或者點云欄的刪除按鈕執(zhí)行刪除。觀察結果是否滿意，不滿意可以點擊或同時按Ctrl+Z重做。4.4、點云拼接三維光柵掃描儀可快速獲取被測物體外表三維點云數(shù)據(jù)，但對于如人體、汽車、飛機等大型物體或者回轉(zhuǎn)型物體，一次掃描只能采集被測物體局部區(qū)域的外表數(shù)據(jù)，要想獲取物體全局

39、信息，需進展屢次掃描，但對其余局部掃描得到的點云數(shù)據(jù)具有獨立的坐標系，數(shù)據(jù)之間無法進展匹配銜接。因此，屢次掃描獲取的點云數(shù)據(jù)要經(jīng)過坐標變換處理，以實現(xiàn)不同掃描區(qū)域獲取的點集合并和統(tǒng)一。這個實現(xiàn)的過程就是點云拼接，也稱為點云配準。目前,三維數(shù)據(jù)配準技術主要分兩大類：1采用經(jīng)過高精度定標的儀器獲取的多視點數(shù)據(jù)以及它們之間的原始變換關系來進展數(shù)據(jù)間的配準計算；2)利用數(shù)據(jù)中的變換信息或利用在數(shù)據(jù)獲取的同時引入的其他信息(即采用在被測物體外表粘貼標志點)，對三維數(shù)據(jù)進展配準計算。第二種方法在本文中不太適用，首先，人臉不太方便粘貼標志點，且標志點的形狀、大小和分布會對拼接結果產(chǎn)生影響；更關鍵的是，光柵掃

40、描標志點白色區(qū)域時，會在標志點中心處形成一組點云，將形成幾十甚至幾百個點，必須從這些點中隨機選取一個點進展拼接定位，勢必造成隨機拼接誤差。本文研究的是不采用標志點的點云自動拼接問題，我們在實驗中，在標定好的情況下，軟件已經(jīng)根據(jù)儀器的特性和位置完成了點云的初步自動拼接。它的根本原理是利用最小二乘法對重疊區(qū)域進展匹配，通過高斯-馬爾可夫模型減小重疊區(qū)域點云中對應點的的歐氏距離平方和，從而計算出相對于基準點云坐標系統(tǒng)的目標點云的轉(zhuǎn)換參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，通過將不同視場下不同坐標系的目標點云轉(zhuǎn)換到基準點云坐標系中實現(xiàn)點云拼接，最終獲取物體完整點云數(shù)據(jù)模型。這種方法適用于光柵掃描獲取的的3D點云的

41、配準，還可應用于3D空間的曲線匹配、曲線到曲面的匹配和任意方向的3D曲面拼接。雖然在獲取點云數(shù)據(jù)的時候已經(jīng)完成了點云數(shù)據(jù)的自動拼接，在檢測層差是也滿足了不大于0.2mm的要求但在后期的點云預處理階段，我們還是要對兩片點云數(shù)據(jù)進展最正確拼接。點擊拼接中的最正確拼接，在左側(cè)顯示的最正確拼接對話框，在精拼標準中選擇工業(yè)。最正確拼接是根據(jù)曲率變化進展的拼接，工業(yè)拼接式2片數(shù)據(jù)互相作為參考，一起進展拼接。精拼到達要求的判斷依據(jù)是收斂參數(shù)當中的第一個參數(shù)【距離方差】不再往下降，而是在*個圍跳動時，精拼就到達了極限。點擊確定按鈕即可完成最正確拼接過程。.1第五章 自由曲面重構5.1、曲面重構研究簡介三維CA

42、D模型的重構是逆向工程的核心和主要目的，是后續(xù)的性能分析、加工制造、快速成形和產(chǎn)品創(chuàng)新設計的根底，是逆向工程最關鍵和最復雜的環(huán)節(jié)。曲面重構是利用三維檢測方法獲取物體外表的散亂點云數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)插值或數(shù)據(jù)擬合的方法來創(chuàng)立一個近似模型來逼近物理原型。其本質(zhì)是通過建立物體的數(shù)字模型，準確再現(xiàn)曲面的外形輪廓，并以數(shù)字模型為根底對物理曲面進展品質(zhì)分析、數(shù)字修改和創(chuàng)新設計。曲面重構包含兩層含義，一是：已存在的物理曲面是曲面重建的根底，即先對物理曲面進展數(shù)據(jù)采集，在三維數(shù)據(jù)的根底上進展曲面重建；二是：已存在的物理曲面是衡量重構曲面性能優(yōu)劣的標準，所構建的數(shù)字曲面模型應能無失真地再現(xiàn)原曲面的外形。曲面重建可

43、通過曲面插值和曲面擬合過程實現(xiàn)，但曲面插值由于需要通過數(shù)據(jù)點，引起曲面光順性較差。曲面擬合可分為隱函數(shù)曲面法擬合和參數(shù)曲面法擬合兩大類。隱式曲面是指可用數(shù)學方程表示的曲面，常用于表示柱面、錐面、球面等外形較規(guī)則的曲面。隱式曲面擬合的優(yōu)點是能清晰識別數(shù)據(jù)點是否位于重構曲面上，能對數(shù)據(jù)點自動融合形成光滑曲面，連續(xù)性和變形性好，收斂速度更快，適合于二次曲面擬合和描述具有光滑復雜外形的物體，其缺陷是難以進展實時繪制、修改曲面及表達具有鋒利特征的曲面，所擬合的曲面與正向CAD/CAM系統(tǒng)不兼容，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫連接，需要將曲面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用四邊域曲面，此過程會引起數(shù)據(jù)失真和數(shù)據(jù)喪失。參數(shù)曲面具有擬合過程

44、簡單、表達簡潔、控制準確、易剖分和幾何不變性等特點，所生成的擬合曲面符合數(shù)據(jù)交換標準，易于進展數(shù)據(jù)接口和匹配，在曲面擬合、曲面求交與變形方面快捷準確，具有更大的適用性。曲面重構方法主要分為以下幾種類型：插值函數(shù)曲面法、超二次曲面法、B樣條曲面法、NURBS曲面法、Coons曲面法、三角Bezier曲面法、多邊形曲面法、體方法、細分曲面法、幾何模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡法和功能網(wǎng)絡法7。依據(jù)拓撲構造不同，自由曲面重建主要分為兩大類7。一是三角Bezier曲面為根底的構造方法，Bezier曲面擬合是在三邊域構造上進展的，具有適應性好、構造靈活等優(yōu)點，在曲面重建過程中無需對整體點云數(shù)據(jù)進展曲面擬合，可對選擇的

45、區(qū)域進展局部曲面構建，在無序散亂點云數(shù)據(jù)的有序化和三角曲面構建應用廣泛，最適于表現(xiàn)具有復雜型面的不規(guī)則物體。但這種方法所構建的曲面與產(chǎn)品描述標準不兼容，無法和正向CAD/CAM軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)銜接匹配，需要轉(zhuǎn)換為四邊界曲面而造成數(shù)據(jù)失真和喪失。并且通常對點云數(shù)據(jù)進展剖分所生成的三角形網(wǎng)格數(shù)目龐大，需要做網(wǎng)格精簡處理，增加了計算復雜度。同時，三角Bezier曲面還存在難以修改和可控性差等缺點，限制了它在實際曲面構建上的應用。另一種是NURBS非均勻有理B樣條曲面為根底的四邊域曲面擬合方法，NURBS被國際標準化組織定義為工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀描述的唯一標準數(shù)學方法，它能準確描述二次曲面和自由曲面，具有靈活

46、性高、構建統(tǒng)一和高效簡潔等特點。可以做出各種復雜的曲面造型和表現(xiàn)特殊的效果，如人的皮膚、面貌、鞋楦或流線型的跑車等。本課題實驗采用基于光柵投影的NURBS曲面重建技術進展CAD模型重建。NURBS是一種非常優(yōu)秀的建模方式，在正向三維造型軟件當中都支持這種建模方式。NURBS通過數(shù)學表達式來構建被測曲面的幾何外形和外表形貌，相比傳統(tǒng)的網(wǎng)格擬合方式可更好地控制曲面的光滑度，從而構建出更復雜、更具體的實物造型。NURBS數(shù)學表達式是一種復合體，應用對象主要是由復雜曲面組成的實物，如飛機、汽車、船舶、工藝品、人體面部等。NURBS曲面重建的根本流程圖如下所示：散亂點云點云除噪合并、封裝三角面片編輯松弛

47、、平滑處理探測曲率構造輪廓線四邊域網(wǎng)格NURBS曲面擬合構造格柵NURBS曲面重建具體主要包括以下幾個步驟：1、建立多邊形模型通常是三角形網(wǎng)格。這一過程的主要目的是確定 離散點云的拓撲連接關系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)有序化。2、建立四邊形域剖分模型。這一過程是將上一步建立的三角形網(wǎng)格模型分割或合并成一些四邊界構造，為下一步擬合成連續(xù)曲面做準備。3、對第二步生成的四邊形網(wǎng)格模型進展NURBS曲面重建。這一步包括數(shù)據(jù)點的參數(shù)化、確定節(jié)點矢量及曲面擬合等。4、根據(jù)設計要求對NURBS曲面進展再處理。主要包括曲面拼接、曲面裁剪、曲面光順處理等。5.2、三角形網(wǎng)格階段在Geomagic中翻開經(jīng)過Cloudform軟件

48、處理過的點云數(shù)據(jù)，通過選擇體外孤點命令刪除體外孤點，通過減少噪音命令刪除噪聲點。然后利用封裝功能將面部散亂點云剖分為三角網(wǎng)格，并擬合為三角面片。圖5.1是Cloudform軟件中處理的點云數(shù)據(jù)在Geomagic studio 10中合并生成的三角形面片的三維圖。圖5.2是采用Geomagic studio 2021軟件對面部三維點云進展三角化所得到的三角面片，共包含653030個三角網(wǎng)格，但曲面存在較多三角孔洞。圖 5.1文物杯三角形面片生成圖5.2三角網(wǎng)格圖53、多邊形階段孔洞填充以文物杯側(cè)面的這個孔洞為例點擊菜單欄多邊形，選擇填充孔選項。選擇填充，選定文物杯側(cè)面的孔洞，確定即可圖5.3填充

49、選項圖圖5.4 孔洞修補前圖5.5 選定孔洞5.6孔洞修補后圖5.7文物杯所有孔洞填充前圖5.8文物杯所有孔洞填充后5.4、曲面階段NURBS曲面重構是在三角面片重構的根底上進展的，如圖5.9所示，即最終曲面成形階段(Shape Phase)，如圖5.10所示。此階段主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分塊與曲面構造功能。首先通過檢測曲率Detect Curvature功能檢測面部曲率，根據(jù)計算的曲率結果找出多邊形數(shù)據(jù)中的特征線(Contour Line)。在特征曲線的根底上，利用創(chuàng)立面片功能。圖5.9文物杯三角面片圖 圖5.10 文物杯三角面片曲面重構在多邊形數(shù)據(jù)上自動生成四邊形網(wǎng)格。由于自動生成的四邊形網(wǎng)格呈現(xiàn)不

50、規(guī)則的網(wǎng)狀，利用網(wǎng)格編輯功能將其排列成比擬規(guī)則的網(wǎng)格面。圖5.11為利用Geomagic studio軟件生成并經(jīng)過適當調(diào)整的面部四邊形網(wǎng)格，共有四邊形網(wǎng)格134個。圖5.11 文物杯四邊域網(wǎng)格然后利用創(chuàng)立柵線Construct Grid功能為每一個網(wǎng)格建立UV參數(shù)線，此處設定分辨率為20，即每個四邊形區(qū)域包含20條U參數(shù)線和20條V參數(shù)線，最后使用擬合曲面Fit Surface功能使得每一個四邊形網(wǎng)格自動生成G1連續(xù)的曲面片，此處設定最大控制點數(shù)為18個，公差值為0.05994mm。圖5.13為最后生成的面部NURBS四邊域重構曲面。圖5.12生成文物杯UV曲線圖5.13文物杯NURBS重構

51、曲面.1第六章 總結與展望6.1總結本文工作圍繞三維物體數(shù)字化與可視化技術在考古學中的應用展開研究，以實驗室臉譜文物杯為研究對象，通過實驗和軟件處理，最終完成實物的CAD模型重建。較為系統(tǒng)地研究了三維掃描技術、相位去包裹、圖像拼接技術、點云的處理、點云可視化及其在三維文物數(shù)字化與可視化方面的運用,在理論和軟件運用方面進展了探討。1.系統(tǒng)地介紹國外三維掃描技術的國外的開展現(xiàn)狀及開展趨勢，三維物體測量在考古學中的意義及應用前景。2.詳細闡述了相位調(diào)制原理相位去包裹的根本原理,初步研究點云中噪聲點的去除,闡述了拼接技術的算法與過程。本文詳細介紹了論文試驗所使用的軟件和硬件。3.分析了點云可視化的根本步驟和算法,查閱了