FARO三维激光扫描仪扫描石质文物

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的*特优势，泰来三维公司在文物保护领域做了很多案例。通过三维激光扫描获取海量的点云数据，利用 Geomagic studio 12 进行点云数据拼接与合并、纹理提取和点云去噪处理，对优化过的点云数据构建三角网建立三维表面模型，实现三维模型重建。该方法可在不接触文物的情况下对文物进行测量，既避免了测量过程中对文物的损害，又可为以后文物的保护和修复提供科学的参数。

三维激光扫描是一种无接触快速获取高密度、高精度点云数据的**，可在复杂的空间和场景对物体进行快速扫描测量，直接获取海量的点云数据，进而获取高精度、高分辨率的数字地形模型。近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的*特优势，在文物保护领域得到了广泛的应用。
本文针对文物保护和考古研究的测绘需求，采用地面三维激光扫描技术获取陶俑表面的三维点云数据，利用 Geomagic studio 12 软件对点云数据进行拼接与合并、纹理提取和点云去噪处理，使用优化过的点云数据构建三角网，建立三维表面模型，实现三维模型重建。该方法可在不接触文物的情况下对文物进行测量，既可避免测绘过程中对文物的损害，又可为以后文物保护和修复提供科学的参数。
1 三维激光扫描技术原理
三维激光扫描是利用激光测距的原理，通过扫描仪的激光发射器发射激光脉冲，反射棱镜将激光脉冲反射到目标物; 通过信号接收机探测接收目标反射回的信号，计算激光的发射和接收信号的时间差，从而获得发射器到目标点的距离，再结合三角高程方法获取目标点的三维坐标、反射率和纹理等信息。扫描仪通过对目标进行密集扫描，就能获取目标物的点云数据，将点云数据传入计算机，利用专业软件对点云数据进行处理，可快速实现目标物体的可视化模型重建。
2 基于三维激光扫描三维建模技术的实现 2． 1 技术路线
利用三维激光扫描仪获取陶俑三维表面数据，通过相应的数据处理软件对获取的点云数据进行粗差剔除，数据拼接与合并，纹理提取，点云去噪，最后将优化过的点云数据自动实现对陶俑的三维建模。

图 1 技术路线流程
2． 2 外业数据采集
利用 Leica ScanStation2 地面三维激光扫描仪对陶俑进行扫描，获取陶俑的三维点云数据。扫描前需要做的工作有 2 部分: 一是控制网布设，二是扫描站点布设。在布设好的控制网基础上，设立扫描站点。站点的设计既要保证能完全采集到所测目标的点云数据，还要能与控制网联合起来，以便整影像拼接及坐标转换。
扫描过程通常分为 4 个阶段:
1)  粗略扫描，以较低的分别率快速进行全景扫描。
2)  精细扫描，在全景扫描的基础上选择要扫描区域，按能满足作业要求的较高分辨率进行扫描。精细扫描的目的是获取目标区域更高密度的点云数据，可通过调整控制软件上的扫描参数来完成。
3)  精扫标靶，为了保证多站数据的拼接及坐标转换的精度，需要对标靶进行高分辨率扫描，以便精确测量标靶的中心位置。
4)  像片获取，通过固定在激光扫描仪上的、经过检校的数码像机进行像片采集，以提供对应扫描点云数据的纹理信息和实体边缘信息。
2． 3 点云数据处理
扫描工作结束后，将获取的数据导入电脑中，形成点云数据。点云数据通过软件显示，可以浏览点云数据图像。
点云数据包含了物体表面的三维采样空间坐标、纹理信息、反射强度信息等。三维激光扫描获取的点云数据具有密度高、数据量大等特点，这些特点使其具有广泛的应用，但同时也使三维激光扫描点云数据的处理更加复杂和困难。点云数据的处理通常包括点云粗差剔除，点云拼接与合并，纹理提取和点云去噪与精简。
2． 3． 1 点云粗差剔除
常用的剔除粗差的方法:
1)  通过各种抗差估计方法剔除离群数据来剔除粗差;
2)  采用传统去噪方法或小波去噪法剔除粗差。
由于三维激光扫描获取的点云数据量较大，在剔除粗差前应对点云数据进行预处理，即裁剪，切割分块，设置拼接参考点。
2． 3． 2 点云拼接与合并
由于受被扫描物体的复杂性和激光扫描仪本身视场角扫描距离的限制，仅凭一站操作不可能扫描获取目标所有的扫描数据。为了获取目标物完整的点云数据，需要根据实际情况分角度、分位置进行多次扫描。由于每次扫描得到的点云数据，每个点的三维坐标都是相对于该扫描仪的，是一个独立的坐标系，因此需要通过拼接算法，将几站处于不同坐标系下的点云数据转换到统一坐标系下，得到目标的三维空间坐标数据。
采集的同一目标物的点云数据包含不同视点和位置，需要在相邻站点中寻找公共点或类似的公共部分，可通过这些特征条件同时利用约束关系对点云数据进行拼接，较终将所有点云数据统一到一个基准数据中。
点云拼接后，需要把多块点云数据合并成一个统一的整体。
2． 3． 3 纹理提取
激光扫描获取的数据不只包含陶俑数据，还包括其他地物数据。地物提取的目的是为了将目标物从激光测量数据中分离出来，为后续建模提供基础数据。
分离法原则: 高度值大于仪器高度的点视为目标物数据，高度值小于仪器高度的点视为其他地物数据。
分离后的目标物数据基本保留了陶俑和坑上壁地物的几何信息，由此将目标物提取出来，再将目标物之外的地物作为噪声进行去噪处理。
2． 3． 4 点云去噪与精简
三维激光扫描仪在获取点云数据时，经常会存在一定数量的差点和错点，称为噪声。点云数据的噪声主要包括 2 部分:
1)  由于激光雷达在获取目标物表面数据时，包含了外界不相干的目标遮挡产生的点云本身带来的噪声;
2)  在数据拼接过程中产生的误差，较常见的就是数据叠加产生的数据冗余。
这些数据冗余不仅会导致计算机存储、运行、传输效率低，数据处理缓慢，运算效率低下，而且还会对后期模型重建的精度产生较大的影响。因此需要对数据进行精简，使精简后的数据既保留了物体表面的有效信息，又使数据量大大减少，从而实现对数据的高效处理。
点云数据去噪是通过模仿数字影像去噪的过程来实现的。
2． 4 三维模型建立
采用逆向工程软件 Geomagic studio 12 对陶俑进行三维模型重建。建模主要分点阶段、多边形阶段和 Nurbs 曲面建模 3 个步骤进行。
2． 4． 1 点阶段
主要任务是对经过预处理后的点云数据做进一步纠正和去噪，使改进后的点云能快速多边形化

 
并得到一个较高质量的多边形对象。
2． 4． 2 多边形阶段
三维激光扫描仪对文物进行扫描后，需要对三维点云数据进行修复。由于扫描设备和扫描技术存在一定的缺陷，数据量大，上一步操作有可能产生错误的删除拓扑和建模过程参数设置不合适等，导致点云数据缺失，三维模型中会出现各种样式的孔洞。这些孔洞如果不进行修复，就会对三维模型重建产生一定的影响。对三维点云数据进行修复后，再对网格进行简化和光滑处理，以减少三角面片的数量和减弱局部粗糙，提高建模效率和质量。
2． 4． 3 曲面阶段
曲面模型重构的原理是对处理好的多边形模型进行曲面片拟合，对曲面片进行过渡、混合、连接，较终获得曲面模型。本文利用处理好的多边形数据在 Geomagic studio 12 中进行自动拟合并创建Nurbs 曲面。
曲面创建完成后，将曲面数据输入到 CAD 软件中，保存为． dxf 格式，在 CAD 中进行量算和制图。最后采用软件自动化实现多边形的处理、贴图、光照以及投影等一系列的建模过程。
2． 5 成果展示
基于三维激光扫描的近景摄影测量方法获得陶俑表面大量的空间信息，再通过滤波、点云配准等处理，获取陶俑的整体点云数据; 然后按照构建三角网的方式建立陶俑的三维模型; 最后进行纹理映射。经过反复试验，采用 10 mm 的采样间隔，纹理与三维模型可以很好地贴合，并且能体现陶俑的细节特征，如陶俑头上的五官、发髻、神态、动作均能真实地反映个体特征，整体模型与实物相符。