三维物体数字化及可视化技术在考古学中的应用毕设论文

-：公开NANCHANGUNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR20212021年题 目三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用学 院：机电工程系： 机械工程 专 业： 机械设计制造及其自动化班 级： 机制094班 学 号： 5901109182学生：科指导教师：吴禄慎教授 起讫日期：*大学学士学位论文原创性申明本人重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进展研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本论文的全部或局部容编入有关数据库进展检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不。请在以上相应方框打“作者签名：日期：导师签名：日期：. z-三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用专业：机械设计制造及其自动化 *：5901109182： 科 指导教师：吴禄慎摘要古代文物是人类文明与智慧的结晶, 历史悠久的人类文化遗产的保护、修复和重建是一项艰辛复杂的系统工程。随着信息化技术在考古学及文物保护领域中应用的深入，三维物体数字化及可视化技术在考古和文物保护领域的应用具有重大的现实和历史意义,能够真实记录考古文物数据，有利于文物的复原。本文通过研究三维物体数字化及可视化技术在考古学中的应用，学习并掌握三维物体数字化及可视化技术在考古学中所涉及的关键技术，学习并掌握使用投影法快速、准确获取文物外表各种数据的方法、经过逆向工程软件Geomagic的点云预处理和曲面重构的方法等等。继而通过研究获得的数据模型到达文物成型和文物复制的目的。关键词：考古文物、三维物体数字化、投影法、点云处理、. z-Application of 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 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 archaeological 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 projection 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 reproduction.Key Words: Cultural relics and Archaeology，Three-dimensional digital，method of projection，Point cloud processing. z-目录摘要.Abstract.第一章 绪论.11.1、选题的依据及意义.11.2、国外研究现状及开展趋势.11.3、主要研究容.3第二章 三维数据测量.52.1、三维数据测量简介.52.2、投影栅相位法的根本原理.52.3、测量设备介绍.7第三章 实验.93.1、实验介绍.93.2、仪器系统的标定.93.3、文物杯点云数据的获取.13第四章 点云预处理.144.1、点云预处理的原因.144.2、点云除噪.154.3、点云删除.164.4、点云拼接.17第五章 自由曲面重构.185.1、曲面重构简介.285.2、点阶段.205.3、多边形阶段.215.4、曲面阶段.24第六章 总结与展望.276.1、总结.276.2、展望.27参考文献.28致.29. z-第一章绪论11、选题的依据及意义选题的依据三维数字建模技术是近年来开展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，以被测对象的采样点、离散点集合称之为“点云的形式获取物体或地形外表的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速、准确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。正是基于这些优点，近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模工程，龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进展同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古开掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的根底。选题的意义三维物体数字化技术与可视化技术在考古学中的应用，不仅能够准确获取文物遗址的各类信息，而且与其他信息技术相结合可以拓展考古遗址三维数字模型的应用围，如文物遗址的数字化存储、测绘、文物修复、考古现场及遗址中的文物管理与监测以及虚拟研究和展示等方面的应用。妥善而永久地保存文物遗址信息是文物考古工作的根本需求，三维数字建模技术提供的文物数字化存储，是当前满足这一需求的最正确手段。通过三维数字建模技术可以建立高精度的文物遗址数字模型，包括外部几何信息、构造信息以及局部细节信息，还可以为文物的数字测绘、辅助修复、管理以及虚拟现实等拓展应用提供最根底的支撑。1.2、国外研究现状及开展趋势关于考古信息技术研究的进展1.全球定位系统与电子全站2.仪测绘数字摄影测量与三维激光扫描3.仪遥感考古4.考古地理信息系统gis5.空间信息可视化与虚拟6.现实空间信息可视化与虚拟现实从目前开展状况看,考古数字化工程存在以下问题:利用大型计算机实时描绘虚拟现实图像, 设备昂贵,场地限制大;模型数据的大量简化和全景照片的使用可以满足普通硬件的需求, 但场景的逼真度和沉浸感较差;目前互联网提供的展示功能, 缺乏三维沉浸感和交互性;模型数据仅具有展示功能, 难以满足维修重建的工程技术参考需要目前，国外对此类工作的相关研究多集中在古建筑的测绘号恢复方法上，并且由于测量对象有限，尚无系统的工作方法与规。HSternberg等使用三维激光扫描技术对汉堡市政大厅的Kaisersaal和Grober Festsaal两个有着悠久历史的大厅进展了三维扫描并建立了模型；CAhuntas使用三维激光扫描技术为Konya考古博物馆进展了测量和建模，用彩色和灰度模式可视化了由点云生成的外表模型 ；国清华大学使用三维激光扫描仪对陵川县西溪二仙庙的局部建筑和的佛光寺东大殿进展了扫描，绘制出了梁架平面、剖面理想图，并与现状点云作比，从而得出量化的残损变形评估闰。近几年，3维激光扫描技术和CCD成像技术在大遗址数字化中发挥重要作用，相关技术不断报道。以三星堆遗址的一号祭祀坑为例，采用RieglLMSZ420i 3维激光扫描仪和尼康D100数码相机分别获取几何点云数据与纹理数据，并通过PolyWorks软件实现多站点点云数据配准与3维建模，给出从数据采集、数据加工到模型建立大遗址数字化的合理工艺流程。以省市的国家级重点保护文物“铁塔为研究对象为例，以古建筑的数据采集与处理、三维模型重建、数据库建立、系统设计为主要研究容，初步设计了基于三维激光扫描技术、GIS技术和虚拟现实技术的古建筑数字化保护系统。即通过数据与方法的集成，建立基于三维激光扫描仪等现代信息技术条件下的古建筑数字化保护系统；通过整理、挖掘相关历史文档资料，形成古建筑属性数据库；通过GIS技术与虚拟现实等技术的整合，对数字化建筑构成要素进展准确分析，建立古建筑空间数据库。 投影摄像系统的整体缺陷Inspeck构造光成像系统是由机械光栅、单一光谱组成的。一般而言，光栅越密，精度越高，但高密光栅对加工工艺的要求近乎苛刻。另一方面，由于使用单光谱，高密光栅会降低光强，影响投射效果。三维成像系统依靠计算投射在物体外表的明暗条纹来获得空间位置信息，而环境光会影响明暗条纹的形成，因此该成像系统还需要一个良好的光环境。三维激光扫描技术具有以下优点：(1)速度快：几千几十万点秒；(2)信息丰富：它包含大量物体外表的被测点，每个点均带有三维坐标和激光反射强度值，能真实地展现物体的外貌，可有效解决对形状复杂物体的观测问题；(3)精度高：精度为毫米级；(4)有益保护被测物体：属于看到即可的非接触式测量；f5)节省资金：很少需要搭建脚手架；f6)数据价值高：数字化的资料能够长久保存，古建筑点云具有广泛的应用性。三维数字建模技术是近年来开展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法, 以被测对象的采样点(离散点)集合称之为“点云的形式获取物体或地形外表的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息, 为快速、准确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模工程，龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。而俑二号坑遗址三维数字建模工程的工作实践说明，在考古开掘与文物保护工作的同时，引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进展同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古开掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的根底。三维激光扫描技术是近几年逐步开展成熟的最新测量技术，它具有其它测量技术无法比拟的优势。尤其是非接触式的测量手段，不会对考古文物造成损坏。此外，该技术明显降低了对考古文物的测量工作的难度和工作量，所得数据的可挖掘性强，多用性好。随着三维扫描技术同GIS等相关技术的结合，必将不断增强其在古建筑保护领域的应用价值和潜力。前段时间见识的Creaform公司的Handyscan三维扫描仪更是将三维激光扫描技术的有点发挥的淋漓尽致。从文物扫描获取准数据建立数据库，都更方便了。Handyscan三维扫描仪对于小型考古文物的研究确实有其它技术不可比拟的优势。通过曲线曲面扫描，全面质量检查；曲线曲面扫描，逆向工程；三维数据采集建立数据库；激光雕刻。快速成型。具有质量高，准确度高，分辨率高，快捷等优点。1.3、主要研究容本论文采用以光栅扫描测量技术为根底，以文物杯的数字化扫描系统为手段，准确获取文物杯外表的各种数据，通过点云的数据处理和曲面重构等方法，获得物体数字化模型。基于以上考虑，本论文主要研究一下容：第一章：绪论。本章主要阐述选题的依据、课题的研究意义、国外研究的现状及主要应用领域和开展趋势。第二章: 三维数据测量。本章主要介绍常用的三维测量方法及本课题所采用的方案等。为后续的数据采集提供理论依据，使所选出的方案比其他测量方法更适合该课题的研究。第三章：点云预处理。本章主要研究对获取的点云数据进展处理的工作，主要包括：点云除噪、点云插补、删除、最正确拼接、消差等，为下一步的曲面重建作准备工作。第四章：曲面重构。对离散数据转换为连续的曲面，完成自由曲面的重建工作。第五章：实验。依据硬件设备和软件设施，完成对文物杯的数据获取、数据处理、自由曲面的重建工作。第六章：总结与展望。对本文的主要研究容和主要创新点进展总结，对本文尚需进一步研究的假设干问题提出参考建议。. z-第二章 三维数据测量2.1、三维数据测量简介数据测量，又称产品外表数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的外表形状转换成离散的几何点坐标数据，在此根底上，就可以进展复杂曲面的建模、评价、改进和制造。三维型面检测技术在新产品开发、破损零件复原、工业产品外形设计、产品质量检测、医学检查、艺术品鉴定及三维动画设计等许多方面都有着广泛的应用。目前，用来采集物体外表数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不一样。按照传统的划分，数据测量主要有接触式和非接触式两种测量方法。接触式测量方法的典型代表是三坐标测量机，它通过探测头上的探针与样件外表的接触情况进展数据采集，这种方法有很高的精度，对物体的边界测量相对准确，但由于其接触式的测量，使其易于损伤物体和测头，而且速度慢，对软质材料难以测量，存在测头半径的三维补偿，而且价格昂贵，这就限制了其应用，主要应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。非接触式方法主要是基于光学原理进展数据采集，典型方法有激光三角法、激光测距法、构造光法等，特点是不与样件接触因而有较高的测量速度，可测量软质材料，可用于实时测量，适用围广，但精度稍低。本文采用非相干光源，利用投影栅相位法原理进展三维数据测量。2.2、投影栅相位法的根本原理投影光栅相位法与其它三维测量方法相比有处理方法简单、测量速度快、不受物体材质影响、本钱低和易于操作等优点，但精度低于接触式三坐标机测量，且一般要在被测物体外表进展喷涂改色处理。投影光栅相位法测量的工作原理是从获取的包含物体高度信息的二维光栅图像中恢复出真实的三维空间信息。它主要分为三个步骤：1、相位调制：即通过投影光栅扫描设备获得三维物体外表的变形光栅图像，它包含物体高度信息。2、相位解调：即求解出所获取的变形光栅图像中的准确相位。3、相位展开：即求取包含物体高度信息的光栅绝对相位值。投影栅相位法的的原理光路图如图2-1所示。投影系统光轴与摄像系统光轴相交于参考平面R上的O点，投影光栅为正弦光栅，和分别表示投影系统的入瞳和出瞳，和分别表示摄像系统的入瞳和出瞳，和到参考平面R的距离相等，均为L，正弦光栅G的栅线垂直于图平面1。图2.1投影栅相位法的的原理光路图首先通过投影系统将计算机生成的虚拟正弦光栅投影到被测物体外表，投影系统通过计算 2-1式中r(*,y)为物体外表反射率分布函数，为物体外表高度变化引起的调制位相。由投影光路的简单几何关系，得到 2-2中包含了物体的高度信息，但此相位是包裹的，需通过相位去包裹得到连续的相位，再代入高度公式 2-3即可得到物体的高度数据。2.3、测量设备介绍、硬件设备实体轮廓的数据采集是获取实体几何形状信息的首要环节。数据采集的速度、点数、精度是影响构造光三维视觉测量系统工作质量的最重要的技术指标。不同的采集方式，具有不同的采集速度和精度。本课题采用的是非接触式光栅扫描法，该方法操作简单，对硬件环境要求不高，扫描速度快，有较高的实用性。由于投影光栅法是一次性瞬间获取物体外表形状的三维信息，并且投影光模式可变，因而具有很高的测量速度和较高的精度，而且采集到的数据空间分辨率高，设备要求简单，比拟易于在实验室中实现。实验室采用的是3DCamega三维数字化扫描系统，本硬件设备包括一台进展数据处理的计算机，DCF系列的单机两台，控制盒一个，标定块一块，与三脚架配套使用。该系统采用无接触式白光三维扫描，具有以下优点：1、无接触扫描，可以更加方便和准确地测量文物杯外表。2、照相式扫描，可以方便实现所见即所测的结果。3、白光扫描，防止了传统的激光扫描对文物杯的潜在伤害。4、扫描时间短，点云数量大，可以提高扫描的可靠性。5、针对文物杯特征设定参数，更有效，更准确求解文物杯三维数据。图2.2转台与标定块图2.3文物杯与三维光栅图像采集系统、软件设施1、系统控制软件CPC.e*e，用于控制双机系统的参数、显示效果以及运行动作的。2、三维点云反求软件Winmoire，主要用于从二维图像到三维图像的反求、观察以及自动拼接。3、点云处理软件Cloudform，用于对点云的预处理及数据保存格式的转换。4、逆向工程软件Geomagic，主要进展三角网格划分、四边形网格剖分和曲面拟合，生成高精度的NURBS曲面，完成曲面的重建工作。. z-第三章 实验3.1、实验介绍本实验在大学机电工程学院三维图像测量技术与逆向工程研究室完成，采用3DCamega三维数字化扫描系统对文物杯进展光栅扫描，获得文物杯双光栅图像，经软件解相等处理获得点云数据。在Cloudform软件中对获得的点云进展除噪、消差等预处理，并将转换的IGES格式文件导入逆向工程软件Geomagic中进展多边形和曲面处理，完成面部曲面的重构工作。本实验的目的就是获得准确地文物杯三维点云数据，根据实验目的及实验所采用仪器系统的特点，可以把实验分为两大步骤：仪器系统的标定和文物杯三维点云数据的获取。3.2、仪器系统的标定1设备组装及连线1整套设备由四局部组成：一台*P电脑，两台相机，一台专用光栅投影仪，转台。电脑与其他设备进展连接。其中两根USB接口线，一根电脑与转台控制盒，另一根电脑与CPU扫描头，转台自身附带一根串口线接连到控制盒，转台和控制盒还有一根串口线连接，两个24伏电压。2完成上面步骤后，如第一次使用，会弹出相应硬件驱动安装的提示，根据提示安装驱动。3确认第二屏幕已经启用，并设般只有一个用来连接显示器的VGA接口，这是需要另一个显卡来提置分辨率为1024*768。注意：在1中，投影仪与电脑的连接在硬件条件容许的情况下是直接以VGA接口接入，但在常规台式电脑上，一供一个VGA接口，也可以利用V2U转换卡将VGA接口转换成USB接口，可直接接上投影仪。CPC控制程序界面如以下图3.1所示图3.1 CPC控制程序主框架CPC控制程序主界面主要分为四大区域，上边是菜单，左边是控制面板，中间是预览区域，下边是信息区。控制面板主要分为系统控制面板和转台控制面板。相接连接处可以任意勾选两个相机，类似于左相机和右相机，两相机有置编号，且具有唯一性。勾选两相机可以选择性的查看*个相机的预览视图，连续拍照可同时获得两个相机的一组特定照片。2设备调整及参数调整视场选取，光圈调整，光源补偿，投影条纹调整。根据市场围标定距离有两种：1、相机在外侧时，距离为780；2、相机在侧时，距离为420.镜头可以分为5组：1、400和200视场， 2、300和150视场，3、100和50视场，4、600视场，5、25视场。光源检测投影灰度的理论值与市级灰度只有差异性，而且相机采集得到的灰度会加大这种差异。于是，我们在这里做光源补偿使投影灰度与采集得到的灰度保持一致，即相机一定要调整清晰，投影条纹也要调整清晰。1） 翻开控制程序，点击开投光灯，把视频跳到120左右，再翻开控制面板把条纹切换成对焦条纹，开场对焦。2） 在条件容许的情况下关灯找一面实惠百强或者白板，根据视场大小让投影仪透出明亮清晰图形。3） 调整相机角度，让相机中线与投影中线重合，最重要的是尽量让相机视图部全都在投影围4） 条纹调整。先把控制程序里的条纹切换成23或其他小一些的条纹，调整相机光圈1使得界面最清晰，前面光圈为最清晰，调整到条纹明暗特别清晰为好。5） 市场视角调好后调整光圈。翻开CPC控制软件，先把条纹切换成白图，点击“光源检测会弹出光源检测对话框，左上角的滑块可调节相机的采集区域大小，滑动快下方矩形颜色为当前投影灰度，黄色矩形框表示滑块标定的采集区域。选择“光圈调整点击“开场右边显示出当前两个相机采集到的灰度，数值为量化表示，蓝色局部为图形化表示，这是“开场变为“暂停。在投影灰度为250的情况下，调整两相机光圈值采集灰度值为100至200之间，两相机调到根本一致。带相机光圈调整后，点击“暂停。31.相机标定根据你所选择的视场，选择适当的标定块。注意标定过程中标定快的正确摆放方向。1） 先把打包中的kernel文件全部复制到D盘至mk7dat至kernel中，再把对应视场的参数拷贝到相应的文档，200或以下视场拷贝到D盘至mk7dat至kernel至TGSpoint*YZ.t*t，300或以上拷贝到D盘至mk7dat至kernel至TGpoint*YZ.t*t。2） 将标定快放置稳定，之力或靠后倾斜一定角度。翻开CPC控制软件和winmoire，先把CPC控制软件的条纹调为对焦条纹，移动三脚架让对焦线和标定快的中心重合，再把CPC控制软件的条文调为白图，调节相机的高度让标定块中心跟视图中心尽量想和。3） 切换到winmorire，在菜单“Cal/Align下点击“LR Cal5”，弹出如以下图所示对话框。当视场选择为300或以上时LR Target Type后面的框选择1，当视场选择为200或以下时LR Target Type后面的框选择2.图3.2 LR Cal5对话框 点击“Ok，出现新的对话框。手工移动到相机标定块，先左偏10度左右，点击OK；再右偏10度左右，点击OK；然后点击NO，带右上角出现正确的标定结果即完成标定。2，转台标定根据选取的视场大小，选择适宜的转台标定板置于转台上，将CPC控制程序界面翻开，点击加载转台，让转台位置置零。在winmoire中选择菜单“Param下的“Machine Param，弹出如以下图所示的对话框，图3.3 Machine Param对话框将“Machine Type取值为5.在选择菜单“Cal/Align下的“Camera Table Align，弹出如以下图所示对话框图3.4Camera Table Align对话框点击“Calc Param即可完成自动标定过程。待得出正确标定结果后即可完成转台的标定，但这时候要注意务必防止破坏两相机与转台这三者的相对位置关系。3、翻开“Cal/Align“Camera Align,会出现如图3.5所示的界面，因为我们使用的是双机，所以在界面上会有两个“View,这个界面就是双机系统的标定界面。图3.5双机系统标定界面3.3、文物杯三维点云数据的获取1光栅图像采集确认校准完毕后，则进展文物杯的光栅图像采集。本实验采用文物杯做为实验对象，对其进展三维点云数据采集。将文物杯摆放于光栅的正前方，将文物杯摆放端正，调整被测物与三维采集系统的相对位置，使被拍摄部位图像处于图像矩形窗，且左右对称。利用图像拼接的方法进展文物杯点云数据的拼接。应该注意的是，在进展分区域拍摄时，相邻的区域必须将他们公共的标志点拍摄入，否则不利于后续的点云拼接工作的进展。 在计算机中开启光栅，开启闪光灯，进展图像拍摄。拍摄完成后查看文件是否保存。一次拍摄将会有六图片，其中一为原始图像，另外三为光栅每移动/2的光栅图像。2生成文物杯三维点云完成文物杯光栅图像采集后，在计算机中翻开winmoire软件，设置保存目录后，开场拍摄。图像拍摄完成后，选取图像中适宜的区域生成点云。这样可减少噪声点对三维文物杯点云的影响，大大降低图像处理的难度，同时也减少了图像处理的工作量。生成文物杯三维数据点云后，利用cloudform软件将其翻开，如图3.6所示点云图。将屡次测量的点云进展拼接，拼接完成后以IGS格式输出点云，以便于在geomagic软件中进展点云的处理以及曲面重构。图3.6cloudform软件中翻开的文物杯点云图. z-第四章 点云预处理4.1、点云预处理的原因在对获取的数据进展CAD反求建模时，由于多方面原因，譬如被测对象外表的粗糙度、波纹以及其它一些外表缺陷等，以及测量系统本身和测量环境比方透光比拟严重产生的影响，在数据采样过程中，不可防止地在真实数据点中混有不合理的噪声点，其结果将导致重构曲线、曲面不光滑。当物体的几何形状复杂或者尺寸较大时，我们难于通过一次测量完成整个测量，此时需要对各个视角获取的点云数据进展拼接。而且由于拍摄角度的影响，会导致物体*些部位数据的缺失或不完整，这时我们要对它进展点云插补。所以，在曲面重建前，需要对三维点云数据进展一些必要的处理，以获得可以满足要求的点云数据。4.2、点云除噪由于实际测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果中包含噪声。尤其是锋利边和产品边界附近的测量数据，不可防止地会引入数据误差。测量数据上的坏点，可能使该点及其周围的曲面面片偏离原曲面，为了降低后消除噪声对后续建模质量的影响，必须对原始数据进展去噪处理，以去掉坏点。在Cloudform软件中，支持三种根本除噪模式以及一种增强式除噪模式：最小包围球模式、最正确平面模式、临近关系模式、三种叠加模式。除噪处理：图4.1除噪前文物杯三维点云数据图图4.1中红色局部为选中状态，点击除噪，红色局部删除。选择后一片，全部处理完毕点击确定。此时只有一片处于显示状态，点击“全显点云，将数据全部显示。如图4.2所示，图中的“小黑点是噪声点去掉后留下的小孔洞。图4.2除噪后文物杯三维点云数据图4.3、点云删除该操作用于删除不理想的或无用的点云，以及除噪后仍然存在的噪声点。点云数据在CloudForm软件中，可以在窗口使用变换工具条中的各种工具项，旋转和缩放视图。能够观察到局部离散的点云数据或者不理想的点云数据。可以通过对象工具条选择不同种类对象手动删除。手动删除的步骤是：观察对象，找到多余的或者会影响图像效果的目标，确定该目标的属性点、边界、片在选择工具条上，针对不同的对象选择不同的使用模式，一般情况下，我们使用点云点对象模式；使用选择工具条各种不同的选择工具选定点云，按delete按钮或者点云栏的删除按钮执行删除。观察结果是否满意，不满意可以点击或同时按Ctrl+Z重做。4.4、点云拼接三维光栅扫描仪可快速获取被测物体外表三维点云数据，但对于如人体、汽车、飞机等大型物体或者回转型物体，一次扫描只能采集被测物体局部区域的外表数据，要想获取物体全局信息，需进展屡次扫描，但对其余局部扫描得到的点云数据具有独立的坐标系，数据之间无法进展匹配衔接。因此，屡次扫描获取的点云数据要经过坐标变换处理，以实现不同扫描区域获取的点集合并和统一。这个实现的过程就是点云拼接，也称为点云配准。目前,三维数据配准技术主要分两大类：1采用经过高精度定标的仪器获取的多视点数据以及它们之间的原始变换关系来进展数据间的配准计算；2)利用数据中的变换信息或利用在数据获取的同时引入的其他信息(即采用在被测物体外表粘贴标志点)，对三维数据进展配准计算。第二种方法在本文中不太适用，首先，人脸不太方便粘贴标志点，且标志点的形状、大小和分布会对拼接结果产生影响；更关键的是，光栅扫描标志点白色区域时，会在标志点中心处形成一组点云，将形成几十甚至几百个点，必须从这些点中随机选取一个点进展拼接定位，势必造成随机拼接误差。本文研究的是不采用标志点的点云自动拼接问题，我们在实验中，在标定好的情况下，软件已经根据仪器的特性和位置完成了点云的初步自动拼接。它的根本原理是利用最小二乘法对重叠区域进展匹配，通过高斯-马尔可夫模型减小重叠区域点云中对应点的的欧氏距离平方和，从而计算出相对于基准点云坐标系统的目标点云的转换参数包括旋转矩阵和平移向量，通过将不同视场下不同坐标系的目标点云转换到基准点云坐标系中实现点云拼接，最终获取物体完整点云数据模型。这种方法适用于光栅扫描获取的的3D点云的配准，还可应用于3D空间的曲线匹配、曲线到曲面的匹配和任意方向的3D曲面拼接。虽然在获取点云数据的时候已经完成了点云数据的自动拼接，在检测层差是也满足了不大于0.2mm的要求但在后期的点云预处理阶段，我们还是要对两片点云数据进展最正确拼接。点击拼接中的最正确拼接，在左侧显示的最正确拼接对话框，在精拼标准中选择工业。最正确拼接是根据曲率变化进展的拼接，工业拼接式2片数据互相作为参考，一起进展拼接。精拼到达要求的判断依据是收敛参数当中的第一个参数【距离方差】不再往下降，而是在*个围跳动时，精拼就到达了极限。点击确定按钮即可完成最正确拼接过程。. z-第五章 自由曲面重构5.1、曲面重构研究简介三维CAD模型的重构是逆向工程的核心和主要目的，是后续的性能分析、加工制造、快速成形和产品创新设计的根底，是逆向工程最关键和最复杂的环节。曲面重构是利用三维检测方法获取物体外表的散乱点云数据，并通过数据插值或数据拟合的方法来创立一个近似模型来逼近物理原型。其本质是通过建立物体的数字模型，准确再现曲面的外形轮廓，并以数字模型为根底对物理曲面进展品质分析、数字修改和创新设计。曲面重构包含两层含义，一是：已存在的物理曲面是曲面重建的根底，即先对物理曲面进展数据采集，在三维数据的根底上进展曲面重建；二是：已存在的物理曲面是衡量重构曲面性能优劣的标准，所构建的数字曲面模型应能无失真地再现原曲面的外形。曲面重建可通过曲面插值和曲面拟合过程实现，但曲面插值由于需要通过数据点，引起曲面光顺性较差。曲面拟合可分为隐函数曲面法拟合和参数曲面法拟合两大类。隐式曲面是指可用数学方程表示的曲面，常用于表示柱面、锥面、球面等外形较规则的曲面。隐式曲面拟合的优点是能清晰识别数据点是否位于重构曲面上，能对数据点自动融合形成光滑曲面，连续性和变形性好，收敛速度更快，适合于二次曲面拟合和描述具有光滑复杂外形的物体，其缺陷是难以进展实时绘制、修改曲面及表达具有锋利特征的曲面，所拟合的曲面与正向CAD/CAM系统不兼容，无法实现数据无缝连接，需要将曲面数据转换为通用四边域曲面，此过程会引起数据失真和数据丧失。参数曲面具有拟合过程简单、表达简洁、控制准确、易剖分和几何不变性等特点，所生成的拟合曲面符合数据交换标准，易于进展数据接口和匹配，在曲面拟合、曲面求交与变形方面快捷准确，具有更大的适用性。曲面重构方法主要分为以下几种类型：插值函数曲面法、超二次曲面法、B样条曲面法、NURBS曲面法、Coons曲面法、三角Bezier曲面法、多边形曲面法、体方法、细分曲面法、几何模型法、神经网络法和功能网络法7。依据拓扑构造不同，自由曲面重建主要分为两大类7。一是三角Bezier曲面为根底的构造方法，Bezier曲面拟合是在三边域构造上进展的，具有适应性好、构造灵活等优点，在曲面重建过程中无需对整体点云数据进展曲面拟合，可对选择的区域进展局部曲面构建，在无序散乱点云数据的有序化和三角曲面构建应用广泛，最适于表现具有复杂型面的不规则物体。但这种方法所构建的曲面与产品描述标准不兼容，无法和正向CAD/CAM软件实现数据衔接匹配，需要转换为四边界曲面而造成数据失真和丧失。并且通常对点云数据进展剖分所生成的三角形网格数目庞大，需要做网格精简处理，增加了计算复杂度。同时，三角Bezier曲面还存在难以修改和可控性差等缺点，限制了它在实际曲面构建上的应用。另一种是NURBS非均匀有理B样条曲面为根底的四边域曲面拟合方法，NURBS被国际标准化组织定义为工业产品几何形状描述的唯一标准数学方法，它能准确描述二次曲面和自由曲面，具有灵活性高、构建统一和高效简洁等特点。可以做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤、面貌、鞋楦或流线型的跑车等。本课题实验采用基于光栅投影的NURBS曲面重建技术进展CAD模型重建。NURBS是一种非常优秀的建模方式，在正向三维造型软件当中都支持这种建模方式。NURBS通过数学表达式来构建被测曲面的几何外形和外表形貌，相比传统的网格拟合方式可更好地控制曲面的光滑度，从而构建出更复杂、更具体的实物造型。NURBS数学表达式是一种复合体，应用对象主要是由复杂曲面组成的实物，如飞机、汽车、船舶、工艺品、人体面部等。NURBS曲面重建的根本流程图如下所示：散乱点云点云除噪合并、封装三角面片编辑松弛、平滑处理探测曲率构造轮廓线四边域网格NURBS曲面拟合构造格栅NURBS曲面重建具体主要包括以下几个步骤：1、建立多边形模型通常是三角形网格。这一过程的主要目的是确定 离散点云的拓扑连接关系，实现数据有序化。2、建立四边形域剖分模型。这一过程是将上一步建立的三角形网格模型分割或合并成一些四边界构造，为下一步拟合成连续曲面做准备。3、对第二步生成的四边形网格模型进展NURBS曲面重建。这一步包括数据点的参数化、确定节点矢量及曲面拟合等。4、根据设计要求对NURBS曲面进展再处理。主要包括曲面拼接、曲面裁剪、曲面光顺处理等。5.2、三角形网格阶段在Geomagic中翻开经过Cloudform软件处理过的点云数据，通过选择体外孤点命令删除体外孤点，通过减少噪音命令删除噪声点。然后利用封装功能将面部散乱点云剖分为三角网格，并拟合为三角面片。图5.1是Cloudform软件中处理的点云数据在Geomagic studio 10中合并生成的三角形面片的三维图。图5.2是采用Geomagic studio 2021软件对面部三维点云进展三角化所得到的三角面片，共包含653030个三角网格，但曲面存在较多三角孔洞。图 5.1文物杯三角形面片生成图5.2三角网格图53、多边形阶段孔洞填充以文物杯侧面的这个孔洞为例点击菜单栏多边形，选择填充孔选项。选择填充，选定文物杯侧面的孔洞，确定即可图5.3填充选项图图5.4 孔洞修补前图5.5 选定孔洞5.6孔洞修补后图5.7文物杯所有孔洞填充前图5.8文物杯所有孔洞填充后5.4、曲面阶段NURBS曲面重构是在三角面片重构的根底上进展的，如图5.9所示，即最终曲面成形阶段(Shape Phase)，如图5.10所示。此阶段主要实现数据分块与曲面构造功能。首先通过检测曲率Detect Curvature功能检测面部曲率，根据计算的曲率结果找出多边形数据中的特征线(Contour Line)。在特征曲线的根底上，利用创立面片功能。图5.9文物杯三角面片图 图5.10 文物杯三角面片曲面重构在多边形数据上自动生成四边形网格。由于自动生成的四边形网格呈现不规则的网状，利用网格编辑功能将其排列成比拟规则的网格面。图5.11为利用Geomagic studio软件生成并经过适当调整的面部四边形网格，共有四边形网格134个。图5.11 文物杯四边域网格然后利用创立栅线Construct Grid功能为每一个网格建立UV参数线，此处设定分辨率为20，即每个四边形区域包含20条U参数线和20条V参数线，最后使用拟合曲面Fit Surface功能使得每一个四边形网格自动生成G1连续的曲面片，此处设定最大控制点数为18个，公差值为0.05994mm。图5.13为最后生成的面部NURBS四边域重构曲面。图5.12生成文物杯UV曲线图5.13文物杯NURBS重构曲面. z-第六章 总结与展望6.1总结本文工作围绕三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用展开研究，以实验室脸谱文物杯为研究对象，通过实验和软件处理，最终完成实物的CAD模型重建。较为系统地研究了三维扫描技术、相位去包裹、图像拼接技术、点云的处理、点云可视化及其在三维文物数字化与可视化方面的运用,在理论和软件运用方面进展了探讨。1.系统地介绍国外三维扫描技术的国外的开展现状及开展趋势，三维物体测量在考古学中的意义及应用前景。2.详细阐述了相位调制原理相位去包裹的根本原理,初步研究点云中噪声点的去除,阐述了拼接技术的算法与过程。本文详细介绍了论文试验所使用的软件和硬件。3.分析了点云可视化的根本步骤和算法,查阅了大量的相关资料,介绍了数据简化与模型重构的理论。运用3D扫描仪对考古文物杯进展扫描,运用CloudForm软件进展拼接,运用Geomagic软件进展可视化处理,本文记录了实验的过程。4.本文对考古文物三维数字化扫描与可视化过程做了一个简单的阐述和实验,理论联系实际,对三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用有一定的参考意义。6.2展望 三维物体数字化技术与可视化技术在考古学中有着很好的应用前景，随着三维测量技术在考古学中的开展，对考古文物的曲面精度和三维测量效率提出了更高的要求。本文的研究仅仅是三维检测与逆向工程在考古学应用中很小的一局部，还有很多相关的工作有待进一步展开。1在采用标志点的点云拼接中，分析标志点的形状、大小和分布对拼接精度的影响，重点研究一些考古型文物的点云自动拼接技术。2通过双光栅构造光扫描仪获取文物三维点云数据，但由于有些文物具有非常复杂的构造和光照特性，且无规律性，采用逆向处理软件Imageware对点云进展分块以及后续的曲面拟合、曲面拼接处理获取文物曲面，并分析曲面的误差分布和光顺特性是以后重要研究容。3通过细化光栅来提高光栅投影三维测量的精度。将会提高光栅投影扫描的精度以及曲面重构的精度. 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