宗立成

(西北大學藝術(shù)學院，陜西西安 710069)

0 引 言

文化遺產(chǎn)是一個國家、民族的精神支柱，其體現(xiàn)的是民族的文化、經(jīng)濟、技術(shù)、科技等多方面融合的實力，是國家民族持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和動力，有必要對其進行保護、傳承和發(fā)展。21世紀，人類正經(jīng)歷著信息化和數(shù)字化發(fā)展的重要時期。中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展十一五規(guī)劃綱要中明確提出“加快國民經(jīng)濟和社會信息化”建設(shè)步伐，“推動信息產(chǎn)業(yè)與文化產(chǎn)業(yè)結(jié)合”。數(shù)字化具備數(shù)據(jù)壓縮、可編輯修改、重復利用、虛擬現(xiàn)實等特征，非常適合文化遺產(chǎn)的采集、保護、開發(fā)和再利用。特別是近年來三維掃描技術(shù)、仿真模型技術(shù)的發(fā)展，可以將文化遺產(chǎn)中的文物進行高精度數(shù)字化轉(zhuǎn)換，對于研究人員來說便于對文物進行全方位的數(shù)據(jù)獲取、結(jié)構(gòu)分析、多次或者同步實驗分析；對于普通觀眾來說可以近距離、不受時空限制、交互式地全方位觀賞文物。目前國內(nèi)針對文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究主要集中于數(shù)字化理論、模式、體系[1]等方面的研究。例如趙東[2]研究了歷史文化資源的數(shù)字化理論和可行性方案，建立了陜西地區(qū)的文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護與開發(fā)模式；譚必勇[3]從技術(shù)、文化和制度三個角度研究文化遺產(chǎn)的數(shù)字化體系。文獻[4]研究了數(shù)字技術(shù)在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化采集、存儲、復原、再現(xiàn)、展示和傳播中的基本方法路線；文獻[5]研究了文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護機制，利用web技術(shù)構(gòu)建滿族非遺的數(shù)字化平臺。美國、英國和日本在文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究方面起步較早，基于快速發(fā)展的計算機信息技術(shù)，針對文化遺產(chǎn)進行數(shù)字化保護、轉(zhuǎn)換和傳播。例如歷史文物的三維數(shù)字建模和文物的增強現(xiàn)實展示等等。Debevec[6]提出了基于少量靜態(tài)圖像的文物建模和渲染方法，結(jié)合攝影測量技術(shù)和立體算法，構(gòu)建了大型物質(zhì)文化遺產(chǎn)場景的虛擬建模方法；Levoy[7]將米開朗基羅進行數(shù)字化采集、處理、復原和展示； Lambers[8]研究基于圖像的文物建模問題，提出了數(shù)字影像和三維掃描技術(shù)的文物數(shù)字化采集方法；Liarokapis[9]研究基于增強現(xiàn)實技術(shù)的信息交互平臺，在現(xiàn)實學習環(huán)境中疊加虛擬多媒體學習內(nèi)容，增強了文化遺產(chǎn)的數(shù)字化展示、學習和傳承方式。文物數(shù)字化設(shè)計方法的關(guān)鍵技術(shù)主要是數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化展示和數(shù)字化開發(fā)利用。文物三維數(shù)字化設(shè)計和實驗的目的是構(gòu)建完整、可行的文物三維數(shù)字化技術(shù)路線。

1 文物信息的數(shù)字化

1.1 文物數(shù)字化信息的獲取

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保存的前提條件是數(shù)字信息的獲取，文物數(shù)字化轉(zhuǎn)換就可以很好地解決這類問題。在物質(zhì)文化遺產(chǎn)中，文物的數(shù)字化基本要求是準確的數(shù)字化還原。目前來說，針對非平面文物的數(shù)字化主要有基于圖像的三維模型重建方法；基于測量的三維重建方法和文物的三維實體掃描方法[10]?；谌S掃描方法的文物數(shù)字化三維模型構(gòu)建路線具備精度高和速度快的特點，三維數(shù)據(jù)掃描和計算機輔助數(shù)據(jù)配準是目前文物數(shù)字化設(shè)計的主要研究方向。三維掃描技術(shù)的原理是利用激光三角測距原理，通過發(fā)射出的水平激光束掃描物體，并接受物體表面的反射激光束，利用CCD傳感器采集幀數(shù)據(jù)，計算和統(tǒng)計采樣點的水平投影距離，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)重構(gòu)采樣點的三維坐標還原被掃描模型。

1.2 數(shù)字信息的處理

三維掃描儀可以快速掃描物體，獲得大量的掃描數(shù)據(jù)。一般來說這類掃描數(shù)據(jù)量龐大，需要進行拓撲處理才能使用。在掃描的過程中，根據(jù)被掃描物體的不同，掃描的方式和結(jié)果需要調(diào)整，而且在掃描的過程中，需要建立多個視點，多個視點掃描的數(shù)據(jù)進行配準才能獲得物體的準確三維數(shù)據(jù)。珍貴文物無法進行多次直接觸碰和多角度放置，因此在掃描時會出現(xiàn)空洞數(shù)據(jù)，需要對空洞數(shù)據(jù)進行修補。

2 文物數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

2.1 基于掃描數(shù)據(jù)的重建

文物三維掃描的過程中，需要確立三維掃描的視點[11]，被掃描物體往往需要建立4～8個以上視點，大型場景往往會達到幾十個視點。這些視點獲取的掃描點云相對于視點本身是局部坐標，需要將各個視點的點云數(shù)據(jù)進行拼合，才能準確獲得物體的完整坐標數(shù)據(jù)。在進行各視點數(shù)據(jù)拼合之前，需要將各視點的點云數(shù)據(jù)進行壓縮和去噪處理，利用多邊形細分理念，對于某一視點的三維點云區(qū)域內(nèi)的M×N點：

Step 1：首先計算M×N構(gòu)成的四邊形網(wǎng)格內(nèi)的點是否處于同一平面；

Step 2：判斷：同一平面執(zhí)行step 3；不同平面執(zhí)行step4；

Step 3：保留M×N平面內(nèi)的四個頂點，刪除其余所有的三維點，結(jié)束運算；

Step 4：將M×N平面進行一次細分，分為四個四邊形；

Step 5：執(zhí)行step 1。

在進行掃描的過程中，掃描本身需要設(shè)置適當?shù)暮喕蛢?yōu)化級別，獲取的掃描數(shù)據(jù)進行多邊形細分壓縮的過程中，如何判斷被掃描物體的點云數(shù)據(jù)去噪合適，需要根據(jù)平均距值原理。三維物體的點云密度越大，采樣點之間的平均距值就越小，根據(jù)掃描物體的具體要求和用途，采用平均距值原理。只需要判斷采樣點之間的平均距值大小，從而決定是否需要刪除多余的點云數(shù)據(jù)，進行掃描物體的點云數(shù)據(jù)壓縮。

平均距值的主要步驟為：

Step 1：定義采樣立方體變長d和欲精簡數(shù)據(jù)點百分比θ；

Step 2：定義平均點距立方體，如圖1所示；

圖1 采樣立方體

Step 3：計算P到點Qi集內(nèi)任意一點的距離

Step 4：計算平均距離

Step 5：對比定義的精簡百分比θ，刪除比θ小的數(shù)據(jù)點。

經(jīng)過上述的數(shù)據(jù)采集和去噪處理，對文物掃描點云數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化。通過優(yōu)化的三維點云數(shù)據(jù)重建三維模型進行文物的數(shù)字化處理。

關(guān)于三維重建，采用三角刨分原理的三角網(wǎng)格生長法，其優(yōu)勢在于能夠?qū)呙璧狞c云數(shù)據(jù)進行快速重建，并能夠較好地耦合一些三維模型軟件，例如MAYA、3D MAX等進行視覺化的呈現(xiàn)和二次修改利用，尤其是掃描數(shù)據(jù)的修補。由于三維掃描不可能做到被掃描面的全覆蓋，在掃描數(shù)據(jù)的處理中也會造成數(shù)據(jù)配準不一致，由此這類問題造成的空洞數(shù)據(jù)需要進行適當?shù)娜斯ば迯?。三角網(wǎng)格生長法的基本步驟如下：

Step 1：選擇起始點；

Step 2：搜索、連接與起始點最近的點，并將其所在的Delaunay三角網(wǎng)的一條邊作為基線，找出Delaunay三角網(wǎng)的第三個點并連接；

Step 3：由基線的兩個端點與Step 2搜索到的第三點構(gòu)成新的基線；

Step 4：迭代以上兩步；

Step 5：無法搜索第三點，結(jié)束。

文物三維模型的重建需要把握的原則是文物與模型的高度一致性，三維掃描獲取了文物的龐大點云數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)處理，將簡化的結(jié)果進行三維視覺化的呈現(xiàn)，同時進行空洞數(shù)據(jù)修補、三角面處理以及文物的尺寸、比例和紋理校對。

2.2 數(shù)字紋理映射

在進行文物數(shù)字化還原時，三維掃描記錄的是文物的空間坐標信息[12]，為了準確還原文物的完整信息，需要三維掃描的過程中，同步記錄文物的高精度紋理信息。三維掃描儀可以同步獲取文物紋理數(shù)據(jù)，但受限于實驗環(huán)境、掃描儀設(shè)置和分別率，掃描獲取的紋理信息質(zhì)量很低，目前絕大多數(shù)的文物紋理實驗都是基于人工的多重紋理貼圖，利用專業(yè)的三維圖形軟件，例如3d MAX等進行人工交互方式，將文物的高精度圖片貼到文物三維模型上。借鑒透視投影成像原理，利用三維掃描透視投影模型，將文物的網(wǎng)格模型與圖像標記點進行匹配，使文物網(wǎng)格模型坐標變換到所拍攝圖像的攝像機坐標系，生成文物的二維色彩圖像，從而進行文物的圖像與模型之間的紋理映射，詳細步驟如下所示：

Step 1：標記文物色彩圖像上一點P的坐標為(u，v)；

Step 2：設(shè)文物網(wǎng)格模型上該點P的坐標為(x，y，z)；

Step 3：那么，(u，v)和(x，y，z)則稱為一組特征對應，它們之間的關(guān)系式表達如下：

Step 4：標記Pn點，獲取Mn組矩陣，求解透視投影矩陣；

Step 5：將計算出的P點RGB值賦予網(wǎng)格模型；

Step 6：將文物主要的紋理取值點進行標記，進行Step 2～Step 5計算。

文物數(shù)字化還原不僅要求對文物的三維模型進行準確建模，還需要對文物的質(zhì)感和色彩進行逼真還原，這就取決于紋理映射。在進行文物透視投影原理的紋理映射過程中，文物的數(shù)字模型色彩紋理效果與標記點取值有關(guān)，標記點越多效果越好，但計算量會急劇加大。因此，在實際的文物數(shù)字化實驗中，采取數(shù)值計算和人工貼圖相結(jié)合的方法，對文物的紋理質(zhì)感和色彩進行數(shù)字化還原，便于進行后期的文物數(shù)字化應用。

3 文物數(shù)字化實驗

為了檢驗上文所研究的方法有效性，針對青銅牛尊文物進行數(shù)字化設(shè)計實驗。實驗采用InSpeck三維掃描儀，該掃描儀通過并行獲取數(shù)據(jù)的方式，獲取速度可以達到30萬點每秒。案例的青銅牛尊文物是出土于衡陽的商晚期文物，高14cm，長19cm，現(xiàn)藏于湖南省博物館。該文物設(shè)計巧妙，分為蓋和背兩部分，蓋部為牛首立虎形物，杯部有鳳鳥紋路，是一件精巧的尊類器皿。在進行青銅牛尊的數(shù)字化實驗中，對青銅牛尊文物進行掃描，將文物的立姿側(cè)面進行掃描，獲取青銅牛尊的三維點云數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和重建獲得三維模型并進行數(shù)字化設(shè)計應用，具體實驗步驟如下：

Step 1：實驗環(huán)境設(shè)定

青銅牛尊(圖2)文物年代久遠，為了保護文物不受傷害，對實驗室的光線控制在300lux(日光)+50lux(人工光)，控制實驗環(huán)境濕度低于40%，溫度保持23℃室溫左右，并將文物置于掃描轉(zhuǎn)盤，設(shè)定攝像機視角與掃描轉(zhuǎn)盤保持水平角度，用于記錄相同角度的文物紋理照片。

圖2 青銅牛尊文物

Step 2：三維掃描設(shè)定

為了保證掃描數(shù)據(jù)的準確性，在掃描之前首先對掃描儀進行校準，設(shè)定掃描分別率為2.00mm，定位坐標個數(shù)為10個，優(yōu)化掃描網(wǎng)格為20，簡化掃描網(wǎng)格為10，掃描紋理投影方式為自動，紋理尺寸為4096×4096。

Step 3：文物掃描設(shè)定

由于青銅牛尊文物的主要數(shù)據(jù)設(shè)計面都位于足部之上，采用立姿基本可以掃描文物90%的數(shù)據(jù)面。關(guān)于文物足部底面的數(shù)據(jù)面采用人工修補的方式，這樣可以避免文物倒置對文物造成的傷害，也提高了實驗進度。

Step 4：三維掃描數(shù)據(jù)的獲取

對青銅牛尊文物進行數(shù)據(jù)掃描，獲取文物的三維坐標信息(點云數(shù)據(jù))。在進行掃描的過程中，設(shè)定掃描儀的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動刻度為15°，將文物從設(shè)定的原始位置開始掃描，每轉(zhuǎn)動15°進行一次掃描，一共進行24次掃描。同時對這24次相同角度的文物進行24次拍照，記錄24次文物紋理照片如圖3B所示。

圖3 掃描示意圖

Step 5：文物掃描數(shù)據(jù)的處理

經(jīng)過24次掃描獲得了大量的文物三維點云數(shù)據(jù)，這些點云數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理才能使用。運用上文所構(gòu)建的平均距值精簡方法，將獲取的點云數(shù)據(jù)進行精簡運算，其中根據(jù)文物的實驗目的和用途定義精簡百分比如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)精簡百分比

實驗的設(shè)定目的是對青銅牛尊文物進行數(shù)字化還原與再設(shè)計，因此不需要特別高的還原精度。因此，將精簡百分比定義為53%，通過實驗可知青銅牛尊的原始面片為117648，經(jīng)過精簡后的面片數(shù)為55295。InSpeck三維掃描儀提供了FAPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將精簡之后的數(shù)據(jù)導入FAPS系統(tǒng)，進行三維圖像數(shù)據(jù)處理。基本原理是通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)相函數(shù)圖像和深度圖像，將深度信息轉(zhuǎn)換成三維信息進行迭代優(yōu)化。

Step 6：文物三維視覺重建

論文基于VC++和ARX工具進行數(shù)據(jù)處理實驗，將精簡之后的文物數(shù)據(jù)導入FAPS系統(tǒng)中，提取青銅牛尊的三維信息生產(chǎn)文物的三維模型。將簡化的結(jié)果導入FAPS系統(tǒng)中，進行三維視覺化的呈現(xiàn)。由于在文物掃描的過程中，采用了文物立姿狀態(tài)掃描，足底部沒有掃描數(shù)據(jù)，因此需要進行人工空洞數(shù)據(jù)修補，這部分工作在MAYA三維軟件里進行。通過三維重建，獲得了文物的一個完整網(wǎng)格模型，該網(wǎng)格模型已經(jīng)足夠用于普通的文物三維展示和文物數(shù)字化設(shè)計應用。因此可以得step 4定義的53%精簡率的有效性。同時將獲得的網(wǎng)格模型導出為FBX或OBJ格式，可以應用于絕大多數(shù)的三維模型軟件和虛擬開發(fā)平臺，如圖4所示。

圖4 文物三維模型及面片數(shù)統(tǒng)計

Step 7：模型紋理映射

紋理映射的目的是將文物進行完整的數(shù)字化還原，將模型網(wǎng)格點上的顏色信息與文物進行對應。在Step 1階段時，同步獲取了文物的紋理照片。三維掃描的同時記錄的是文物表面的三維坐標信息和三維點的顏色信息。因此，最終獲取的三維模型具備了紋理信息，模型的網(wǎng)格點已經(jīng)記錄了顏色值(RGB)。但在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)，受到實驗環(huán)境的影響，在掃描的過程中，每轉(zhuǎn)動15°掃描數(shù)據(jù)不受影響，但是記錄的紋理信息受到光線影響較大，這部分工作需要進行后期修正。因此，基于上文的透視投影原理方法，選取0°，90°，180°，270°四副圖像作為紋理映射的基礎(chǔ)圖案，進行網(wǎng)格點標定，用于二維圖像和三維模型網(wǎng)格點的配準，從而獲得三維模型的紋理，最后獲取的效果如圖5所示。

圖5 紋理映射標定及貼圖

Step 8：文物數(shù)字化展示

文物數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究中，文物的數(shù)據(jù)獲取、處理和重建是研究的重點和難點。在文化遺產(chǎn)的數(shù)字化研究工作中，最直觀的呈現(xiàn)就是文物的視覺化虛擬展示，這也是最為有效的文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護和傳承方式。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓大眾切實感受文化遺產(chǎn)的數(shù)字化成果，了解、保護和傳播文化遺產(chǎn)?；赩irtools平臺開發(fā)文物虛擬展示方案，Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬編輯系統(tǒng)，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)絡(luò)、計算機游戲、多媒體、交互式教育訓練、仿真與產(chǎn)品展示等。在前面的實驗流程中，已經(jīng)獲得了文物的三維仿真模型，利用Virtools內(nèi)置的交互行為模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能模塊，將青銅牛尊三維數(shù)字模型倒入Virtools系統(tǒng)，設(shè)置和編輯展示交互模式，設(shè)計基于web的文物交互式虛擬展示，普通用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就可以瀏覽和控制數(shù)字復原模型的360°旋轉(zhuǎn)、縮放和細節(jié)展示，如圖6所示。

圖6 文物虛擬展示

整體的實驗流程圖如圖7所示。

圖7 青銅牛尊數(shù)字化實驗流程圖

4 結(jié)論及展望

文化的三維數(shù)字化設(shè)計涉及文物的數(shù)據(jù)獲取、處理等關(guān)鍵技術(shù)，三維掃描方法可以快速準確地獲取文物的三維坐標信息，通過對掃描數(shù)據(jù)的處理重建文物的三維模型。結(jié)合青銅牛尊文物數(shù)字化設(shè)計實驗，構(gòu)建了完整的文物數(shù)字化設(shè)計流程和實驗方法，相比基于圖像和測量的文物三維數(shù)字化方式，基于三維掃描和計算機輔助文物三維數(shù)字化實驗路線可以更精確和快速地獲取文物的三維信息，構(gòu)建文物三維數(shù)字化模型。研究中構(gòu)建了二維圖像標記的三維網(wǎng)格紋理映射方法。但該方法在二維圖像標記與三維網(wǎng)格映射之間配準性需要提高，工作量很大。下一步的研究重點主要解決大尺度文物數(shù)據(jù)獲取與處理和紋理映射標記配準問題。

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