石窟寺文物的三维精细化建模研究.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年基金项目()山东省研究生创新计划项目()作者简介:郑国强()男副教授博士主要从事环境生态、遥感图像处理等方面的研究:.通讯作者:./.石窟寺文物的三维精细化建模研究郑国强王光生王万忠(.山东建筑大学 测绘地理信息学院山东 济南.山东省古建筑保护研究院山东 济南)摘要:石窟寺文物处于半封闭空间状态窟内造像结构复杂多样采用多种建模手段有助于获取石窟寺的高保真模型 文章以驼山石窟一号窟为研究对象提出以站式扫描点云为整体控制网影像密集匹配点云和手持精细点云为主要数据源利用经典 算法进行点云配准和改进的薄板样条函数进行纹理映射的融合建模方法结果表明:所提多源数据融合建模方法能充分保留点云的几何精度和影像的纹理精度实现石窟寺文物的高精度、高分辨率建模改进的薄板样条函数纹理映射方法避免了特征复杂位置纹理错位、拉花等现象有效地解决了点云重建模型纹理分辨率低的问题关键词:石窟寺文物多源数据融合加权薄板样条函数三维精细化建模中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言石窟寺属于古代庙宇建筑建造时通常依附山势从山崖壁面向内部纵深开凿窟内多为代表宗教造像或宗教故事的壁画是最古老的佛教建筑形式、年习近平总书记相继考察了云冈石窟和莫高窟指出这是人类文明的瑰宝要坚持保护第 山 东 建 筑 大 学 学 报 年一在保护的基础上研究利用好 年 月国务院办公厅下发了关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见明确到 年石窟寺管理体制机制创 新 取 得 重 要 进 展 石 窟 寺 重 大 险 情 全 面消除石窟寺作为不可移动文物受人为破坏和自然侵蚀的影响遭受到不同程度的损坏而文物数字化在文物保护和修复中具有不可替代的作用 为了更好地保护文物可以运用现代化手段获取文物的形体、纹理、材质等数据信息为后期石窟寺文物的全方位保护提供科学的数据支撑 现代化测绘技术如摄影测量和三维激光扫描技术已广泛应用于文博行业 刘旭春等描述了三维激光扫描的技术流程并成功地应用在了古建筑保护行业中郑书民等依托新疆库车地区石窟数字化保护实例研究了三维激光扫描技术在石窟立面测绘中的应用李敏等采用三维激光扫描仪在石窟中进行整体扫描并建立石窟三维形状的框架约束多视图重建计算中的空间解算误差以实现石窟寺的精细化建模但上述研究只考虑了文物模型的几何精度未对模型的纹理精度开展相关研究唐燕利用近景摄影测量的方式完成了文物模型的重建有效地提高了文物模型的纹理精度实现了文物模型在虚拟场景的漫游黄先锋等将三维激光扫描技术与倾斜摄影测量技术相结合实现了敦煌莫高窟及其内部洞窟的结构重建为石窟寺文物建模提供了新的技术手段王瑶瑶等利用激光点云与地理信息技术结合对古建筑三维建模实现了建筑空间和属性信息的查询、分析但纹理映射采用虚拟仿真的方式并不能真实表达建筑的纹理信息 可以看出由于石窟寺所处环境复杂、体量大小不一以及开凿石窟造像所形成的特殊空间形态等因素采用单一技术很难实现石窟寺几何数据和纹理数据的获取 三维激光扫描技术能直接获取目标表面的三维空间信息但很难获取高分辨率的纹理信息而摄影测量技术却在此方面具有优势 这两种技术在长期发展中形成互补融合两种技术的数据建模具有重要的研究意义文章提出以站式扫描仪获取的石窟点云作为整体控制网手持扫描仪获取的复杂造像结构点云及高清数码相机获取的密集匹配点云作为主要数据源实现石窟寺文物的几何重建针对复杂模型的纹理映射问题采用改进的薄板样条函数进行几何模型的纹理映射从而实现石窟寺造像、雕刻和壁画的精细化建模为实现不同体量的文物数字化提供有效的技术手段 石窟寺三维精细化建模方法.研究区概况驼山石窟位于山东省青州市驼山主峰东南崖壁上是我国北周至唐代时期的佛教石窟寺年被认定为全国重点文物保护单位 驼山一号窟为方形平顶窟开凿于初唐(年)及盛唐(年)时期如图 所示 驼山一号窟石窟造像体量大、雕刻面积广、几何结构复杂且石窟造像、壁面绘有彩绘采用单一的技术很难实现石窟寺的精细化建模为此文章提出了一种多源数据融合的石窟寺精细化建模方法图 驼山一号窟图.精细化建模流程文物模型最主要的是保证数据的客观性和真实性三维激光扫描技术能实现石窟寺文物的高精度几何重建但模型纹理的分辨率较低而摄影测量技术能获取高分辨率的纹理信息 文章综合考虑三维激光扫描与摄影测量技术的优势和缺点提出以站式扫描点云为整体控制网实现影像密集匹配()点云与手持精细扫描点云的高精度配准以其配准融合点云为主要数据源完成石窟寺文物的高精度重建利用加权薄板样条函数的纹理映射方法对石窟寺模型进行纹理映射实现石窟寺文物的三维精细化建模 文章具体实现流程如图 所示其中坐标采集采用实时动态()坐标 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 图 石窟寺文物精细化建模流程图 石窟寺多源数据获取.三维激光点云获取 对于空间复杂的石窟寺文物而言扫描获取的点云数据大、扫描周期长因此扫描前需要现场勘测制定合理的扫描方案 扫描数据获取后需要对点云数据进行去噪、配准、冗余去除等操作获取石窟寺建模所需要的点云数据 三维激光扫描点云获取的主要流程如图 所示图 激光点云数据获取流程图文章采用架站式空间扫描仪 和手持扫描仪 获取石窟的点云数据 是一款具有超远距离扫描的高速三维激光扫描仪 是一款适用于近距离复杂曲面数据采集的高精度手持三维扫描仪详细参数见表 表 三维激光扫描仪参数表设备类型扫描光源分辨率扫描范围/扫描速度/(点)纹理分辨率/红外线激光 万.白光().站式扫描点云获取根据驼山一号窟以及 的扫描特点选择窟内架设 站、窟外架设 站的方式进行扫描 驼山石窟为国家重点文物禁止人为及设备接触无法在壁面粘贴标靶 扫描时在地面上放置棋盘板作为点云数据的控制点棋盘板的放置角度与扫描仪的扫描光束之间入射角应 扫描参数设置为/分辨率和 倍降噪率 获取站点点云后采用 扫描仪自带的 软件进行点云预处理 一号窟站式扫描点云及细节图如图 所示 图()是点云去噪、配准、冗余去除后获取的点云数据 由图()可知石窟寺特殊的空间环境造成窟内遮挡严重 点云模型存在较多空 洞图()中石窟的整体色彩明暗差异较大文章不将其作为石窟寺建模的数据源 但根据站式空间扫描仪全局精度高、覆盖范围广的特点将站式扫描点云作为石窟寺建模的整体控制网实现影像密集匹配点云与手持精细点云的融合配准工作图 一号窟站式扫描点云及细节图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年.手持精细扫描点云获取石窟寺内有大量复杂结构的文物造像站式扫描仪的分辨率很难表现复杂造像的细节部分因此需要手持扫描仪进行精细扫描 手持精细扫描仪主要用于小尺度文物扫描对于体量较大的石窟寺完成整窟的点云采集不仅需要大量的时间还会生成庞大的数据量导致后期数据处理困难 综合考虑建模精度及效率问题文章只对石窟内复杂造像扫描 能够实时处理生成预览点云及时发现扫描点云存在的问题但此现场处理点云的方式会大幅增加数据采集时间 一号窟内造像众多将其划分为石窟北壁、东壁、西壁 个扫描区域依次扫描不同壁面上的造像 扫描仪可以获取造像的彩色信息但分辨率较低且彩色扫描会大幅增加扫描周期和点云数据量为后期数据处理带来困难因此扫描参数设置为.、不开彩色在文物扫描的过程中要特别注意文物安全禁止直接接触造像表面 手持扫描仪获取的点云数据和站式扫描点云一样需要预处理以获得文物造像的精细点云 通过预处理后获取的造像点云模型如图 所示图 一号窟文物造像精细点云图.影像密集匹配点云获取在半封闭的石窟环境中由于光照和扫描仪相机的分辨率等原因其获得的彩色数据存在分辨率低、噪点大、光线不均等问题需要用高清数码相机获取整窟的高分辨率影像数据 文章选用佳能 数码相机及 的定焦镜头采集石窟的色彩信息其最高分辨率达到 影像密集匹配点云获取的主要流程如图 所示由于石窟寺的特殊环境相机需要挂载闪光灯对石窟寺进行彩色影像采集保证在不同的角度、不同的 目 标 下 获 得 相 同 亮 度 及 分 辨 率 的 影 像 是人眼能够识别的最大分辨率为了保证文物模型纹理的真实性拍摄获取的影像分辨率要满足 拍摄距离要 石窟寺的影像数据获取后利用实景建模软件 处理生成石窟的密集匹配点云处理结果如图()所示 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 图 影像的密集匹配点云重建图图 一号窟密集匹配点云及细节图 相对于扫描仪的数据获取方式相机拍摄获取石窟的影像数据更加灵活不会受架站空间或扫描视角的限制 通过近景摄影测量获取的密集匹配点云十分完整(如图()和()所示)不会出现大的点云空洞但影像密集匹配获取的复杂文物的点云不如三维激光扫描点云的精度高 石窟寺文物精细建模的实现为了实现多种技术的优势互补多源、多分辨率的点云数据获取后需要对点云进行配准融合获取石窟寺完整的高精度点云数据通过点云数据的几何重建、纹理映射等实现石窟寺的三维精细化建模.多源数据的点云融合配准点云配准是精细化建模的关键其配准精度直接影响几何模型的精度 通过迭代最近点()算法对不同方式获取的点云数据进行配准实验检验其在不同分辨率点云中的配准精度 经过控制点配准后的站式扫描点云具有真实的地理坐标信息以此为整体控制网完成文物造像细节点云与 点云的高精度配准点云数据通过经典 算法迭代 次后的点云配准效果图如图 所示从目视角度看点云配准结果没有明显分层现象配准效果较好通过计算匹配点对的欧氏距离来检验 算法的点云配准精度 点云与手持扫描点云配准后的匹配点对欧氏距离分布图和配准残差直方图如图 所示由于遮挡问题通过不同方式获取的数据并不完整且手持扫描仪只扫描文物造像部分有些点在阈值内没有匹配点此时点云在欧氏距离分布图中为黑色匹配点对欧式距离分布图中颜色由深蓝到深红变化表示配准精度逐渐降低 由图 可知点云的整体配准误差分布均匀不存在配准精度突变现象 以站式扫描点云为控制网完成 点云与手持精细点云的配准过程会出现误差累积两步点 山 东 建 筑 大 学 学 报 年云配准过程中的配准误差统计见表 图 点云配准效果图图 点云配准精度报告图 表 点云配准后匹配点对的欧氏距离均值和方差表配准数据匹配点对欧氏距离平均值/匹配点对欧式距离方差/站式点云 点云.点云手持点云.上述数据处理方案会出现误差累积现象由表 可知最终点云模型与整体控制网之间的平局误差累计 模型精度较高 手持扫描仪获取的点云数据精度高可以很好地保留造像的细节特征配准后需要人工编辑点云保证文物造像部分重建以手持扫描点云为主.点云模型重建及修补点云数据获取后需要对其表面重建获得石窟寺文物的三维网格模型 采用效果好、效率高的泊松算法进行三维点云的表面重建 泊松算法既考虑了所有的点数据又不需要进行多叉树的三维点云划分及三维表面融合处理因此该方法能够很好地抑制点云数据存在的噪声创建出更加真实的表面几何模型文物数字化模型重建时保持数据的客观性至关重要在优化模型时需要考虑对模型精度的影响几何模型优化图如图 所示 由图()可以看出通过泊松重建后模型表面存在许多孤立几何体需要剔除冗余剔除后的效果如图()所示 由于目标遮挡、数据采集不全等原因模型表面存在不同大小的空洞对于石窟文物模型表面规则区域的小面积且外形上无争议的空洞可以进行修补而特征明显或面积较大的空洞应考虑石窟现状结合具体情况确定空洞是否需要修补图()中空洞较小且没有明显的造像特征可直接利用插值法进行修补其结果如图()所示 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 图 几何模型优化图.基于加权薄板样条函数的纹理映射通过几何重建可以获取高精度的三维网格模型但其并不能真实表达目标的纹理信息缺乏可辨识性尤其是石窟文物具有丰富的彩绘信息需要对几何模型进行纹理映射 纹理映射是将二维影像映射到三维模型表面生成模型表面所需要的细节.加权薄板样条函数纹理映射原理原始薄板样条函数通过控制点的强制对应实现二维影像到三维模型的纹理映射没有考虑控制点的误差影响 平滑薄板样条函数虽然整体约束了控制点但在实际应用中每个控制点的精度并不相同其对薄板样条的约束力也不一样当控制点精度较低时采用同一个约束条件完成的影像与几何模型的配准必然会存在较大误差 因此需要对不同的控制点赋予不同的权值使每个控制点都能在不同的弹性系数下发生薄板变形从而提高纹理映射的准确性和稳定性在待配准的影像上标定 对控制点 和()配准后对应控制点之间的距离 由式()表示为()()()式中 为对应控制点之间的距离 为薄板样条函数、为对应控制点的坐标原始的薄板样条函数 应满足的条件由式()表示为()()()()式中 为薄板样条函数中的能量函数根据优化理论通过引入罚函数的方法可以将严格的薄板样条约束问题转化为非约束问题建立的函数由式()表示为()()()()式中 为引入罚函数 ()为变换后控制点之间的距离平方和 ()为每个控制点的权值由每组控制点的精度决定.种纹理映射方法结果比较分析通过原始薄板样条函数、平滑薄板样条函数和加权薄板样条函数对造像进行纹理映射实验结果如图 所示 图()为原始薄板样条函数的纹理映射结果 位置为两幅纹理影像的接边部分此处位于映射边缘通过严格对齐控制点后造像的映射纹理出现了拉花现象纹理影像只有中间区域映射效果较好周围区域都被过度拉伸映射结果并不能达到石窟寺文物数字化要求图()为平滑薄板样条函数的纹理映射结果通过整体约束控制点造像的整体效果明显提升由于其面部结构复杂在 接边处还是存在纹理虚化现象虽然平滑提升了整体效果但还是存在局部拉花现象图()为加权薄板样条函数的纹理映射结果造像中纹理优化明显能够达到复杂模型的高精度纹理映射要求 在 区域 种纹理映射效果都比较好说明在简单模型中通过 种纹理映射方法都能达到很好的映射效果文章映射方法对复杂模型的纹理映射更有针对性 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 纹理映射效果图 通过加权薄板样条函数的纹理映射方法对石窟寺的几何模型进行纹理映射纹理映射完成后对模型进行匀光匀色和纹理接缝处理获取石窟寺的文物高保真模型 驼山一号窟的精细化建模结果如图 所示图 石窟寺精细化模型及细节.不同建模方法模型精度比较分析根据建模流程分别对三维激光点云数据、近景摄影测量数据建模与多源数据融合建模模型进行对比分析 建模过程采用同一组控制点数据不同建模方法获取的模型位置精度相近不再对模型位置精度评价只对比分析模型几何精度和纹理精度结果如图 和 所示图 局部单一数据与多源数据几何模型对比 对石窟的复杂造像部分比较分析由图 可知近景影像模型和激光点云模型很难表现复杂造像的细节部分造像面部信息损失严重文章提出的融合建模方法能精确地保留造像复杂结构的细节特征充分保证文物数字化模型的客观性和真实性由图 可知:激光点云模型受石窟内外光线影响造像模型的纹理映射结果失真现象严重近景影像模型是通过高分辨率的纹理影像重建生成造像表面的纹理分辨率得到明显改善但在纹理映射过程中需要对纹理影像做重采样处理大大降低了造像纹理的分辨率通过加权薄板样条函数的纹理映射结果纹理清晰、真实映射过程不对影像重采样能 第 期 郑国强等:石窟寺文物的三维精细化建模研究 尽量保证石窟造像的原分辨率映射图 局部单一数据与多源数据模型纹理结构对比图 结论通过上述研究得到如下结论:()以站式扫描点云为整体控制网、手持扫描点云和 点云为主要数据源通过经典 算法进行多源点云配准加权薄板样条函数实现几何模型的纹理映射能够获得石窟寺文物的高保真模型与单一数据模型相比多源数据模型既能保证模型的几何精度又能兼顾模型的纹理分辨率为后期的文物保护和修复提供了科学的数据支撑()与其他纹理映射方法相比加权薄板样条函数的纹理映射方法避免了特征复杂位置纹理错位、拉花等现象文物模型纹理清晰、真实能够实现复杂模型的原分辨率纹理映射有效地解决了点云重建模型纹理分辨率低的问题参考文献:张晓松朱基钗.习近平谈云冈石窟:这是人类文明的瑰宝要坚持保护第一/.().:/./.国务院办公厅.国务院办公厅关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见.中华人民共和国国务院公报():.刘旭春丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用.测绘工程():.郑书民夏国芳胡春梅等.地面激光雷达技术在石窟寺立面精细测绘中的应用研究.激光杂志():.李敏刁常宇葛云飞等.石窟寺文物的数字化保护与利用.遥感学报():.唐燕.基于近景摄影测量的文物三维重建研究.西安:西安科技大学.黄先锋张帆方伟等.基于多源数据融合的莫高窟三维重建研究/国际数字地球学会中国国家委员会中科院对地观测与数字地球科学中心.第一届全国激光雷达对地观测高级学术研讨会论文集.北京:中国科学院:.王瑶瑶王京卫赵莉莉.基于激光雷达的建筑三维数字化技术应用研究.山东建筑大学学报():.李晓斌林志军杨玺等.基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究.激光杂志():.王树臻郑国强王光生等.多源点云数据融合的建筑物精细化建模.测绘通报():.中国大百科全书总编辑委员会文物博物馆编辑委员会.中国大百科全书.文物博物馆.北京:中国大百科全书出版社.黄雄.三维重建中点云数据配准算法的研究.秦皇岛:燕山大学.卢升韩俊刚王连哲等.两阶段变尺度三维点云配准算法研究.激光与光电子学进展():.王淼.基于多角度图像的三维模型纹理映射方法研究.西安:西北大学.姜锦涛.基于多视角影像的三维模型表面纹理重建研究.北京:华北电力大学.张帆黄先锋方伟等.基于兴趣边缘优化的壁画影像与激光扫描数据非刚性配准.中国科学:信息科学():.孙康.基于薄板样条函数的图像拼接算法研究.兰州:兰州大学.(学科责编:张晓)