文物三维重建技术综述

科技信息　０衣刊重稿０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２００７年第３４期　文物三维重建技术综述　王若苏任洪娥邱兆文　（东北林业大学信息与计算机工程学院　黑龙江　哈尔滨　１５００４０）　【摘要】本文综述了文物三维重建中的关键技术一３Ｄ建模、纹理映射，并对文物三维重建技术领域的未来发展进行了总结和展望。　【关键词】文物三维重建；纹理；３Ｄ建模；纹理贴图　Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｒｅｌｉｃ　３Ｄ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｑｉｕ　Ｚｈａｏｗｅｎ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５￣４０）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　ｃｕｌｔｕｒａｌ　ｒｅｌｉｃ　３Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ－－３ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｆ　ｃｕｌｔｕｒａｌ　ｒｅｌｉｃ　３Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｃｕｌｔｕｒａｌ　ｒｅｌｉｃ　３Ｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ；ｔｅｘｔｕｒｅ；３Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｔｅｘｔｕｒｅ　ｍａｐｐｉｎｇ　物，翻模后的模型面数为１万左右时，就能达到较高的精度要求。可根　１．引言　博物馆是收集、保护、展示各种重要文物、标本的场所，是文化基　据实际需要来确定翻模后３Ｄ模型的面数。翻模后的３Ｄ模型面数越　　础设施的重要组成部分．是提高人们文化素质的重要教育基地。随着　多，精度就越高，相应的成本也越高。计算机的普及和网络的发展．数字化工程进入了人类生活的各个方　面。用数字化手段对博物馆进行数字化改造，建成基于网络的数字化　博物馆系统，可以较好地解决丰富的展品与有限的展览空间、时间的　矛盾，进一步开拓博物馆藏品保护、研究和展示的新领域。对于实现资　源共享、保护珍贵的博物馆资源、传播古老的中国文化、加强国内外领　域专家之间的交流与合作具有极其重要的现实意义和必要性　１。数　字博物馆建设中最关键的技术是文物的三维重建。　图１翻模后的玉杯３Ｄ模型　这种方式的缺点是　翻模和贴图需要大量的手工交互，使得这种　２．文物三维模型的获取　对珍贵文物的三维重建要求很严格．一是珍贵文物不允许直接触　摸，二是对文物无损检测精度要求很高。通常可用下面２种方式获得　文物的３Ｄ模型　方法的自动化程度低。同时在很大程度上依赖于用户的经验和技巧，　因而制作成本较高。　２）借助专门的硬件设备。Ｖｉｖｉｄ９１０在采集文物三维图像的同时，　使用一个镜头同时捕捉几何和颜色信息，这样也可以将材质映射到相　应的几何体上。因此最终得到的三维网格模型实际上已经具有纹理信　１）利用第三代工业ＣＴ扫描获取３Ｄ模型　先利用第三代工业ＣＴ　息，亦即网格模型的每一个顶点都已经被赋上了一个颜色值。这种方　对文物分层扫描，生成ｖｏｘｅｌ格式数据，再利用ＶＧＳｔｕｄｉｏＭＡＸ软件包　式的缺点是：如果借助于专门的硬件设备．除非建立相当严格的实验　根据采集到的ｖｏｘｅｌ数据生成Ｖｏｌｕｍｅ模型。利用透明度和明暗度的调　环境，否则在拍摄不同视点的彩色图像时的光照条件很难完全一致，　节，可以使数据生成各种立体图像。使用Ｋｅｙｆｒａｍｅｒ软件工具，可由立　从而得到的彩色图像的亮度也并不完全相同，这样当不同的图像最终　体数据做成动画，达到对文物的真实三维建模复原。使用第三代工业　都映射到一个完整的网格模型表面时，就可能在图像的接缝区域出现　ＣＴ扫描的优点是ｘ射线可穿透文物，可以扫描出文物内部的纹理和　视觉效果上明显不一致的纹理．从而影响效果。而且３Ｄ模型放大后　缺陷。如果要对文物内部不可见部分建模，必须使用第三代工业ＣＴ。　会失真，不能满足高精度要求。　缺点是第三代工业ＣＴ价格较昂贵，体积较大，不能到现场扫描文物。　３）半自动和全自动的纹理映射方法。使用透视投影模型来描述纹　由于要分层扫描．扫描～件文物的时间也较长。　理映射，自动或者半自动的建立网格模型和彩色图像之间的纹理映　２１使用三维扫描仪获取３Ｄ模型　光学三维扫描仪可在无接触的　射。文物网格模型是实际文物经过三维扫描仪离散采样后在世界坐标　情况下确定文物的几何尺寸、外形，并能满足测量精度控制在允许范　系当中的表示，根据透视投影模型，首先将其坐标变换到拍摄彩色图像　围内　。光学三维扫描仪工作原理是使用激光三角测距原理，通过光源　的摄像机所在的摄像机坐标系．之后再进一步将其透视投影变换到平　孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的　面的图像坐标系，从而生成文物的二维彩色图像。这实际上是一个图　作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，　像与网格模型之间的配准问题。我们对一些图像与网格模型手工标记　每一条激光线都通过ＣＣＤ传感器采集成一帧数据。根据物体表面不　出对应的特征，利用透视投影模型来进行图像和网格模型的配准，从而　同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数　求解出图像与模型间的纹理映射／６１。　据。同第三代工业ＣＴ相比．光学三维扫描仪的优点是价格相对低，体　半自动和全自动的纹理映射研究虽然取得了一定成果，但纹理映　积相对小，方便携带。扫描一件文物的时间也相对少。若不考虑对文物　射后的效果不太理想，还不能满足文物贴图的高精度要求。目前的文　的内部进行无损检测和三维重建，光学三维扫描仪是较好的选择。　物三维重建仍主要采用手工纹理贴图，半自动和全自动的纹理映射将　３．纹理映射　是今后的主要研究方向。　简单来说，纹理就是附着在网格模型表面的颜色信息，特别地，当　４．展望　网格模型以网格表示时，纹理就是对应于每个网格顶点的颜色（一般以　文物的三维重建与检索是近几年兴起的一个新的研究领域，目前　ｆＲ，Ｇ，Ｂ）形式表示）的集合。为获取高分辨率、精确的三维文物模型，工　仍然处于起步阶段。从国内来说，这方面的研究工作还很少见。经过近　作的重点在于网格模型与图像之间的纹理映射，即建立网格模型上各　几年的发展．文物的三维重建与检索技术取得了不少的研究成果，但　顶点与图像像素问的对应关系。引。　纹理映射通常有以下３种方法：　是还有许多问题需要解决，我们认为这项技术今后的研究方向主要集　中在下面二个方面。　１）使用Ｍａｙａ等专业３Ｄ软件进行纹理贴图．用三维扫描仪扫描文　ｆ１）文物的３Ｄ建模使用第三代工业ＣＴ或三维扫描仪获取文物　物获取３Ｄ模型后，用Ｍａｙａ软件进行翻模，再以手工交互的方式，将多　的３Ｄ模型后，经过软件的自动处理可得到能够直接贴纹理的３Ｄ模　幅图形贴到翻模后的模型上．对模型进行纹理映射。三维扫描仪直接　型　这样可避免人工进行翻模，大大减少工作量，提高文物三维重建的　获取的３Ｄ模型面数太多，例如玉杯的３Ｄ模型有１１３万多个面，必须　速度　进行人工翻模，降低３Ｄ模型的面数后才能进行贴图。如图１所示，对　ｆ２）３Ｄ模型的纹理映射　扫描得到的３Ｄ模型经手工翻模后至少　玉杯的３Ｄ模型进行人工翻模后从左到右模型的面数依次降为　也有几千个面，人工的每个面去贴纹理需要大量的工作量，研究有效　１２６０，３２８２，１３６０４。实验证明，对于玉杯、佛像等表面纹理较复杂的文　的半自动和全自动的纹理贴图算法将有效减少工作（下转第１０５页）　６　维普资讯 http://www.cqvip.com 科技信息　０机械与电子０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２００７年第３４期　诊断方法：启动发动机正常运转，观察油压表指示，如果压力低，　全打开．看进气管中是否有汽油，如有则为油压调节器膜片故障。如进　气管中没有汽油，则为喷油器泄露故障。　用专用油管夹将Ｃ位置（如图１所示）夹住，即将发动机的回油管路夹　住，发动机的回油管路将不回油，此时不论油压调节器的阀门打开或　关闭，燃油系统中的燃油无法回油箱，即油压调节器不起作用，油压表　原因三：油压调节器回油阀关闭不严　诊断方法：在确定不是喷油器泄露和油压调节器膜片破裂故障后　进行检查。如图ｉ所示。发动机运转至正常温度后熄火，用专用油管夹　实际检测的压力应为汽油泵的泵油压力。同时观察油压表的指示，如　果油压表指示不动　说明汽油泵故障，应更换汽油泵后重新检测压力。　夹住Ａ位置．１０分钟后观察油压表指示应大于０、１４７ＭＰＡ，否则为油　原因二：油压调节器工作不良。　压调节器回油阀关闭不严故障。　诊断方法：启动发动机正常运转，观察油压表指示，如果压力低，　【结束语】通过本文的介绍，可以对汽车维修技术人员在诊断发动　用专用油管夹将Ｃ位置（如图１所示）夹住，同时观察油压表的指示，　机燃油系统故障时提供良好的帮助＋借助比较简单的仪表，通过正确　如果油压表指示达到０．４ＭＰＡ．说明汽油泵良好，应检查油压调节器。　３　发动机燃油系统密封不良　的方法检测．快速的确定故障部位并排除故障。在进行故障诊断时，既　要有比较高的操作技能也要有扎实的理论知识，两者结合，是目前对　发动机运转至正常温度后熄火，燃油压力表指示压力值在１０分　汽车诊断维修的基本要求。希望读者通过本文举一反三，使自己的技　钟内降低到０．１４７ＭＰＡ以下，即为燃油系统压力不足。　能得到比较大的提高。　分析：一般是各个地方有内部或外部泄漏造成系统密封性能下　降。　原因一：油泵单向阀关闭不严导致泄露；　【参考文献】　［１］汽车电子控制系统的原理与检修，王遂双，主编，北京理工大学出版社　０２－９．　诊断方法：如图１所示。发动机运转至正常温度后熄火，用专用油　２０［２］汽车电子控制技术，冯渊，主编，机械工业出版社，２００４－２．　管夹夹住Ｂ位置．１０分钟后观察油压表指示应大于０．１４７ＭＰＡ，否则　为油泵单向阀故障。此故障只影响发动机的启动性能，不影响正常运　转的动力性。　原因二：喷油器泄露：　诊断方法：如图１所示。发动机运转至正常温度后熄火．用专用油　管夹夹住Ａ和Ｃ位置，１０分钟后观察油压表指示应大于０．１４７ＭＰＡ，　否则为喷油器泄露或油压调节器膜片破裂故障。此时可以将节气门完　［３］现代汽车电子控制技术，罗玉涛，编著，国防工业出版社，２００６—５．　作者简介：曹兴拳，１９７５年１Ｏ月０６日出生．讲师，新疆交通职业技术学院　任教　［责任编辑：王新萍］　（上接第６页）量，提高文物三维重建的速度。《　【参考文献】　『１］胡伟，潘志庚等．虚拟世界自然文化遗产保护关键技术概述．系统仿真学报．　２００３．１５ｆ３１：３１５～３１８．　［５］张英杰，张铁昌纹理映射技术的发展综述．计算机工程与应用．１９９４，３（４）：１～４　［６］张瑞，骆岩林等文物数字化的关键技术北京师范大学学报．２００７，４３（２）：１５０～　１５３．　作者简介：王若苏．男，１９７４年生，硕士研究生，研究方向邱兆文，副教授，研　　［２］向辉，孟祥旭，杨承磊．山东大学考古数字博物馆设计与实现系统仿真学报．　究方向为多媒体信息检索，三雏重建和虚拟现实。２００３．１５（３）：３１９～３２１．　［３］朱晓东，周明全，耿国华等西北大学考古数字博物馆的设计与建立．西北大学　学报．２００４．３４（５）：５２２～５２６．　※基金项目：本课题得到黑龙江省青年科学技术专项基金资助。　［责任编辑：志隽］　［４］荣国栋，孟祥旭．Ｉｎｓｐｅｃｋ　３Ｄ—ＤＦ三维扫描仪在数字博物馆中的应用．计算机　工程与应用．２００２．３８（１６）：２３７～２３９．　【上接第４９页）丢失体重的１．５倍。　着运动的需要．这需要我们加以重视和利用。但是，由于个体的差异性　以及环境等其他因素的影响．篮球运动的营养措施常常会因时因地因　４．小结　从营养角度看．如果要使篮球运动员发挥高水平．最重要的是，要　人而异。对于篮球运动员的仓婵营养安排仍然处于－－一个起步阶段，需　要我们继续努力，不断探索。　进行充分的补液和补糖。监测并恢复因训练或运动造成的体重丢失，　能够最大限度地减轻脱水给竞技水平和身体健康带来的不良影响。同　时，随着科学技术的发展，有利于篮球运动的营养品正推陈出新，保证　［责任编辑：志隽］　【上接第６４页）　（ＣＨ３７２一Ｄ—ＰＯＲＴ＝ｄａｔ；ＣＨ３７２一Ａ０＝０；ＣＨ３７２一ＷＲ＝０；　ＣＨ３７２ＷＲ＝１；ＣＨ３７２ＤＰＯＲＴ＝０ｘＦＦ；ｌ　［１］ＵＳＢ总线接口芯片ＣＨ３７２中文手册［ＥＢ／ＯＬ］南京沁恒电子有限公司，网上可　得地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｗｉｎｃｈｉｐｈｅａｄ．ｃｏｍ，ｄｏｗｎｌｏａｄ，ＣＨ３７２，ＣＨ３７２ＤＳ１．ＰＤＦ．　［２］杨全玖，张大伟等．基于ＣＨ３７５多通道ＵＳＢ接口与ＰＣ机通信的实现『Ｊ１＿微计　算机信息．２００６．１　１－２，７２—７５．　［３］李华．ＭＣＳ５１系列单片机实用接口技术『Ｍ　Ｅ京：北京航空航天大学出版社，　２００２．　４．结语　本文介绍了基于ＡＴ８９Ｃ４０５１和ＣＨ３７２的无线摇控器系统设计与　实现方法，给出ＡＴ８９ｃ４０５１单片机通过ＣＨ３７２控制ＵＳＢ无线摇控器　［４］许永和．ＵＳＢ外围设备设计与应ＰＨ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００２．　的硬件设计及Ｃ语言软件实现．该设计实现了ＰＣ　ｑｔ　ｋ＿ＰｇＵｐ和ＰｇＤｎ　［５］Ｐ１．２２６２／Ｐ１．２２７２编码解码芯片中文资料．沈阳单片机网，网上可得地址￣Ｗ３ＶＷ．　两键功能。　ｓｙｍｃｕｋｆ．ｃｏｍ／ＤａｔａＳｈｅｅｔ／０２５／００３／９．ｐｄｆ，　【参考文献】　［责任编辑：张艳芳］　（上接第６５页）展相互促进，形成欣欣向荣、和谐发展的校园景象。　【参考文献】　［１］董铭，葛泓．中国人民大学数字化校园建设模式探讨［Ｊ］．中国电脑教育报　２００４．　五、结束语　建设数字化校园必须紧跟现代信息技术发展．要不断进行思维模　２］北京大学Ｏ２年西部大学校园网培训教材．　式的更新，以人为本的进行。这项艰巨的工程需要长期坚持，中间会碰　［到诸多障碍，坚定意志，克服困难，为建立和谐的数字化校园而努力Ｊ　［责任编辑：志隽］　１０５