摘要：针对传统三维激光扫描点云数据在古文物修复与建模中细腻 化水平不足、建模有用 纹理信息丢失的问题，本文提出了使用 Geomagicstudio软件对文物三维激光扫描点云数据举行 模子 重构，并创新性地提出在该历程中实现文字、图腾数字化和文物形态特征数字化。接纳双数字化形式，有用 填补 了文物建模后纹理特征平滑而导致文字、图案等模糊的弱点 ，更大限度地保留了古文物极具研究价值的文字和历史图腾。对古文物石函盖的研究效果 批注 :上述要领所建设的石函盖重构模子 具有较高精度，较为完善地反映了文物的整体轮廓，为提取出细部文字等纹理特征提供了数字化基础。
要害词： Geomagicstudio 三维激光扫描手艺 古文物 大地丈量学 整体轮廓 点云数据 纹理特征
文物不行再生的特点[1]使得古文物的修复和掩护事人情 临着极大的挑战，修复要领的研究和相关手艺 的生长也需要更进一步。近年来，三维激光扫描手艺 因其高效准确 、非接触等优势，逐步在古文物修复与掩护中获得应用[2]，例如故宫博物院开展的“古修建数字化丈量手艺 研究”项目[3]，清华大学都市妄想 设计研究院对圆明园碧澜桥残余构件的回复修复[4]，对山西五台山佛光寺东大殿的勘探 修复都乐成地运用了三维激光扫描手艺 [5]，且取得了优异 的整体修复效果，但细腻 化水平不高。
本文先容 了点云数据的处置赏罚 历程，并以古文物石函盖为例，使用 Geomagicstudio软件建设模子 和评定精度，创新性提出在差异阶段划分实现文字、图腾数字化和文物形态特征数字化，以知足 差异研究偏向和领域的需求。
1、点云数据建模处置赏罚 流程
本实验使用 三维激光扫描手艺 获取点云数据，点云数据的处置赏罚 可分为两大部门:数据预处置赏罚 和模子 重构。数据预处置赏罚 分为点云的拼接、合并和去噪，以存储可直接架构模子 的数据信息。导入预处置赏罚 数据后，先对数据重采样，提高运算效率，保留主要信息，以供后续点云封装提取文字等纹理图案，再举行 三角网模子 简化，精化细部，修复整体和局部，通过NURBS拟合建设三维模子 ，最终对比特征评定精度。点云数据建模流程如图1所示。
图1点云数据建模流程
2、点云数据获取及预处置赏罚
2.1研究工具及数据
本实验研究工具为古文物石函盖，是一个边长约0.5m、高约0.2m的凹槽状石质文物。点云数据接纳美国FARO公司生产的FAROFocus3DX330三维激光扫描仪举行 扫描获取。
2.2数据预处置赏罚
点云数据的拼接、合并和去噪为点云数据预处置赏罚 部门，为后续所建模子 能够更大限度地具备完善性、真实性提供数据基础。
1)点云拼接及合并
鉴于一些文物结构重大 、纹理特征繁多等特征，需使用 三维激光扫描仪对被测物体多方位扫描，来获得完整 的文物点云信息[6]。这就要将差异角度所获得的数据拼接到统一的坐标基准中，组成文物整体。
2)点云去噪
点云数据去噪是去除原始点云中与被测物无关的点云数据和错误点、误差点。在获取文物点云数据历程中，室内光线、被测物体外貌反射率、仪器自己以及手持激光扫描仪事情时丈量职员 在文物上形成的阴影会对点云数据质量发生一定影响。进而影响点云拼接，或发生负效应，降低重构模子 的精度，因此，需要对收罗的数据举行 去噪。
{Pi=μ(Xi,Yi,Zi)|Xi,Yi,Zi∈R3}体现点云空间坐标。点云丈量值μ(Xi,Yi,Zi)可体现为公式(1)。三维模子 建构历程中，应令μ(Xi,Yi,Zi)趋近于φQ(Xi,Yi,Zi)，使得文物模子 真实。
式中，φ(Xi,Yi,Zi)为文物工具的真实值;e(Xi,Yi,Zi)为三维激光扫描丈量误差;φQ(Xi,Yi,Zi)为文物工具理想值;φS(Xi,Yi,Zi)体现真实值与理想值的差;ε(Xi,Yi,Zi)为系统误差;ο(Xi,Yi,Zi)体现由于种种噪声客观存在所导致的随机误差。
3、三维模子 重构
3.1点云数据重采样及点云封装
数据收罗历程中，由于扫描距离和角度差异，点云数据存在漫衍不均的情形 [7]。为阻止 因此而造成三维模子 细部纹理的缺失，在举行 三维模子 重构之前必须对点云数据举行 重采样。
三维激光扫描仪获取的点云数据实质上是一群空间离散点，点云封装就是建设这些离散点的空间拓扑关系，即将点云数据以多边形的形式显示。
3.2三角网模子 构建
鉴于数据收罗历程情形 、人为等因素影响，封装后三维模子 仍存在孔洞或缺口，需举行 修复处置赏罚 [8]。但修补后的多边形因去噪不完全，外貌依旧存在一些粗拙不平滑的区域(钉状物)，影响了文物现实 形态特征和建模精度。
三角网模子 构建是指在点云数据量能够知足 模子 完整性和特征性的情形 下，尽可能地镌汰 三角格网数目 ，从而镌汰 内存占用，提高运算速率，同时不影响模子 细腻 度[9]。
3.3构建曲面NURBS模子
文物曲面重构的实质即基于已建设的空间拓扑，使用 已知的离散点云来迫近目的 曲面，构建其三维模子 [10]。为了使曲面片边线的匀称 漫衍以到达更好的效果，在完成轮廓线的提取后举行 曲面片的构建。
在众多网格建网要领中，NURBS因其强盛 的几何运算功效[11]、出众的曲线度体现能力，在建设准确、流通 的三维模子 上具有优越性。NURBS曲面的一样平常 表达式为:
式中，Ci,j指形成控制多边形的控制极点，知足 空间数据的拓扑几何原理;Bi,I指非递减蹊径 函数第u个k次B样条基函数;Bi,k指非递减蹊径 函数第u个k次B样条基函数;k=l=3时，形成双三次NURBS曲面。
3.4精度评定
精度是权衡模子 建设优劣的主要 指标[12]，为对模子 建设的准确 水平做出可靠评定，须建设一个三维模子 精度评定尺度，通常包罗局部指标和整体指标，可量化评定或目视效果评定。
4、效果 与讨论
4.1建模效果
使用 Geomagicstudio软件处置赏罚 效果 如图2、图3所示。
图2效果对比图
图3文字提取效果
4.2精度评定
石函盖相对规则，可接纳局部指标评估最终的三维模子 重构的准确度。使用 GeomagicStudio软件中自动丈量两点之间距离的功效，对比现实 丈量距离，量化评定模子 重构精度。
鉴于石函盖整体形状是较为规则的几何形状，本研究选取石函盖的界线 数据，上界线 长为A1，下界线 长为A2，下界线 宽为B，高(长界线 与下界线 的垂直距离)为C，现实 距离取多次丈量的平均值以减小误差，其对比数据见表1。
表1相同位置的模子 与现实 距离对比表
凭证 4组数据的对比，模子 距离和现实 距离的误差 在2mm以内，说明石函盖模子 精度较高，对现实 物体具有较高的还原度。
将参考模子 与测试模子 置于统一 坐标系下，提取相匹配的特征举行 对比剖析 ，盘算两个模子 之间的差异值，天生 误差模子 。本次误差 剖析 ，点云模子 为参考模子 ，多边形模子 为测试工具，效果 如图4所示。
最大误差 为3.981mm，尺度误差 为0.0521mm。凭证 以上精度评定效果 剖析 ，基于三维激光扫描手艺 的石函盖模子 重构具有很高的精度，能很好地反映文物的整体轮廓和细部纹理。
图4点云模子 和多边形模子 的误差 剖析
5、竣事 语
使用 GeomagicStudio软件对石涵盖的点云数据举行 处置赏罚 ，在知足 一定精度要求下，实现提取文字、细部精化和整体修复的要求。这为古文物修复事情中外貌文字、图腾的数字化提取和掩护事情提供了有用 途径，可最大限度地生涯 其线条等形态特征。外貌图腾和文物整体形态二者数字化的形式在当今古文物修复与掩护事情中具有优异 的应用远景 。