激光掃描與近景攝影測量結(jié)合的小型館藏文物三維重建

1、武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院數(shù)字?jǐn)z影測量與計算機視覺中心 http:/ Reconstruction Of Small-sized Cultural Relics Based On Laser Scanning And Close-Range Photogrammetry 季錚 張劍清 鄭順義 孫明偉主要內(nèi)容:n概述n數(shù)字文物制作之?dāng)?shù)據(jù)采集n攝像機標(biāo)定n三類重建方法l 激光點云結(jié)合數(shù)碼影像的重建方法-編鐘l 基于離散點的攝影測量重建-鄖縣人頭骨l 基于幾何模型的攝影測量重建 -青花梅瓶概述n重建對象:單個物體尺寸相對較小,(0.1米100米)已有的制作經(jīng)驗: 文物,遺址,座椅,飛機,n敦煌石窟佛

2、像的多分辨敦煌石窟佛像的多分辨率三維重建模型率三維重建模型 n故宮太和殿三維激光掃故宮太和殿三維激光掃描建模描建模 n大衛(wèi)雕像的三維數(shù)字化大衛(wèi)雕像的三維數(shù)字化 文物的數(shù)字三維模型制作，是將文物標(biāo)本資源數(shù)字化、信息傳播網(wǎng)絡(luò)化和觀賞瀏覽公眾化的一個重要部分。國內(nèi)外博物館： 博物館的數(shù)量：博物館總數(shù)達(dá)五萬多座，其中一半以上是20世紀(jì)50年代以后建立的。當(dāng)代博物館發(fā)展最快的是歐洲，北美和大洋洲地區(qū)。美 國：約8000個 英 國：約2500個德 國：約4680個 法 國：約1500個意大利：約3442個 加拿大：約1400個澳大利亞：約1900個 日 本：約3700個中國大陸地區(qū)：約個博物館近景三維重建

3、的“非常規(guī)”航空航空攝影的重建近景近景攝影的重建帶來的問題攝影方式、特點距離遠(yuǎn)，拍攝較規(guī)范，能形成規(guī)范的航帶距離近，拍攝條件受現(xiàn)場限制，拍攝方式變化較多初始值的確定變形大目標(biāo)種類相對固定：地形、建筑、道路、居民地等較多：城區(qū)建筑、室內(nèi)物體、各種設(shè)備、設(shè)施等需要對更多的不同目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分表達(dá)方式DEM、正射影像，矢量圖(2.5D)全三維的表達(dá)更多的模型表達(dá)方式場景性質(zhì)表面較連續(xù)，紋理性質(zhì)比較固定深度變化大，物體形狀多樣，紋理差異大表面連續(xù)性假設(shè)不成立，特征顯著性難以保證航空、衛(wèi)星遙感影像航空、衛(wèi)星遙感影像近景目標(biāo)近景目標(biāo)DEMDEM+正射影像正射影像建筑模型建筑模型飛機模型飛機模型 元代青花梅瓶

4、曾侯乙編鐘組（其中一個中等大小的編鐘）鄖縣人頭骨化石越王勾踐劍 數(shù)字文物制作之?dāng)?shù)據(jù)采集主要包括激光掃描儀、高分辨率數(shù)碼像機、平面格網(wǎng)板、旋轉(zhuǎn)平臺、計算機五個部分。Canon EOS 5D數(shù)碼柯尼卡美能達(dá)的VIVID910激光掃描儀十字絲標(biāo)記 格網(wǎng)間距是30mm雙圓的標(biāo)記 格網(wǎng)間距50mm數(shù)據(jù)獲?。簂激光掃描 l控制攝影l(fā)一般攝影 掃描的點云數(shù)據(jù)用于標(biāo)定影像控制攝影基于二維直接線性變換和光束法平差的攝像機高精度標(biāo)定算法基于二維直接線性變換和光束法平差的攝像機高精度標(biāo)定算法 張永軍張永軍 20022002 118765487321YhXhhYhXhyYhXhhYhXhx格網(wǎng)點提取(十字絲或圓心)格

5、網(wǎng)點空間坐標(biāo)計算二維DLT參數(shù)匹配格網(wǎng)點分解外方位元素光束法平差求解主點和焦距激光點云結(jié)合數(shù)碼影像的重建方法編鐘的三維重建 技術(shù)路線圖編鐘制作(典型的典型的 激光掃描激光掃描+紋理映射紋理映射 方法方法)n數(shù)據(jù)采集 53片拼接軟件：掃描自帶軟件PET (Polygon Edit Tool)拼接后存在 “洞”三角網(wǎng)編輯：三角網(wǎng)編輯：Polyworks,Geomagic等等修補后經(jīng)過點云與影像的點云與影像套合n瓶、頭骨、劍的掃描結(jié)果與問題梅瓶 掃描數(shù)據(jù)頭骨掃描數(shù)據(jù)底部復(fù)雜凸凹處，數(shù)據(jù)散亂，修補工作量大！勾踐劍掃描數(shù)據(jù)基于離散點的攝影測量重建 -鄖縣人頭骨的重建 面片邊界與整體三角網(wǎng) n頭骨的三維模

6、型由頭骨的三維模型由27863個點組成，分個點組成，分48個特征三個特征三角網(wǎng)進(jìn)行拼接，整體三角網(wǎng)中共包含角網(wǎng)進(jìn)行拼接，整體三角網(wǎng)中共包含52316個三角個三角形。形。 頭骨的模型精度表頭骨的模型精度表觀測值中誤差（mm）平均深度（mm）平面相對精度高程相對精度頭骨上部0.00571100.541/107161/10146頭骨下部0.00641107.351/108271/10302基于幾何模型的攝影測量重建青花梅瓶的重建 對于參數(shù)幾何模型需要求解兩類參數(shù)；n1) 位姿參數(shù)(空間方位)n2) 模型的幾何造型參數(shù)(形體參數(shù))； 廣義柱體模型廣義柱體模型 (積分模型積分模型) )廣義柱體模型(也稱

7、掃掠表示法)，它由一條作為軸線的空間曲線，一個二維截面圖和定義截面如何沿軸線運動的表示方法。理論上任意物體都可以表示成截面的運動模型。一般要求截面變化是連續(xù)的，截面運動也是有一定規(guī)則的，才比較適合用該模型。xyzri, zixyzx0 x1P0P1P2P3P4PnP0P1P2P3P4Pn圓截面矩形截面多邊形截面參數(shù)：各個截面的半徑,，截面間距；可以衍生的幾何體：圓柱、圓臺、圓錐；參數(shù)：矩形截面(長、寬)，截面距離、截平面方向偏移距離便于構(gòu)造單方向的曲線造型 參數(shù)：基準(zhǔn)截面多邊形(P0，Pn)， 截面間距衍生的幾何體：直棱臺、直棱柱等 n梅瓶由一組平行的空間圓截面構(gòu)成，在影像上的輪梅瓶由一組平行

8、的空間圓截面構(gòu)成，在影像上的輪廓點為對應(yīng)視線與空間圓截面的切點。廓點為對應(yīng)視線與空間圓截面的切點。n根據(jù)多張影像上提取的梅瓶邊緣輪廓，利用共線方根據(jù)多張影像上提取的梅瓶邊緣輪廓，利用共線方程最小二乘平差可求得每個空間圓截面的位置和形程最小二乘平差可求得每個空間圓截面的位置和形狀參數(shù)。狀參數(shù)。利用輪廓線重建圓截面體利用輪廓線重建圓截面體n假定梅瓶的橫截面為圓形，空間圓的參數(shù)方程可假定梅瓶的橫截面為圓形，空間圓的參數(shù)方程可表示為表示為: (旋轉(zhuǎn)軸方向已知旋轉(zhuǎn)軸方向已知:Z 軸軸)n視線與空間圓相切，切點為視線與空間圓相切，切點為A、C，坐標(biāo)可分別表，坐標(biāo)可分別表示為：示為：A ， C 000cos

9、sinXXRYYRZZ01010cos,sin,XRYRZ02020cos,sin,XRYRZ未知數(shù)：每個圓截面的圓心(X0,Y0)和半徑Rn給定空間截面的高程積分步長，即截面之間的間距，給定空間截面的高程積分步長，即截面之間的間距，以及截面的高度范圍，則所有截面參數(shù)可以通過多以及截面的高度范圍，則所有截面參數(shù)可以通過多張影像上提取的輪廓，自動迭代解算出來。張影像上提取的輪廓，自動迭代解算出來。 實驗結(jié)果實驗結(jié)果 n當(dāng)截面高度的積分步長為當(dāng)截面高度的積分步長為2mm時，整個模型由時，整個模型由189個空間截面組成，解算得到的截面參數(shù)部分個空間截面組成，解算得到的截面參數(shù)部分如表。如表。積分步長為積分步長為2mm的空間圓截面參數(shù)表的空間圓截面參數(shù)表梅瓶-自動紋理映射 展開圖實驗結(jié)果實驗結(jié)果 梅瓶的控制點誤差梅瓶的控制點誤差最大誤差(mm)中誤差(mm) 平面中誤差(mm)深度中誤差(mm)X0.66 5Y0.880.13Z-0.650.15梅瓶的模型精度表梅瓶的模型精度表觀測值中誤差（mm）平均深度（mm）平面相對精度深度相對精度0.00381547.201/83891/10579n已經(jīng)進(jìn)入湖北省博物館展廳的數(shù)字文物展臺總結(jié)與展望總結(jié)與展望n結(jié)合參數(shù)幾何模型的約束條件在重建的