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数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用

数字近景摄影测量技术在文物保护

以及工业摄影测量中的应用

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数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用

日期：2015年5 月4 日

目录

1 绪论....................................................................................................................................... 4

1.1 研究背景和意义 ........................................................................................................ 4

1.1.1 研究背景 ................................................................................................................. 4

1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................ 6

1.3主要研究内容和关键技术 ......................................................................................... 7

1.3.1 主要研究内容 ......................................................................................................... 7

2相机的选择 ............................................................................................................................ 8

2.1近景检校内容 ............................................................................................................. 8

2.2 计算机视觉方法 ........................................................................................................ 8

2.3 算法实现 .................................................................................................................... 9

2.3.1张正友平面网格算法程序 .................................................................................... 10

2.3.3 实验分析 ............................................................................................................... 11

2.4.2 摄影方式 ............................................................................................................... 12

3.1 数据采集.......................................................................................................................... 13

3.1.1 影像采集 ............................................................................................................... 13

3.1.2 控制点采集 ........................................................................................................... 14

4．试验流程 ........................................................................................................................... 16

5工程案例 .............................................................................................................................. 16

5.1.1立方体案例 ............................................................................................................ 16

5.2大雁塔佛像案例 ....................................................................................................... 16

5.3 大雁塔操作示意图 .................................................................................................. 17

5.1.3 实验分析 ............................................................................................................... 17

5．2近景摄影测量建模实例分析 ................................................................................ 17

5.2.1实验分析 ................................................................................................................ 17

参考文献 ................................................................................................................................. 19

数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用

摘 要

对珍贵文物进行数字化处理，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 ， 还可以实现博物馆管理观念和管理手段的现代化 。 更重要的是精确的文物数字模型记录了文物原始的真实三维信息和纹理信息 ， 为文物修缮和恢复提供了重要的数 据和模型支持 。 由于古文物具有轮廓复杂 、 不易接触 、 丰富的纹理信息等特点 ， 因此如何迅速而准确获取古文物的 DSM 成为一个关键点。数字近景摄影测量技术成本低廉 、 数据量小 、 处理速度快捷 ， 精度也完全满足需求 ， 因此 ， 数字近景摄影测量在古文物三维重建方面有不可比拟的优势。

本文通过对一般摄影测量软件和专业近景软件进行探索研究 ， 成功的实现了应用一 般摄影测量软件对近景数据的快速高精度处理 。 本文使用非量测数码相机与全站仪分开 作业的方法 ， 获取古文物的三维坐标 ， 研究分析了近景数据预处理过程 ， 利用最优检校算法和标定参考物对相机进行精确检校 ， 得到相机参数 ， 然后使用一般摄影测量软件快速建立文物的 DEM ，生成等值线和正射影像，再进行图像配准，解决纹理映射和模型无 缝拼接问题 ， 最后将生成的三维模型导入 3dmax 中 ， 赋予相应的材质 ， 从而实现古文物三维建模 。 本文以大雁塔古文物群为例 ， 说明了获取文物近景数据方式和方法 ， 以及使用一般摄影测量软件 PixelGrid 获取近景建模数据的过程。并分析了相关精度水平 ， 以及影像精度的因素，最后给出了提高精度的有效建议。

关 键 词： 数字近景摄影测量 非量测相机 三维建模

数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

陕西是中华远古文明的重要发祥地 ， 早在一百万年以前，就有人类在此繁衍生息 。先后有十三个王朝建都陕西，可谓 是 物华天宝 。 丰富的文化遗存，深厚的文化积淀 ， 形成了陕西独特的历史文化风貌 ，也给陕西留下了宝贵的物质遗产 —— 古建筑和古文物 。从远古时期的 西安半坡遗址和姜寨遗址 ， 到闻名世界的被称之为 “ 中国雕塑艺术史上奇峰 ”的 秦始皇兵马俑 ， 大雁塔 ，小雁塔 ， 以及各种各样的珍贵稀有文物 ， 可谓数不胜数。但陕西作为一个文物大省，如何更好的保护和展示这些古文物古建筑就成为一个至关重要的问题。由于古文物具有轮廓复杂 、 不易接触 、 丰富的纹理信息等特点 ， 因此如何迅速而准确获取古文物的 DSM 成为一个关键点。但对于外型奇特、表面复杂的物体，用常规方法是很困难的 , 甚至是不可能的，而通过现代化的科技手段能解决这一难题 ， 并逐渐被广泛使用到文物，庙宇、寺院的数据获取中。因此近几年，现代先进的技术手段成为文物保护和展示的热门手段。特别是无接触测量技术针对文物这个特殊的群体 ， 有着更为显著的优势。

古文物重建三维信息的获取手段有：三维激光扫描仪技术，数字近景摄影测量技术，CT 技术、光学技术等 [1]。

三维激光扫描技术 是一种非接触测量手段 ， 通过发射激光 得到 被测 物体表面的空间采样点，即点云数据，利用 经过处理的点云数据就可以重构物体的 三维 模型。这种建模方法 具有速度快，精度高，真实感强。不受表面复杂度影响等优点，所以，近十几年来三维扫描及相关数据建模技术发展十分迅速，在很多领域已经投入工程应用，并且在古文物三维重建中应用比较广泛。

数字近景摄影测量是利用近景摄影测量系统对不能接近或不能进行常规直接测量的被摄物体的空间姿态的真实再现，是利用像片进行三维空间测量的一种重要技术手段 [2]。而近景摄影测量有其他测量方法所不能比拟的优势。因此，最近几年也被越来越多的应用在精度要求不高的领域，如古文物三维重建等领域。CT 技术是对文物进行分层扫描，并且可以根据扫描文物的材质，调整 x 射线的强度，得到每层的扫描图像，再利用相关软件对所有的分层图像进行叠加，就可完成对文物的三维建模复原 [1]。由于 x 射线可穿透文物，因此不仅可以得到文物的表面三维模型，而且还能获得文物内部的纹理和缺陷 ， 并且精度可达到亚像素级 最近几年，由于古文物建模要求的不断提高，文物内部不可见部分建模也随之增多，因此 CT 技术也在古文物方面有了较多的应用。在哈尔滨东安发动机集团无损检测中心，利用第三代工业C T对青铜器文物做了检测分析，通过三维模拟内窥镜进入文物内部进行任意视角的观测 ，制作了文物内部三维演示动画 [3]。但 CT 具有价格较昂贵，由于体积较大，不能到现场扫描文物，以及扫描文物时间较长等缺点 [1]。光学相 干层析技术 (Optical Coherence Tomography ， 简称 OCT) 是一种新型高分辨率 、非侵入性的光学成像方法，在科学研究和临床医学中有着广泛的应用前景 [4][5][6]。OCT系统的原理是利用宽带光的低相干特性 ， 通过测量样品背向散射光的干涉信号对生物组织的内部微观结构进行高分辨率层析成像 [6]。OCT 技术与其他建模技术相比具有高分辨率、高灵敏度、实时检测性、无损活检性、结构轻巧等优点。

数字近景摄影测量技术在文物保护以及工业摄影测量中的应用

本文采用数字近景摄影测量技术手段对古文物进行三维重建 。 而数字近景摄影测量的发展历史可以概括为五个不同特征的时期 ； 基础阶段的早期 、 初进入数字阶段的逐步发展期 、 进入数字阶段的全面发展时期 、 稳步研究和加大推广应用的深入发展期和新近的成熟期

[7]。

从 1964 年至 1984 年 ， 数字近景摄影测量早期阶段 ， 这个时期主要是一些理论的研究，包括误差理论、图像处理算法、CCD 器件的研究及应用、模板匹配算法与多张像片的同时处理技术等 [8][9][10][11][12]，奠定了数字近景摄影测量的理论基础。

从 1984 至 1988 年 ， 初进入数字阶段的逐步发展期 ， 以早期阶段的各种理论为支撑 ，许多研究者和公司都开始研发数字摄影测量系统 ，在系统的设计、开发、标定等方面都取得了一定成果，为后续的研发奠定了基础 [13][14]。

从 1988 年至 1992 年 ， 数字近景摄影测量步入了全面发展时期 ， 越来越多的研究者和大型企业投入到数字近景摄影测量的研究中，成功开发了各种数字近景摄影测量系统，使得近景摄影测量应用领域得到前所未有地拓展，在工业测量、生物立体测量、流量测量、汽车碰撞实验测量和空间探测等领域得到成功的应用 [15][16][17][18]。

从 1992 年至 1996 年 ， 数字近景摄影测量的研究和开发处于更加稳步的发展 ， 许多研究机构研制出了新型的高精度数字摄影测量产品，如美国 GSI 公司在 1994 年对模拟测量系统进行改造后推出了数字测量系 统 V-STARS ， 加拿大 的 EO S 公司 的 PhotoModele r系统 、 AICON 3D 公司 DPA-Pro 系统 ， 挪威的 Metronor 公司的 Metronor 系统等 [19][20][21]。

从 1996 年至今，数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期。它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求，可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等 [22]。 并且研究的重点从几何量测精度转为了实时性、全自动化和测量结果的深加工 ， 如三维建模与虚拟现实等方面，尤其是激光扫描技术的发展，使得多传感器数据采集及数据融合等问题倍受关注 ， 从而也使数字近景摄影与计算机视觉的关系越发密切 [23][24][25]。

1.1.2 研究意义

想要建成基于网络的数字化博物馆系统，使得丰富的展品与有限的展览空间、时间的矛盾得以解决，进一步开拓博物馆藏品保护，研究和展示的新领域，实现博物馆管理观念和管理手段的现代化，强化博物馆服务社会、文化遗产保护和科学研究的功能 [26]，那么文物数字化处理就是一种较好的技术手段 。 而在现代信息社会 ， 随着技术的不断进步、需求的不断提高，人们对历史文化遗迹有着更加深入的认识和要求，在资源共享 、保护珍贵的博物馆资源 、 传播古老的中国文化 、 展示悠久的历史文化资源的强烈要求下 ，文物数字化势在必行 。 对文物进行数字化处理 ， 重建文物的三维模型 ， 不仅是一种虚拟展示和三维表达 ， 更重要的是精确的文物数字模型记录了文物原始的真实三维信息和纹理信息，为文物修缮和恢复提供了重要的数据和模型支持 [27][28]。在古文物三维重建领域 ， 目前 ， 三维激光扫描技术占主要地位。由于近景数据和一般航空遥感数据处理有一定的区别，使用一般摄影测量软件不能较好的处理近景数据，现在常用方法就是人工数字化测图 ， 这样人工作业量较大 ， 精度也不高 。 而专业近景摄影测量软件价格又十分的昂贵 。 因此 ， 数字近景摄影测量技术在古文物保护领域应用较少。但三维激光扫描仪技术是通过发射激光到达被测物体表面 ， 在一定的时间差内接收反射回来的激光，从而获取被测物体表面信息的技术手段。这种方法虽然能够自动、高速、精确地得到物体表面的深度纹理信息，但是设备造价昂贵，且对使用环境有一定的要求 ， 如有些系统在阳光下或者雨中无法正常工作。此外，这类系统获取的是三维点云，这些三维数据集在解析和表达复杂物体模型时，需要大量人工作业处理冗余数据 ， 因而不适用于大型复杂的物体和场景建模。由于数字近景摄影测