岳文朝+刘友芹
摘 要：现如今，计算机科学得到了很大的发展和应用，以计算机为基础发展起来的三维扫描设备也得到了很大的发展和提高。并且，计算机还有一个好处，是用虚拟的技术模拟现实，这些技术在文物的修复上面有很大的应用，促进了现代文物修复的完成，这样，就保护了我们国家的历史文物古迹。
关键词：三维激光扫描 点云数据 文物保护 三维重建
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（b）-0036-02
第三次世界科技革命到来了，在我们身边明显的改变就是计算机的出现，计算机改变了我们的生活方式，所以，现在很难想像没有计算机电脑网络的时候，我们是怎么样生活的。计算机改变了我们传统的工作和生活方式，越来越多地应用到各个行业里面。在对于文物进行修复方面来说，现在非常流行文物的数字化，在计算机的基础之上发展起来的三维扫描仪器能够准确地获得文物的数据。现如今，有很多的计算机技术逐渐发展并成熟起来，比如：计算机绘图、计算机网络的发展等。对于在文物的研究上，文物数字化得到了专家的青睐，因此，在很多国家都开始关注文物的数字化建设。最早的时候，美国开始建设数字化的博物馆，经过多年的发展，越来越多的国家重视在这方面的研究。我们国家虽然起步较晚，但是经过了一段时间的发展，也取得了很大进步。在数字化博物馆里面，有很多宝贵的资源，比如：图书、文献等，建立了一个非常大的数据库。这个数据库现在被用在文物保护上面，进行了很多的文物遗产的数字化研究。本文就对一个大型的仿古建筑物进行了三维激光扫描的重建进行了分析和探讨。
1 三维激光扫描的原理和技术分析
地面三维激光扫描（Terrestrial 3D Laser Scan），是现在科技含量非常高的一项技术，因为它集合了光学、电学还有计算机的技术为一体。激光束发射出去和回来是需要一定时间的，根据这个时间就能够把距离的观测值算出来，这就是S，并且一些非常精密的仪器，比如：编码器能够测量出横向的扫描角度观测值，也就是α，还有竖直方向的扫描角度的准确观测值，也就是θ。这里需要说明的是，因为是三维建模，所以，坐标是三维坐标系。顾名思义，原点就是激光束的发射地点，Z轴是竖直的方向，X轴是仪器扫描的横向，Y轴是和X轴在同一个平面内的，并且垂直于X轴，Z轴垂直于X轴和Y轴在一起的平面。这3个轴构成了一个右手的坐标系，Y轴的正方向是指向物体的。这样就形成了一个建模的基础。三维激光扫描能够同时得到不同方向的点，这样比传统的单点采集的速度快多了，可以形成很密集的点数据，从而绘制出物体。这种方法比之前的好，因为可以精确量得建筑物的数据，并且速度还非常快。
2 三维激光扫描的工作流程
三维激光扫描站工作的时候，一般有几个步骤，首先，把要绘制什么写出一个计划表，这样就能够直接得到建筑物的信息，得到点云了。我们在绘制之前，一定要做好详细的规划，主要是，知道扫描对象需要的精度，还有它的特点，这样才能设计出准确的方法以及测量的站数，同时就了解到合理的采集密度了。在获得数据的时候，也是有不同的阶段的，主要有云数据，还有一些建筑上面的纹理数据等。我们一定要保证点云数据的正确性，因为这直接决定着以后的处理效果。所以，对于点云数据，还是要再次确定的。数据进行处理的时候，就是有点云数据的预先处理，还有形成网格，然后是三维建模等步骤。
3 三维激光扫描在文物保护里的使用
3.1 得到点云数据
就对之前做过的一个仿古的大门为例子，进行了详细的阐述。在这里面，用的是Leica ScanStation2三维激光扫描仪进行扫描的，然后是用Cyclone6.0和它配套的软件做数据采集和处理工作。我们在扫描的时候，用是多个测量工作站进行测量，因为目标物比较大。所以，扫描的时候一共有21个工作站，而且石雕的密度是2mm，别的地方是5mm。我们在测量的时候，充分保证了精度，有5%的重叠度，而且用能够识别的标靶来当作邻近的控制点，所以，最后建筑物的拼接精度为1～3mm。
3.2 三维建模
用点绘制图有很大的好处，因为能够把目标的真实情况表现出来。这里面也有缺点，比如：表达能力不是很好。所以，还需要其他的模型，如TIN模型。在建立模型之前，一定要统一进行采样处理，然后形成网格，把空洞填好，最后形成纹理的映射。在去除噪声方面，三维激光扫描仪能把原始的一些数据得到，但是这里面的数据没有一个规律，是很乱的。掃描的时候，一定要仔细，避免激光设备乱动与激光的散射，因为这样就会在一定程度上影响测量的数据，形成没有效果的数据，这也就是我们通常说的噪声点，这些内容可以占用一些空间，所以，会影响计算机的运营，同时对计算的结果也会产生影响。建模之前一定要进行去噪声的处理，否则会影响结果。然后是采样，一定要进行统一的采样处理。扫描仪采样的时候，利用分站的扫描方法，所以，我们上面也说了，两个挨着的扫描仪会有扫描重叠部分，这样就会形成多的数据。另外，采样的精度也有区别，一些点离扫描仪比较远的时候，密度就比那些离得近的点密度小，这是无法避免的。所以，根据这种情况，就需要我们手工进行以下重采样。重复采样能够有更多更准确的数据，方便我们进行建模。在形成网格填补空洞方面，我们知道，扫描仪得到的那些点，不是在建筑物上面存在的点，是一些离散的点，那么这些点就需要进一步处理，才能代表建筑物上面的情况。这时就要构建一种三角网，这种方法非常简单，并且也很实用。我们在进行数据采集的时候，再先进的设备也不能把所有大数据都采集到。因为有一些死角在采集的时候，是不能获得数据的，所以，这样就形成了一些数据的空洞。我们在建模的时候，不要漏掉这些数据，要用一些数据进行补充，这样，建筑物的完整模型就能够得到了。有时候，建筑物周围的环境也会造成影响，比如：有别的建筑物的时候，或者是有树木的时候，这样就挡住了一部分数据。我们要用合适的方法进行填补，采用纹理映射，主要是形成一个模型和影响之间的合理关系。有了这个点和像素的关系以后，再用相机进行处理，就形成了一个完整的三维模型。
4 结语
现在，三维建模非常流行，但是国内文物保护方面的三维建模技术还不是很好，相关的工作人员也不是很多。所以，我们仍需要不断投入，进一步发展相关的技术。
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