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三维激光扫描技术在考古发掘中的应用
2015年11月19日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:程小龙,程效军,贾东峰,李 杰
    单位:同济大学测绘与地理信息学院
        现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室

    摘要: 三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一项高新技术,它通过快速、精确地获得扫描物体表面的三维点云数据,建立高精度、高分辨率的数字模型。三维激光扫描技术应用于考古发掘中,可以准确、直观地再现考古发掘现场遗迹、遗物的三维空间分布状态,为考古人员提供一个虚拟的现场环境,给考古研究提供强有力的支持。本文利用三维激光扫描技术,对山西陶寺遗址进行了数据采集、数据处理,实现了对陶寺遗址的三维重建,并利用手持三维激光扫描仪对部分出土文物进行了三维重建。

    0 引言

    随着三维激光扫描仪的成熟与发展及其成本的逐渐降低,人们已经可以快速高效地获取客观世界高精度的三维数据,使其广泛应用于数字文物、数字考古、虚拟现实、城市规划、数字娱乐、影视特技制作等领域。三维激光扫描技术在考古中主要用来记录考古发掘中的三维数据,通过对遗址的三维重建,利用网络实现对数字遗址的漫游和展示。国内外,已经开启了三维激光扫描技术在考古领域的研究和应用工作。Robson Brown等人建立了法国西南部卡普布朗遗址的旧石器时代雕刻的岩石表面的三维模型[1]; Entwistle 等提出了将高分辨率废弃的聚落遗址与土壤的化学数据整合的理论,使虚拟考古成为可能[2]; 刘江涛等采用 Riegl LMS-Z420i 获取了三星堆遗址的点云数据,实现了三星堆一号祭坑的三维重建[3]; 西安四维航测遥感中心的技术人员对兵马俑二号坑进行扫描,构建出二号坑的三维模型,实现了二号坑遗址信息的数字化存储,使遗址的再现和重建成为可能[4]。本文利用三维激光扫描技术,实现了对陶寺遗址的数字化,并利用手持三维激光扫描仪对部分出土文物进行了三维重建。

    1 数据采集

    1. 1 遗址介绍

    陶寺遗址是黄河中游地区以龙山文化为主的遗址,总面积约300 万平方米。位于中国北部山西省的襄汾县。遗址内发现有房址、墓葬、陶窑、水井等遗迹和大批陶、石、铜、木等各种质料的遗物。遗址还包括庙底沟二期文化和少量的战国、汉代及金、元时期的遗存。陶寺遗址的发现,对于探索中国古代文明的起源和尧舜时代的社会历史具有重要意义。

    1. 2 数据采集方案及实施

    通常数据采集方案采用全站仪和扫描仪相配合的方法,数据采集可以分为几个步骤: 踏勘场地与布设控制点、控制测量、靶标布设、扫描、靶标测量与提取。考虑到陶寺遗址的几个主坑比较分散,采用全站仪和扫描仪配合方案统一到全局坐标系下比较困难,故直接利用球靶标对各个坑进行独立扫描。1 号坑的球靶标布设方案如图 1 所示。


图1 1号坑球靶标的布设方案
Fig. 1 The layout plan of the target ball in 1st site

    本文所采用的激光扫描仪为 FARO Foucs 3D,采用不同的分辨率扫描遗址和靶标,遗址的采集采用较低分辨率,为了能够准确地提取靶标中心点,对靶标采取较高分辨率专门扫描,以提高后期点云配准的精度。扫描时,首先以低分辨率进行整体扫描,然后选择欲采集区域,按照正常分辨率扫描该区域,对于比较重要的遗迹也可进行专门扫描,最后专门针对靶标以最高分辨率扫描,一站扫描结束后分别保存区域点云文件和靶标的点云文件,扫描得到 1 号坑的初始点云如图 2 所示。


图 2 1 号坑初始点云数据
Fig. 2 The poine cloud data of 1st site

    2 点云数据处理

    点云数据处理分以下两个步骤: 点云数据的预处理和空间三维建模; 点云数据的预处理包括对点云数据的点云配准、去噪、压缩、修补,预处理后

    点云数据的质量直接决定着模型的质量,空间三维建模包括表面重建和纹理映射,如图 3 所示。对遗址点云数据进行预处理时,应根据模型精度和处理效率选择适当的方法。


图 3 点云数据处理过程
Fig. 3 The point cloud data processing

    2. 1 数据配准

    点云配准是指给定两组有重复区域的点云数据( 通过三维激光扫描仪采样获得) ,通过某种变换将两组数据对齐,使之转换到相同的坐标系下,以便进行下一步的操作。目前配准的方法有许多样,本文采用基于同名控制点的点云配准方法[5],如图 4所示。


图 4 同名点配准示意图
Fig. 4 Schematic diagram of the same point registration

    即使所有来自两个点云集合中代表物体表面同一点的点对 ( Pi,Qi ) 满足同一刚体变换( R,T) ,即:



    然后提取球靶标的靶心作为同名点,根据配准算法,计算 R 和 T,然后通过 R 和 T 变换所有点云到一个坐标系下。本文利用 FARO SCENE 根据公共球靶标实现了 1 号坑四站扫描数据的配准。配准结果如图 5 所示。


图 5 1 号坑点云配准结果
Fig. 5 The point cloud registration results of 1st site

    2. 2 数据去噪

    获取的遗址原始点云数据,由于灌木丛遮挡、自身遮挡等原因造成了大量的空洞和噪音,使得原始点云质量很差,需要进行去噪处理。本文采用人工与软件结合的方式进行去噪,首先对于数据偏差较大的噪音先 在 Faro Scene 内 手 工 选 择 删 除,而 后 利 用Geomagic Studio 中 “减少噪音”功能,设置一定敏感系数剔除体外点,减少噪音点。去噪效果如图6 所示。


图 6 点云的去噪效果
Fig. 6 The point cloud denoising results of 1st site

    2. 3 数据压缩

    要实现遗址三维模型的有效建立,对海量点云数据进行有效压缩是关键环节之一。目前,点云压缩算法可以分为两类,基于构网的点云压缩和直接对点云的压缩。基于构网的压缩方法首先要对点云构建网格,可以是三角网格或其他多边形网格,然后根据网格求得顶点或三角面片的法矢信息,通过与阈值的比较实现点云网格模型的压缩。

    直接对点云的压缩方法无需对点云构建网格,通过给定的准则实现点云的精简,因此大大提高了点云压缩的效率。传统的压缩方法包括均匀采样和弦偏差法等,已经被广泛地运用于各种商业软件之中。但均匀采样不能有效地保证遗址中重要遗物的特征,故本文采用基于切片技术的点云压缩,使压缩后的数据能最大限度的保持特征。步骤如下:

    ( 1) 点云分割,首先对散乱点云进行分层分割,分割的目的是将空间三维点云转化至二维平面上以便于后续的压缩处理。分割方向是用户自定义方向,最常用的是沿 x 轴、y 轴或 z 轴去分割,对不同对象的点云,根据其形状和结构特征去定义分层分割方向。本文沿着 y 轴分割使得分层点云更加规则和均匀。1 号坑点云分割后的效果如图 7 所示。


图 7 1 号坑点云数据的分割
Fig. 7 The point cloud segmentation of 1st site

    ( 2) 切片生成,本文采用投影平面法将分层后的点云投影到相应的参考平面上形成轮廓式的切片点 云,如 图 8 所 示。


图 8 投影平面法
Fig. 8 The method of projection plane

    分层后的点云数据如图9 所示。


图 9 1 号坑点云数据的分层
Fig. 9 The hierarchical point cloud data of 1st site

    ( 3) 特征点判断,生成切片点云后,空间散乱分布的三维点云已经转化成为以每层切片形式存在的呈轮廓形状的平面点集,对每层的切片点云,使用弦高差法来保留含有大曲率信息的点,即特征点。弦高差法就是计算点集中的点到其相邻两点连线的垂直距离并与给定的阈值比较大小,如图 10所示,以此来决定该点是否被视为冗余点删除,或者被视为特征点保留。


图 10 弦高差法示意图
Fig. 10 Schematic diagram of the chord method

    经过上述步骤,1 号坑点云数量由 293398 个压缩至 146699 个,压 缩 率 为 50% ,运 行 时 间 为0. 0470 s,并很好的保持点云数据的特征,压缩效果如图 11 所示。


图 11 基于切片技术的点云压缩效果
Fig. 11 The point cloud compression effect based on slicing technique

    2. 4 表面重建

    在得到完整的三维数据之后,需要进行表面重建。表面重建是遗址数字化中的至关重要的一步,本文通过 Geomagic Studio 软件进行表面重建得到遗址的表面网格模型。但建立的网格模型会出现诸多的缺陷,如部分三角形法矢反转、肿块、自相交等,如图 12 深色区域所示,需对这些多边形进行修复,利用 Geomagic Studio 自动探测并修复多边形网格的缺陷,对于不能自动修复的予以手动修复,修复效果如图 13 所示。


图 12 网格模型缺陷
Fig. 12 The mesh model defects


图 13 网格模型缺陷修复
Fig. 13 The mesh model defects repairing

    2. 5 空洞填补

    由图 13 可知,由于扫描的点云数据不完整,使得模型存在大量的孔洞,需对其修补,但由于遗址本身形状复杂多样,所以目前网格的修补难以自动化,一般需要人工干预。本文利用 Geomagic Studio填充孔功能实现对孔洞的填充,如图 14 所示。


图 14 模型的空洞填充
Fig. 14 The hole of model filling

    3 模型优化

    对点云经过上述处理后,实现了遗址模型的初步建立,为了让遗址模型具有逼真的效果,需对其进行优化,优化过程主要包括 Geomagic 优化和 3ds Max 优化两个步骤,首先,在 Geomagic 中对模型创建边界,将遗址模型转入到 3ds Max 进行点线面的调整以及视觉效果的完善,图 15 为对陶寺遗址进行了优化,赋予材质渲染后的总体效果。



 15 陶寺遗址模型的优化效果
Fig. 15 The optimization model of Taosi site

    4 文物建模

    在对出土的文物进行数字化时,本 文 采 用Creaform 公司生产的 VIUSCAN 手持式三维激光扫描仪建立文物的高精度模型,相对于传统的地面激光扫描仪,在文物逆向重建中,手持式三维激光扫描仪在色彩信息采集、细节表达、模型精度方面具有较大的优势。本文以色彩信息较为丰富的瓷瓶为例,采集好数据后,利用 VIUSCAN 自带的扫描软件 VXelements 可以对扫描数据进行初步处理,包括去除孤点和噪声,建立初步模型,如图 16 ( a) 、16 ( b ) 所 示,补洞及模型的细化在商业软件Geomagic studio12 内进行,由于 VIUSCAN 能够采集的点的色彩信息不够完整 ( 如图 16 ( a) 、16 ( b)所示) ,同样需在 Geomagic studio12 对其纹理色彩进行编辑,生成纹理贴图,最终建立的完整模型如图 16 ( c) 、16 ( d) 所示。


图 16 手持式三维激光扫描仪的文物建模 
Fig. 16 Cultural relics modeling used 3D handyscan laser scanner

    5 结语

    采用三维激光扫描技术进行考古遗址、文物的数字化,有利于考古遗址及文物的数字保护和虚拟展示,本文利用三维激光扫描技术,实现了对陶寺遗址的数字化,准确、直观地再现考古发掘现场遗迹、遗物的三维空间分布状态,为考古人员提供一个虚拟的现场环境,同时,通过对数字遗址、数字文物的网络发布,使得更多的人了解考古及历史文化,从而推动考古工作和旅游业的发展。

    参 考 文 献

    [1] Robson Brown K A,Chalmers A,Saigol T,et al. An Automated Laser Scan Survey of the Upper Palaeolithic Rock Shelter of Cap Blanc [J]. Journal of Archaeological Science,2001,28 ( 3) :283 ~ 289.

    [2] Entwistle J A,McCaffrey K J W,Abrahams P W. Threedimensional ( 3D) visualisation: the application of terrestrial laser scanning in the investigation of historical Scottish farmingtownships [J]. Journal of Archaeological Science,2009,36( 3) : 860 ~ 866.

    [3] 刘江涛,张爱武. 三维数字化技术在三星堆遗址中的应用[J]. 首都师范大学学报 ( 自然科学版) ,2007,28 ( 4) :68 ~ 71.Liu Jiangtao,Zhang Aiwu. The application of 3D digital in sanxingdui ruins [J]. Journal of Capital Normal University ( Natural Science Edition ) ,2007,28 ( 4 ) : 68 ~ 71. ( in Chinese)

    [4] 宋德闻,胡广洋. 徕卡 HDS 应用于秦俑二号坑数字化工程[J]. 测绘通报,2006,( 6) : 69 ~ 70.Song Dewen,Hu Guangyang. The application of Leica HDS in the digital engineering of the 2nd Terracotta site [J]. Bulletin of Surveying and Mapping,2006,( 6) : 69 ~ 70. ( in Chinese)

    [5] 施贵刚. 地面三维激光扫描数据处理技术与作业方法的研究 [D]. 上海: 同济大学,2009.Shi Guigang. Research on terrestrial 3D laser scanning data processing technology and operation method [D]. Shanghai:Tongji University,2009. ( in Chinese)

    [6] Al-kheder S, Al-shawabkeh Y, Haala N. Developing a documentation system for desert palaces in Jordan using 3D laser scanning and digital photogrammetry [J ]. Journal of Archaeological Science,2009,36 ( 2) : 537 ~ 546.

    [7] Lambers K,Remondino F. Optical 3D Measurement Techniques in Archaeology: Recent Developments and Applications [C].Computer applications an quantitative methods in archaeology,Berlin,Germany,2007.

    [8] 方芳. 基于图像处理的点云特征提取方法研究 [D]. 上海: 同济大学,2013.Fang Fang. Study on image processing method based point cloud feature extraction [D]. Shanghai: Tongji University,2013.( in Chinese)

    [9] 官云兰. 地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究[D]. 上海: 同济大学,2008.Guan Yunlang. Study on the terrestrial 3D laser scanning data processing [D]. Shanghai: Tongji University,2008. ( in Chinese)

    [10] 王峰. 建筑数字仿真的关键技术研究 [D]. 上海: 同济大学,2009.Wang Feng. Research on key digital simulation technologys of architecture [D]. Shanghai: Tongji University,2009. ( in Chinese)

标签:扫描考古发掘重建
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