激光扫描技术在文物建模及虚拟修复中的应用研究

分类号:P2210710-2009126015硕士学位论文激光扫描技术在文物建模及虚拟修复中的应用研究刘钰导师姓名职称杨志强教授申请学位级别硕士学科专业名称大地测量学与测量工程论文提交日期2012年5月25日论文答辩日期2012年6月6日学位授予单位长安大学TheApplicationResearchofLaserScanningSysteminCulturalRelicReconstructionandVirtualRepairTechnologyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuYuSupervisor：Prof.YangZhiqiangChang’anUniversity,Xi’an,Chinai摘要文物遗址是研究古代历史、艺术和科学技术发展极其重要的实物资料，对文物遗址的保护和研究就显的尤为重要了。一方面，这些年代久远的历史文物遗产随着时间的流逝正经受着相当程度的损害，需要数字化保护。另一方面，要在世界范围内传播并提升其浓重的文化旅游价值，需要真实感的数字化展示技术。针对文物遗产保护和数字考古研究需求，本文以重庆大足千手观音为背景给出了国内外数字考古技术研究及其应用现状，对目前文物遗址中常用的三维数据获取、数据处理、模型重建等方法展开了研究。本文的主要研究工作如下：1）本文首先介绍了地面三维激光扫描技术的国内外研究现状，总结了该技术的特点及应用领域，简要阐述了地面三维激光扫描系统的工作原理，并对硬件设备的种类和数据获取技术作了简单的介绍。2）对用于采集数据的Faro和CIMCORE三维激光扫描仪及后处理软件Geomagic和polyworks进行了详细的介绍，并利用三维扫描技术获取重庆大足千手观音的点云数据，针对点云数据的去噪、简化及网格化等预处理技术展开研究。3）针对关节臂式坐标测量机的地理框架及数学模型进行了简单的介绍。4）真实感文物遗址的三维重建，主要研究了古遗址三维模型的两种后期处理技术，即古遗址三维模型的三角网格修补技术和网格简化技术。利用逆向工程软件GeomagicStudio实现快速建模，较为详细地阐述了在模型重构过程中点云数据的优化处理方法，介绍点云和多边形的实用编辑处理技术。并对古遗址模型群进行了组合，建成一个完整的模型。最后对三维模型的真实感处理进行了研究。关键词：点云数据，数据预处理，三角网格简化，场景建模，虚拟修复，纹理映射iiAbstractCulturalrelicssitesanimportantkindofinformationinthestudyofancienthistory,artanddevelopmentofscienceandtechnology.Sotheprotectionandresearchofthesiteofculturalrelicsismostimportant.Ontheonehand,withthepassingoftimethehistoricalrelicsisbeingadegreeofdamage,needthedigitalprotection.Ontheotherhand,tospreadthehistoricalculturearoundtheworldandpromoteitsculturaltourismvalue,needrealisticdigitaldisplaytechnology.Tothedemandforculturalrelicssiteanddigitalarchaeologicalresearch,thispapermainlydiscussestheresearchandapplicationstatusofdigitalarchaeologicaltechnologyathomeandabroadonthebackgroundofDAZUThousandHandBuddhainChongQing,researchingtheGeneralmethodof3Ddateacquisition,dataprocessing,modelreconstructiontohistoricalrelics.Thispapermainlyresearchworksareasfollows:1)Thispaperfirstintroducedtheresearchstatusofground3dlaserscanningtechnologyathomeandabroad,summarizingthecharacteristicsofthetechnologyandapplicationfield,brieflydescribestheworkingprincipleofthe3Dlaserscanningsystem,andbrieflyintroducedthetypeofhardwareequipmentanddataacquisitiontechnology.2）DetailintroducedFaroandCIMCORE3Dlaserscannerandpost-processingsoftwareGeomagicandpolyworks,anduseof3dscanningtechnologygetpointclouddataofDAZUThousandHandBuddhainChongQing.Anddiscusstheresearchofpreprocessingtechniquessuchaspointclouddatadenoising,simplifiedandgridspretreatmenttechnology.3)Brieflyintroducedthejointarmtypecoordinatemeasuringmachinegeographicframeworkanditsmathematicalmodel.4)Culturalrelicssiteofrealistic3Dreconstruction,andmainlystudiestheancientsite3Dmodelofthetwokindsofpostprocessingtechnology,namelyancientsite3Dmodelofthetriangularmeshrepairtechnologyandmeshsimplificationtechnology.UseofreverseengineeringsoftwareGeomagicStudiorapidmodeling,aredetailedinthemodeldescribesthepointclouddatareconstructionprocessoptimizationmethod,introducesthepracticalpointcloudsandpolygoneditorprocessingtechnology,andancientsitemodelgroupofthecombination,builtacompletemodel.Finallystudytherealismprocessingofthe3Dmodel.iiiKeywords:Pointclouddata，datapreprocessing,trianglemeshsimplification，Scenesmodeling,virtualrestoration，texturemappingiv目录第一章绪论............................................................................................................................11.1研究的背景和意义......................................................................................................11.1.1研究的背景........................................................................................................11.1.2研究的意义........................................................................................................21.2国内外研究现状..........................................................................................................31.3本文研究的主要内容..................................................................................................4第二章激光扫描技术及其在文物保护中的优势................................................................62.1地面三维激光扫描系统..............................................................................................62.1.1地面三维激光扫描系统的工作原理.................................................................62.1.2地面三维激光扫描系统的分类........................................................................82.2地面三维激光扫描在文物保护中的优势..................................................................9第三章点云数据的获取原理及流程..................................................................................113.1点云数据采集技术.....................................................................................................113.1.1数据采集原理...................................................................................................113.1.2数据采集技术..................................................................................................123.2三维激光扫描仪的介绍............................................................................................133.2.1FaroLS420三维激光扫描仪...........................................................................133.2.2CIMCOREInfinite2.0便携式关节臂测量机......