文物三维数字化建模方法探析

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1、文物三维数字化建模方法探析　　摘要：文物三维数字化建模是目前数字博物馆研究领域的一个热点问题，是计算机图形图像技术在数字博物馆中的重要应用。本章首先介绍了文物三维数字化建模的必要性，介绍了文物三维数字化的主要方法、三维数字化建模的主要流程等，最后阐述了文物三维数字化建模的重大意义以及对未来的展望。关键词：文物；三维数字化建模；计算机图形学中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）23-5353-04随着计算机及网络技术的飞速发展和应用，人类自然文化遗产的保护与利用有了新的方式与方法。各种多媒体技术手段正逐渐应用到博物馆这一传统领

2、中来。博物馆的主要功能为征集、研究、教育和展示，但是博物馆文物保护和利用之间存在着矛盾。从文物保护的观点来看，应该避免可能对文物造成损害的利用；而从文物利用观点来看，无论是研究、传播、教育还是展示，对文物本身都会造成某种损害。如何解决这种矛盾，已经成为博物馆工作者工作中的难题之一。然而数字博物馆的出现，将为这一困难提供适合的解决方法[1-2]。7数字博物馆需要以数字形式对可移动和不可移动文物相关信息进行采集、管理，建成基于网络数据库的数字化博物馆体系，可以很好地解决文物与有限的展陈空间、时间的矛盾，进一步开拓博物馆文物保护、传播、教育和展示的新领域。对于实现数字

3、资源共享、保护珍贵的博物馆文化资源、传播古老的中华文明、加强国内外专家之间的学术交流与合作具有极其重要的意义。可以发现，在数字化博物馆的建设过程中，一个最重要的组成部分就是文物数字化。文物的数字化形式丰富，其中包括三维建模、文字录入、拍照、录像与录音等，其中应用三维建模技术重构高分辨率的三维虚拟文物是成功展示文物的重要技术之一[3-4]。1三维数字化方法物体的三维模型是物体的三维多边形表现示，通常由计算机显示器或者其它显示设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的东物体，也可以是虚构的物体，显示的尺寸可大可小。任何物体都可以用三维模型表示。三维模型有多种表示形式，

4、如利用长方体等基本体素进行布尔运算来构造复杂三维几何体的体素构造表示形式；用非均匀有理B样条（NURBS）等基于Bernstein基函数的样条曲面表示形式；用二值化的三维数组对模型几何特征进行描述的体素化表示形式等，其中最基本的表示形式是利用大量多边形或三角形来逼近真实三维物体，这种表示方法最直观、处理效率最高。现有的三维数字化方法有三大类：7第一类，依靠计算机图像学进行手工建模。这种方法建模者主观性大，物体大小尺寸无法达到精准无误。对于文物三维建模来说更是无法满足研究者对于文物高精度的需求。第二类，基于计算机视觉的三维数字化建模。这种方法是通过二维图像重建三维

5、物体，该方法需要在拍摄时严格限定相机的基线和镜头，很多情形下，无法满足该条件，并且此方法自主要靠人工干预，不能够满足技术发展的要求。第三类，使用三维激光扫描仪进行三维扫描建模。此方法能够精准地获取物体的三维形状，并且随着三维激光扫描仪的不断更新与发展，可以获得物体更加高精度的三维模型，通过高清数码相机的辅助拍摄，通过手动贴图等步骤，可以呈现出逼真的，带有纹理的三维模型[5-6]。2文物三维数字化建模处理流程文物三维数字化建模包括数据采集、模型简化、模型UV拆分、文物自阴影渲染、文物贴图制作等多个步骤：第一步是数据采集，获取文物的三维数据以及高清纹理信息。71）使

6、用三维扫描仪获取：光学三维扫描仪可在无接触的情况下确定文物的几何尺寸、外形，并能满足测量精度控制在允许范围内[7]。光学三维扫描仪工作原理是使用激光三角测距原理，通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含表面形状和颜色数据[8]。2）使用高清照相机获取文物纹理信息，由于拍照有一定的局限性，不能一张照片拍完一件文物的所有角度，因此我们需要进行多个视角的拍摄，保证可以看清楚文物的

7、每一个细节，这样对于制作出一个完美的模型有很大的帮助。第二步是模型简化。经过光学三维扫描仪获取的几何模型包含的三角面片数量巨大，可以达到上百万个三角面片，对后期的数据处理、纹理映射等操作造成一定的困难，需要对高精度的模型进行模型经简化，这样不仅可以减少存储空间，还可以提高数据的处理效果。文物模型的简化要求更严格，文物模型中重要细节部分应该尽量的保留，而且能够很好保持边缘部分的几何特征，模型的整体结构必须与原始模型保持一致。下图为经过光学三维扫描仪获取的扫描模型，导入后会发现模型面数非常多，有五十多万个三角面片，而且布线杂乱，需要后期进行低模的重新制作。7由于扫描

8、的模型文件面数太多不能直