武汉大学 遥感信息工程学院 数字摄影测量与计算机视觉中心

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1 武汉大学 遥感信息工程学院 数字摄影测量与计算机视觉中心 http://rsgis.whu.edu.cn/jsjsj/index.htm
激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建 3D Reconstruction Of Small-sized Cultural Relics Based On Laser Scanning And Close-Range Photogrammetry 季铮 张剑清 郑顺义 孙明伟 武汉大学 遥感信息工程学院 数字摄影测量与计算机视觉中心

2 主要内容: 概述 数字文物制作之数据采集 摄像机标定 三类重建方法 激光点云结合数码影像的重建方法----编钟
基于离散点的摄影测量重建----郧县人头骨 基于几何模型的摄影测量重建 ----青花梅瓶

3 概述 重建对象:单个物体 尺寸相对较小,(0.1米~100米) 已有的制作经验: 文物,遗址,座椅,飞机,……

4 文物的数字三维模型制作，是将文物标本资源数字化、信息传播网络化和观赏浏览公众化的一个重要部分。
敦煌石窟佛像的多分辨率三维重建模型 故宫太和殿三维激光扫描建模 大卫雕像的三维数字化

5 国内外博物馆： 博物馆的数量：博物馆总数达五万多座，其中一半以上是20世纪50年代以后建立的。当代博物馆发展最快的是欧洲，北美和大洋洲地区。 美 国：约8000个 英 国：约2500个 德 国：约4680个 法 国：约1500个 意大利：约3442个 加拿大：约1400个 澳大利亚：约1900个 日 本：约3700个 中国大陆地区：约２３００个博物馆

6 近景三维重建的“非常规” … … 航空摄影的重建 近景摄影的重建 带来的问题 摄影方式、特点 距离远，拍摄较规范，能形成规范的航带
距离近，拍摄条件受现场限制，拍摄方式变化较多 初始值的确定 变形大 目标 种类 相对固定：地形、建筑、道路、居民地等 较多：城区建筑、室内物体、各种设备、设施等 需要对更多的不同目标进行区分 表达 方式 DEM、正射影像，矢量图(2.5D) 全三维的表达 更多的模型表达方式 场景 性质 表面较连续，纹理性质比较固定 深度变化大，物体形状多样，纹理差异大 表面连续性假设不成立，特征显著性难以保证 DEM 建筑模型 DEM+正射影像 … … 航空、卫星遥感影像 近景目标 飞机模型

7 郧县人头骨化石 曾侯乙编钟组（其中一个中等大小的编钟） 元代青花梅瓶 越王勾践剑

8 数字文物制作之数据采集 主要包括激光扫描仪、高分辨率数码像机、平面格网板、旋转平台、计算机五个部分。 Canon EOS 5D数码
柯尼卡美能达的VIVID910激光扫描仪

9 双圆的标记 格网间距50mm 十字丝标记 格网间距是30mm

10 数据获取： 激光扫描 控制摄影 一般摄影　

11 扫描的点云数据 ．．．．．．

12 用于标定影像

13 控制摄影

14 基于二维直接线性变换和光束法平差的摄像机高精度标定算法 [张永军 2002]
格网点提取 (十字丝或圆心) 格网点 空间坐标 计算二维DLT参数 匹配格网点 分解外方位元素 光束法平差 求解主点和焦距

15 激光点云结合数码影像的重建方法 —编钟的三维重建

16 技术路线图

17 编钟制作(典型的 激光扫描+纹理映射 方法)
数据采集 拼接软件：扫描自带软件 PET (Polygon Edit Tool) … 53片

18 三角网编辑： Polyworks, Geomagic等 拼接后存在 “洞”

19 修补后

20 经过点云与影像的点云与影像套合

21 瓶、头骨、剑的扫描结果与问题

22 梅瓶 扫描数据

23 头骨扫描数据 底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！

24 勾践剑扫描数据

25 基于离散点的摄影测量重建 --郧县人头骨的重建
基于离散点的摄影测量重建 --郧县人头骨的重建

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28 面片边界与整体三角网

29 头骨的三维模型由27863个点组成，分48个特征三角网进行拼接，整体三角网中共包含52316个三角形。
头骨的模型精度表 观测值中误差（mm） 平均深度 （mm） 平面相对 精度 高程相对 头骨上部 0.0057 1/10716 1/10146 头骨下部 0.0064 1/10827 1/10302

30 基于几何模型的摄影测量重建—青花梅瓶的重建
对于参数几何模型需要求解两类参数； 1) 位姿参数(空间方位) 2) 模型的几何造型参数(形体参数)；

31 广义柱体模型 –(积分模型) 广义柱体模型(也称扫掠表示法)，它由一条作为轴线的空间曲线，一个二维截面图和定义截面如何沿轴线运动的表示方法。理论上任意物体都可以表示成截面的运动模型。一般要求截面变化是连续的，截面运动也是有一定规则的，才比较适合用该模型。

32 圆截面 矩形截面 多边形截面 ri, zi z z y x y 参数：各个截面的半径,，截面间距； 可以衍生的几何体：圆柱、圆台、圆锥； x
参数：矩形截面(长、宽)，截面距离、截平面方向偏移距离 便于构造单方向的曲线造型 多边形截面 P0 P1 P2 P3 P4 Pn P0 P1 P2 P3 P4 Pn 参数：基准截面多边形(P0，…Pn)， 截面间距 衍生的几何体：直棱台、直棱柱等

33 梅瓶由一组平行的空间圆截面构成，在影像上的轮廓点为对应视线与空间圆截面的切点。
根据多张影像上提取的梅瓶边缘轮廓，利用共线方程最小二乘平差可求得每个空间圆截面的位置和形状参数。

34 利用轮廓线重建圆截面体 假定梅瓶的横截面为圆形，空间圆的参数方程可表示为: (旋转轴方向已知:Z 轴)
视线与空间圆相切，切点为A、C，坐标可分别表示为：A ， C 未知数：每个圆截面的圆心(X0,Y0)和半径R

35 给定空间截面的高程积分步长，即截面之间的间距，以及截面的高度范围，则所有截面参数可以通过多张影像上提取的轮廓，自动迭代解算出来。

36 实验结果

37 当截面高度的积分步长为2mm时，整个模型由189个空间截面组成，解算得到的截面参数部分如表。

38 梅瓶-自动纹理映射 展开图

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40 实验结果 最大误差(mm) 中误差(mm) 平面中误差(mm) 深度中误差(mm) X 0.66 0.13 0.18 0.15 Y 0.88
梅瓶的控制点误差 最大误差(mm) 中误差(mm) 平面中误差(mm) 深度中误差(mm) X 0.66 0.13 0.18 0.15 Y 0.88 Z -0.65 梅瓶的模型精度表 观测值中误差（mm） 平均深度 （mm） 平面相对 精度 深度相对 0.0038 1/8389 1/10579

41 已经进入湖北省博物馆展厅的数字文物展台 数字文物

42 总结与展望 结合参数几何模型的约束条件在重建的各个阶段； 文物三维重建质量评定的定量化与定级； 流程的进一步整合，规范化；
借鉴计算机图形学中的建模、渲染技术,进一步提高三维模型的逼真度.

43 请老师和同学指正 谢谢