三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告题 目 三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用 学 院： 机电工程学院 系 机械工程系 专 业：机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级： 094班 学 号： 5901109182 姓 名： 杨科 指导教师： 吴禄慎 填表日期： 2013 年 2 月 25 日一、 选题的依据及意义： 古代文物、古代建筑等是人类文明与智慧的结晶, 历史悠久的人类文化遗产的保护、修复和重建是一项艰苦复杂的系统工程。随着信息化技术在考古学及文物保护领域中应用的深入，三维建模及可视化技术在考古和文物保护领域的应用具有重大的现实和历史意义,能够真实记录考古文物数据，有利于文物的还原与考古遗迹发掘前后的再现。三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法 以被测对象的采样点离散点集合称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速、精确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。正是基于这些优点，近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模项目，洛阳龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进行同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的基础。三维数字建模技术在考古遗址中的应用，不仅能够准确获取文物遗址的各类信息，而且与其他信息技术相结合可以拓展考古遗址三维数字模型的应用范围，如文物遗址的数字化存储、测绘、文物修复、考古现场及遗址中的文物管理与监测以及虚拟研究和展示等方面的应用。妥善而永久地保存文物遗址信息是文物考古工作的基本需求，三维数字建模技术提供的文物数字化存储，是当前满足这一需求的最佳手段。通过三维数字建模技术可以建立高精度的文物遗址数字模型，包括外部几何信息、结构信息以及局部细节信息，还可以为文物的数字测绘、辅助修复、管理以及虚拟现实等拓展应用提供最基础的支撑。二、国内外研究现状及发展趋势关于考古信息技术研究的进展1.全球定位系统与电子全站2.仪测绘数字摄影测量与三维激光扫描3.仪遥感考古4.考古地理信息系统（gis）5.空间信息可视化与虚拟6.现实空间信息可视化与虚拟现实从目前发展状况看,考古数字化项目存在以下问题:利用大型计算机实时描绘虚拟现实图像, 设备昂贵,场地限制大;模型数据的大量简化和全景照片的使用可以满足普通硬件的需求, 但场景的逼真度和沉浸感较差;目前互联网提供的展示功能, 缺乏三维沉浸感和交互性;模型数据仅具有展示功能, 难以满足维修重建的工程技术参考需要目前，国内外对此类工作的相关研究多集中在古建筑的测绘号恢复方法上，并且由于测量对象有限，尚无系统的工作方法与规范。HSternberg等使用三维激光扫描技术对汉堡市政大厅内的Kaisersaal和Grober Festsaal两个有着悠久历史的大厅进行了三维扫描并建立了模型；CAhuntas使用三维激光扫描技术为Konya考古博物馆进行了测量和建模，用彩色和灰度模式可视化了由点云生成的表面模型 ；国内清华大学使用三维激光扫描仪对山西陵川县西溪二仙庙的部分建筑和北京的佛光寺东大殿进行了扫描，绘制出了梁架平面、剖面理想图，并与现状点云作比，从而得出量化的残损变形评估闰。近几年，3维激光扫描技术和CCD成像技术在大遗址数字化中发挥重要作用，相关技术不断报道 。以三星堆遗址的一号祭祀坑为例，采用RieglLMSZ420i 3维激光扫描仪和尼康D100数码相机分别获取几何点云数据与纹理数据，并通过PolyWorks软件实现多站点点云数据配准与3维建模，给出从数据采集、数据加工到模型建立大遗址数字化的合理工艺流程。以河南省开封市的国家级重点保护文物“铁塔”为研究对象为例，以古建筑的数据采集与处理、三维模型重建、数据库建立、系统设计为主要研究内容，初步设计了基于三维激光扫描技术、GIS技术和虚拟现实技术的古建筑数字化保护系统。即通过数据与方法的集成，建立基于三维激光扫描仪等现代信息技术条件下的古建筑数字化保护系统；通过整理、挖掘相关历史文档资料，形成古建筑属性数据库；通过GIS技术与虚拟现实等技术的整合，对数字化建筑构成要素进行精确分析，建立古建筑空间数据库。 从投影摄像系统到三维激光扫描投影摄像系统的整体缺陷Inspeck结构光成像系统是由机械光栅、单一光谱组成的。一般而言，光栅越密，精度越高，但高密光栅对加工工艺的要求近乎苛刻。另一方面，由于使用单光谱，高密光栅会降低光强，影响投射效果。三维成像系统依靠计算投射在物体表面的明暗条纹来获得空间位置信息，而环境光会影响明暗条纹的形成，因此该成像系统还需要一个良好的光环境。三维激光扫描技术具有以下优点：(1)速度快：几千几十万点秒；(2)信息丰富：它包含大量物体表面的被测点，每个点均带有三维坐标和激光反射强度值，能真实地展现物体的外貌，可有效解决对形状复杂物体的观测问题；(3)精度高：精度为毫米级；(4)有益保护被测物体：属于看到即可的非接触式测量；f5)节省资金：很少需要搭建脚手架；f6)数据价值高：数字化的资料能够长久保存，古建筑点云具有广泛的应用性。三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法, 以被测对象的采样点(离散点)集合称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息, 为快速、精确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模项目，洛阳龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。而秦俑二号坑遗址三维数字建模项目的工作实践表明，在考古发掘与文物保护工作的同时，引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进行同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的基础。三维激光扫描技术是近几年逐步发展成熟的最新测量技术，它具有其它测量技术无法比拟的优势。尤其是非接触式的测量手段，不会对考古文物造成损坏。此外，该技术明显降低了对考古文物的测量工作的难度和工作量，所得数据的可挖掘性强，多用性好。随着三维扫描技术同GIS等相关技术的结合，必将不断增强其在古建筑保护领域的应用价值和潜力。前段时间见识的Creaform公司的Handyscan三维扫描仪更是将三维激光扫描技术的有点发挥的淋漓尽致。从文物扫描获取准数据建立数据库，都更方便了。Handyscan三维扫描仪对于小型考古文物的研究确实有其它技术不可比拟的优势。通过曲线曲面扫描，全面质量检查；曲线曲面扫描，逆向工程；三维数据采集建立数据库；激光雕刻。快速成型。具有质量高，精确度高，分辨率高，快捷等优点。三、本课题研究内容本课题采用三维扫描仪对考古文物进行图像采集，对采集的图像进行转换、拼接、CAD模型重建等处理，最终获取文物的三维CAD数据，实现反求工程在考古文物上的快速数字化和计算机建模 。1. 点云获取：对文物进行三维扫描测量，获取数据点集。2. 点云预处理：对数据进行配准与去噪，实现数据的分块与精简。3. 曲面重构：网格剖分，曲面拟合，曲面后处理。4. 通过数控加工、快速成型或三维打印等途径形成文物的实物。四、本课题研究方案文物文物3D扫描文物图像采集图像转换文物复制文物成型获取三维CAD数据图像拼接CAD模型重建 三维打印三维文物扫描或三维文物测量数据点集点云获取数据配准与去噪数据分块与精简网络剖分曲面后处理曲面拟合快速成形点云预处理曲面重构数控加工形成文物实物五、研究目标、主要特色及工作进度： 研究目标：通过研究三维物体数字化及可视化技术在考古学中的应用，学习并掌握三维物体数字化及可视化技术在考古学中所涉及的关键技术，学习并掌握使用投影法快速、准确获取文物表面各种数据的方法、经过逆向工程软件Geomagic的点云预处理和曲面重构的方法等等。继而通过研究获得的数据模型达到文物成型和文物复制的目的。主要特色：使用三维光学扫描系统获取点云数据，掌握运用点云数据处理软件Cloudform和逆向工程软件Geomagic对点云数据进行处理和曲面重构的方法，从而重建物体数字化模型。设计进度： 第1 周毕业设计实习 第2周熟悉本次毕业设计的目标及内容，借阅相关书籍，查找相关资料，形成系统化的概念。 3- 4 周书写实习报告、文献综述以及开题报告。 第 5 周完善开题报告，开题报告答辩。 6- 7 周实验室文物扫描，获取准数据，建立数据库。 8- 9 周CAD处理数据，产品成型。 10-11周毕业论文书写。 12-13周使用说明，准备答辩。六、 参考文献：1 吴禄慎，邵兴意.基于相位法的三维面型测量及曲面重建技术J.工程图学学报,2004,25(4)：62-68.2 张爱武,孙卫东,葛成辉,李风亭. 室外大型场景多机位三维数据全局快速配准J . 高技术通讯,2004 ,14 (6) :6 -10.3 丁军,赵明泽. 陈祖军. 利用近景摄影测量进行安丙家族墓文物考古测绘J .工程勘察,2002 , (4) :54 - 56.4 搂顺天胡昌华张 伟MATLAB系统分析与设计M西安：西安电子科技大学出版社，200l.5 张爱武, 孙卫东, 李风亭. 基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法J. 系统仿真学报, 2005, 17(2): 384-391.6 刘军, 耿国华. 基于.NET 的考古遗址空间信息系统的设计与实现J. 计算机工程与设计, 2009, 30(24): 4-10.7吕汉明，王扬.用于三角网格模型的启发式四边区域划分算法J.吉林大学学报,2008,38(1)：158-162.8孟凡文.面向光栅投影的点云预处理与曲面重构技术研究D.南昌大学博士学位论文.2010.9张曦 .人脸检测与应用研究D.南昌大学硕士学位论文，2012.10龚根亮. 汽车模具CAD模型重建技术研究D.南昌大学硕士学位论文，2011 11周文莲.物体形态的三维测量技术J.人类学学报，2000，19(4)：326一327.12WU Lushen，WU Peiming. A Fast