激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件

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/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3DReconstructionOfSmall-sizedCulturalRelicsBasedOnLaserScanningAndClose-RangePhotogrammetry

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1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----青花梅瓶主要内容:概述2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,……概述重建对象:单个物体3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文物的数字三维模型制作，4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个博物馆国内外博物馆：5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航空、卫星遥感影像近景目标…DEMDEM+正射影像建筑模型飞机模型…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6

元代青花梅瓶曾侯乙编钟组（其中一个中等大小的编钟）郧县人头骨化石越王勾践剑

元代青花梅瓶曾侯乙编钟组（其中一7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。CanonEOS5D数码柯尼卡美能达的VIVID910激光扫描仪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、8十字丝标记

格网间距是30mm双圆的标记

格网间距50mm十字丝标记格网间距是30mm双圆的标记格网间距50m9数据获取：激光扫描控制摄影一般摄影数据获取：10扫描的点云数据．．．．．．扫描的点云数据．．．．．．11用于标定影像用于标定影像12控制摄影控制摄影13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格网点14激光点云结合数码影像的重建方法

—编钟的三维重建

激光点云结合数码影像的重建方法

—编钟的三维重建15技术路线图技术路线图16编钟制作(典型的激光扫描+纹理映射方法)数据采集…53片拼接软件：扫描自带软件PET(PolygonEditTool)编钟制作(典型的激光扫描+纹理映射方法)数据采集…17拼接后存在“洞”三角网编辑：Polyworks,Geomagic等拼接后存在“洞”三角网编辑：18修补后修补后19经过点云与影像的点云与影像套合经过点云与影像的点云与影像套合20瓶、头骨、剑的扫描结果与问题瓶、头骨、剑的扫描结果与问题21梅瓶扫描数据梅瓶扫描数据22头骨扫描数据底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！头骨扫描数据底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！23勾践剑扫描数据勾践剑扫描数据24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25激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件26激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件27面片边界与整体三角网面片边界与整体三角网28

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精度头骨上部0.00571100.541/107161/10146头骨下部0.00641107.351/108271/10302头骨的三维模型由27863个点组成，分48个特征29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)；

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30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。广义柱体模型–(积分模型)广义柱体模型(也称扫掠表示法)，31xyzri,zixyzx0x1P0P1P2P3P4PnP0P1P2P3P4Pn圆截面矩形截面多边形截面参数：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；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xyzri,zixyzx0x1P0P1P2P3P4PnP032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。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33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34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。

35实验结果

实验结果36

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。积分步长为2mm的空间圆截面参数表当截面高度的积分步长为2mm时，整个37梅瓶-自动纹理映射展开图梅瓶-自动纹理映射展开图38激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件39实验结果

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)X0.660.130.180.15Y0.880.13Z-0.650.15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精度0.00381547.201/83891/10579实验结果梅瓶的控制点误差最大误差(40已经进入湖北省博物馆展厅的数字文物展台数字文物已经进入湖北省博物馆展厅的数字文物展台数字文物41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.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；42请老师和同学指正谢谢请老师和同学指正43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/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3DReconstructionOfSmall-sizedCulturalRelicsBasedOnLaserScanningAndClose-RangePhotogrammetry

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44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----青花梅瓶主要内容:概述45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,……概述重建对象:单个物体46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文物的数字三维模型制作，47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个博物馆国内外博物馆：48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航空、卫星遥感影像近景目标…DEMDEM+正射影像建筑模型飞机模型…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49

元代青花梅瓶曾侯乙编钟组（其中一个中等大小的编钟）郧县人头骨化石越王勾践剑

元代青花梅瓶曾侯乙编钟组（其中一50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。CanonEOS5D数码柯尼卡美能达的VIVID910激光扫描仪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、51十字丝标记

格网间距是30mm双圆的标记

格网间距50mm十字丝标记格网间距是30mm双圆的标记格网间距50m52数据获取：激光扫描控制摄影一般摄影数据获取：53扫描的点云数据．．．．．．扫描的点云数据．．．．．．54用于标定影像用于标定影像55控制摄影控制摄影56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格网点57激光点云结合数码影像的重建方法

—编钟的三维重建

激光点云结合数码影像的重建方法

—编钟的三维重建58技术路线图技术路线图59编钟制作(典型的激光扫描+纹理映射方法)数据采集…53片拼接软件：扫描自带软件PET(PolygonEditTool)编钟制作(典型的激光扫描+纹理映射方法)数据采集…60拼接后存在“洞”三角网编辑：Polyworks,Geomagic等拼接后存在“洞”三角网编辑：61修补后修补后62经过点云与影像的点云与影像套合经过点云与影像的点云与影像套合63瓶、头骨、剑的扫描结果与问题瓶、头骨、剑的扫描结果与问题64梅瓶扫描数据梅瓶扫描数据65头骨扫描数据底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！头骨扫描数据底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！66勾践剑扫描数据勾践剑扫描数据67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68激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件69激光扫描与近景摄影测量结合的小型馆藏文物三维重建教材课件70面片边界与整体三角网面片边界与整体三角网71

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精度头骨上部0.00571100.541/107161/10146头骨下部0.00641107.351/108271/10302头骨的三维模型由27863个点组成，分48个特征72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)；

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73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。广义柱体模型–(积分模型)广义柱体模型(也称扫掠表示法)，74xyzri,zixyzx0x1P0P1P2P3P4PnP0P1P2P3P4Pn圆截面矩形截面多边形截面参数：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；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xyzri,zixyzx0x1P0P1P2P3P4PnP075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。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76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