面向文物数字存档的数据采集设备设计

吴 高，刘陶胜，崔前辉，左 昌

（江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

传统的文物保护工作，通常都是对文物进行复制倒模，这在很大程度上会对文物的表面造成二次损坏，特别是一些脆弱易碎的文物，在复制倒模过程中易产生不可弥补的损失[1]，从而导致文物修复和重建出现不确定性。随着技术的发展，文物数据采集方式已由传统的复制倒模转换到人工测量，通过作业人员进行现场数据采集，获得文物测绘图纸和文档资料[2]。这种方法虽然与传统保护工作相比不会对文物造成二次破坏，但是采集效率极低，对于纹理丰富的文物，无法提供具有RGB信息的真实模型。三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，是目前比较流行的技术之一，由于其操作简单、测量精度高，已广泛应用于文物保护、变形监测和工程测量等领域。但现阶段三维激光扫描仪等文物数据采集设备[3]，需要影像辅助才能获得具有纹理的三维模型，当扫描面型复杂的物体仍然需要进行多次扫描，如含有多角的物体或者是表面曲面复杂的多面体，无法一次性从多个角度获得文物目标的原始信息。且对于某些物体或出现遮挡现象时会出现扫描盲区，从而导致物体表面点云数据的缺失[4]，数据处理的难度也会大大增加，严重影响了数据采集及处理的效率。并且这类设备价格昂贵，使用成本过高，无法得到广泛的运用。

而随着近景摄影测量技术的不断进步，利用摄影测量技术进行全方位的拍摄，获取二维影像数据，而后生成点云数据，从而进行三维重建。该方法可以精确、清晰且完整地获取文物的几何数据和色彩信息，在文物色彩还原上表现最佳[5]。

因此，本文选择使用非量测的相机进行方案设计，能够在非接触的状态下对文物进行数据获取，其获取的角度多样且能够解决结构光技术带来的扫描盲区的问题，提高了文物数据采集的效率。

1 多视文物影像三维重建原理

本文设计的采集设备是用于采集文物的序列影像以恢复其三维点云数据，通过联机拍摄及连接装置配置出文物数据采集环境，使得文物三维数据采集安装合理，采集方式简单方便。通过采集文物多视角的影像数据，基于SIFT算法[6]及K-D树搜索准则[7-8]对影像进行特征匹配，然后利用RANSAC算法[9]消除误匹配，最后基于SFM进行文物三维重建。

通常情况下，空间坐标系的原点为第一幅图像的光学中心位置，因此第一幅图像的投影矩阵为

式中：K为相机自身参数矩阵；I为3阶单位矩阵，设第二幅图像的旋转和平移向量为R和T，则其相应的投影矩阵为

以此方法，能够得到相机的一组投影矩阵，设Q1i和Q2i（i=1，2，3）分别是Q1、Q2的3个行向量。W=（XW，YW，ZW）为空间点的三维齐次坐标，该三维空间点在2幅图像上的投影分别为（u1，v1，1）和（u2，v2，1）。对于每个图像，都可以独立地获得2个线性方程，因此每对匹配点可以得到如下

理想情况下，像点反投影后可以得到以光束中心为端点的光束射线。如果2幅图像形成的背投光线相交于一点，则需要求的点的三维坐标为相交点的三维坐标。此时，根据公式（3），可以用最小二乘法求解该点的三维坐标。

2 三维数据采集设备设计与对比选择

本文的采集设备是针对小型的文物数据采集的需要进行设计的，其主要特点是可以从多个视角获取文物信息，并可以实现相机的同步拍摄及照片实时传输到电脑进行存储。

设计的方案有以下3种，本文主要阐述设计的3个方案，将3个方案进行对比分析。

2.1 设计方案一

该设计方案整体结构主要由1个50 cm×50 cm×50 cm的box、1个文物承载台、4个面阵Basler彩色相机及其相关配套软件、1个千兆网络交换机、5根足够长度的1 Gbps网线和计算机组成，如图1所示。

图1 系统整体结构示意图（方案一）

2.2 设计方案二

该设计方案整体结构主要由1个半径为25 cm圆形轨道、1个文物承载台、1个滑轮、1根连接杆、3个面阵Basler彩色相机及其相关配套软件、1个千兆网络交换机、4根足够长度的1Gbps网线和计算机组成，如图2所示。

图2 系统整体结构示意图（方案二）

2.3 设计方案三

该设计方案整体结构主要由1个直径为35 cm的文物旋转台、1个多功能相机三角架、1台佳能相机、1个摄影棚、电脑相机连接线及计算机组成，如图3所示。

图3 系统整体结构示意图（方案三）

2.4 设计方案的比较与选择

本文设计的3个方案各有千秋，接下来从以下几个方面进行比较，分析各个方案的优缺点，选择出最佳方案。

2.4.1 经济方面

3个方案的具体成本见表1，其中方案一选用4个相机和镜头及网络交换机，由于相机及镜头的价格较为昂贵，价格成本相对其他方案来说比较大，总成本大约需要1.5万元。方案二则选用3个相机和镜头及网络交换机，较于方案一虽成本更低，但总体成本仍然需要大约1万元。而方案三则采用1个相机和镜头，从相机和镜头的数目来看其成本远低于其他方案，总成本大约5 000元。

表1 方案成本

2.4.2 使用方便程度方面

方案一采用的是全自动化采集，安装好设备后，只需要在电脑上操作即可，该方案集相机的同步控制与相片的实时获取于一体，自动化程度和集成性较高，方便程度比较高。而方案二安装好设备后，不仅需要在电脑上控制拍摄，还需要人工控制连接杆移动的速度，且对连接线的长度有一定的要求，该方案能集相机同步控制与相片实时获取于一体，虽集成性高，但自动化程度较低，方便程度一般。方案三设备结构比较简单，安装好设备后，只需要在电脑上控制即可，其能够集相机拍摄与相片实时获取于一体，无需人工额外控制，自动化程度较高，集成性高，方便程度也比较高。

2.4.3 安全方面

方案一所设计的结构，相机固定在box的4个顶角，且安置好设备后不需要进行移动，只需将文物放置在box里的承载台上即可，安全程度高。方案二采用轨道结构，安装好连接杆和相机后，需要将其滑动，存在相机会掉落的安全隐患，且滑轮滑动的过程中，人容易碰到网线，一旦碰到，严重的则可能会导致相机被扯落，综合上述其安全隐患较多，安全程度最低。方案三设计的结构，安置好后，无须将文物或者相机进行移动，只需要将旋转台的开关按钮打开，因此其安全程度相对较高。

2.4.4 方案实际精度与效果

本文分别采用3个设计方案对文物数据采集进行了实验，实验结果如图4所示。

图4 点云生成效果

方案一的效果如图4（a）所示，由于方案一在采集文物影像时是固定的，因此只能获得4个方向上的影像，影像数量极少很难提取到较多的特征点，对于特征点匹配也是很大的考验，由于该方案无法提取到足够多的特征点，因此无法基于这些特征点生成密集三维点云，最终通过实验验证该方案不可行。

方案二的效果如图4（b）所示，重投影误差为0.149像素，最大重投影误差为0.471像素。该方案由于在同一个竖直面内进行3个视角的影像采集，通过旋转一周，能够采集到足够数量的影像，并且采集视角较多，对于纹理不丰富的文物提取的特征点数量较均匀，数量相对来说也比较多，生成的密集点云数量较多，三维建模效果比较好。

方案三的效果如图4（c）所示，重投影误差为0.293像素，最大重投影误差为0.916像素。该方案将相机固定，通过将文物旋转一周，能从不同方位采集到足够数量的影像，虽然文物采集视角比较单一，对于纹理不丰富的文物提取的特征点数量少，但总体来说提取到的特征点数量还是比较多的，生成的密集点云数量相对较多，三维建模效果比较好。

综上，从经济、方便程度、安全及精度等方面进行比较，方案一的方便程度和安全性高，集成性好，但是由于其制作成本最高，最重要的是无法从多视角进行文物采集，采集的影像数量少，无法进行特征匹配从而导致无法进行密集匹配。方案二虽然在采集视角上是3个方案上最多的，但是其由于安全性低且需要额外控制连接杆，其方便程度低，且制作成本高。方案三的制作成本最低，方便程度高，集成性好，安全性能也高，制作的三维模型效果好，基于这些优点，最终采用方案三进行三维数据采集。

3 三维数据采集方案的具体实现

本设计方案获取文物点云数据的方法是通过非量测相机进行拍摄，基于近景摄影测量的原理对拍摄的影像基于SIFT算法进行影像匹配，并对其进行误匹配消除，然后基于SFM由匹配点生成点云数据。

本设备使用的是Canon EOS 5D-MarkⅡ相机，相机基本参数见表2。

表2 Canon EOS 5D-MarkⅡ相机

使用镜头是EF24-105 mm f4L ISⅡUSM，该镜头的基本参数见表3。

表3 EF24-105 mm f4L ISⅡUSM镜头

本次实验搭载的实验设备如图5所示。

图5 三维数据采集设备搭载

3.1 相机标定

本设计方案使用的是张正友的棋盘格标定算法，使用7×10的标定板与MATLAB标定工具对使用的相机进行标定。

标定结果最终会由工具箱返回结果，计算出来的内参数矩阵为3×3的矩阵，矩阵具体值如下所示。

3.2 文物影像数据采集

首先，安装好摄影棚，将灯光条放置在需要补光的位置，文物旋转台放置在安装好的摄影棚上，打开开关对旋转台的转速进行测试，然后将6个标志点均匀粘贴至旋转台的边缘，使用全站仪进行坐标测量。

在室内选择合适的一点安置全站仪，对中整平后新建文件，设置参数，然后选择自由设站，假定第一个已知点坐标为（10，10，10），设置仪器高等参数，然后进行建站，以第二个已知点为后视进行定向，定向完成后，对6个标志点一一进行测量，测得的标志点的三维坐标见表4。

表4 标志点三维坐标

标志点测量完成后，将相机安置在一个合适的位置，将文物小心翼翼地放置在旋转台中心。在设备通电前，先安装相机联机软件LR，安装好之后，将相机脚架安置在距离合适的位置，将相机整平安置在脚架上，调整相机角度大约向下30°~50°，然后使用连接线一端与电脑连接，另一端与拍摄相机连接。

连接之后，打开LR软件，点击文件→联机拍摄→开始连机拍摄，在弹出的对话框上设置好文件夹名称和保存图片的地址，点击确定。

观察文物的旋转状况，然后点击采集影像，采集到的图像如图6所示。

图6 文物影像采集

采集到的影像自动保存在设置好的文件夹上，可在软件上进行查看或者在文件夹中查看。

4 实验结果与分析

在获得文物的影像数据之后，本设备使用Photoscan软件进行三维重建，基于SIFT算法对文物的特征点进行提取，并对提取的特征点进行匹配。然后基于SFM提取文物匹配点的稀疏点云，结果表明提取出的特征点均匀且精度较高。

然后进行密集点云生成，如图7所示，本实验共生成了4 480 577个点。由此得出，使用SIFT算法进行特征匹配，不仅提取的特征点均匀，角点的提取效果好，提取的点云数量多，稳定性高，而且所提取出的点云数据带有RGB信息，为后面的三维重建工作提供了良好的基础。

图7 三维点云生成

由于在实验的过程中，因光照等因素的影响，导致花瓶表面反射光线过多，出现了较多的误匹配，去除误匹配之后剩下的特征点数量极少，导致云数据不完整的情况出现，如图8所示。重建效果如图9所示。

图8 小空洞的存在

图9 最终建模效果

从结果来看，基于SFM的三维重建，重建方法简单，生成的模型效果逼真，并且重建速度快，该设备的采集得到的影像效果很好，证明该设备可行性高。

5 结束语

鉴于现有三维扫描设备价格昂贵，双目立体视觉缺乏准确性，容易受到误差的影响，本文采用现有的设备与方法设计了一个数据采集方案，以对小型文物进行三维重建。该采集方案主要用于采集小型文物（最大直径45 cm）的三维点云数据，该三维采集数据方案可以从多个视角获取文物信息，并可以实现相机的同步拍摄及照片实时传输到电脑进行存储。其制作成本低，方便程度高，集成性好，安全性能也高，重建的三维模型效果逼真，具有较好的应用前景。