專利名稱：基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于文化遺產(chǎn)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位糾正方法。
背景技術(shù)：
壁畫作為文化遺產(chǎn)的一個重要組成部分，大量存在于 石窟、寺廟中，傳承和承載著我國悠久的歷史和文化，但近幾十年來，受氣候變化及人類活動等因素的影響，壁畫正面臨著加速消亡的危險。因此，利用數(shù)字化的技術(shù)，將石窟寺中的壁畫進(jìn)行保護(hù)工作已經(jīng)越來越受到關(guān)注與重視。但是目前的壁畫數(shù)字化工作主要包括拍照、校色、拼接、建庫等步驟，而忽略了一個信息一位置信息。壁畫的位置信息十分重要，一個洞窟內(nèi)的壁畫是有一個精確的相對位置，而泛泛的用南壁、甬道等詞匯來描述遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，缺少精確定位信息的壁畫不僅丟失了壁畫之間的相對關(guān)系，同時也會造成壁畫拼接位置不準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為壁畫數(shù)字化工作提供準(zhǔn)確的壁畫位置信息，并利用該位置信息進(jìn)行壁畫的糾正和定位。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種基于激光掃描的壁畫定位方法，包括步驟
步驟一，采用激光掃描儀獲取洞窟壁面的激光點云；
步驟二，根據(jù)洞窟壁面的激光點云的強度信息生成強度影像；
步驟三，將強度影像和原始壁畫影像配準(zhǔn)，所述的原始壁畫影像為拍攝的壁畫影像；
步驟四，以配準(zhǔn)后原始壁畫影像的正射影像為紋理映射到洞窟壁面的三維模型上，即得到包含有位置信息的壁畫影像，所述的洞窟壁面的三維模型是采用洞窟壁面的激光點云建模得到。上述步驟一進(jìn)一步包括以下子步驟
I- I在待掃描洞窟內(nèi)架設(shè)多站激光掃描儀，并布設(shè)激光掃描標(biāo)靶；
該步驟具體為根據(jù)洞窟形狀、尺寸和通視估計洞窟內(nèi)需架設(shè)激光掃描測站的數(shù)量，架設(shè)相應(yīng)數(shù)量的激光掃描儀，布設(shè)激光掃描標(biāo)靶，并保證任意相鄰激光掃描儀能掃描到相同激光掃描標(biāo)靶。作為優(yōu)選方案，所述的任意相鄰激光掃描儀能掃描到的相同激光掃描標(biāo)靶的數(shù)量不少于3個。1 — 2利用多站激光掃描儀獲取待掃描洞窟壁面的多站激光點云；
1— 3根據(jù)待掃描洞窟壁面的多站激光點云中激光掃描標(biāo)祀的激光點云,將洞窟壁面的多站激光點云配準(zhǔn)并合成一個總的洞窟壁面激光點云，即洞窟壁面的激光點云。上述步驟二進(jìn)一步包括以下子步驟2 - I根據(jù)洞窟壁面的激光點云建立洞窟壁面的三維模型；
2一 2根據(jù)洞窟壁面的三維模型擬合生成與該三維模型上所有頂點距離之和最小的平面，即擬合壁平面；
2一 3將洞窟壁面的激光點云投影到擬合壁平面，并根據(jù)洞窟壁面的激光點云強度信息在擬合壁平面上生成強度影像。上述步驟三中以強度影像為固定影像、原始壁畫影像為浮動影像對強度影像和原始壁畫影像進(jìn)行配準(zhǔn)。上述步驟四中配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像的正射 影像采用如下方法獲取
將配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像投影在擬合壁平面上并輸出，即得到配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像的正射影像，所述的擬合壁平面為根據(jù)洞窟壁面的三維模型擬合生成與該三維模型上所有頂點距離之和最小的平面。本發(fā)明還提出了一種基于激光掃描的洞窟壁畫強度影像的糾正與定位方法，包括步驟
步驟一，采用激光掃描儀獲取洞窟壁面的激光點云；
步驟二，根據(jù)洞窟壁面的激光點云的強度信息生成強度影像；
步驟三，以強度影像為紋理映射到洞窟壁面的三維模型上，即得到包含有位置信息的洞窟壁畫的強度影像，所述的洞窟壁面的三維模型是采用洞窟壁面的激光點云建模得到。
激光掃描技術(shù)可以快速、精確的獲取壁畫表面的三維空間位置信息，激光點云的強度信息反映了壁畫表面顏色的變化。本發(fā)明利用三維激光掃描技術(shù)來采集壁畫的三維空間位置信息，并利用激光點云的強度信息對壁畫照片進(jìn)行定位與糾正，定位糾正后的壁畫照片具有毫米級的精確三維空間位置信息，可在電腦上進(jìn)行任意量測。與傳統(tǒng)壁畫數(shù)字化技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果
I、本發(fā)明可建立洞窟壁面的三維模型，該三維模型可作為壁畫影像數(shù)據(jù)的補充，是非常有價值的洞窟基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，可作為洞窟數(shù)字化保護(hù)的存檔數(shù)據(jù)。2、采用本發(fā)明方法對傳統(tǒng)壁畫拼接成果(即原始壁畫影像)進(jìn)行糾正和定位，即可對原始壁畫影像賦予三維空間位置信息，不僅為建立壁畫的時空數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)，更使得壁畫影像信息更加全面，輸出成果更加科學(xué)，而且，還可使壁畫影像能更加科學(xué)的應(yīng)用于考古、保護(hù)、美術(shù)等方面。3、采用本發(fā)明方法糾正和定位后的壁畫影像可在電腦上進(jìn)行任意量測，包括距離、長度、體積的量測，每次的量測點可來自于不同影像、不同壁面甚至不同洞窟。4、本發(fā)明方法能有效解決壁畫數(shù)字化工作中位置信息丟失的問題，并通過對壁畫進(jìn)行糾正使其精確度大大提高，解決了傳統(tǒng)壁畫拼接工作中的不足，使其精確度達(dá)到毫米級。


圖I為原始壁畫影像；
圖2為洞窟壁面的激光點云投影到擬合壁平面上生成的強度影像；圖3為強度影像作為紋理映射在洞窟壁面的三維模型上所得結(jié)果；
圖4為配準(zhǔn)后的壁畫影像的正射影像作為紋理映射在洞窟壁面的三維模型上所得結(jié)
果O
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā) 明方法可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分。一、數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集包括激光掃描前期工作和激光點云獲取。I、激光掃描前期工作
在獲取激光點云前需要對每個待掃描洞窟進(jìn)行如下前期工作首先要根據(jù)洞窟的形狀、尺寸、通視等因素預(yù)計洞窟內(nèi)大致需要掃描多少站，并在該洞窟內(nèi)架設(shè)相應(yīng)數(shù)量的激光掃描測站；為了保證后期數(shù)據(jù)處理的順利，需要在洞窟內(nèi)布設(shè)若干激光掃描標(biāo)靶，作為多站激光掃描測站連接的公共點，后期數(shù)據(jù)處理中將利用這些激光掃描標(biāo)靶將不同站的激光點云配準(zhǔn)到一起。在布設(shè)激光掃描標(biāo)靶時，要保證任意相鄰站點能掃描到的相同標(biāo)靶的數(shù)量不少于3個，即任意相鄰站點的公共標(biāo)靶數(shù)量不少于3個；最后，選擇多站激光掃描測站中最接近洞窟中心的一站作為主站，將主站架設(shè)點定義為此洞窟的洞窟坐標(biāo)系原點。2、激光點云獲取
在完成激光掃描前期工作后，就可以利用架設(shè)好的激光掃描測站對待掃描洞窟壁面進(jìn)行掃描，每個設(shè)站位置掃描稱為一站，每站掃描首先對洞窟壁面進(jìn)行合適分辨率的掃描，合適的掃描分辨率應(yīng)根據(jù)洞窟的體量、激光掃描儀性能綜合確定，總體原則為在壁面的分辨率不大于2毫米；然后對激光掃描標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描，以拼接不同站的掃描數(shù)據(jù)。二、數(shù)據(jù)處理
I、激光點云配準(zhǔn)和合成
對激光掃描儀獲取的多站激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和合成，具體方法是利用多站激光點云數(shù)據(jù)中激光掃描標(biāo)祀的激光點云，擬合出激光掃描標(biāo)祀中心的坐標(biāo)，然后再通過不同站點之間公共的激光掃描標(biāo)靶坐標(biāo)進(jìn)行多站激光點云的配準(zhǔn)(公共標(biāo)靶數(shù)至少有3個)，最后將多站激光點云合成一個總的激光點云，即洞窟壁面的激光點云。在具體操作中值得注意的是，配準(zhǔn)時應(yīng)該將其他站的激光點云數(shù)據(jù)往主站激光點云上配準(zhǔn)(即主站點云坐標(biāo)信息不變)，這樣最后得到的總的激光點云即是此洞窟壁面的完整點云數(shù)據(jù)，并且以主站點云的原點為原點。2、激光點云建模
將配準(zhǔn)和合成后得到的洞窟壁面的激光點云導(dǎo)入逆向工程軟件中進(jìn)行建模，得到洞窟壁面的三維模型，該洞窟壁面的三維模型不包括洞窟壁面上的壁畫。3、強度影像生成
利用洞窟壁面的三維模型擬合生成一個與該壁面最近似的平面，即擬合壁平面。此處，最近似的平面是指三維模型上所有的頂點與該平面的距離之和最小。將該洞窟壁面的激光點云平行投影到該擬合壁平面上，并利用激光點云的強度信息在擬合壁平面上生成強度影像，見圖1，強度影像的生成可以采用三角網(wǎng)內(nèi)插法或渲染法，所生成的強度影像即為激光掃描點云強度信息在擬合壁平面上投影的正射影像。強度影像可以作為紋理，利用激光點云本身的三維空間位置信息，映射在壁面的三維模型上(見圖2)，這樣強度影像的每個像素就包含了空間位置信息。4.原始壁畫影像與強度影像的配準(zhǔn)
原始壁畫影像是指采用相機所拍攝的壁畫影像，或?qū)⑾鄼C所拍攝的若干張壁畫影像拼接而成的整體壁畫影像，圖3即為將相機拍攝的414張壁畫影像拼接而成的整體壁畫影像。生成強度影像后，以強度影像為固定影像、壁畫影像為浮動影像，利用全自動或半自動方法將壁畫影像和強度影像進(jìn)行配準(zhǔn)，使得配準(zhǔn)后的兩幅影像無論在整體上 還是局部上全部重疊。激光掃描點云是同時具有強度信息和三維空間位置信息，將壁畫影像與由激光掃描點云強度信息產(chǎn)生的強度影像進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后的壁畫影像也具有了激光掃描點云中的三維空間位置信息。5.壁畫影像定位與正射影像輸出
以擬合壁平面為參考，將配準(zhǔn)后的壁畫影像平行投影在擬合壁平面并輸出，即可得到壁畫影像的正射影像。將得到的壁畫影像的正射影像代替強度影像作為壁面的三維模型的紋理映射到三維模型上(見圖4)，此時得到的壁畫影像因與洞窟壁面的三維模型綁定，即具有了三維空間位置信息。
權(quán)利要求
1.一種基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于，包括步驟 步驟一，采用激光掃描儀獲取洞窟壁面的激光點云； 步驟二，根據(jù)洞窟壁面的激光點云的強度信息生成強度影像； 步驟三，將強度影像和原始壁畫影像配準(zhǔn)，所述的原始壁畫影像為拍攝的壁畫影像或拍攝后拼接的壁畫影像； 步驟四，以配準(zhǔn)后的原始壁畫影像的正射影像為紋理映射到洞窟壁面的三維模型上，即得到包含有位置信息的壁畫影像，所述的洞窟壁面的三維模型是采用洞窟壁面的激光點云建模得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 所述的步驟一進(jìn)一步包括以下子步驟 I - I在待掃描洞窟內(nèi)架設(shè)多站激光掃描儀，并布設(shè)激光掃描標(biāo)靶； 1—2利用多站激光掃描儀獲取待掃描洞窟壁面的多站激光點云； 1— 3根據(jù)待掃描洞窟壁面的多站激光點云中激光掃描標(biāo)祀的激光點云,將洞窟壁面的多站激光點云配準(zhǔn)并合成一個總的洞窟壁面激光點云，即洞窟壁面的激光點云。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 所述的在待掃描洞窟內(nèi)架設(shè)激光掃描儀和布設(shè)激光掃描標(biāo)靶具體為 根據(jù)洞窟形狀、尺寸和通視估計洞窟內(nèi)需架設(shè)激光掃描測站的數(shù)量，架設(shè)相應(yīng)數(shù)量的激光掃描儀，布設(shè)激光掃描標(biāo)靶，并保證任意相鄰激光掃描儀能掃描到相同激光掃描標(biāo)靶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 所述的任意相鄰激光掃描儀能掃描到的相同激光掃描標(biāo)靶的數(shù)量不少于3個。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 所述的步驟二進(jìn)一步包括以下子步驟 2- I根據(jù)洞窟壁面的激光點云建立洞窟壁面的三維模型； 2 - 2根據(jù)洞窟壁面的三維模型擬合生成與該三維模型上所有頂點距離之和最小的平面，即擬合壁平面； 2一 3將洞窟壁面的激光點云投影到擬合壁平面，并根據(jù)洞窟壁面的激光點云強度信息在擬合壁平面上生成強度影像。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 步驟三中以強度影像為固定影像、原始壁畫影像為浮動影像對強度影像和原始壁畫影像進(jìn)行配準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，其特征在于 步驟四中配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像的正射影像采用如下方法獲取 將配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像投影在擬合壁平面上并輸出，即得到配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像的正射影像，所述的擬合壁平面為根據(jù)洞窟壁面的三維模型擬合生成與該三維模型上所有頂點距離之和最小的平面。
8.一種基于激光掃描的洞窟壁畫強度影像的糾正與定位方法，其特征在于，包括步驟 步驟一，采用激光掃描儀獲取洞窟壁面的激光點云； 步驟二，根據(jù)洞窟壁面的激光點云的強度信息生成強度影像；步驟三， 以強度影像為紋理映射到洞窟壁面的三維模型上，即得到包含有位置信息的洞窟壁畫的強度影像，所述的洞窟壁面的三維模型是采用洞窟壁面的激光點云建模得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光掃描的洞窟壁畫糾正與定位方法，包括步驟采用激光掃描儀獲取洞窟壁面的激光點云；根據(jù)洞窟壁面的激光點云的強度信息生成強度影像；將強度影像和原始壁畫影像配準(zhǔn)；以配準(zhǔn)后的強度影像和原始壁畫影像的正射影像為紋理映射到洞窟壁面的三維模型上，即得到包含有位置信息的壁畫影像。本發(fā)明方法能有效解決傳統(tǒng)壁畫數(shù)字化工作中缺少位置信息，以及壁畫影像變形等問題。
文檔編號G06T7/00GK102881009SQ20121029928
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者黃先鋒, 張帆, 吳健, 孫志軍, 俞天秀, 方偉, 吳淵, 許麗鵬, 王江子, 路育成 申請人:敦煌研究院, 武漢大學(xué)