一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法

一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法
【专利摘要】本发明提供的一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法，该系统包括扫描控制与图像采集部分、三维重建部分和三维构型部分；该发明的系统的使用步骤包括藏品结构的三维扫描、非几何藏品结构信息的整理、确定藏品结构的三维信息表达方案、三维数据的形成和添加非几何工程信息；本发明的优势在于极大的提高了三维数字建模的速度，并且保证了藏品的三维模型的精度；使得数据模型的形状和色彩与藏品保持了高度的一致；本系统采用国际最先进的光学测量技术，幅面更大，抗干扰能力强，操作方法简单，测量效率得到提高。
【专利说明】一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及三维数字建模领域，特别是一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法。

【背景技术】
[0002]三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速白光扫描测量的方法，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。
[0003]三维物体数字化技术与可视化技术在考古学中的应用，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。
[0004]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。从目前发展状况看，考古数字化项目存在以下问题:1、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；2、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；3、目前互联网提供的展示功能，缺乏三维沉浸感和交互性；4、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；
[0005]三维白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。从文物扫描、获取准数据、建立数据库，都更方便了。通过曲线曲面扫描、全面质量检查、逆向工程、三维数据采集建立数据库。三维数字化技术可以实现文物实体与信息的分离，为文物保护和研究提出了一个全新的概念和发展方向，这是纸质媒体、胶片媒体等所无法达到和实现的。近年来，随着光机电一体化技术的迅猛发展，以日、德等国为代表的发达国家都非常重视文物数字化技术的研究，相继研发了可用于大型平面文物的高清、高保真数字化设备，并成功地应用于壁画、字画、板画等平面文物的数字化及其分析、研究和保护。三维白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白光反射强度值，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；(5)节省资金:很少需要搭建脚手架；(6)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。
[0006]逆向工程是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。逆向工程现己发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生CAD模型，可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为CAD/CAM系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。将逆向工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其CAD模型的过程。在这一意义下，逆向工程可以定义为:是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。应该看到:逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，逆向工程作用十分巨大。现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出，反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究，则出现于60年代，逆向工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平，赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明。
[0007]但现有的技术的系统和方法中只能将藏品进行正向设计，对藏品进行三维数字化建模，其真实度与藏品有很大的差距，细节达不到更精准的体现。设计一种新的、基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其方法系统，解决建模不能与藏品的形状、色彩不一致的问题，实现将电脑中的三维数据与藏品的形状、色彩达到高度的一致，是目前该领域重点的研究方向之一。


【发明内容】

[0008]针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法，采用非接触式的测量手段，不会对考古文物造成损坏，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，解决建模不能与藏品的形状、色彩不一致的问题，实现将电脑中的三维数据与藏品的形状、色彩达到高度的一致，进一步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。
[0009]为实现上述发明目的，本发明提出的一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统，采用如下技术方案:该系统包括:
[0010]扫描控制与图像采集部分；控制扫描仪的扫描头的扫描方式，控制发光器、图像采集卡，实现同扫描方式相配合的图像采集功能，将扫描获得的图像数据和其他数据做成PLY文件，完成定标功能；
[0011]三维重建部分；对采集获得的PLY序列进行逐帧的图像处理、提取白光条带和中心线、并获物体外表面展开图；计算物体外表面各点的三维空间坐标，给出数据集；采用逆向工程，完成三维重建；
[0012]三维构型部分；对数据进行三角形化处理，形成DXF、STL等文件；进行三维显示；本系统的扫描控制与图像采集部分、三维重建部分和三维构型部分通过数据线依次相连。
[0013]对于本技术方案的进一步的改进，所述扫描控制与图像采集部分包括RMS600白光扫描反求子系统、数字近景三维摄影测量子系统和RMS400三维面扫描抄数机；
[0014]对于本技术方案的进一步的改进，所述三维重建部分包括CAD工作站；
[0015]上述的一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统使用方法包括以下步骤:
[0016]步骤1.藏品结构的三维扫描:藏品结构的三维扫描主要是将藏品结构中的三维信息表达出来；
[0017]步骤2.非几何藏品结构信息的整理:根据藏品的历史信息，整理需要表达的非几何工程信息；
[0018]步骤3.确定藏品结构的三维信息表达方案:根据藏品结构的设计信息的特点，选择藏品三维信息表达方案；为了在三维数字模型中直观的表达这些信息，三维建模并在模型中标注尺寸是最佳的表达方案；
[0019]步骤4.建立逆向元素:根据三维信息表达方案与三维扫描成立的数据建立逆向元素。
[0020]步骤5.三维数据的形成:根据逆向元素，进行三维数据建模，与三维信息相对应，进行修改；
[0021]步骤6.添加非几何工程信息:利用三维注释功能在三维数字模型中完成的三维数字模型是一个全信息的数据模型，可以在模型中进行测量，得到精准的尺寸。
[0022]本系统的工作原理是:首先，在扫描装置的配合下，传感器获得原始信息，然后根据计算模型、算法和定标所得的装置参数，求得每个采样点的三维空间坐标和色彩，再通过三维构形软件以点、多边形、曲面等形式构成立体模型，并存为多种通用的标准格式，得到最终结果。
[0023]一般来说，三维彩色扫描系统的关键技术包括空间三维数字化技术、色彩数字化技术、三维构型及修改技术、定标技术、硬件及控制技术、软件技术等。其中的硬件及控制技术中，硬件是系统的基础，主要包括传感器、扫描装置、控制模块和其它附件。其中的空间三维数字化技术可以说是三维数字化系统最关键的技术。其目的在于测得物体表面每个采样点的空间立体坐标，空间三维数字化模块还包括数据预处理和后处理技术；以结构光系统为例，其预处理主要是对拍摄的结构光图像的处理，准确检测结构光标志线位置，由于种种原因，扫描结果中可能会出现断线、空缺区域、毛刺等，后处理的任务就是自动完成部分的补断、补缺、平滑处理工作。色彩数字化技术，在某些领域，特别是文物的保护，用户对获得准确、丰富的色彩提出了很高的要求。以文物中人头部扫描为例，人的头部尺寸在数值上相差并不很大，如果仅得到空间坐标模型而无色彩，是很难识别出特定的人。而如果得到了准确的人头部色彩信息，即使尺寸上相差一点，也基本不影响视觉效果。为了便于特技处理，有时用户还提出需要与立体模型分离的物体表面色彩纹理贴图，即通常所说的展开图或蒙皮。
[0024]采用工业中的逆向工程方法对藏品进行数字化处理，可以高精度全方面还原数字化藏品的三维信息；逆向工程技术(Reverse Engineering, RE)是根据已有的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计，本质上是一个“认识原型-再现原型-超越原型”的过程。逆向工程在汽车、飞机、船舶制造行业的设计制造中具有相当重要的地位，相对于普通的设计制造过程，逆向工程节约了大量物质成本，缩短了设计制作的工期，大大提高了产品设计的效率，加强了产品设计制造的可继承性。也就是说，逆向工程的技术的特点是实现较高精确度的实体数据重现，以及可以对这些数据的分析处理和应用修改。逆向工程的总体实施流程可以概括为从实体建立数据，再到实体；主要步骤包括实体数据采集、实体模型数字化及其加工，以及实体输出三大部分。采用逆向工程方法对藏品进行数字化处理，如网格拼合中，对于一个物体而言，一次扫描很难得到所有数据。需要进行多次扫描。如何将各方位、各区的扫描数据拼接成一个整体，也是三维物体数字化的一个重要问题。如定标技术，三维数字化技术实质上是一种测量技术，为了得到正确的空间坐标，除了建立准确的模型外，还必须设法确定有关的装置参数。这些参数由于种种原因可能与设计值不符，而且装置的参数可以根据使用的要求来调整而不仅仅只是固定的值，这样就必须有一种方法准确地测定这些参数，这个过程称为装置的定标；定标的方法与装置的计算模型、误差模型密切相关，一般是通过对已知准确尺寸的精密标准块进行测量，根据计算模型和已知尺寸，反求参数。系统的定标精度和可靠程度直接影响装置的测量精度，是装置不可缺少的重要环节。如何实现准确、快速、简便的定标，是三维数字化技术中的重要问题。此外，定标还可以起到校正装置误差的作用。对于彩色扫描，还存在色彩定标的问题，即对装置的色彩还原度的测定和校准。
[0025]逆向工程方法对藏品进行数字化处理的一般步骤:
[0026]1.首先为了得到精准的文物数据，要对文物做出扫描方案，使之文物在不受影响的状况下，得到精准的三维数据；
[0027]2.对文物进行数据扫描，得到精确数据；
[0028]3.对扫描数据进行修改；
[0029]4.基于逆向工程，根据扫描数据进行建模，得到真彩精确数据；其过程是对象原形的数字化白光扫描等测量装置来获取对象原形表面点的三维坐标值；从测量数据中提取对象原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取对象原形所具有的设计特征；对象原形模型的重建将分割后的三维数据在系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取对象原形表面的模型；重建模型的检验与修正釆用根据获得的模型重新测量来检验重建的模型是否满足精度或指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到要求。
[0030]5.与扫描数据进行对比，最终对数据进行修改。
[0031]由以上本发明的实施方案可知，本发明所提出的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统及其使用方法，与现有的技术相比具有以下优势:
[0032]1.发明极大的提高了三维数字建模的速度，并且保证了藏品的三维模型的精度；
[0033]2.形状和色彩与藏品保持了高度的一致；
[0034]3.采用国际最先进的光学测量技术，幅面更大，抗干扰能力强，操作方法简单，测量效率高。

【专利附图】

【附图说明】
[0035]图1为本发明的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统整体结构示意图，其中:
[0036]101-扫描控制与图像采集部分；102_三维重建部分；103_三维构型部分；104-RMS600白光扫描反求子系统；105-数字近景三维摄影测量子系统；106-RMS400三维面扫描抄数机；107-CAD工作站；
[0037]图2为本发明的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统的工作原理图；
[0038]图3为本发明的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统使用方法流程图。

【具体实施方式】
[0039]为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下:
[0040]如图1所示，本发明的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统包括:
[0041]扫描控制与图像采集部分101 ;控制扫描仪的扫描头的扫描方式，控制白光器、图像采集卡，实现同扫描方式相配合的图像采集功能，将扫描获得的图像数据和其他数据做成PLY文件，完成定标功能；
[0042]三维重建部分102 ;对采集获得的ply序列进行逐帧的图像处理、提取白光条带和中心线、并获物体外表面展开图；计算物体外表面各点的三维空间坐标，给出数据集；采用逆向工程，完成三维重建；
[0043]三维构型部分103 ;对数据进行三角形化处理，形成DXF、STL等文件；进行三维显示；
[0044]其中的扫描控制与图像采集部分101包括RMS600白光扫描反求子系统104、数字近景三维摄影测量子系统105和RMS400三维面扫描抄数机106 ;三维重建部分102包括CAD工作站107 ；
[0045]如图2所示本发明的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模系统的工作原理图；在扫描装置的配合下，传感器获得原始信息，然后根据计算模型、算法和定标所得的装置参数，求得每个采样点的三维空间坐标和色彩，再通过三维构形软件以点、多边形、曲面等形式构成立体模型，并存为多种通用的标准格式，得到最终结果。一般来说，三维彩色扫描系统的关键技术包括空间三维数字化技术、色彩数字化技术、三维构型及修改技术、定标技术、硬件及控制技术、软件技术等。
[0046]其中的硬件及控制技术中，硬件是系统的基础，主要包括传感器、扫描装置、控制模块和其它附件。其中的空间三维数字化技术可以说是三维数字化系统最关键的技术。其目的在于测得物体表面每个采样点的空间立体坐标，空间三维数字化模块还包括数据预处理和后处理技术；以结构光系统为例，其预处理主要是对拍摄的结构光图像的处理，准确检测结构光标志线位置，由于种种原因，扫描结果中可能会出现断线、空缺区域、毛刺等，后处理的任务就是自动完成部分的补断、补缺、平滑处理工作。色彩数字化技术，在某些领域，特别是文物的保护，用户对获得准确、丰富的色彩提出了很高的要求。以文物中人头部扫描为例，人的头部尺寸在数值上相差并不很大，如果仅得到空间坐标模型而无色彩，是很难识别出特定的人。而如果得到了准确的人头部色彩信息，即使尺寸上相差一点，也基本不影响视觉效果。为了便于特技处理，有时用户还提出需要与立体模型分离的物体表面色彩纹理贴图，即通常所说的展开图或蒙皮。
[0047]采用工业中的逆向工程方法对藏品进行数字化处理，可以高精度全方面还原数字化藏品的三维信息；逆向工程技术(Reverse Engineering, RE)是根据已有的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计，本质上是一个“认识原型-再现原型-超越原型”的过程。逆向工程在汽车、飞机、船舶制造行业的设计制造中具有相当重要的地位，相对于普通的设计制造过程，逆向工程节约了大量物质成本，缩短了设计制作的工期，大大提高了产品设计的效率，加强了产品设计制造的可继承性。也就是说，逆向工程的技术的特点是实现较高精确度的实体数据重现，以及可以对这些数据的分析处理和应用修改。逆向工程的总体实施流程可以概括为从实体建立数据，再到实体；主要步骤包括实体数据采集、实体模型数字化及其加工，以及实体输出三大部分。采用逆向工程方法对藏品进行数字化处理，如网格拼合中，对于一个物体而言，一次扫描很难得到所有数据。需要进行多次扫描。如何将各方位、各区的扫描数据拼接成一个整体，也是三维物体数字化的一个重要问题。如定标技术，三维数字化技术实质上是一种测量技术，为了得到正确的空间坐标，除了建立准确的模型外，还必须设法确定有关的装置参数。这些参数由于种种原因可能与设计值不符，而且装置的参数可以根据使用的要求来调整而不仅仅只是固定的值，这样就必须有一种方法准确地测定这些参数，这个过程称为装置的定标；定标的方法与装置的计算模型、误差模型密切相关，一般是通过对已知准确尺寸的精密标准块进行测量，根据计算模型和已知尺寸，反求参数。系统的定标精度和可靠程度直接影响装置的测量精度，是装置不可缺少的重要环节。如何实现准确、快速、简便的定标，是三维数字化技术中的重要问题。此外，定标还可以起到校正装置误差的作用。对于彩色扫描，还存在色彩定标的问题，即对装置的色彩还原度的测定和校准。
[0048]如图3所示，基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统使用方法包括以下步骤:
[0049]步骤1.藏品结构的三维扫描:藏品结构的三维扫描主要是将藏品结构中的三维信息表达出来；
[0050]步骤2.非几何藏品结构信息的整理:根据藏品的历史信息，整理需要表达的非几何工程信息；
[0051]步骤3.确定藏品结构的三维信息表达方案:根据藏品结构的设计信息的特点，选择藏品三维信息表达方案；为了在三维数字模型中直观的表达这些信息，三维建模并在模型中标注尺寸是最佳的表达方案；
[0052]步骤4.建立逆向元素:根据三维信息表达方案与三维扫描成立的数据建立逆向元素。
[0053]步骤5.三维数据的形成:根据逆向元素，进行三维数据建模，与三维信息相对应，进行修改；
[0054]步骤6.添加非几何工程信息:利用三维注释功能在三维数字模型中完成的三维数字模型是一个全信息的数据模型，可以在模型中进行测量，得到精准的尺寸。
[0055]该方法的工作详细过程是，首先，进行藏品数据的扫描需要三维扫描仪；现在主流的三维数字扫描仪按操作方式可以分为机架式和手持式两大类，手持式三维扫描仪主要适用于小型物体扫描，机架式三维扫描仪主要适用于大型建筑物扫描；功能上可分为彩色三维扫描仪和非彩色三维扫描仪，非彩色的三维数字扫描仪只能采集扫描实体的三维位置信息，而彩色三维数字扫描仪可以同时采集扫描实体的三维位置信息和实体表面的色彩信息；对扫描仪选择正确的扫描点选定，扫描仪的位置要尽可能可以扫描到藏品的各个部位；扫描仪对藏品扫描后得到的是点云数据，点云是在同一坐标系下具有一定空间位置信息大量离散的点的集合，使用三维数字扫描仪对藏品扫描后，得到的是一系列记录藏品表面形状信息的点云数据。这里将三维数字扫描仪扫描藏品后得到的点云称为原始点云数据。其中重点是扫描定位，由于扫描从一开始就没有定位某一个坐标原点和坐标方向，所以扫描的结果是以扫描仪中心为原点的空间自由坐标系，这时的任何一点的三坐标值都是相对的、过度的。因为使用者可以通过后续软件的强大功能将初始测得的空间自由坐标平移和旋转到自己要求的坐标位置上去。这个过程极其方便，这时，点云上任何一个点的三坐标尺寸都可变换成使用者所需的新坐标系。其次是，扫描仪对被扫物体表面的要求以及扫描角度的选取，该扫描仪对于白光无法到达的表面，如扫描仪无法进入的深孔或内腔无法进行测量，被测物体的表面以白色亚光为最佳，对于透明体和反光很强的物体必须经过表面喷涂处理后，同样可以进行扫描。我们要求光束尽量与被测物体表面垂直，在士 30度范围内都是允许的。当大于30度后釆集到的数据虽可在后续软件中得到适当裁减，但会影响扫描数据的精确程度，对控制扫描仪的计算机硬件配置要求:CPU:PIV以上，运算速度2.0GHz,显卡内存:64MB，内存:512MB以上，硬盘:40GB以上，操作系统:WIND0WS 98/2000/NT/XP。
[0056]完成藏品实体扫描的过程后，需要对扫描实体得到的原始点云数据进行处理。实现藏品外形的数据化，包括三项工作:去除较大误差的点，进行数据的拼接，以及进行曲面拟合。这些步骤可以在逆向工程专用的软件中完成的，常用的逆向工程软件有Imageffaresurfacer, Geomagic, COPY CAD, Uni graphics NX, Pro Engineer, CATIA, ALIAS 软件等。Geomagic Stud1是一款具有强大建模功能的专业逆向工程软件,支持多重三维数据输出格式，内含强大的点云处理功能模块，支持快速曲面造型方式建模，利用该模块的数据处理相关工具，可以大大提高藏品数字化的效率。如果藏品本身体积较大，需要扫描多次，采集点云数据。三维扫描时每一次对实体扫描均可以得到一组点云数据，拼接点云数据就是把每次扫描采集的点云数据合并到一个场景中，从而实现重构藏品点云模型。在geomagicstud1 12中，在点云模块下选择要合并的点，点击合并点对象，即一次点云的拼接，拼接过程中，可能由于扫描不完整产生孔洞，较大的孔洞需要对模型重新采样数据，再合并到点云模型中进行孔洞填补。受扫描设备和环境因素的影响，扫描以后得到的点云数据存在大量的无用点，这些无用点会干扰后继工作的展开，所以在进行曲面重构之前首先要把这些杂点去除。杂店去除可以使用geomagic stud1 12下点模块修改的选择体外孤点和非连接项，设置合适参数后删除。去除杂点后，开始点云数据拼接。被扫描物体表面结构越不规贝U，则得到点云数据越不规则，越容易产生孔洞；藏品体积越大，得到的数据量越大，扫描的时间越长。异于工业产品一般具有较规则平滑的特点，文物本身表面存在许多细微不规则结构，点云模型建立的过程中经常需要扫描和拼接交替进行，以填充扫描孔洞和完整化模型数据场。完成数据处理后，利用geomagic stud1 12点模块下的封装，将点云数据转化为三角面模型，完成点云模型建立。可以利用逆向工程的软件将点云数据拟合为平滑曲面，至此完成藏品的模型数字化过程。
[0057]综上所述，本发明提供的一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法的技术方案，能够解决建模不能与藏品的形状、色彩不一致的问题，实现将电脑中的三维数据与藏品的形状、色彩达到高度的一致。
[0058]本发明以实施例的方式揭露如上，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求书为准，一切不超出本发明宗旨的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。
【权利要求】
1.一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统，其特征在于包括: 扫描控制与图像采集部分；控制扫描仪的扫描头的扫描方式，控制发光器、图像采集卡，实现同扫描方式相配合的图像采集功能，将扫描获得的图像数据和其他数据做成PLY文件，完成定标功能； 三维重建部分；对采集获得的PLY序列进行逐帧的图像处理、提取激光条带和中心线、并获物体外表面展开图；计算物体外表面各点的三维空间坐标，给出数据集；采用逆向工程，完成三维重建； 三维构型部分；对数据进行三角形化处理，形成DXF、STL等文件；进行三维显示； 本系统的扫描控制与图像采集部分、三维重建部分和三维构型部分通过数据线依次相连。
2.根据权利要求1所述的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统，其特征在于:所述的扫描控制与图像采集部分包括RMS600白光扫描反求子系统、数字近景三维摄影测量子系统和RMS400三维面扫描抄数机。
3.根据权利要求1所述的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统，其特征在于:所述的三维重建部分包括CAD工作站。
4.一种权利要求1所述的基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤: 1)藏品结构的三维扫描:藏品结构的三维扫描主要是将藏品结构中的三维信息表达出来； 2)非几何藏品结构信息的整理:根据藏品的历史信息，整理需要表达的非几何工程信息； 3)确定藏品结构的三维信息表达方案:根据藏品结构的设计信息的特点，选择藏品三维信息表达方案；为了在三维数字模型中直观的表达这些信息，三维建模并在模型中标注尺寸是最佳的表达方案； 4)建立逆向元素:根据三维信息表达方案与三维扫描成立的数据建立逆向元素。 5)三维数据的形成:根据逆向元素，进行三维数据建模，与三维信息相对应，进行修改； 6)添加非几何工程信息:利用三维注释功能在三维数字模型中完成的三维数字模型是一个全信息的数据模型，可以在模型中进行测量，得到精准的尺寸。
【文档编号】G06T17/00GK104252716SQ201410532630
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】陈露霖 申请人:江苏恒天先进制造科技有限公司