基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集方法与流程

本发明属于建筑测绘技术领域，具体涉及一种基于三维点云扫描技术的 临夏砖雕数字化信息采集方法。

背景技术：

砖雕是指在青砖上雕刻出人物、山水、花卉等图案，是东西方古代建筑 雕刻中很重要的一种艺术形式。我国砖雕发展源远流长，至今至少已有两千 多年的历史。

在我国，以砖为载体的雕塑工艺东周时期就已经出现了，但直至两汉时 期的画像砖，其砖上的纹饰都是在泥坯上刻画或用印模压制而成的，不能称 之为雕刻作品，而真正的砖雕大约出现在两晋南北朝时期。当时随着佛教的 兴盛，到处兴建砖塔，而砖塔少不了装饰美化，这就使具有浮雕镂空效果的 砖雕有了广阔的市场，促成了砖雕的产生。到了北宋时期，砖雕又逐渐成为 墓室壁面的装饰品，至元明清三代，墓室砖雕逐渐衰落，砖雕逐渐发展为地 上建筑装饰砖雕，并且通过不同部位和不同内容的雕刻之间的配置、组合、 呼应，形成统一而完美的艺术形象，最终构成了中国独特的建筑雕刻艺术。

临夏砖雕亦称河州砖雕，是我国第一批国家级非物质文化遗产。临夏回 族自治州地处甘肃省西南部，素有“小麦加”之称，秦汉以来历为丝绸之路 要道，伊斯兰文化和穆期林风情独具特色。临夏砖雕起源于北宋，成熟于明 清时期，到了近代这一艺术形式又吸收了绘画和木雕的艺术特色。至民国时 期，临夏的制砖及砖雕已基本形成产业化规模，且砖雕艺术极具地域及民族 特色，在我国砖雕艺术史上占有重要的地位，具有很高的艺术和研究价值。

由于文物是不可再生的，所以保护砖雕艺术和文物本体的基础和首要工 作就是对砖雕现状的精确记录。然而传统的记录方法难以完整而精确地记录 砖雕的尺寸、图案、色彩、纹理、质感、残损风化以及工艺，同时又存在现 场工作时间长，人工任务量大，且记录过程不可避免的会接触到砖雕，容易 造成砖雕的损坏，而数字信息采集技术和方法则能够很好的解决以上问题。

技术实现要素：

为了解决了现有技术中存在的传统的测绘方法缺乏科学、严密和准确的 记录，以至于砖雕保护耗时长、任务量大且误差大的技术问题，本发明的目 的在于，提供一种基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集方法。

为了实现上述任务，本发明所采用如下的技术解决方案：

一种基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集方法，其特征在 于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用倾斜摄影设备采集砖雕所在建筑屋顶及周边环境的三维点 云数据；

步骤2：利用固定站式三维激光扫描设备采集砖雕所在建筑墙体的三维 点云数据；

步骤3：利用手持三维激光扫描设备对砖雕三维点云数据进行精细采集；

步骤4：将步骤1～步骤3采集的数据进行处理，得到和现实情况完全相 同的三维数字模型。

进一步地，步骤1具体为：

步骤1.1：对大幅砖雕作品进行合理的版块划分，划分为若干小块，以 备在现场测绘中分别采集数据；

步骤1.2：应用无人机对砖雕作品所在的整个建筑进行倾斜摄影，将倾 斜摄影航向重叠度设置为80°(将点值改为范围值)，旁向重叠度设置为45° (将点值改为范围值)，像片的倾斜角设置为2°(将点值改为范围值)。

步骤2具体为：

根据建筑现状布置数据采集站点，保证足够的重叠空间和公共特征以确 保达到数据拼接的精度，同时要避免被测建筑被无用物体遮挡，确保采集到 完整、精确的数据用于分析研究。

步骤3具体为：

三维激光扫描仪按照从上到下、由左至右的顺序进行扫描，由于特征点 越多拼接越精确，所得的模型精度就越高，所以扫描过程中每站数据至少有 三个以上的特征公共扫描点。

步骤4具体为：

步骤4.1：首先对步骤1得到的倾斜摄影获取的数据进行处理，生成精 度为5CM的点云数据；然后对点云数据进行分类，定制几何重建；最后将 点云数据通过拼接、平差、封装合成处理，构建建筑的三维模型；

步骤4.2：首先通过对步骤2得到的场景点云包括噪声点在内的杂点进 行过滤、去除，并进行统一采样，以均衡点云中各点的间距及位置，保留有 效点数；然后对处理后的点云数据进行封装、整合及建模；最后再结合照片 资料，对模型赋予真彩色信息；

步骤4.3：首先将步骤3得到的点云数据进行几何配准，将各站点通过 三个以上的特征点进行精细配准；然后将点云数据通过拼接、平差、封装合 成处理，构建砖雕的三维模型，随后把经过处理的纹理完整的映射到砖雕的 三维模型上；最后根据三维控制测量得到的砖雕在建筑物上的具体位置，将 最终的砖雕模型拼接到建筑模型上，形成和现实情况完全相同的三维数字模 型。

本发明的基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集方法，解决 了现有技术中存在的传统的测绘方法缺乏科学、严密和准确的记录，以至于 砖雕保护耗时长、任务量大且误差大的技术问题，还基本解决了在传统砖雕 测绘中图案变形的问题，该方法能够详细记录砖雕的色彩、纹理、质感、残 损及风化程度等，数字化信息的3D分辨率达到0.5mm，3D数据精度达到 0.1mm，纹理清晰度达到1.3mp，颜色的像素深度为24bpp，砖雕三维点云 数据采集率达到90％以上。

附图说明

图1是采用本发明的基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集 方法的具体应用实施例中的东公馆天井院砖雕照壁图；

图2是图1中的东公馆天井院砖雕照壁中间“江山点河图”；

图3是图1中的东公馆天井院砖雕照壁中间“江山点河图”左上角诗句；

图4是图1中的东公馆天井院两侧砖雕牡丹双瓶门；

图5是图1中的对大幅砖雕作品进行合理划分图；

图6是图5中的大幅砖雕作品进行合理划分后的版块图；

图7是采用倾斜摄影设备航拍图；

图8是采用固定站式三维激光扫描图；

图9是采用手持三维激光扫描图；

图10是具体应用实施例中临夏砖雕的数字化信息采集图。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。

具体实施方式

本实施例给出一种基于三维点云扫描技术的临夏砖雕数字化信息采集 方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用倾斜摄影设备采集砖雕所在建筑屋顶及周边环境的三维点 云数据，具体为：

步骤1.1：对大幅砖雕作品进行合理的版块划分，划分为若干小块，以 备在现场测绘中分别采集数据；

步骤1.2：应用无人机对砖雕作品所在的整个建筑进行倾斜摄影，将倾 斜摄影航向重叠度设置为80°，旁向重叠度设置为45°，像片的倾斜角设置为2°；

步骤2：利用固定站式三维激光扫描设备采集砖雕所在建筑墙体的三维 点云数据，具体为：

根据建筑现状布置数据采集站点，保证足够的重叠空间和公共特征以确 保达到数据拼接的精度，同时要避免被测建筑被无用物体遮挡，确保采集到 完整、精确的数据用于分析研究；

步骤3：利用手持三维激光扫描设备对砖雕三维点云数据进行精细采集， 具体为：

三维激光扫描仪按照从上到下、由左至右的顺序进行扫描，由于特征点 越多拼接越精确，所得的模型精度就越高，所以扫描过程中每站数据至少有 三个以上的特征公共扫描点；

步骤4：将步骤1～步骤3采集的数据进行处理，得到和现实情况完全相 同的三维数字模型，具体为：

步骤4.1：首先对步骤1得到的倾斜摄影获取的数据进行处理，生成精 度为5CM的点云数据；然后对点云数据进行分类，定制几何重建；最后将 点云数据通过拼接、平差、封装合成处理，构建建筑的三维模型；

步骤4.2、首先通过对步骤2得到的场景点云包括噪声点在内的杂点进 行过滤、去除，并进行统一采样，以均衡点云中各点的间距及位置，保留有 效点数；然后对处理后的点云数据进行封装、整合及建模；最后再结合照片 资料，对模型赋予真彩色信息；

步骤4.3、首先将步骤3得到的点云数据进行几何配准，将各站点通过 三个以上的特征点进行精细配准；然后将点云数据通过拼接、平差、封装合 成处理，构建砖雕的三维模型，随后把经过处理的纹理完整的映射到砖雕的 三维模型上；最后根据三维控制测量得到的砖雕在建筑物上的具体位置，将 最终的砖雕模型拼接到建筑模型上，形成和现实情况完全相同的三维数字模 型。

以下是发明人给出的具体应用实施例。

应用实施例：

以临夏东公馆天井院中的砖雕为例，通过综合运用多种数字化信息采 集、分析和处理方法的研究，以实现对砖雕现状最大化的精确记录，为今后 砖雕的数字化信息的采集和动态保护、数据库构建、数字化展示、文创产品 的开发及学术研究等领域的应用提供一定的研究基础和数据支持。

临夏东公馆为全国重点文物保护单位，同时又因其砖雕艺术技艺 之精湛、数量之繁多、规模之宏大、保存之完好，被称为砖雕艺术博 物馆。东公馆内的砖雕不仅是区别于河州地区宗教建筑及民居建筑砖

天井院是几个四合院连接的中心，东、西、南三面为回廊，北面为一幅 全部以砖雕的形式完成的大型照壁，如图1所示。照壁正中为“江山点河图”， 又称“日出泰山图”，如图2所示，展现了祖国壮丽山河的雄姿美景。该图 中心由24块长宽各25厘米，厚7厘米的方砖组成，图中雕有山水，倒柳、 亭阁、松柏、浮云、帆舟等等，左上角题有：“闲摘柳条编太极，日出江山 点河图”的诗句，如图3所示，此作品受到国家建设部、国家文物局专家的 高度赞誉，被称为“全国绝无仅有的砖雕珍品”。照壁上檐由极具中式风格 的如意云头组成；下方饰汉族“暗八仙”纹饰，因回族不崇拜人物偶像，故 用八仙手中法器代替八仙；左右为隶书楹联“气度雍容开祀业宏基巍然簪缨 门第，节麾焜耀备严疆重寄允矣磊落雄才”。该楹联为民国时期临夏地区著 名书法家秦明庭所书，诗中既表达了主人夸耀先辈戎马一身，创业有功，也 表明了马步青本人的雄才大略。另外，照壁两侧为对称的砖雕牡丹双瓶门， 寓意为“平安富贵”和伊斯兰教“二世吉庆”之意。瓶中各出数枝牡丹向门 顶合扰，造型奇异，巧夺天工，为专家学者所称道，如图4所示。

由于数字信息采集设备发展的限制，目前能够达到精度要求的手持三维 激光扫描仪，每一站扫描的范围和数据量的大小非常有限，所以要根据砖雕 的特点和内容，对大幅砖雕作品进行合理划分，如图5(图5中的数字1-17， 即划分为17块)、图6所示(图6中的数字1-17，即划分为17块)，以备在 现场测绘中分别采集数据，这是制定方案的重点，也是砖雕数字化信息采集 的难点。

临夏砖雕作为建筑装饰，不仅与建筑紧密结合，而且图案繁多，规模尺 寸不一，表面凹凸形状复杂，所以仅用一种设备很难将数据采集完整，而必 须根据具体情况和数据要求，选择多种不同精度和测量范围的设备协调工 作。

如图7所示，倾斜摄影设备主要用于砖雕所在建筑屋顶及周边环境的三 维点云数据采集。应用倾斜摄影设备进行数据采集，不仅能够真实地记录地 物情况，而且还可以通过采用先进的定位技术，嵌入精确的空间地理信息， 从而得到更丰富的数字化影像信息。

应用无人机进行倾斜摄影数据采集时，为保证照片的连续性及满足立体 观测和制图精度的需要，应注意将摄影航向重叠度、旁向重叠度及照片的倾 斜角调至合理的角度。本项目研究中将倾斜摄影航向重叠度定为80°，旁向 重叠度定为45°，像片的倾斜角定为2°。

如图8所示，固定站式三维激光扫描设备主要用于砖雕所在建筑墙体的 三维点云数据采集。应用固定站式三维激光扫描设备进行数据采集，不仅能 够对砖雕的空间位置、大小进行控制测量，以便在建筑上对砖雕进行准确的 定位，而且数据还包含了建模所需的完整空间结构信息，并清楚直观的记录 砖雕的整体艺术效果。

应用固定站式三维激光扫描设备进行现场数据采集，首先要根据建筑现 状布置数据采集站点。设站时要保证足够的重叠空间和公共特征以确保达到 数据拼接的精度，同时要避免被测建筑被无用物体遮挡，确保采集到完整、 精确的数据用于分析研究。

如图9所示，手持三维激光扫描设备主要用于砖雕三维点云数据的精细 采集。应用手持三维激光扫描设备不仅能够精细的测绘砖雕图案的大小、样 式、色彩，而且还可以真实的记录砖雕的纹理、质感及残损风化等。

应用手持三维激光扫描仪对划分好的砖雕进行现场数据采集时，一般按 照从上到下、由左至右的顺序进行。由于特征点越多拼接越精确，所得的模 型精度就越高，所以扫描过程中要注意每站数据至少有三个以上的特征公共 扫描点。

通过对临夏东公馆天井院内不同类型、大小、位置及完整程度的砖雕进 行三维激光点云数据采集、处理和分析的研究表明，在应用数字三维技术采 集砖雕数据时要注意以下两点：

1、临夏伊斯兰传统建筑中有很多大型砖雕，有的图幅甚至达几十平方 米，所以应首先将其划分为若干小块后再进行数字化信息采集，然后通过软 件将分别采集的点云数据进行拼接。由于作为拼接点的砖雕分别采集数据后 会有一定的误差，对拼接工作造成很大的影响，所以如何对大型砖雕进行合 理划分，使拼接点越少越好，是现场数据采集前的技术难点。

2、三维激光扫描仪的工作原理是通过主动发射激光，同时接受物体表 面的反射信号进行测距。由于临夏砖雕是三维立体的，且雕工极其复杂，有 阴线刻、凹面线刻、凸面线刻、浅浮雕、高浮雕、镂空式透雕等不同类型， 所以有些砖雕的表面需要经过不同角度的多次扫描，才能获取较为完整的数 据，而有些镂空的砖雕则是设备发出的光线无法到达的，故而无法采集到数 据信息。由于扫描的次数越多，对扫描和处理设备的要求越高，且增加后期 数据处理的工作量，所以如何合理控制采集数据的完整度，即既能达到精确 记录的目的，又能提高工作效率，降低设备要求，是现场数据采集时的技术 难点。

通过实际应用表明，本实施例给出的基于三维点云扫描技术的临夏砖雕 的数字化信息采集方法，不但基本解决了在传统砖雕测绘中图案变形的问 题，而且还详细记录了砖雕的色彩、纹理、质感、残损及风化程度等，数字 化信息的3D分辨率达到0.5mm，3D数据精度达到0.1mm，纹理清晰度达 到1.3mp，颜色的像素深度为24bpp，砖雕三维点云数据采集率达到90％以 上，如图10所示。

本实施例中，数据采集过程中设备的设置，如表1所示：

表1

本实施例中，对扫描站数以及扫描帧数进行了完整度估算，如表2所示：

表2

由以上数据可以看出，扫描站数有效率达到80％以上，扫描帧数有效率 大于70％，数据完整度大于90％。