自动化三维高清摄像文物数据保护装置及方法与流程

本发明涉及一种基于三维高清摄像的文物数据保护装置及方法，主要利用高清三维摄像技术进行文物数据的保护工作，属于文物保护及摄影领域。

背景技术：

1839年摄影技术一经问世，人们便开始利用图像对目标物体进行各种测量研究。传统的摄影测量学(photogrammetry)是利用图像来研究被摄物体的形状、大小、位置等信息的学科，被摄物体丰富的影像信息通过图像真实的表达出来，人们可以从中获取研究对象大量的三维信息。随着测量精度要求的提高以及技术手段和设备水平的不断提升，摄影测量学也从模拟摄影测量、解析摄影测量发展到现在的数字摄影测量，包括数字高程模型(dem)、数字正射影像(dom)、数字规划图(dlg)、数字栅格地图(drg)等数字化产品也得到了广泛的应用。摄影平台与被摄目标之间的距离也从较远的航空航天摄影测量、地面摄影测量发展到近景摄影测量和显微摄影测量。其中，近景摄影测量(close-rangephotogrammetry)指的是将像机布设在被摄物体周围，在小于100米的摄影距离范围内多目标进行影像获取的摄影测量技术。通过近距离对目标对象进行拍摄，可以详细的将物体表面的纹理信息、几何信息等特征属性表现在图像上，这一优势使得近景摄影测量学为对图像几何精度、实时性、纹理细致性要求较高的医学外科领域、人体测量学等领域做出了极大的贡献。从20世纪60年代发展至今，近景摄影测量技术的研究重点也已从目标物体几何形状、面积等量测精度发展为如今的影像全自动化与测量结果的深度处理，利用拍摄影像进行虚拟现实与三维建模的研究得到了人们的广泛重视。在传统近景摄影测量基础上，融合光学测量(opticalmeasurement)、计算机视觉(computervision)和数字图像处理分析(digitalimageprocessingandanalysis)等交叉学科的多传感器融合研究在国际上也得到了迅速的发展，为工业建设、视觉导航、实时监测、生物医学、国防试验、交通运输、航空航天技术、军事、考古、地质等于人们生活密切相关的领域做出了极大的贡献。

在文物保护方面，我国有着上下五千年的文明历史，地广人众，勤劳的中华民族留下了丰富的文物遗产，经过几代文物考古学家的努力探索发掘出土了大量的历史文物，为我们研究优秀历史传统文化内涵起到至关重要的作用。因此，如何最大限度地保存好文物的完整资料，将优秀的文物资料传承给后代是我们亟待解决的问题。

传统的文物复制是利用复制材料直接在文物上面翻模，翻模材料容易遗留在文物的表面，在文物表面留下比较严重的污染，造成对文物的伤害，并且由于复制材料的不稳定性和操作人员的不统一性，复制品跟文物本身也会产生一些差异。这些文物的保护措施在科学技术不发达的情况下虽然起到了一定的保护作用，但仍然不够全面，不够科学。随着科技的进步，计算机技术的迅猛发展，尤其是3d打印技术的日趋完善在文博保护领域大显身手，利用3d打印技术获取文物的复制品关键在于文物3d数字建模的准确性和完整性。

利用激光扫描进行三维数据扫描发展至今已经很成熟，无论是大型文物还是结构比较复杂的文物都能够精确仔细地采集，色彩纹理还原程度较高。但是工作周期太长，人工干预的地方也太多，容易对文物建模的准确性造成影响。而传统摄影式三维数据重构则需要在三维空间上多个特定角度的多个距离上进行拍摄，每次拍摄还需要调整对应光源，以保证表面纹理的拍摄精度，效率低，且人为干预多，整体精度波动较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中，传统摄影式三维数据重构则需要在三维空间上多个特定角度的多个距离上进行拍摄，每次拍摄还需要调整对应光源，以保证表面纹理的拍摄精度，效率低，且人为干预多，整体精度波动较大的技术缺陷，提供自动化三维高清摄像文物数据保护装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种自动化三维高清摄像文物数据保护装置，包括上端主支架，上端主支架由180度第一半周圆弧带及与之90度正交的第二半周圆弧带搭接而成，条带宽度w为80～100mm，厚度为8～10mm，第一半周圆弧带和第二半周圆弧带的正中连接部位用铆接5固定连接起来，第一半周圆弧带和第二半周圆弧带制作材料采用钢材，屈服强度在350mpa以上，抗拉强度在500mpa以上，以保证整体结构的稳定性，从而保障三维重构时数据的精确性；

在第一半周圆弧带的15°、45°、75°、105°、135°、165°方位设有照明灯光安装孔位，每个孔位上安装照明灯座，照明灯座内安装有照明光源，第一半周圆弧带上的各照明光源的灯光中心高度距离第一半周圆弧带表面的距离一致，该距离的取值为80～100mm；

在第二半周圆弧带的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°方位设有像机安装孔位，安装像机，像机6上安装镜头，要求有效像素在4000万以上，iso感光度静态影像满足iso50-102400或更高范围，动态影像满足iso100-32000或更高范围，高像素及感光度范围能更加全面的捕捉文物表面纹理细节，使得数字还原模型精度更高，保护与鉴别基础能力更强；第二半周圆弧带在15°、45°、75°、105°、135°、165°方位设有照明灯光安装孔位，每个孔位上安装照明灯座，照明灯座内安装有照明光源，第二半周圆弧带各照明光源的灯光中心高度距离第二半周圆弧带表面的距离一致，该距离的取值为80～100mm，且要求与第一半周圆弧带上一致；

各个照明灯源在每个孔位发光强度在130cd以上，光通量在1000lm以上，如此多方位正交光源设计，以及足够强度的光强，可以保障文物各细节在拍摄时不被阴影区遮挡导致信息丢失；第一半周圆弧带以及第二半周圆弧带下方固定安装基础圆形载物面板，基础圆形载物面板的不平度要求小于0.5mm/m，上表面为黑色，能够吸收余光，降低底部漫反射，基础圆形载物面板的中心处设有电控旋转载物台，电控旋转载物台用于放置目标文物作品，在第一半周圆弧带和第一半周圆弧带与基础圆形载物面板的固定位置处，基础圆形载物面板的下表面上对应的设有4个支座，以支撑设备重量，电控旋转载物台的底部高度高于支座底部，以方便电控旋转载物台自由旋转；

控制系统方面，所述自动化三维高清摄像文物数据保护装置包括：外部控制器、灯光控制器、拍摄控制器以及存储器；电控旋转载物台由外部控制器控制，内设两种控制模式，一种为自动拍摄模式，一种为手动拍摄模式；

自动拍摄模式中，外部控制器得到启动指令后，发送信号给灯光控制器，点亮所有照明光源，等待第一预设时长，发送指令至拍摄控制器，拍摄控制器控制所有像机同时拍照，将数据传送至存储器保存，等待第二预设时长，发出信号给电控旋转载物台，延平面内周向旋转30°，开始下一个角度的拍摄，直到依次完成30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°角度的拍摄，总共获取7台像机12个角度上84组照片信息；

手动拍摄模式中，先在外部控制器中输入旋转角度α，在每个角度拍摄完成后，不会自动旋转至下一个拍摄角度，而是给外部控制器发送开始下一次拍摄指令，才执行下一次拍摄。

进一步地，在本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置中，第一预设时长＝第二预设时长＝2秒。

进一步地，在本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置中，手动拍摄模式中，旋转角度α的设置规则为：为得到更为精确的三维模型数据，将间隔角度设为α＝10°，或设置非等间距任意拍摄角度。

进一步地，在本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置中，所述4个支座为圆柱体。

进一步地，在本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置中所述固定件(5)为铆钉。

根据本发明的另一方面，本发明未解决其技术问题，本发明还提供了一种基于上述任一项所述的自动化三维高清摄像文物数据保护装置的三维文物模型获取方法，通过杉树任一项所述的自动化三维高清摄像文物数据保护装置拍摄目标文物的照片，基于所述目标文物的照片，经过密集匹配，计算影像中有所同名点坐标，利用空间前方交会计算同名点在三维空间中的坐标，求出所有同名点的空间坐标即可生成密集点云，从而得到目标文物的全方位高精度三维信息。

实施本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置及方法，具有以下有益效果：本发明具有以下优点：本发明能够实现对文物数据的高效、高精度、稳定采集，对文物资料传承及保护有重要作用，能够自动对文物进行多角度，无阴影数据采集，且多机同拍，采集效率为传统方法的数倍至数十倍，同时由于机位及补给光源相对位置固定，具有定位准确，采光均匀，稳定的特点，全程无人为干预，保证了数据精度与高稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是极线约束对应关系图；

图2是空间交会坐标图；

图3是自动化三维高清摄像文物数据保护装置的主视图；

图4是自动化三维高清摄像文物数据保护装置的侧视图；

图5是自动化三维高清摄像文物数据保护装置的俯视图；

图6是自动化三维高清摄像文物数据保护装置的立体图；

图7是自动化三维高清摄像文物数据保护装置的系统控制示意图；

图8是“马口窖”三维网格图；

图9是“马口窖”三维文物图；

图10是“贵州木板面具”三维文物数据图；

图11是“贵州木板面具”三维网格图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

在文物保护方面，专利cn1282040a[12]：公开了一种基于信息技术的濒危遗址文物保护修复辅助方法,它的步骤如下:1)文物遗址建筑数据测绘及数字化拍摄；2)采用三维建模工具建立文物遗址数字化三维模型；3)采用图形开发软件包,建立自由漫游真实感文物遗址场景；4)采用软件开发工具建立支持文物遗址保护修复计算机辅助系统等。本发明的优点:改善工作环境；跨越时空限制；提高效率；改善效果；缩断周期；节省经费；便于合作讨论；积累多媒体保护文档等。cn104504750a[13]：涉及文物保护、三维图像重建已经计算机数据信息处理等领域，具体的是一种不可移动文物全景数据采集技术。通过采用计算机信息、3d图形等技术队不可移动文物进行数字化的建模处理，更加有利于文物的保护、抢救、宣传推广和管理。cn104376592a[14]：公开了一种观音手状文物缺失尺寸的预测方法，属于文物修复工程领域，该方法包括：获取从准备修复的观音手状文物提取的若干组骨架线；利用观音手状文物各几何构建之间骨架线的长度信息，建立该文物中各几何构建之间尺寸的比例关系。通过对文物骨架线的长度信息进行统计和分析，建立文物缺失部分尺寸预测数学模型，对成组或同类文物中某些几何特征间存在隐含关系的文物虚拟修复提供复原依据，可提高文物进行虚拟修复可靠性，为文物保护修复工程提供辅助。cn103698332a[15]：公开了一种基于mems技术的阵列式文物保护裂纹监测系统。该系统主要由阵列式微位移监测设备、远程计算机、待保护文物调查数据库、计算机辅助文物图像对比和待保护文物健康评估系统组成。监测时，建立待保护文物调查数据库，获得高清晰数字化图像，标记文物裂纹区域；根据待保护文物的形状、大小和监测区域要求，配置阵列式微位移设备；检测到的待保护文物当前区域裂纹信息经无线方式传送到远程计算机中，和已建立的待保护文物的高清晰数字化图像信息比较，确定当前裂纹；进行裂纹时序对比，确定裂纹发展规律，评估待保护文物健康状况。本发明具有布置方便、非接触、无损、实时监测等特点，能够多区域实时监测待保护文物的微细裂纹状况。cn105947376a[16]一种新型文物保护箱：公开了一种新型文物保护箱，包括箱体，箱体分为上箱体和下箱体，还包括锁固螺栓和夹持装置，锁固螺栓将多个夹持装置固定在箱体内部，所述上箱体边界设有梯形凸起，下箱体边界设有梯形凹槽，通过将梯形凸起嵌入梯形凹槽中扣合上箱体和下箱体，然后利用卡扣和卡扣座将上箱体和下箱体固定；所述夹持装置包括承台、限位装置、缓冲垫、夹板，其中承台设有限位装置孔槽，文物平铺于承台上表面，限位装置穿过限位装置孔槽固定文物，所述缓冲垫平铺于文物上表面，所述夹板平铺于缓冲垫上表面，并通过锁固螺栓将承台和夹板固定，本发明具有轻巧、强度高、不受潮、不粘连、结构简单、使用方便、保存时间长、不损害文物的特点。

利用物体多张由数字影像，提取的其中要素之间建立对应关系的过程，即为影像同名点匹配的问题。其核心问题是如何表达两幅或多幅影像间空间位置的对应关系。如果将影像看作大小已知的二维矩阵，用m1和m2表示，两个矩阵对应的灰度空间用p1(x,y),p2(x,y)表示，则影像匹配过程可以表示为：

p2(x,y)＝f(p1(g(x,y)))

其中，f()表示一维灰度变换函数，g()表示二维空间的坐标变换。影像匹配问题本质上是进行灰度变换和最优空间查询的问题。

利用极线约束，可以将二维匹配转换为一维匹配，对匹配有一个很好的指导作用，极大的提高匹配效率；其次，可以在完成匹配之后进行误视差优化，剔除不满足极线约束的误匹配点，提高匹配的准确性。给定两幅图像(pl，pr)，核线的约束表面：

1.点ql∈pl，在pr上存在一条极线er与之对应，并且对应的像点qr∈pr；

2.点qr∈pr，在pl上存在一条极线el与之对应，并且对应的像点ql∈pl。

即重叠影像上的同名点像点必然位于同名核线上，如图1所示。

经过密集匹配，可计算影像中有所同名点坐标，在已知影像的相对方位元素的情况下可以利用空间前方交会计算同名点在三维空间中的坐标，求出所有同名点的空间坐标即可生成密集点云。如图2所示。

图中q1，q2为同名像对，其内方位元素已知，结果空间三维计算之后其外方位已知，a，a’为同名像点，其在像片中的坐标已知，此时可解算a(x,y,z)。两幅图像以上的前方交会适合共线条件方程法：

其中：

(x,y,f)为像点在像平面坐标系中的位置及相机焦距；

(xs,ys,zs)为摄像中心在物空间坐标系中坐标位置；

为相机像空间坐标系相对于物空间坐标系旋转矩阵；

(x，y，z)为所求物点物空间坐标系中的坐标位置，求解步骤如下：

(a)求解系数与常数项；

lx与ly为常数项。

(b)列误差方程，左右同名像点可列四个方程，存在一个多余观测，如有n幅，可列2n个方程，可用最小二乘法求解；

(c)求解(x，y，z)

参考图3至图6，本发明的自动化三维高清摄像文物数据保护装置包括上端主支架，上端主支架由180度第一半周圆弧带1及与之90度正交的第二半周圆弧带2搭接而成，条带宽度w为80～100mm，厚度为8～10mm，第一半周圆弧带1和第二半周圆弧带2的正中连接部位用固定件5固定连接起来，固定件5例如是固定件5。第一半周圆弧带1和第二半周圆弧带2制作材料采用钢材，屈服强度在350mpa以上，抗拉强度在500mpa以上，以保证整体结构的稳定性，从而保障三维重构时数据的精确性。

在第一半周圆弧带1的15°、45°、75°、105°、135°、165°方位设有照明灯光安装孔位，每个孔位上安装照明灯座3，照明灯座3内安装有照明光源4，第一半周圆弧带1上的各照明光源4的灯光中心高度距离第一半周圆弧带1表面的距离一致，该距离的取值为80～100mm，误差应该控制在2mm以内。

在第二半周圆弧带2的0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°方位设有像机安装孔位，安装像机6，像机6上安装镜头7，要求有效像素在4000万以上，iso感光度静态影像满足iso50-102400或更高范围，动态影像满足iso100-32000或更高范围，高像素及感光度范围能更加全面的捕捉文物表面纹理细节，使得数字还原模型精度更高，保护与鉴别基础能力更强。第二半周圆弧带2在15°、45°、75°、105°、135°、165°方位设有照明灯光安装孔位，每个孔位上安装照明灯座3，照明灯座3内安装有照明光源4，第二半周圆弧带2各照明光源4的灯光中心高度距离第二半周圆弧带2表面的距离一致，该距离的取值为80～100mm，且要求与第一半周圆弧带1上一致。

各个照明灯源4在每个孔位发光强度在130cd以上，光通量在1000lm以上，如此多方位正交光源设计，以及足够强度的光强，可以保障文物各细节在拍摄时不被阴影区遮挡导致信息丢失；第一半周圆弧带1以及第二半周圆弧带2下方固定安装基础圆形载物面板8，基础圆形载物面板8的不平度要求小于0.5mm/m，上表面为黑色，能够吸收余光，降低底部漫反射，基础圆形载物面板8的中心处设有电控旋转载物台10，电控旋转载物台10用于放置目标文物作品9，在第一半周圆弧带1和第一半周圆弧带2与基础圆形载物面板8的固定位置处，基础圆形载物面板8的下表面上对应的设有4个圆柱体形状的支座11，以支撑设备重量，电控旋转载物台10的底部高度高于支座11底部，以方便电控旋转载物台10自由旋转。

参考图7，控制系统方面，所述自动化三维高清摄像文物数据保护装置包括：外部控制器12、灯光控制器13、拍摄控制器14以及存储器15；电控旋转载物台10由外部控制器12控制，内设两种控制模式，一种为自动拍摄模式，一种为手动拍摄模式；

自动拍摄模式中，外部控制器12得到启动指令后，发送信号给灯光控制器13，点亮所有照明光源4，等待第一预设时长，例如2秒，发送指令至拍摄控制器14，拍摄控制器14控制所有像机同时拍照，将数据传送至存储器15保存，等待第二预设时长，例如2秒，发出信号给电控旋转载物台10，延平面内周向旋转30°，开始下一个角度的拍摄，直到依次完成30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°角度的拍摄，总共获取7台像机12个角度上84组照片信息；

手动拍摄模式中，先在外部控制器12中输入旋转角度α，例如为得到更为精确的三维模型数据，将间隔角度设为α＝10°，或设置非等间距任意拍摄角度，在每个角度拍摄完成后，不会自动旋转至下一个拍摄角度，而是给外部控制器12发送开始下一次拍摄指令，才执行下一次拍摄。

通过自动化三维高清摄像文物数据保护装置拍摄目标文物的照片后，基于目标文物的照片，经过密集匹配，计算影像中有所同名点坐标，利用空间前方交会计算同名点在三维空间中的坐标，求出所有同名点的空间坐标即可生成密集点云，从而得到目标文物9的全方位高精度三维信息。

实施例一

上端主支架条带宽度w＝100mm，厚度为8mm，第一半周圆弧带1及第二半周圆弧带2制作材料采用q460材料，屈服强度要求在460mpa以上，抗拉强度要求在540mpa以上。

灯光中心高度距离第一半周圆弧带1及第二半周圆弧带2表面80mm，各位置照明光源4必须保持一致，其误差控制在2mm以内。像机6上安装镜头7，有效像素在4200万，iso感光度静态影像满足iso50-102400，动态影像满足iso100-32000。在正交的第一半周圆弧带1及第二半周圆弧带2上同方位上即照明灯座上设有照明灯源4，每个孔位发光强度150cd以上，光通量在1100lm。

采用自动拍摄模式

1、拍摄前将文物“马口窑”放置于旋转载物台10之上。

2、点击启动，传送给外部控制器12，其得到启动指令后，发送信号给灯光控制器13，点亮所有照明灯，等待2s。

3、外部控制器12发送指令至拍摄控制器14，拍摄控制器14控制所有像机同时拍照，将数据传送至存储器15保存，等待2s。

4、发出信号给电控旋转载物台10，延平面内周向旋转30°，开始下一个角度的拍摄，直到依次完成30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°角度的拍摄。

5、总共获取7台像机12个角度上84组照片信息。

通过上文中的方法，经过密集匹配，可计算影像中有所同名点坐标，利用空间前方交会计算同名点在三维空间中的坐标，求出所有同名点的空间坐标即可生成密集点云，从而得到“马口窑”的全方位高精度三维信息，如图8、9所示。

实施例二、

支架结构采用实施例一中相同方案，像机6上安装镜头7，有效像素在4500万，iso感光度静态影像满足iso50-102400，动态影像满足iso100-32000。在第一半周圆弧带1及第二半周圆弧带2上同方位上即照明灯座上设有照明灯源4，每个孔位发光强度170cd以上，光通量在1300lm。

采用手动拍摄模式

1、拍摄前将文物“贵州木板面具”放置于旋转载物台10之上。

2、输入拍摄各角度给控制器12，α0＝0°，α1＝10°，α2＝20°，α3＝30°，α4＝40°，α5＝50°，α6＝70°，α7＝80°，α8＝90°，α9＝110°，α10＝120°，α11＝130°，α12＝150°，α13＝170°，α14＝180°，α15＝190°，α16＝210°，α17＝220°，α18＝230°，α19＝250°，α20＝270°，α21＝280°，α22＝300°，α23＝310°，α24＝330°，α25＝340°。

2、点击启动，传送给外部控制器12，其得到启动指令后，发送信号给灯光控制器13，点亮所有照明灯，等待2s。

3、外部控制器12发送指令至拍摄控制器14，拍摄控制器14控制所有像机同时拍照，将数据传送至存储器15保存，等待2s。

4、发出信号给电控旋转载物台10，延平面内周向旋转至α1角度，给外部控制器12发送开始下一次拍摄指令，开始下一个角度的拍摄，直到依次完成所有角度的拍摄。

5、总共获取7台像机26个角度上182组照片信息。

经过密集匹配，可计算影像中有所同名点坐标，利用空间前方交会计算同名点在三维空间中的坐标，求出所有同名点的空间坐标即可生成密集点云，从而得到“贵州木板面具”的全方位高精度三维信息，如图10、11所示。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。