Культурные реликвии — это ценное историческое богатство страны, исторические исследования, научное руководство и другие аспекты, имеющие большое значение. Однако с течением времени зачастую неизбежен ущерб культурным реликвиям, который включает как естественное выветривание самих реликвий, так и случайное уничтожение.
В апреле 2019 года во французском соборе Парижской Богоматери произошел самый сильный пожар за всю историю: деревянная конструкция наверху церкви была полностью разрушена, остались только каменные остатки и огромный ущерб. К счастью, цифровая трехмерная модель Нотр-Дама из облака точек была заархивирована в электронном виде до его разрушения, что предоставило достаточные и точные данные для поддержки реконструкции поврежденных частей Нотр-Дама, которые можно восстановить одну за другой на основе существующих данных.
Лазерное сканирование и оцифрованная 3D-модель архива могут помочь в сохранении и реставрации наследия, а также обеспечить подлинность и точность реставрации. Соответствующие исследователи обобщили применение 3D-лазерного сканера в области защиты культурных реликвий в Китае с точки зрения развития технологий, принципа работы и достижений. Чжан Сяоцин и др. изучил применение 3D-печати при реконструкции культурных реликвий с точки зрения технологий 3D-лазерного сканирования и моделирования. В этой статье описывается основной процесс оцифровки защиты культурных реликвий с точки зрения сочетания двух технологий трехмерного лазерного сканирования и 3D-печати, чтобы решить традиционную проблему оцифровки культурных реликвий, сохранения информации и точного восстановления.
Во-первых, принцип работы
Лазерное сканирование с использованием метода бесконтактного сканирования позволяет быстро получить целевую поверхность массивных данных, а защита культурных реликвий имеет выдающиеся преимущества. Трехмерное лазерное сканирование в основном осуществляется с помощью метода измерения высокоскоростного лазерного сканирования в виде облака точек для получения массива данных геометрического изображения на поверхности объекта. Данные, полученные традиционными измерениями, в конечном итоге имеют двухмерную форму с помощью представленных рисунков. В отличие от традиционных измерений, 3D-лазерное сканирование получает данные в трехмерной форме, которая содержит не только информацию о плоском положении и высоте, но также информацию о цвете RGB и коэффициенте отражения тестируемого объекта. Таким образом, информация, полученная с помощью лазерного 3D-сканирования, является очень полной.
Лазерный 3D-сканер использует лазер в качестве источника излучающего света для измерения объекта в соответствии с определенным разрешением горизонтального и вертикального сканирования и использует бесконтактный метод для получения данных о поверхности измеряемого объекта. Принцип расчета координат пространственной точки показан на рисунке ниже. Лазер используется для получения расстояния S от измеряемого объекта до центра сканирования, а затем встроенный в устройство прецизионный энкодер с тактовым управлением используется для синхронного измерения значения наблюдения угла горизонтального сканирования и значения наблюдения угла продольного сканирования. каждый лазерный импульс, а пространственные трехмерные координаты измеряемой точки могут быть рассчитаны посредством пространственной трехмерной геометрической зависимости с использованием линейного элемента и двух угловых элементов. Координаты X, Y, Z пространственной точки. Данные, полученные с помощью 3D-лазерного сканирования, обычно находятся в отдельной системе координат внутри оборудования: ось X находится в поперечной плоскости сканирования, ось YY в поперечной плоскости сканирования, перпендикулярной оси X, и ось Z. перпендикулярно поперечной плоскости сканирования.
Выше Принципиальная схема расчета координат пространственных точек
Технология 3D-печати заключается в печати трехмерных объектов, использовании нарезки, а затем восстановлении восстановления траектории, плавлении сырья при высокой температуре, чтобы следовать принципу укладки траектории для восстановления цифровой модели. Технология 3D-печати появилась в середине{{ 3}}s, по сути, — это использование светоотверждения и ламинирования бумаги, а также других технологий, таких как новейшее устройство аддитивного производства. По сути, это тот же принцип работы, что и при обычной печати: принтер использует металл, керамику, пластик, песок и другие различные материалы, такие как сырье, подключенный к компьютеру через управляемую компьютером траекторию нарезки, сырье слой за слоем в соответствии с к траектории восходящего стека и, в конечном счете, к компьютеру по сканированию цифровой трехмерной электронной модели в физический объект.
Во-вторых, анализ технических преимуществ
Трехмерное лазерное сканирование имеет высокую скорость (около 1 миллиона точек в секунду), не требует контакта с целью (бесконтактное измерение), большой объем данных, высокую точность и другие характеристики. Среди них бесконтактное измерение позволяет получить массивные данные на поверхности измеряемого объекта, эффективно избегая контактного повреждения культурных реликвий в процессе оцифровки культурных реликвий. При этом, какой бы сложной ни была структура измеряемой цели, ее можно получить в соответствии с первоначальным внешним видом. Точность измерения 3D-лазерного сканирования может достигать уровня миллиметра или даже субмиллиметрового уровня, что позволяет точно фиксировать первоначальный внешний вид культурных реликвий и получать высокоточные оцифрованные 3D-модели для архивирования. Использование технологии 3D-печати позволяет сканировать после архивирования высокоточные оцифрованные культурные реликвии для соответствующих корректировок и модификаций, использовать 3D-принтеры для печати модели, а затем полировать, окрашивать и другую постобработку модели, чтобы получить копию культурных реликвий. Технология 3D-печати является преимуществом модели в быстрой скорости, модель высокой точности реставрации может быть легко подключена к лазерному сканированию. Таким образом, сочетание трехмерного лазерного сканирования и технологии 3D-печати, используемой при оцифровке и реставрации культурных реликвий, имеет уникальное преимущество.
В-третьих, основной процесс
Использование трехмерного лазерного сканирования и 3D-печати в сочетании с оцифровкой и восстановлением культурных реликвий является нынешней основной тенденцией развития. Измеряемая цель имеет небольшое расстояние, высокие требования к точности, применяется для защиты культурных реликвий. Трехмерное лазерное сканирование обычно выбирается портативным или стационарным, а также принцип разности фаз для получения цели с помощью приборов. Базовый процесс в основном включает целевое развертывание, сбор данных, объединение моделей, обработку моделей, нарезку модели, 3D-печать и другие аспекты, как показано на рисунке ниже. Возьмите мост Чжаочжоу в качестве примера, чтобы проиллюстрировать ход процесса на разных этапах.
3.1 Установка цели
Равномерно расположите сферические мишени по мосту, оставив между двумя соседними станциями не менее 3 пар мишеней. 3 пары сферических мишеней расположены на разной высоте в шахматном порядке, чтобы избежать их размещения на одной прямой, чтобы избежать невозможности найти основу для выравнивания соседних одноименных данных на более позднем этапе.
3.2 Сбор данных
Выберите подходящий ракурс, настройте трехмерный лазерный сканер на базе станции, настройте разрешение сканирования на устройстве и способ съемки камеры, контролируйте время сканирования и осуществляйте ненаправленное сканирование цели на 360 градусов. Сканирование цели завершено, проверьте точность сканирования целевого шара, подтвердите, соответствует ли оно условиям использования облака точек поверхности для соответствия сферическим координатам, если точности недостаточно, необходимо провести направленное сканирование с высоким разрешением. сферическая мишень. Повторно проверяйте, пока не будут выполнены условия соответствия центра сферы.
3.3 Сращивание моделей
Согласно принципу работы лазерного сканирования, данные, получаемые соседними станциями, находятся в разных независимых системах координат. Необходимо использовать принцип ICP и другие связанные алгоритмы для унификации системы координат данных нескольких станций, то есть путем расчета матрицы вращения между облачными данными соседних станций, чтобы завершить выравнивание модели и получить полную точку. облачная модель корпуса моста.
3.4 Обработка модели
После удаления шума, оптимизации, сегментации и выделения признаков модели облака точек тела моста, полученной после выравнивания, данные поверхности моделируются и реконструируются, а реконструкция модели обычно использует способ использования облака точек для построения сетки. для изогнутых культурных реликвий. Этот метод имеет высокую точность, хорошее прилегание к поверхности и высокую степень автоматизации. Реконструированная сетка-модель моста обрабатывается путем снятия шкур, заполнения отверстий, восстановления сетки, сглаживания, повышения резкости, наложения текстур и т. д. для получения цифровой трехмерной электронной модели моста, ее архивирования и сохранения в базе данных.
3.5 Нарезка модели и 3D-печать
С помощью технологии 3D-печати архивная высокоточная оцифрованная электронная модель культурных реликвий соответствующим образом корректируется и модифицируется, а компьютер используется для нарезки модели, расчета траектории восстановления печати и генерации G-кода. В зависимости от типа материала культурных реликвий для выбора подходящего 3D-принтера и сырья, ввода G-кода в 3D-принтер, принтер использует сопло для плавления сырья при высокой температуре, чтобы следовать по траектории принципа послойной укладки. цифровой модели возвращается к реальности. Физический объект может быть использован для реальных культурных реликвий, поврежденных в ходе реставрации, а также может быть использован для посещения выставки вместо настоящих культурных реликвий.
Результаты поэтапного процесса строительства моста Чжаочжоу показаны ниже.
3.6 Дополнительное восстановление данных
При сканировании с помощью стационарного 3D-лазерного сканера неизбежно возникают лазейки в данных, а отсутствие данных создаст трудности при создании цифровых моделей и 3D-печати. Подобные проблемы можно решить двумя способами. Одним из них является однократное использование сканирования на станции, синхронизация ручного 3D-лазерного сканирования, проблемы с углом сканирования, вызванные пробелами в данных, могут быть дополнены ручным сканером, гибким и удобным. Другой — дополнить и исправить недостающие данные во время обработки данных, включая оптимизацию сетки, заполнение отверстий, сглаживание и повышение резкости и другие средства. Среди них наиболее важным является заполнение отверстий, включая кривизну, касательную, плоскость, внутренние отверстия, граничные отверстия, перемычки и многие другие методы. По сравнению с традиционными методами восстановления, с помощью трехмерного лазерного сканирования для получения высокоточных данных вы можете создать более реалистичную цифровую трехмерную модель, используя программное обеспечение для виртуальной реставрации, чтобы обеспечить различные эффекты восстановления, чем отбор, как основа совершенствования реальной программы восстановления. Виртуальная реставрация в основном включает в себя заполнение зазоров в кузове материалами культурных реликвий, ремонт покраски, восстановление текстур и так далее. После ремонта модель становится ровной и гладкой, а контуры четкими.
Заключение и перспективы
4.1 Заключение
Благодаря сочетанию трехмерного лазерного сканирования и технологии 3D-печати описывается текущая ситуация в области защиты и восстановления культурных реликвий, принцип работы, основной процесс и его преимущества. Ремонт культурных реликвий с помощью трехмерного лазерного сканирования не только восстанавливается с высокой точностью, но и позволяет эффективно избежать вторичного повреждения культурных реликвий в процессе оцифровки культурных реликвий. Этот процесс имеет уникальные преимущества в области защиты и восстановления культурных реликвий и может решить проблему сохранения цифровой информации традиционных культурных реликвий и точного восстановления. В настоящее время в скульптуре Гротов Дуньхуан Могао последовательно используются технологии лазерного сканирования и 3D-печати для достижения цифрового архивирования культурных реликвий и воспроизведения культурных реликвий, технология постепенно совершенствуется, разнообразие процесса постепенно улучшается.
4.2 Перспективы
В настоящее время проблемами, которые необходимо решить, являются диверсификация сырья для 3D-печати, количества сопел 3D-принтера и объема 3D-печати для дальнейшего повышения эффективности и практичности 3D-печати. В то же время лазерное сканирование в сочетании с технологией 3D-печати может быть интегрировано в гиперспектральную технологию на основе лазерного сканирования, лазерное сканирование высокоточных моделей и высокоточных текстур, полученных в результате интеграции фотограмметрии крупным планом, можно реализовать модель культурных реликвий и цвет высокоточной двойной реставрации и ремонта, что имеет большое практическое значение для защиты и реставрации культурных реликвий. После сканирования цифрового архива электронной модели культурных реликвий облака точек можно сохранить в базе данных через Интернет и технологию облачного хранения в сочетании с технологией виртуальной реальности VR, чтобы создать цифровой онлайн-музей, чтобы туристы могли быть реализованы, не выходя из дома. домой, чтобы посетить онлайн-просмотр. 3D-печать культурных реликвий также может использоваться для реальных выставок культурных реликвий и смежных отраслей на тему образования. Популяризация и применение этой технологии имеет большое значение.
