文化遗产数字化系统及其实现方法与流程

本发明涉及文化遗产数字化平台技术领域，尤其涉及一种文化遗产数字化系统及其实现方法。

背景技术：

长期以来，人们一直在积极探索、研究、实践博物馆资源的数字化采集、加工、管理与展示，努力提升博物馆的信息化水平，积累了丰富的经验。但随着经济社会的快速发展和人们物质生活水平的提高，人们的精神文化需求日益增长，特别是各种高新技术，以及数字博物馆、智慧博物馆等新理念、新方向层出不穷，晋祠博物馆在拓展展览展示手段、优化博物馆教育传播效果，突破信息资源孤岛，提升游客服务品质等方面也面临着一些新的课题。

技术实现要素：

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种文化遗产数字化系统及其实现方法，其可以可以提高用户对文化遗产的观摩与学习。

为了实现上述目的，本发明提供一种文化遗产数字化系统，所述系统包括：

第一获取单元，用于获取目标物的物理数据；

第二获取单元，用于获取目标物的数字化数据；

数据处理单元，用于处理所述数字化数据；

模型建立单元，用于根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；

交互单元，用于建立用户交互机制。

根据本发明的文化遗产数字化系统，所述目标物包括目标建筑及目标文物。

根据本发明的文化遗产数字化系统，所述数据处理单元包括：

预处理模块，用于对原始数据进行预处理，然后根据分类和需求，将数据转换为内业工序使用的可处理格式；

纠错模块，用于坐标系纠正处理；

拼接模块，用于对云数据拼接处理；

精度处理模块，用于坐标系及精度检查处理；

去噪模块，用于平差去噪处理。

根据本发明的文化遗产数字化系统，所述模型建立单元用于：制作高精度三角网三维模型；

制作多级别poly网三维模型；

制作三维模型贴图uv；

制作贴图纹理；

制作彩色三维模型；以及

制作真实属性材质。

本发明还提供一种文化遗产数字化系统的实现方法，所述方法包括：

a、获取目标物的物理数据；

b、获取目标物的数字化数据；

c、处理所述数字化数据；

d、根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；

e、建立用户交互机制。

根据本发明的文化遗产数字化系统的实现方法，所述目标物包括目标建筑及目标文物。

根据本发明的文化遗产数字化系统的实现方法，步骤c具体包括：

c1、对原始数据进行预处理，然后根据分类和需求，将数据转换为内业工序使用的可处理格式；

c2、坐标系纠正处理；

c3、对云数据拼接处理；

c4、坐标系及精度检查处理；

c5、平差去噪处理。

根据本发明的文化遗产数字化系统的实现方法，所述目标文物的三维模型建立包括：

d1、制作高精度三角网三维模型。

将文物三维激光扫描的点云数据进行合理的处理，导出模型所需要的部分点云数据，利用geomagic逆向建模软件，对点云数据进行修剪、去噪等操作后，封装为三角网模型，并对已生成的模型进行补洞、破面的修正等操作，最终输出为完整可用的三角网模型。

d2、制作多级别poly网三维模型。

对三角网模型进行重新手动拓扑，制作poly网三维模型，我们选择手动拓扑方法，而不是使用某些软件的自动拓扑功能，是为了构建更合理的拓扑构造线，只有这样做才能将之后有可能出现的模型接缝，隐藏在模型不容易被发现的地方。最后利用zbrush三维雕刻软件，将poly网三维模型进行模型网络细分，保留多个级别的poly网三维模型，并将高精度三维模型的细节映射到各级别的poly网三维模型上，以便后期可以在不同的平台及环境中使用。

d3、制作三维模型贴图uv。

由于文物三维模型多为不规则三维模型，因此，需要利用专门的uv制作软件对文物三维模型uv进行制作，以便将uv的接缝处隐藏在三维模型不易被观察到的部位，且需要对文物三维模型uv进行合理的拆分及展平，并且合理的分布于uv画布上，尽量占满整个uv画布，为纹理贴图提供尽量大的绘图空间。

d4、制作贴图纹理。

文物三维模型所需纹理数据均需在实地，利用高像素数码相机进行实地采集，要对单体文物进行多角度的拍照，避免遗漏，并需要光线均保持一致，且照片均以正视角度进行采集。利用photoshop平面软件，对照片进行调色，镜头畸变、裁剪等操作，制作为三维模型可用的纹理贴图图像文件。

d5、制作彩色三维模型。

在mudbox三维纹理绘制软件中，利用制作好的纹理贴图图像文件，将贴图的彩色信息绘制到三维模型上，输出为一张diffusemap，并在photoshop中对纹理贴图进行最终的绘制及修改，从而形成一张，或多张三维模型的面反射纹理贴图。

d6、制作真实属性材质。

为了能让模型拥有真实的物理材质效果，需要进行pbr(physicallybasedrendering)材质的制作，即基于物理的渲染/材质表现。这种基于物理的渲染/材质表现，更加贴近真实世界的材质质地。pbr目前应用广泛，在渲染器中，nvidiairay，octanerenderer，pixarrenderman都已采用新的pbr模式。同样，在实时渲染工具或者三维引擎中，主流三维引擎如unrealengine4、unity3d、cryengine也都采用pbr模式。

本发明适用于文化遗产搭建技术领域，提供了一种文化遗产数字化系统，所述系统包括：第一获取单元，用于获取目标物的物理数据；第二获取单元，用于获取目标物的数字化数据；数据处理单元，用于处理所述数字化数据；模型建立单元，用于根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；交互单元，用于建立用户交互机制。本发明还相应的提供一种文化遗产数字化系统的实现方法。借此，本发明可以提高用户对文化遗产的观摩与学习。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明一实施例的数据处理单元的结构示意图；

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供一种文化遗产数字化系统，所述系统包括：

第一获取单元，用于获取目标物的物理数据；

第二获取单元，用于获取目标物的数字化数据；

数据处理单元，用于处理所述数字化数据；

模型建立单元，用于根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；

交互单元，用于建立用户交互机制。

一实施例中，本发明可采用结构光扫描采集技术，结构光方法((structuredlight)是一种主动式光学测量技术，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、大盆程、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。当采用光面结构光时，将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快。

本发明还可以采用光栅三维扫描技术，其是利用光栅三维扫描仪非接触式的获取物体空间三维数据的技术。光栅三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的投影光栅光照相测量原理。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。与传统的三维激光扫描仪不同的是，光栅三维扫描仪能获取更为细节的三维数据，甚至头发丝大小的物体都能表现的淋漓尽致，且具有速度快、精度高的优点。当然，激光扫描采集技术、摄影测量采集技术均可以应用于本发明。

本发明目标物包括目标建筑及目标文物。对于目标建筑物，本发明的数据采集原则通过外业数据采集获取原始三维数据，是整个项目的基础与核心。数据采集的原则：高效、协同、真实、全面。

本发明选用的三维激光扫描仪器设备的精度可靠范围在5-30米，满足项目需求及精度要求。为保证所选设备可以满足要求，每个型号的你选用设备都将经过适用性试验，观察总结该型号设备采集数据的最佳质量区间，并以此为基本参照进行数据采集过程中站位布设的重要依据。

根据本发明的文化遗产数字化系统，结合图2所述数据处理单元包括：

预处理模块，用于对原始数据进行预处理，然后根据分类和需求，将数据转换为内业工序使用的可处理格式；由专业人员将外业采集得来的原始数据进行预处理，然后根据分类和需求，将数据转换为内业工序使用的可处理格式。

在这个过程中完成诸如分析去噪，数据抽析，通过优化的算法进行自动去噪声与运动算法，通常玻璃的反射会产生大量噪声，而需要具备一种优化的算法来处理这些噪声，因此，自动去噪声，去除运动物体的算法应运而生.。

纠错模块，用于坐标系纠正处理；按照技术路线设计，需要将三维激光扫描数据纳入到大地坐标系下。在进行点云拼接处理之前，首先要进行坐标系纠正。利用上述提到的联系测量测得的扫描站中的标靶坐标，计算两个不同的三维空间直角坐标系间坐标原点的坐标差值(坐标平移向量△x，△y，△z)及三个坐标轴的旋转角度(△α，△β，△γ)还有尺度因子k，通过七参数方程组，将控制扫描站的点云xyz坐标值转换到大地坐标系下。

拼接模块，用于对云数据拼接处理。在任意一站点云数据中，扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同站点云数据中点的相对位置关系的正确与否，则取决于他们是否处于同一个坐标系下。大多数情况下，单站点云数据无法建立建筑的整个模型，需要以其中的一站作为基准站，以另一站作为辅助站，寻找共同的特征点进行配准，三维激光扫描数据整合的配准工作，即是将所有具有独立坐标的三维激光扫描数据转换到一个共同的基准坐标系下，以构成完整的空间对象。配准的精确程度对最终形成的数据有关键性的作用，只有在拼接完成后，才能实现三维激光扫描数据的应用。

将在控制点位置、经过联系测量后的扫描站设置为控制站(基准站)，以控制站为基础进行后续数据配准。将采用全站仪所测得并经过平差计算的坐标成果，应用于三维扫描各站的拼接，可以有效控制三维扫描各站的绝对精度，达到提高总体精度的效果。

精度处理模块，用于坐标系及精度检查处理。完成单体建筑的注册拼接后，需对整体点云模型拼接精度进行检查。通过将注册拼接后的各站点云数据整合到同一空间内进行检查，确定整体点云拼接精度符合项目要求后进行下一步工作。若存在数据间分层情况，仔细检查具体分层的站数、哪站、误差等予以记录，将数据精度检查结果反馈给负责处理本处数据的工程师进行改正，确保通过联系测量测得标靶坐标的准确性，保证点云数据的空间位置正确。通过以上数据处理工作，控制联测误差小于等于5毫米，整体点云数据拼接误差小于3mm，以满足本项目技术要求。

去噪模块，用于平差去噪处理。从各站点云提取几何特征，依据将拼接完成的全部点云进行整体数据平差。

一优先实施例中，所述模型建立单元用于：

d1、制作高精度三角网三维模型。

将文物三维激光扫描的点云数据进行合理的处理，导出模型所需要的部分点云数据，利用geomagic逆向建模软件，对点云数据进行修剪、去噪等操作后，封装为三角网模型，并对已生成的模型进行补洞、破面的修正等操作，最终输出为完整可用的三角网模型。

d2、制作多级别poly网三维模型。

对三角网模型进行重新手动拓扑，制作poly网三维模型，我们选择手动拓扑方法，而不是使用某些软件的自动拓扑功能，是为了构建更合理的拓扑构造线，只有这样做才能将之后有可能出现的模型接缝，隐藏在模型不容易被发现的地方。最后利用zbrush三维雕刻软件，将poly网三维模型进行模型网络细分，保留多个级别的poly网三维模型，并将高精度三维模型的细节映射到各级别的poly网三维模型上，以便后期可以在不同的平台及环境中使用。

d3、制作三维模型贴图uv。

由于文物三维模型多为不规则三维模型，因此，需要利用专门的uv制作软件对文物三维模型uv进行制作，以便将uv的接缝处隐藏在三维模型不易被观察到的部位，且需要对文物三维模型uv进行合理的拆分及展平，并且合理的分布于uv画布上，尽量占满整个uv画布，为纹理贴图提供尽量大的绘图空间。

d4、制作贴图纹理。

文物三维模型所需纹理数据均需在实地，利用高像素数码相机进行实地采集，要对单体文物进行多角度的拍照，避免遗漏，并需要光线均保持一致，且照片均以正视角度进行采集。利用photoshop平面软件，对照片进行调色，镜头畸变、裁剪等操作，制作为三维模型可用的纹理贴图图像文件。

d5、制作彩色三维模型。

在mudbox三维纹理绘制软件中，利用制作好的纹理贴图图像文件，将贴图的彩色信息绘制到三维模型上，输出为一张diffusemap，并在photoshop中对纹理贴图进行最终的绘制及修改，从而形成一张，或多张三维模型的面反射纹理贴图。

d6、制作真实属性材质。

为了能让模型拥有真实的物理材质效果，需要进行pbr(physicallybasedrendering)材质的制作，即基于物理的渲染/材质表现。这种基于物理的渲染/材质表现，更加贴近真实世界的材质质地。pbr目前应用广泛，在渲染器中，nvidiairay，octanerenderer，pixarrenderman都已采用新的pbr模式。同样，在实时渲染工具或者三维引擎中，主流三维引擎如unrealengine4、unity3d、cryengine也都采用pbr模式。

本发明对应的提供一种通过如图1所示的系统实现的方法方法，如图3所示，其包括：a、获取目标物的物理数据；

b、获取目标物的数字化数据；

c、处理所述数字化数据；

d、根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；

e、建立用户交互机制。

综上所述，本发明适用于文化遗产搭建技术领域，提供了一种文化遗产数字化系统，所述系统包括：第一获取单元，用于获取目标物的物理数据；第二获取单元，用于获取目标物的数字化数据；数据处理单元，用于处理所述数字化数据；模型建立单元，用于根据所述物理数理及处理后的数字化数据，建立可视化的三维模型；交互单元，用于建立用户交互机制。本发明还相应的提供一种文化遗产数字化系统的实现方法。借此，本发明可以提高用户对文化遗产的观摩与学习。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。