CN107084982A - 一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备。本设备包括外形采集机构、纹理采集机构及控制箱体。文物放置于控制箱体的转台上，在距离转台回转轴一定距离处放置外形采集机构和纹理采集机构。通过控制箱体中的外部连接板与外形及纹理采集***的L型支架连接来完成两部分的固定装配。外形采集机构基于激光三角法的测头完成外形点云的采集，结合得到的距离值及转台转过角度值，在上位机完成极坐标系向直角坐标系的转换，得到回转体点云；而纹理采集机构采用高分辨率的工业相机和紧凑型远心镜头的配合，通过平行投影完成对纹理的无畸变采集，取图像中间有限列像素，放置于新的大图中，如此往复完成对一圈图像采集，实现对纹理数据的采集。该设备主要用于文物器形外形的三维结构数字化及纹理信息采集获取，进而实现考古研究及数字化博物馆的建立。

Description

一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备

技术领域

本发明涉及一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备，主要用于文物器形三维结构数字化及纹理信息采集获取，从而进一步地进行古文物断代研究、保护及数字化博物馆的建立。

背景技术

对珍贵文物进行数字化处理，建成基于网络的数字化博物馆***，可以较好地解决丰富的展品与有限的展览空间、时间之间的矛盾，进一步开拓博物馆藏品保护、研究和展示的新领域，还可以实现博物馆管理手段的现代化。由于古文物具有轮廓复杂、不宜接触、纹理信息丰富等特点，因此如何迅速且准确获取古文物三维及纹理信息成为一个关键点。其中，数字化任务主要包括外形、内腔及纹理信息的获取与处理。

现有的文物数字化方法主要有：摄影测量技术、三维激光扫描技术、激光三角法及工业CT技术。摄影测量技术通过采集文物图像，再导入到上位机进行特征点提取与匹配，最后重建得到文物的三维模型及表面纹理，因为其只需要拍摄文物图片，在上位机借助专业图像处理软件进行图片处理即可，所以具有操作简单、方便使用、重建快速等特点，被广泛应用于三维重建领域；三维激光扫描技术，其通过激光测距和两轴运动能够快速得到立体直观的三维模型，且其反射光路是按发射光路返回，因此不受杂物遮挡影响，在对大范围文物结构、体积等方面的研究领域具有其他方式无可比拟的优势；激光三角法技术能够快速得到平面文物的空间位置及结构信息，对于测量小范围对象具有较多优势；工业CT技术，依据辐射在被检测文物中的减弱和吸收特性来进行工作，最后用计算机处理及图像重建技术来显示出来，因此其可以对文物器形内腔进行测量。

以上技术各有特点，但是对于文物器形的数据获取存在着如下缺陷：摄影测量技术方式，其分离出的纹理信息分辨率低、带有成像投影畸变，得到外形点云往往噪声较多，为进行考古研究带来了不便；三维激光扫描技术，相应扫描设备价格昂贵，在进行户外工作时易受天气环境及光线影响，而且单纯的三维激光扫描技术还不能有效提取纹理色彩信息，依然需要其他设备的配合；对于激光三角法，单纯激光三角法不能提取纹理色彩信息，依然需要其他设备的配合；工业CT技术设备体积庞大不便搬运，可测量对象尺寸较小，价格昂贵，不能得到纹理信息等原因，很难应用于文物器形外形及纹理数字化领域。

发明内容

本发明目的在于针对现有对文物器形进行三维重建中的方法的缺点进行研究，提供一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备，实现了对文物器形三维数据的快速采集、更快地获取文物器形外形结构和完整的纹理信息展开图像，发明了便携式文物三维数字化设备，可以为文物保护和断代研究提供更加精确和全面的数字化模型。本发明主要解决的技术问题有：

1.本发明主要解决现有技术采集到文物纹理信息的分辨率低、带有成像畸变以及外形点云噪声较多等缺点。

2.本发明需要解决外形采集和纹理信息采集的集成问题，并且实现外形和纹理信息采集***的不可快速分离和携带问题。

为实现精确真实反应和测量文物外形及纹理数据的上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备，包括外形采集机构、纹理采集机构及文物回转控制箱。其中外形采集机构包括3D激光扫描仪、手动旋转台及L型支架等部件；纹理采集机构包括工业相机、紧凑型远心镜头、镜头支架及镜头底板等；控制箱体中包含了伺服旋转机构、控制导轨运动的驱动器和连接板等部件。外形采集机构和纹理采集机构通过模块化结构和箱体连接，固定于控制箱体一侧。该设备主要用于文物器形三维结构数字化及纹理信息采集获取，文物放置于控制箱体的转台上，在距离转台回转轴一定距离处放置外形采集机构和纹理采集机构。通过控制箱体中的外部连接板与外形及纹理采集机构的L型支架连接来完成两部分的固定装配。外形采集机构基于激光三角法的侧头完成外形点云的采集，结合得到的距离值及转台转过角度值，完成极坐标系向直角坐标系的转换，得到回转体点云；而纹理采集机构采用高分辨率的工业相机和紧凑型远心镜头的配合，通过平行投影完成对纹理的无畸变采集，取图像中间有限列像素，放置于新的大图中，如此往复完成对一圈图像采集，实现对纹理数据的采集。

所述的外形扫描机构，包括连接板、手动旋转台、扫描仪连接板、3D扫描仪依次安装在直线导轨组成，直线导轨再固定在L型支架上，L型支架前端留有定位销孔，以便与控制箱体右侧外部连接板对接。当需要测量文物底部点云时，通过转动手动旋转台来使3D扫描仪转过90°，从而测量底部点云。扫描仪连接板起到连接3D扫描仪和手动旋转台的作用。扫描仪基于激光三角法完成对外形平铺点云的采集，由得到点云的Z值可得到回转体在该点的半径值，结合转台转过的角度α，即可实现在软件底层点云的极坐标系向直角坐标系转换，得到所需回转体点云，此时软件自动将新点云存储在上位机指定路径。

所述的纹理采集机构，由工业相机、紧凑型远心镜头、镜头支架、镜头底板组成，镜头支架主要起到支撑较重的远心镜头与工业相机的作用，镜头底板起到托起镜头支架和工业相机与远心镜头组合的作用，而分辨率500万像素工业相机和紧凑型远心镜头组合，可获得高分辨率和通过平行投影方法消除了成像畸变的高质量图像。通过镜头底板与连接板连接从而将整个纹理采集机构固定在直线导轨上。当转台转动设置值度，相机抓取图像，并且取出其中的M个像素值，依次放置于新建的大图像上，如此往复循环，直到转动完成一圈，采集完一层整圈的图像，通过直线导轨调节远心镜头高度，即可得到被测对象的整个高度纹理。

所述的文物回转控制箱，由箱体一体式底板、开关电源、USB转接接头、网口转接头、外部连接板、D1驱动器、D2驱动器、继电器、转盘、旋转马达等组成。箱体中所有需要定位的部件以一体式底板为基准面并固定。其中为充分利用空间，开关电源通过折弯板架起，外部连接板通过一体式底板上的凹槽进行定位，其中D1、D2驱动器是分别控旋转马达和直线导轨配套部件。继电器是为了消除直线导轨和旋转马达都要触发扫描仪时产生的信号干扰而进行的线路改变操作。旋转马达提供旋转运动，转盘为了让旋转平台伸出控制箱与外部接触。控制箱体起到对运动部件进行控制及进行供电等作用。

得到点云后，导入点云处理软件，处理后即可得到三维模型。将三维模型导入专业渲染软件，对此三维模型进行渲染，将纹理图像映射到三维模型上，即可得到具有高质量纹理的外形数字化文物器形模型。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1.设备的采集对象材质和尺寸广泛，对陶瓷、釉、金属类、石头类及纸类等材质和大尺寸的文物器形都可满足外形和纹理信息采集要求。

2.纹理采集结果分辨率高，无成像畸变，外形点云无噪声，质量较好，为文物的表面特征提取及研究提供了真实信息。

3.数据采集的过程自动化程度高，操作简单，采集效率高，外形及纹理的采集全部时间不足半小时。

4.可根据实际需求来设置外形及纹理数据的采集密度。

附图说明

图1便携式文物三维结构数字化设备示意图。

图2控制箱、转台及被测文物组成示意图。

图3本发明的外形采集机构的结构示意图。

图4本发明的纹理采集机构的结构分解示意图。

图5文物回转控制箱内部结构示意图。

图6外形采集原理示意图。

图7 纹理采集原理示意图。

图8花瓶原型、外形与底部照片图。

图9花瓶纹理采集结果图。

其中各编号为：1.箱体 2. L型支架3. 直线导轨 4.固定板 5.手动转台 6.扫描仪连接板 7.3D扫描仪 8.工业相机 9. 紧凑型远心镜头10.镜头支架 11. 镜头底板12.被测对象13. 转台 14.一体式底板 15.24V开关电源 16.USB转接接头 17.网口转接头18.外部连接板 19.D1驱动器 20.D2驱动器 21.继电器（4个） 22.转盘 23.旋转马达。

具体实施方式

以下实施例结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：

参见图1~图5，本便携非接触式文物外形和纹理采集设备，包括外形采集机构（I）、纹理采集机构（II）及控制箱体（III）。其特征在于：文物放置于控制箱（III）的箱体的转台（13）上，在距离转台（13）回转轴设定距离处安置外形采集机构（I）和纹理采集机构（II）。通过箱体（1）中的一个外部连接板（18）与安装外形采集机构（I）及纹理采集机构（II）的一个L型支架（2）相连接；所述外形采集机构（I）中的一个基于激光三角法的3D激光扫描仪（7）完成文物外形点云的采集，结合得到的距离值及转台（13）转过角度值，在上位机完成极坐标系向直角坐标系的转换，得到文物回转体点云；而纹理采集机构（III）中有一个高分辨率的工业相机（8）与一个紧凑型远心镜头（9）的配合，通过平行投影完成对文物纹理的无畸变采集，取图像中间有限列像素，放置于新的大图中，如此往复完成对一圈图像采集，实现对纹理数据的采集。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述外形采集机构（I）包括部件连接板（4）、手动旋转台（5）、扫描仪连接板（6）和3D激光扫描仪（7），依次安装在一个垂直的直线导轨（3）上，该直线导轨（3）再固定在所述L型支架（2）上，L型支架（2）前端留有定位销孔，以便与文物回转控制箱体（1）右侧外部连接板（18）对接固定，实现模块化的安装；当需要测量文物底部点云时，通过转动手动旋转台（5）使3D激光扫描仪（7）转过90°，从而可以测量文物底部点云；扫描仪连接板（6）起到连接3D激光扫描仪（7）和手动旋转台（5）的作用。3D激光扫描仪基于激光三角法完成对文物外形平铺点云的采集，3D激光扫描仪（7）的激光发射点距离转台（13）回转轴为扫描仪工作距离的最大值，激光束通过回转中心，扫描仪（7）的激光束扫描范围覆盖转台（13），保证可以得到外形所有点云数据。

所述的纹理采集机构（II）包括工业相机（8）、紧凑型远心镜头（9）、镜头支架（10）和镜头底板（11），所述镜头支架（10）主要起到支撑较重的远心镜头（9）与工业相机（8），镜头底板（11）起到托起镜头支架（10）和工业相机（8）与远心镜头（9）组合的作用，高分辨率工业相机（8）和紧凑型远心镜头（9）组合，可获得高分辨率和通过平行投影方法消除了成像畸变的高质量图像，远心镜头（9）运动到直线导轨（3）最下端时，其视野要覆盖转台（13）。

所述的文物回转控制箱包括箱体（1）、一体式底板（14）、开关电源（15）、USB转接接头（16）、网口转接头（17）、外部连接板（18）、D1驱动器（19）、D2驱动器（20）、继电器（21）、转盘（22）和旋转马达（23）。箱体（1）中所有需要定位的部件以一体式底板（14）为基准面并固定，外部连接板（18）通过一体式底板（14）上的凹槽进行定位，其中D1、D2驱动器（19、20）是分别控旋转马达（23）和直线导轨（3）配套部件，继电器（21）是为了消除直线导轨（3）和旋转马达（23）都要触发3D激光扫描仪（7）时产生的信号干扰而进行的线路改变操作；旋转马达（23）提供旋转运动，转盘（13）为了让旋转平台伸出箱体（1）与外部接触。

实施例三：

如附图1所示，本便携非接触式文物外形和纹理采集的设备，包括外形采集机构（I）、纹理采集机构（II）及文物回转控制箱（III），其中外形采集机构包括LMI公司Gocator2340型号3D激光扫描仪（7）、手动旋转台（5）及L型支架（2），该***固定于控制箱（1）一侧，完成外形点云采集的工作；纹理采集***包括Pointgrey公司生产的TXG50c的500万像素的工业相机（8）、OPTO公司生产的TCCR12096型号的紧凑型远心镜头（9）及相机底座（10）等，其固定于直线导轨（3）上并随导轨滑块一起运动，完成纹理信息的采集；控制箱体包括箱体（1）、转台（13）、一体式底板（14）24V开关电源（15）、外部连接板（18）等部件，为运动及3D激光扫描仪（7）、工业相机（8）等供电及实现对运动的控制。该设备主要用于文物器形三维结构外形数据获取及纹理信息采集获取，从而进一步地进行物体内腔测量、考古研究及数字化博物馆的建立。

如图3所示的外形扫描机构：整个外形采集机构由连接板（4）、手动旋转台（5）、扫描仪连接板（6）、LMI公司Gocator2340型号3D扫描仪（7）依次安装在上银KK6005型号直线导轨（3）组成，直线导轨再固定在L型支架（2）上，L型支架（2）前端留有定位销孔，以便与箱体（1）右侧外部连接板（18）对接定位。3D扫描仪最大工作距离400mm，打出的激光条最大宽度198mm，Z方向测量精度在0.2mm以下。当需要测量文物底部点云时，通过转动手动旋转台（5）来使3D扫描仪转过90°，从而可以测量底部点云。扫描仪连接板（6）起到连接3D扫描仪（7）和手动旋转台（5）的作用。3D扫描仪（7）基于激光三角法完成对外形平铺点云的采集，由得到平铺点云的Z值可得到回转体在该角度的半径值，结合转台（13）转过的角度，即可实现在软件底层点云的极坐标系向直角坐标系转换，得到所需回转体点云，此时软件自动将新点云存储在上位机指定路径。

如图4所示的纹理采集机构：整个纹理采集机构主要由Pointgrey公司生产的TXG50c的500万像素工业相机（8）、OPTO公司生产的TCCR12096紧凑型远心镜头（9）、镜头支架（10）、镜头底板（11）组成，其中工业相机（8）为500万像素彩色相机，远心镜头工作距离278.6mm，景深范围145mm。镜头支架（10）主要起到支撑较重的远心镜头（9）与工业相机（8）作用，镜头底板（11）起到托起镜头支架和工业相机与远心镜头组合的作用，而高分辨率工业相机（8）和紧凑型远心镜头（9）主要为获得高分辨率的和通过平行投影方法消除了成像畸变的高质量图像。

如图5所示的文物回转控制箱，其特征在于：控制箱主要由箱体（1）、一体式底板（14）、开关电源（15）、USB转接接头（16）、网口转接头（17）、外部连接板（18）、D1驱动器（19）、D2驱动器（20）、继电器（21）、转盘（22）、上银DD旋转马达（23）等组成。其中明伟开关电源实现220V电压转为24V电压。箱体（1）中所有需要定位的物体放置于一体式底板（14），并以其为基准面。为充分利用空间，开关电源（15）通过折弯板架起，外部连接板通过一体式底板上的凹槽进行定位，其中D1、D2驱动器是分别控旋转马达和直线导轨配套使用。继电器是为了消除直线导轨和旋转马达都要触发扫描仪时产生的信号干扰而添加的部件。旋转马达提供旋转运动，转盘为了让旋转平台伸出控制箱与外部接触。

在设备软件界面相应位置连接好直线导轨（3）和转台（13），即可点击“外形采集”，导轨自动移动到距离转台平面垂直距离80mm处，进行第一次扫描，完成后，软件询问是否进行第二次扫描，根据实际需要进行选择即可。外形采集原理如图6所示，激光传感器的初始坐标系原点为，方向垂直转盘平面向下，指向转盘旋转的方向，方向指向激光传感器。传感器在初始坐标系下采集到点云，向Z负方向平移105mm，转换到XYZ坐标系下。采集得到的外形点云为平铺模型点云，此时需要进行极坐标系向直角坐标系转换，结合转台转过角度值α和Z值，即可得到所需回转体的坐标值，即：=，=Z*sinα，=Z*cosα。所有外形部件都扫描完成后，点击软件界面中的“外形显示”，选中刚得到的外形文件，即可显示外形点云。

外形采集完成后，进行纹理信息采集。在该设备软件纹理采集界面上，直线导轨（3）处相应位置输入串口号，点击连接，即可将相机与镜头组合部件移动到底部，此时从镜头中可以看到整幅图像已经将待测对象最下端包括。输入转台（13）的端口号，点击连接，此刻转台（8）已经可以动作。根据待测对象的外形直径的值d来确定采集信息值，结合单次图像抓取转台旋转角度值，来计算输入单幅图像所取像素值M，其计算方式为：（其中x为紧凑型远心镜头的放大倍率），为之后的整幅图像的拼接做准备。

所有值设置好之后，即可点击“纹理采集”按钮，自动进行纹理采集过程，整个过程是自动化的。先转动设置值度，相机抓取图像，并且取出其中的M个像素值，放置于新建的大图像上，如此往复循环，直到转动完成一圈，采集完一圈之后，软件会询问是否再次采集一圈，可以根据实际情况进行选择。如果选择再次采集一圈，直线导轨带动相机会向上运动=103.9mm，其是一副图像的高度信息，其计算公式为：。重复以上过程，可拼接成文物完整的纹理展开图。这样即可得到无缝的拼接完整图像。图像拼接原理如图7所示。

纹理采集得到的图像之间连接较好，不会出现明显接缝，如图9所示。

纹理信息采集完成后，进行底部采集，旋转手动旋转台（5）90°，使三维激光扫描仪（8）的激光线呈水平，点击“底部采集”，直线导轨（3）带动激光三维扫描仪从最底部向上运动，完成整个底部的点云采集。

将点云文件导入专业点云处理软件中，进行去噪平滑处理，然后进行点云拼接和对齐，再进行内外形的点云三角化处理，效果如图8所示。

使用渲染软件对实体化的外形模型进行渲染，将纹理图像作为渲染图像，映射到外形模型上，可得到逼真的渲染后的实体。

Claims (4)

1.一种便携非接触式文物外形和纹理采集设备,包括外形采集机构（I）、纹理采集机构（II）及控制箱体（III），其特征在于：文物放置于控制箱（III）的箱体的转台（13）上，在距离转台（13）回转轴设定距离处安置外形采集机构（I）和纹理采集机构（II），通过箱体（I）中的一个外部连接板（18）与安装外形采集机构（I）及纹理采集机构（II）的一个L型支架（2）相连接；所述外形采集机构（I）中的一个基于激光三角法的3D激光扫描仪（7）完成文物外形点云的采集，结合得到的距离值及转台（13）转过角度值，在上位机完成极坐标系向直角坐标系的转换，得到文物回转体点云；而纹理采集机构（III）中有一个高分辨率的工业相机（8）与一个紧凑型远心镜头（9）的配合，通过平行投影完成对文物纹理的无畸变采集，取图像中间有限列像素，放置于新的大图中，如此往复完成对一圈图像采集，实现对纹理数据的采集。

2.根据权利要求1所述的便携非接触式文物外形和纹理采集设备，其特征在于：所述外形采集机构（I）包括部件连接板（4）、手动旋转台（5）、扫描仪连接板（6）和3D激光扫描仪（7），依次安装在一个垂直的直线导轨（3）上，该直线导轨（3）再固定在所述L型支架（2）上，L型支架（2）前端留有定位销孔，以便与文物回转控制箱体（I）右侧外部连接板（18）对接固定，实现模块化的安装；当需要测量文物底部点云时，通过转动手动旋转台（5）使3D激光扫描仪（7）转过90°，从而可以测量文物底部点云；扫描仪连接板（6）起到连接3D激光扫描仪（7）和手动旋转台（5）的作用，3D激光扫描仪基于激光三角法完成对文物外形平铺点云的采集，3D激光扫描仪（7）的激光发射点距离转台（13）回转轴为扫描仪工作距离的最大值，激光束通过回转中心，扫描仪（7）的激光束扫描范围覆盖转台（13），保证可以得到外形所有点云数据。

3.根据权利要求2所述的便携非接触式文物外形和纹理采集设备，其特征在于：所述的纹理采集机构（II）包括工业相机（8）、紧凑型远心镜头（9）、镜头支架（10）和镜头底板（11），所述镜头支架（10）主要起到支撑较重的远心镜头（9）与工业相机（8），镜头底板（11）起到托起镜头支架（10）和工业相机（8）与远心镜头（9）组合的作用，高分辨率工业相机（8）和紧凑型远心镜头（9）组合，可获得高分辨率和通过平行投影方法消除了成像畸变的高质量图像，远心镜头（9）运动到直线导轨（3）最下端时，其视野要覆盖转台（13）。

4.根据权利要求3所述的便携非接触式文物外形和纹理采集设备，其特征在于：所述的文物回转控制箱包括箱体（1）、一体式底板（14）、开关电源（15）、USB转接接头（16）、网口转接头（17）、外部连接板（18）、D1驱动器（19）、D2驱动器（20）、继电器（21）、转盘（22）和旋转马达（23），箱体（1）中所有需要定位的部件以一体式底板（14）为基准面并固定，外部连接板（18）通过一体式底板（14）上的凹槽进行定位，其中D1、D2驱动器（19、20）是分别控旋转马达（23）和直线导轨（3）配套部件，继电器（21）是为了消除直线导轨（3）和旋转马达（23）都要触发3D激光扫描仪（7）时产生的信号干扰而进行的线路改变操作；旋转马达（23）提供旋转运动，转盘（13）为了让旋转平台伸出箱体（1）与外部接触。