三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用学士论文.docx
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三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用学士论文
密级：
公开
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2009—2013年）
题目三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用
南昌大学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
三维物体数字化与可视化技术在考古学中的应用
摘要
古代文物是人类文明与智慧的结晶,历史悠久的人类文化遗产的保护、修复和重建是一项艰苦复杂的系统工程。
随着信息化技术在考古学及文物保护领域中应用的深入，三维物体数字化及可视化技术在考古和文物保护领域的应用具有重大的现实和历史意义,能够真实记录考古文物数据，有利于文物的还原。
本文通过研究三维物体数字化及可视化技术在考古学中的应用，学习并掌握三维物体数字化及可视化技术在考古学中所涉及的关键技术，学习并掌握使用投影法快速、准确获取文物表面各种数据的方法、经过逆向工程软件Geomagic的点云预处理和曲面重构的方法等等。
继而通过研究获得的数据模型达到文物成型和文物复制的目的。
关键词：
考古文物、三维物体数字化、投影法、点云处理、
Applicationof3Ddigitizationandvisualizationtechnologyinarchaeology
Abstract
Ancientartifactsarecrystallizationofhumancivilizationandwisdom,hasalonghistoryofhumanculturalheritageprotection,restorationandreconstructionisanarduousandcomplicatedsystemengineering.WiththeapplicationofinformationtechnologyinthefieldofArchaeologyandculturalrelicsprotectioncontinuously,3Ddigitizationandvisualizationtechnologyisofgreatpracticalandhistoricalsignificanceintheapplicationofarchaeologicalandculturalrelicsprotectionfield,cantherealrecordofarchaeologicaldata,reductioninfavorofculturalrelics.
Inthispaper,throughtheapplicationof3Ddigitizationandvisualizationtechnologyinarchaeology,keytechnologystudyandmasterthe3Ddigitizationandvisualizationtechniquesinvolvedinarchaeology,learningandmasteringtheuseofprojectionmethodisrapid,accuratemethodforobtaining,varioussurfacerelicsdatathroughthereverseengineeringsoftwareGeomagicpointcloudpre-processingandsurfacereconstructionmethodetc..Thedatamodelandthenthroughthestudyofculturalrelicsandartifactsacquiredformingthepurposeofreproduction.
KeyWords:
CulturalrelicsandArchaeology，Three-dimensionaldigital，methodofprojection，Pointcloudprocessing
目录
摘要……...………………………………………………………………….Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………...Ⅱ
第一章绪论……...………………………………………………………....1
1.1、选题的依据及意义……...………………………………….........1
1.2、国内外研究现状及发展趋势……...…………………………….1
1.3、主要研究内容……...…………………………………………….3
第二章三维数据测量……...……………………………………………....5
2.1、三维数据测量简介……...……………………………........…….5
2.2、投影栅相位法的基本原理……...……………………………….5
2.3、测量设备介绍……...…………………………………………….7
第三章实验............……...………………………………………................9
3.1、实验介绍……...……………………………………….................9
3.2、仪器系统的标定...…………...………………………………......9
3.3、文物杯点云数据的获取...…………………………………...13
第四章点云预处理.....................................................................................14
4.1、点云预处理的原因......................................................................14
4.2、点云除噪......................................................................................15
4.3、点云删除......................................................................................16
4.4、点云拼接......................................................................................17
第五章自由曲面重构.................................................................................18
5.1、曲面重构简介..............................................................................28
5.2、点阶段..........................................................................................20
5.3、多边形阶段..................................................................................21
5.4、曲面阶段......................................................................................24
第六章总结与展望.....................................................................................27
6.1、总结..............................................................................................27
6.2、展望..............................................................................................27
参考文献.......................................................................................................28
致谢...............................................................................................................29
第一章绪论
1．1、选题的依据及意义
1.1.1选题的依据
三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，以被测对象的采样点、离散点集合——称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。
可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速、精确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。
正是基于这些优点，近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模项目，洛阳龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。
这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。
引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进行同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的基础。
1.1.2选题的意义
三维物体数字化技术与可视化技术在考古学中的应用，不仅能够准确获取文物遗址的各类信息，而且与其他信息技术相结合可以拓展考古遗址三维数字模型的应用范围，如文物遗址的数字化存储、测绘、文物修复、考古现场及遗址中的文物管理与监测以及虚拟研究和展示等方面的应用。
妥善而永久地保存文物遗址信息是文物考古工作的基本需求，三维数字建模技术提供的文物数字化存储，是当前满足这一需求的最佳手段。
通过三维数字建模技术可以建立高精度的文物遗址数字模型，包括外部几何信息、结构信息以及局部细节信息，还可以为文物的数字测绘、辅助修复、管理以及虚拟现实等拓展应用提供最基础的支撑。
1.2、国内外研究现状及发展趋势
关于考古信息技术研究的进展
1.全球定位系统与电子全站
2.仪测绘数字摄影测量与三维激光扫描
3.仪遥感考古
4.考古地理信息系统（gis）
5.空间信息可视化与虚拟
6.现实空间信息可视化与虚拟现实
从目前发展状况看,考古数字化项目存在以下问题:
①利用大型计算机实时描绘虚拟现实图像,设备昂贵,场地限制大;
②模型数据的大量简化和全景照片的使用可以满足普通硬件的需求,但场景的逼真度和沉浸感较差;
③目前互联网提供的展示功能,缺乏三维沉浸感和交互性;
④模型数据仅具有展示功能,难以满足维修重建的工程技术参考需要
目前，国内外对此类工作的相关研究多集中在古建筑的测绘号恢复方法上，并且由于测量对象有限，尚无系统的工作方法与规范。
H．Sternberg等使用三维激光扫描技术对汉堡市政大厅内的Kaisersaal和GroberFestsaal两个有着悠久历史的大厅进行了三维扫描并建立了模型Ⅲ；C．Ahuntas使用三维激光扫描技术为Konya考古博物馆进行了测量和建模，用彩色和灰度模式可视化了由点云生成的表面模型[；国内清华大学使用三维激光扫描仪对山西陵川县西溪二仙庙的部分建筑和北京的佛光寺东大殿进行了扫描，绘制出了梁架平面、剖面理想图，并与现状点云作比，从而得出量化的残损变形评估闰。
近几年，3维激光扫描技术和CCD成像技术在大遗址数字化中发挥重要作用，相关技术不断报道⋯。
以三星堆遗址的一号祭祀坑为例，采用RieglLMS．Z420i3维激光扫描仪和尼康D100数码相机分别获取几何点云数据与纹理数据，并通过Poly—Works软件实现多站点点云数据配准与3维建模，给出从数据采集、数据加工到模型建立大遗址数字化的合理工艺流程。
以河南省开封市的国家级重点保护文物“铁塔”为研究对象为例，以古建筑的数据采集与处理、三维模型重建、数据库建立、系统设计为主要研究内容，初步设计了基于三维激光扫描技术、GIS技术和虚拟现实技术的古建筑数字化保护系统。
即通过数据与方法的集成，建立基于三维激光扫描仪等现代信息技术条件下的古建筑数字化保护系统；通过整理、挖掘相关历史文档资料，形成古建筑属性数据库；通过GIS技术与虚拟现实等技术的整合，对数字化建筑构成要素进行精确分析，建立古建筑空间数据库。
投影摄像系统的整体缺陷In．speck结构光成像系统是由机械光栅、单一光谱组成的。
一般而言，光栅越密，精度越高，但高密光栅对加工工艺的要求近乎苛刻。
另一方面，由于使用单光谱，高密光栅会降低光强，影响投射效果。
三维成像系统依靠计算投射在物体表面的明暗条纹来获得空间位置信息，而环境光会影响明暗条纹的形成，因此该成像系统还需要一个良好的光环境。
三维激光扫描技术具有以下优点：
（1）速度快：
几千～几十万点／秒；
（2）信息丰富：
它包含大量物体表面的被测点，每个点均带有三维坐标和激光反射强度值，能真实地展现物体的外貌，可有效解决对形状复杂物体的观测问题；（3）精度高：
精度为毫米级；（4）有益保护被测物体：
属于看到即可的非接触式测量；f5）节省资金：
很少需要搭建脚手架；f6）数据价值高：
数字化的资料能够长久保存，古建筑点云具有广泛的应用性。
三维数字建模技术是近年来发展起来的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法,以被测对象的采样点（离散点）集合——称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。
可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速、精确地获取物体的三维信息，并进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段。
近年来，在文物考古领域也开展了一系列三维数字建模技术应用实践工作，如故宫博物院正在开展的古建筑数字建模项目，洛阳龙门石窟研究院利用三维技术建立的数字档案。
这些实践工作为三维数字建模技术在文物考古领域的进一步深入开展都是有益的探索和实践。
而秦俑二号坑遗址三维数字建模项目的工作实践表明，在考古发掘与文物保护工作的同时，引入三维数字建模技术，对考古遗址的相关信息进行同步采集和处理，并进而建立数字模型，不仅可以满足考古发掘过程中科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管理、公众教育奠定了重要的基础。
三维激光扫描技术是近几年逐步发展成熟的最新测量技术，它具有其它测量技术无法比拟的优势。
尤其是非接触式的测量手段，不会对考古文物造成损坏。
。
此外，该技术明显降低了对考古文物的测量工作的难度和工作量，所得数据的可挖掘性强，多用性好。
随着三维扫描技术同GIS等相关技术的结合，必将不断增强其在古建筑保护领域的应用价值和潜力。
前段时间见识的Creaform公司的Handyscan三维扫描仪更是将三维激光扫描技术的有点发挥的淋漓尽致。
从文物扫描——获取准数据——建立数据库，都更方便了。
Handyscan三维扫描仪对于小型考古文物的研究确实有其它技术不可比拟的优势。
通过曲线曲面扫描，全面质量检查；曲线曲面扫描，逆向工程；三维数据采集建立数据库；激光雕刻。
快速成型。
具有质量高，精确度高，分辨率高，快捷等优点。
1.3、主要研究内容
本论文采用以光栅扫描测量技术为基础，以文物杯的数字化扫描系统为手段，准确获取文物杯表面的各种数据，通过点云的数据处理和曲面重构等方法，获得物体数字化模型。
基于以上考虑，本论文主要研究一下内容：
第一章：
绪论。
本章主要阐述选题的依据、课题的研究意义、国内外研究的现状及主要应用领域和发展趋势。
第二章:
三维数据测量。
本章主要介绍常用的三维测量方法及本课题所采用的方案等。
为后续的数据采集提供理论依据，使所选出的方案比其他测量方法更适合该课题的研究。
第三章：
点云预处理。
本章主要研究对获取的点云数据进行处理的工作，主要包括：
点云除噪、点云插补、删除、最佳拼接、消差等，为下一步的曲面重建作准备工作。
第四章：
曲面重构。
对离散数据转换为连续的曲面，完成自由曲面的重建工作。
第五章：
实验。
依据硬件设备和软件设施，完成对文物杯的数据获取、数据处理、自由曲面的重建工作。
第六章：
总结与展望。
对本文的主要研究内容和主要创新点进行总结，对本文尚需进一步研究的若干问题提出参考建议。
第二章三维数据测量
2.1、三维数据测量简介
数据测量
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