石窟文物三维数字化技术规范

ICS
DB41 河南省地方标准
DB41/T XXXXX—XXXX
石窟文物三维数字化技术规范
Specification for 3D Digitization of Cultural Relics in Grottoes
（征求意见稿）
XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施
前言
本标准按照GB/T 1.1—2009给出的规则起草。

本标准由龙门石窟研究院提出并归口。

本标准主要起草单位：龙门石窟研究院、北京大学、北京天远三维科技有限公司。

本标准主要起草人：李仁举、査红彬、侯玉珂、李随森。

石窟文物三维数字化技术规范
1 范围
本标准规定了石窟文物三维数字化的术语和定义、前期准备、三维点云数据的采集、点云数据的几何建模、网格模型的纹理贴图、三维数字化结果的评价。

本标准适用于石窟单位保存的石质文物的三维数字化。

2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的应用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 18894—2002 电子文件归档与管理规范
WW/T 0002—2007 石质文物保护修复方案编写规范
WW/T 0012—2008 石质文物保护修复档案记录规范
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。

3.1
石窟Grotto
一种就着山势开凿的寺庙建筑，里面有佛像或佛教故事的壁画。

3.2
三维数字化3D Digitization
运用三维技术对物体进行三维信息采集及处理以构建数字模型的过程，可用于研究、分析、展示等。

3.3
三维扫描仪3D Scanner
获取现实世界中物体的三维几何形状的科学仪器。

能同时获取物体的几何形状和纹理信息的三维扫描仪称为彩色三维扫描仪。

3.4
点云Point Cloud
三维空间中的点的集合。

3.5
三角网格模型Mesh Model
以三角网格描述物体表面的三维模型。

3.6
三维扫描仪的分辨率Resolution of 3D scanner
三维扫描仪采集的点云中相邻点之间的平均距离。

3.7
点云数据的配准Point Cloud Registration
将多次拍摄的三维点云数据对齐到一个坐标系下的过程。

3.8
点云的融合Point Cloud Merging
将多视点获取的点云数据的公共部分进行处理，得到无重叠部分的整体点云数据的过程。

3.9
点云数据的拼接3D Integration
点云数据的配准与融合，统称点云数据的拼接。

3.10
点云数据的建网Meshing
将离散的点云数据生成三角网格或者其他类型网格的过程。

3.11
网格的精简Mesh Reduction
对网格的数量依据一定的原则进行控制，从而达到降低数据量的目的。

3.12
网格的平滑Mesh Smoothing
去除由于物体表面属性、扫描仪噪声等因素带来的网格数据不光顺现象。

3.13
三维模型的纹理贴图3D Texture Mapping
把数码相机拍摄的照片，按照其与三维几何模型的对应关系进行贴附的过程。

4 前期准备
在项目开始前，需要做的准备工作包括：明确项目具体内容、确定技术方案、进行人员配置、准备仪器设备及辅助设施、确定安全保障方案。

4.1 明确项目具体内容
a）明确需要三维数字化的具体对象，包括尺寸、材质、周围环境等；
b）明确数字化成果的应用目的，比如用于考古研究、保护、展示、复原等；
c）明确项目预定的周期；
确定上述内容后，需进行详细记录。

4.2 确定技术方案
确定项目内容后，需做如下工作：
a）查询与该文物相关的资料，如考古研究资料、影像资料等；
b）确定三维采集的方法，包括基于图片的三维建模、大场景激光扫描、结构光高精度扫描等，可采用某一种或者多种方法的组合；
c）确定三维数据处理的要求及标准；
d）确定纹理贴图的要求及标准；
e）明确成果输出格式。

4.3 人员分工
项目开始前，需要明确团队组成及分工，指定一名项目负责人，负责整个项目进程。

4.4 仪器及辅助设施
按照技术方案，对辅助设施（如脚手架等）进行提前布置和准备，遵照仪器使用规程进行相应的操作。

4.5 安全保障
在项目执行过程中，要确保文物安全及人员安全。

防止仪器设备碰到文物或者倒下砸到文物。

在高处测量时，人员要系安全带。

5 三维点云数据的采集
5.1 三维采集方法及设备的选择
根据被测对象的大小、应用的需求等选择合适的测量设备。

对于精度要求不太高的场景，可采用基于图像的三维重建方法，通过相机拍摄系列照片并利用图像建模软件快速生成场景的三维模型。

对大场景物体如洞窟外立面、大佛像等，宜采用基于光飞行时间的大场景激光三维扫描仪获取场景的三维模型，扫描仪精度不得低于2mm；对具有精细结构的中小物体如中小佛像、佛龛、碑文、字刻、浮雕等，适合采用基于三角法的面结构光三维扫描仪或者线激光三维扫描仪。

三维扫描仪的最小分辨率要小于需要的最小特征大小的1/2，这样被测物体的特征可以清晰的表现出来。

比如需要采集1mm大小的特征，三维扫描仪的最小分辨率应该小于0.5mm。

相关扫描仪设备需要有省级以上计量机构出具的精度认证报告。

5.2 三维点云数据采集的基本要求
三维数据采集的分辨率选择原则为数据采集越精细越好，采样点距尽量均匀。

但精细的数据会造成数据量的加大，对后续的数据处理和保存等都增加了难度。

因此需要根据实际情况进行选择合适的分辨率大小。

下面是对不同对象的采集分辨率推荐要求：
a) 外立面、大佛像，建议采集分辨率2mm~10mm；
b) 中小佛像、罗汉、小佛龛、洞壁，建议采集分辨率为0.5~2mm；
c) 字刻、雕刻图案，建议采集分辨率小于0.5mm。

5.3 三维数据采集的流程
a）辅助设施准备，包括脚手架、电源、遮光布等；
b）仪器校准，确保仪器的精度满足测量要求；
c）确定扫描视点，进行数据采集；
d）在扫描软件中对原始数据进行处理；
e）保存原始数据，并按照后续软件的要求输出点云或者网格。

6 点云数据的几何建模
6.1 几何建模的基本步骤
三维数据的几何建模包括点云预处理、点云数据配准、点云数据建网、三角网格处理等内容，主要如下：
a) 点云预处理：包括点云的选择、删除、降噪、平滑、均匀采样、曲率采样等；
b) 点云数据配准：在两组点云中选择对应点，实现三维数据的配准和融合。

对多组点云要进行全局误差控制；
c) 点云数据建网：从点云生成三角网格模型并在建网过程中控制目标三角形的数量；
d) 三角网格处理：对三角网格进行选择、删除、平滑、精简、补洞等处理。

6.2 三维数据的配准方案
三维数据的配准是整个三维数字化过程中的关键一环，建议采用能自动配准的三维扫描仪。

自动配准可通过在扫描过程中采用辅助标志点或者从物体上提取特征点的方法将三维数据进行自动对齐，避免人为选择对应点对建模结果的影响，特别是扫描次数较多时手工选择对应点就会非常困难。

对多视点数据的配准应该进行全局误差控制，有效处理由于累积误差产生的问题。

当必须采用人工选择对应点进行配准时，应当选择物体上较有特征的地方，多选择几个点（建议6个以上），以提高配准的精确度。

6.3 三角网格的精简
三角网格的精简应采用基于曲率的精简方式，尽可能地保留物体的特征。

数据量的控制根据建模对象的要求和计算机的处理能力而定。

6.4 三角网格的平滑
平滑的原则是能在保持物体特征的基础上，尽可能的去除噪声，通过设置平滑的程度以处理物体的不同部位。

6.5 三角网格的修补
在几何建模过程中需要对由于扫描死角等产生的漏洞进行修补，为了实现修补部位与已有部位的光顺连接，采用基于曲率的孔洞修补方式。

6.6 几何建模结果的输出
三维几何建模的结果为待测物体的三角网格模型，输出格式为STL、OBJ、PLY等通用的三维数据格式。

6.7 点云的自动建模
目前有些三维扫描仪具有如上几何建模功能，建议采用此类扫描仪实现三维数据采集与几何建模的有机统一，得到高质量的几何模型。

7 三维网格模型的纹理贴图
对三维模型进行纹理贴图是得到具有真实感三维模型的重要一环。

以下是此环节对软硬件的要求以及贴图过程建议遵循的标准。

7.1 相机的选择
相机选择可更换镜头的单反相机，像素应该2000万以上。

拍摄对象实际分辨率不低于100dpi。

7.2 灯光的设置
拍摄照片时灯光要分布均匀，不能出现阴影、高光、亮点或暗点，根据需要在环境中可布置多盏灯光。

7.3 拍摄照片的要点
照片的好坏直接关系到最终的贴图效果。

首先相机拍摄方向尽量与物体表面垂直，以得到物体的正投影图像；其次照片拍摄要有整体性，连贯性；最后，照片要拍全，物体的各个部位都要拍摄的。

7.4 三维模型贴图
三维模型贴图包括照片的拼接、平滑、校色处理、三维模型的UV展开、编辑UV以及照片贴附：
a) 拍摄好的照片要导入到平面图象处理软件中，软件要具备多张照片的拼接、接缝处的融合、平滑以及对整体颜色校正的功能；
b) 在三维几何建模软件中导出需要贴图的三维模型(obj格式)。

c) 将obj模型导入到三维贴图软件中，该软件要具备UV贴图功能，可以编辑模型的UV、编辑照片等功能。

导入图片后，要按照图片上的花纹、颜色和图案编辑UV，直到模型与图片完全贴合。

d) 根据后续虚拟展示的需要，贴图完成后要导出相应格式的文件。

7.5 纹理贴图要求
将拍摄的照片在图象处理软件中拼接，不能出现有透视太大的图象，不能出现接缝。

把制作好的贴图完全的贴附到扫描得到的模型上，注意贴图要和模型完全的组合在一起，不能出现错位，贴图拉伸等错误，图片接缝处要特别处理得到光滑的过渡效果。

对贴图的整体要求是达到原始物体的效果，从形状到颜色，都以原始物体为标准，做到尽可能的精确。

7.6 自动纹理贴图
一些彩色扫描仪采集几何模型的同时能采集纹理图像，纹理采集相机与几何采集相机同时标定，并且能将纹理图像自动贴附到几何模型上，实现数据采集、几何建模及纹理贴图的高效整合，得到高质量的带纹理三维模型。

建议采用此类设备进行三维数据采集。

8 三维数字化结果的评价
8.1 流程评价
在三维数字化流程中，建议采用集三维点云数据采集、几何建模和纹理贴图为一体的集成数据采集系统。

流程中尽可能减少软硬件系统之间的数据交换及人为参与。

8.2 特征表现评价
最终生成的三维模型中要包含需要表现的待测物体特征。

8.3 完整性评价
最终生成的模型上无漏洞、无拓扑错误、无多层数据等。

8.4 数据存储量大小评价
最终数据存储大小能用于分析、展示、浏览等。

8.5 贴图质量评价
贴图与几何模型要实现精确对应。

贴图是否存在错位、拉伸、接缝是否光滑过渡。

9 三维数字化结果的输出与保存
9.1 数字采集记录表
对每个对象的扫描完成后，需提交《三维数据采集记录表》，格式见表1。

表1
9.2 三维模型的输出
保存仪器的原始测量工程文件。

最终输出接口要求为通用格式。

a) 点云数据：ASC、PTX、TXT、XYZ等格式；
b) 照片：TIFF、JPEG等格式；
c) 几何模型：STL、OBJ、PLY等格式；
d) 带纹理模型：OBJ、WRL、3DS等格式。

9.3 数据的备份
三维数据采集过程中，每天需对数据进行备份，保存在专用的数据存储设备上。

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