Culturele overblijfselen zijn de waardevolle historische rijkdom van het land, historisch onderzoek, wetenschappelijke begeleiding en andere aspecten van grote betekenis. Na verloop van tijd is schade aan culturele relikwieën echter vaak onvermijdelijk, wat zowel de natuurlijke verwering van de relikwieën zelf als accidentele vernietiging omvat.
In april 2019 leed de Franse Notre Dame de Paris de ergste brand ooit, waarbij de houten structuur aan de bovenkant van de kerk volledig werd verwoest, waardoor alleen stenen overblijfselen achterbleven en een enorme hoeveelheid schade. Gelukkig werd het digitale 3D-puntenwolkmodel van de Notre Dame vóór de vernietiging elektronisch gearchiveerd, wat voldoende en nauwkeurige gegevens opleverde ter ondersteuning van de reconstructie van de beschadigde delen van de Notre Dame, die één voor één kunnen worden hersteld op basis van de bestaande gegevens.
Laserscanning en een gedigitaliseerd 3D-archiefmodel kunnen helpen bij het behoud en de restauratie van erfgoed, en zorgen voor de authenticiteit en nauwkeurigheid van de restauratie. Relevante onderzoekers hebben de toepassing van de 3D-laserscanner op het gebied van de bescherming van culturele relikwieën in China samengevat vanuit de aspecten van technologische ontwikkeling, werkingsprincipe en prestaties. Zhang Xiaoqing et al. bestudeerde de toepassing van 3D-printen bij de reconstructie van culturele overblijfselen vanuit de aspecten van 3D-laserscanning en modelleringsgerelateerde technologie. Dit artikel beschrijft het basisproces van de digitalisering van de bescherming van culturele relikwieën vanuit het oogpunt van de combinatie van driedimensionale laserscanning en 3D-printen van twee technologieën, om de traditionele digitalisering van culturele relikwieën, informatieretentie en een nauwkeurig herstel van het probleem op te lossen.
Ten eerste het principe van werk
Laserscannen met behulp van contactloze scanmethode kan snel het doeloppervlak van de enorme gegevens verkrijgen, bij de bescherming van culturele relikwieën heeft het opmerkelijke voordelen. Driedimensionale laserscanning vindt voornamelijk plaats via de snelle laserscanning-meetmethode, in de vorm van een puntenwolk om de reeks geometrische beeldgegevens op het oppervlak van het object te verkrijgen. De door traditionele metingen verkregen gegevens hebben uiteindelijk een tweedimensionale vorm, dankzij de gepresenteerde tekeningen. In tegenstelling tot traditionele metingen verkrijgt 3D-laserscannen gegevens in een driedimensionale vorm, die niet alleen informatie bevat over de vlakke positie en hoogte, maar ook RGB-kleur- en reflectie-informatie van het te testen object. Daarom is de informatie die wordt verkregen door 3D-laserscannen zeer uitgebreid.
De 3D-laserscanner gebruikt een laser als emitterende lichtbron om het object te meten in overeenstemming met een bepaalde horizontale en verticale scanresolutie, en gebruikt een contactloze methode om de oppervlaktegegevens van het gemeten object te verkrijgen. Het principe van de berekening van ruimtelijke puntcoördinaten wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De laser wordt gebruikt om de afstand S van het te meten object tot het scancentrum te verkrijgen, en vervolgens wordt de nauwkeurige klokgestuurde encoder die in het apparaat is ingebouwd gebruikt om synchroon de observatiewaarde van de horizontale scanhoek en de observatiewaarde van de longitudinale scanhoek te meten. elke laserpuls, en de ruimtelijke driedimensionale coördinaten van het gemeten punt kunnen worden berekend via de ruimtelijke driedimensionale geometrische relatie met behulp van een lijnelement en twee hoekelementen. X-, Y-, Z-coördinaten van het ruimtelijke punt. De gegevens die worden verkregen door 3D-laserscannen bevinden zich meestal in een afzonderlijk coördinatensysteem binnen de apparatuur, met de X-as in het transversale scanvlak, de YY-as in het transversale scanvlak loodrecht op de X-as, en de Z-as loodrecht op het transversale scanvlak.
Bovenstaand principediagram van berekening van ruimtelijke puntcoördinaten
3D-printtechnologie is het printen van driedimensionale objecten, het gebruik van het snijden en vervolgens opnieuw opbouwen van het herstel van het traject, het smelten van grondstoffen bij hoge temperatuur om het principe van trajectstapeling te volgen om het digitale model te herstellen. 3D-printtechnologie verscheen halverwege{{ 3}}s is in feite het gebruik van lichtuitharding en papierlaminering en andere technologieën, zoals het nieuwste apparaat voor additieve productie. Het is in principe hetzelfde werkingsprincipe als bij gewoon printen, waarbij de printer metaal, keramiek, plastic, zand en andere verschillende materialen zoals grondstoffen gebruikt, verbonden met de computer, via het computergestuurde snijtraject, de grondstoffen laag voor laag volgens naar het traject van de bottom-up stack, en uiteindelijk de computer op het scannen van een digitaal driedimensionaal elektronisch model naar een fysiek object.
Ten tweede de analyse van technische voordelen
Driedimensionaal laserscannen heeft een hoge snelheid (bijna 1 miljoen punten per seconde), hoeft geen contact te maken met het doel (contactloze meting), grote hoeveelheid gegevens, hoge nauwkeurigheid en andere kenmerken. Onder hen kan contactloze meting enorme gegevens over het oppervlak van het gemeten object verkrijgen, waardoor contactschade aan culturele relikwieën tijdens het digitaliseringsproces van culturele relikwieën effectief wordt vermeden. Tegelijkertijd kan, hoe complex de structuur van het gemeten doel ook is, deze worden verkregen in overeenstemming met het oorspronkelijke uiterlijk. De meetnauwkeurigheid van 3D-laserscannen kan millimeterniveau of zelfs submillimeterniveau bereiken, waardoor het oorspronkelijke uiterlijk van culturele relikwieën nauwkeurig kan worden vastgelegd en zeer nauwkeurige 3D-gedigitaliseerde modellen kunnen worden verkregen voor archivering. Het gebruik van 3D-printtechnologie kan worden gescand na de gearchiveerde, uiterst nauwkeurige gedigitaliseerde culturele relikwieën voor passende aanpassingen en aanpassingen, het gebruik van 3D-printers om het model af te drukken en vervolgens het polijsten, kleuren en andere nabewerking van het model, om een kopie van de culturele relikwieën verkrijgen. 3D-printtechnologie is het voordeel van het model in een hoge snelheid, het model van de hoge precisie van de restauratie kan naadloos worden aangesloten op de laserscanning. Daarom heeft de combinatie van driedimensionale laserscanning en 3D-printtechnologie die wordt gebruikt bij de digitalisering van culturele relikwieën en restauratie een uniek voordeel.
Ten derde het basisproces
Het gecombineerde gebruik van driedimensionale laserscanning en 3D-printen om de digitalisering en het herstel van culturele relikwieën te helpen, is de huidige reguliere ontwikkelingstrend. Het gemeten doel heeft een korte afstand, hoge nauwkeurigheidseisen, toegepast op de bescherming van culturele overblijfselen van driedimensionale laserscanning, meestal geselecteerd in de hand of station-dragend en het principe van faseverschil om het doel van de instrumentatie te verkrijgen. Het basisproces omvat voornamelijk doelimplementatie, data-acquisitie, modelsplitsing, modelverwerking, modelsplitsing, 3D-printen en andere aspecten, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Neem de Zhaozhou-brug als voorbeeld om de processtroom in verschillende fasen te illustreren.
3.1 Doelen leggen
Leg gelijkmatig bolvormige doelen rond de brug, met niet minder dan 3 paar doelen tussen twee aangrenzende stations. Er bevinden zich 3 paar bolvormige doelen op verschillende hoogtes, verspringend om te voorkomen dat ze op dezelfde rechte lijn worden geplaatst, om te voorkomen dat u in een later stadium niet de basis kunt vinden voor de uitlijning van de aangrenzende gegevens met dezelfde naam.
3.2 Gegevensverzameling
Selecteer de juiste hoek, stel de driedimensionale laserscanner met station in, stel de scanresolutie op het apparaat in en de manier waarop de camera fotografeert, controleer de scantijd en voer 360 graden niet-directioneel scannen van het doel uit. Het scannen van het doel is voltooid, controleer de nauwkeurigheid van het scannen van de doelbal, bevestig of deze voldoet aan de voorwaarden voor het gebruik van de puntenwolk aan het oppervlak om in de sferische coördinaten te passen. Als de nauwkeurigheid niet voldoende is, moet u gericht scannen met hoge resolutie uitvoeren het bolvormige doel. Controleer herhaaldelijk totdat aan de voorwaarden voor montage in het midden van de bol is voldaan.
3.3 Modelsplitsing
Volgens het werkingsprincipe van laserscannen bevinden de gegevens die door naburige stations worden verkregen zich in verschillende onafhankelijke coördinatensystemen. Het is noodzakelijk om het principe van ICP en andere gerelateerde algoritmen te gebruiken om het coördinatensysteem van gegevens van meerdere stations te verenigen, dat wil zeggen door de rotatiematrix tussen de cloudgegevens van aangrenzende stations te berekenen om de modeluitlijning te voltooien en het volledige punt te verkrijgen wolkenmodel van het bruglichaam.
3.4 Modelverwerking
Na het verwijderen van ruis, stroomlijning, segmentatie en kenmerkextractie van het puntenwolkmodel van het bruglichaam verkregen na uitlijning, worden de oppervlaktegegevens gemodelleerd en gereconstrueerd, en neemt de modelreconstructie gewoonlijk de manier aan waarbij de puntenwolk wordt gebruikt om het raster te construeren. voor gebogen culturele relikwieën. Deze methode heeft een hoge nauwkeurigheid, goede oppervlaktepassing en hoge automatisering. Het gereconstrueerde brugrastermodel wordt verwerkt door skinning, gatvulling, rasterreparatie, gladmaken, verscherpen, texture mapping, enz., om het digitale driedimensionale elektronische model van de brug te verkrijgen, te archiveren en op te slaan in de database.
3.5 Modelsnijden en 3D-printen
Met behulp van 3D-printtechnologie wordt het gearchiveerde, uiterst nauwkeurige gedigitaliseerde elektronische culturele relikwieënmodel op de juiste manier aangepast en aangepast, en wordt de computer gebruikt voor het snijden van modellen, het berekenen van het printhersteltraject en het genereren van G-code. Afhankelijk van het materiaaltype van culturele relikwieën om de juiste 3D-printer en grondstoffen te selecteren, G-code-invoer naar de 3D-printer, gebruikt de printer de mondstuk bij hoge temperatuur smeltende grondstoffen om het traject van het principe van laag-voor-laag stapelen te volgen van het digitale model wordt hersteld naar het echte werk. Het fysieke object kan worden gebruikt voor echte culturele relikwieën, beschadigd deel van de restauratie, kan ook worden gebruikt om de tentoonstelling te bezoeken in plaats van echte culturele relikwieën.
De gefaseerde procesresultaten van de Zhaozhou Bridge worden hieronder weergegeven.
3.6 Aanvullend herstel van gegevens
Bij het scannen met de stationdragende 3D-laserscanner is het onvermijdelijk dat er gaten in de data ontstaan, en het gebrek aan data zal problemen opleveren bij het opzetten van digitale modellen en 3D-printen. Dergelijke problemen kunnen op twee manieren worden opgelost. Een daarvan is naast het eenmalige gebruik van stationdragend scannen, met de draagbare 3D-laserscansynchronisatie, scanhoekproblemen veroorzaakt door gegevenshiaten kunnen worden aangevuld door de draagbare scanner, flexibel en handig. De andere is het aanvullen en repareren van de ontbrekende gegevens tijdens de gegevensverwerking, inclusief mesh-optimalisatie, het vullen van gaten, gladmaken en verscherpen en andere middelen. Onder hen is het vullen van gaten het meest kritisch, inclusief kromming, raaklijn, vlak, interne gaten, grensgaten, overbrugging en vele andere methoden. Vergeleken met de traditionele restauratiemethoden kunt u door middel van driedimensionale laserscanning om gegevens met hoge precisie te verkrijgen, een realistischer digitaal driedimensionaal model opstellen, door gebruik te maken van software voor virtuele restauratie, om een verscheidenheid aan restauratie-effecten te bieden dan de selectie, als basis voor het verbeteren van het echte restauratieprogramma. Virtuele restauratie omvat voornamelijk culturele relikwieën, materiaal, opvulling van lichaamsopeningen, reparatie van schilderijen, restauratie van textuur, enzovoort. Na reparatie wordt het model glad en glad en heeft het duidelijke contouren.
Conclusie en vooruitzicht
4.1 Conclusie
Door de combinatie van driedimensionale laserscanning en 3D-printtechnologie worden de huidige situatie van bescherming en restauratie van culturele relikwieën, het werkingsprincipe, het basisproces en de voordelen ervan beschreven. Driedimensionale laserscanningreparatie van culturele relikwieën wordt niet alleen met hoge precisie hersteld, maar kan ook secundaire schade aan culturele relikwieën tijdens het digitaliseringsproces van culturele relikwieën effectief voorkomen. Het proces heeft unieke voordelen op het gebied van bescherming en herstel van culturele relikwieën, en kan de traditionele relikwieën van culturele relikwieën, digitale informatieretentie en nauwkeurig herstel van het probleem, oplossen. Op dit moment beeldhouwt Dunhuang Mogao Grottoes opeenvolgend gebruik van laserscanning en 3D-printtechnologie om de digitale archivering van culturele relikwieën en reproductie van culturele relikwieën te bereiken, de technologie wordt geleidelijk volwassen, de diversiteit van het proces wordt geleidelijk verbeterd.
4.2 Vooruitzichten
Op dit moment zijn de problemen die verder moeten worden opgelost de diversificatie van de grondstoffen voor 3D-printen, het aantal 3D-printerspuitmonden en het volume van 3D-printen om de efficiëntie en bruikbaarheid van 3D-printen verder te verbeteren. Tegelijkertijd kan de laserscanning in combinatie met 3D-printtechnologie worden geïntegreerd in hyperspectrale technologie op basis van laserscanning, het laserscannen van zeer nauwkeurige modellen en zeer nauwkeurige textuur verkregen door close-up fotogrammetrie-integratie, kunt u realiseren het model van culturele relikwieën en de kleur van de uiterst nauwkeurige dubbele restauratie en reparatie, wat van grote praktische betekenis is voor de bescherming en restauratie van culturele relikwieën. Na het scannen van het digitale archief van het elektronische puntenwolkmodel kunnen culturele relikwieën in de database worden opgeslagen, via internet en cloudopslagtechnologie, gecombineerd met virtual reality VR-technologie, om een online digitaal museum te bouwen, zodat toeristen kunnen worden gerealiseerd zonder te vertrekken thuis om het online browsen te bezoeken. 3D-printen van culturele relikwieën kan ook worden gebruikt voor het daadwerkelijk tentoonstellen van culturele relikwieën en de daaraan gerelateerde industrieën rond het thema onderwijs. De popularisering en toepassing van deze technologie is van groot belang.
