Kulturlämningar är landets värdefulla historiska rikedom, historisk forskning, vetenskaplig vägledning och andra aspekter av stor betydelse. Men med tidens gång är skador på kulturlämningar ofta oundvikliga, vilket inkluderar både den naturliga vittringen av själva relikerna och oavsiktlig förstörelse.
I april 2019 drabbades Frankrikes Notre Dame de Paris av sin värsta brand någonsin, med träkonstruktionen längst upp i kyrkan totalförstörd och lämnade bara stenrester efter sig och en enorm mängd skador. Lyckligtvis arkiverades den digitala 3D-punktmolnmodellen av Notre Dame elektroniskt innan den förstördes, vilket gav tillräcklig och korrekt data för att stödja återuppbyggnaden av de skadade delarna av Notre Dame, som kan återställas en efter en baserat på befintliga data.
Laserskanning och digitaliserad 3D-arkivmodell kan hjälpa till att bevara och restaurera arvet och säkerställa äktheten och noggrannheten i restaureringen. Relevanta forskare sammanfattade tillämpningen av 3D-laserskanner inom området för skydd av kulturreliker i Kina från aspekter av teknisk utveckling, arbetsprincip och prestationer. Zhang Xiaoqing et al. studerade tillämpningen av 3D-utskrift vid rekonstruktion av kulturlämningar från aspekterna av 3D-laserskanning och modelleringsrelaterad teknologi. Detta dokument beskriver den grundläggande processen för digitalisering av kulturlämningar skydd från synvinkeln av kombinationen av tredimensionell laserskanning och 3D-utskrift två tekniker, för att lösa de traditionella kulturlämningar digitalisering informationslagring och korrekt restaurering av problemet.
Först, principen om arbete
Laserskanning med hjälp av beröringsfri skanningsmetod, kan snabbt få målytan av den massiva data, i skyddet av kulturlämningar har enastående fördelar. Tredimensionell laserskanning sker huvudsakligen genom mätmetoden för höghastighetslaserskanning, i form av ett punktmoln för att erhålla en rad geometriska bilddata på objektets yta. Data som erhålls genom traditionell mätning är i slutändan tvådimensionell form, genom de presenterade ritningarna. Till skillnad från traditionella mätningar, samlar 3D-laserskanning in data i en tredimensionell form, som inte bara innehåller information om plan position och höjd, utan även RGB-färg- och reflektansinformation för föremålet som testas. Därför är informationen som erhålls genom 3D-laserskanning mycket omfattande.
3D-laserskannern använder en laser som emitterande ljuskälla för att mäta objektet i enlighet med en viss horisontell och vertikal skanningsupplösning, och antar en beröringsfri metod för att erhålla ytdata för det uppmätta objektet. Principen för beräkning av rumsliga punktkoordinater visas i figuren nedan. Lasern används för att erhålla avståndet S från objektet som ska mätas till skanningscentrumet, och sedan används den precisionsklockstyrda kodaren inbyggd inuti enheten för att synkront mäta det horisontella avsökningsvinkelns observationsvärde och det longitudinella avsökningsvinkelns observationsvärde för varje laserpuls, och de rumsliga tredimensionella koordinaterna för den uppmätta punkten kan beräknas genom det rumsliga tredimensionella geometriska förhållandet med användning av ett linjeelement och två vinkelelement. X, Y, Z-koordinater för den rumsliga punkten. Data som samlas in genom 3D-laserskanning finns vanligtvis i ett separat koordinatsystem inom utrustningen, med X-axeln i det tvärgående skanningsplanet, YY-axeln i det tvärgående skanningsplanet vinkelrätt mot X-axeln och Z-axeln vinkelrätt mot det tvärgående avsökningsplanet.
Ovan Principdiagram för beräkning av rumsliga punktkoordinater
3D-utskriftsteknik är att skriva ut tredimensionella objekt, användning av skivning och sedan återuppbygga restaurering av bana, hög temperatur smältande råmaterial för att följa principen om bana stapling för att återställa den digitala modellen.3D-utskriftsteknik dök upp i mitten{{ 3}}s är i själva verket användningen av ljushärdning och papperslaminering och andra tekniker som den senaste tillsatstillverkningsenheten. Det är i princip samma arbetsprincip med vanligt tryck, skrivaren använder metall, keramik, plast, sand och andra olika material såsom råmaterial, kopplad till datorn, genom den datorstyrda skivningsbanan, råvarorna lager för lager enl. till banan för bottom-up-stacken, och i slutändan datorn på skanning av digital tredimensionell elektronisk modell till ett fysiskt objekt.
För det andra analysen av tekniska fördelar
Tredimensionell laserskanning har en snabb hastighet (nästan 1 miljon punkter per sekund), behöver inte kontakta målet (beröringsfri mätning), stor mängd data, hög noggrannhet och andra egenskaper. Bland dem kan beröringsfri mätning erhålla massiva data på ytan av det uppmätta objektet, vilket effektivt undviker kontaktskador på kulturlämningar i processen för digitalisering av kulturlämningar. Samtidigt, oavsett hur komplex strukturen hos det uppmätta målet är, kan det förvärvas i enlighet med det ursprungliga utseendet. Mätnoggrannheten för 3D-laserskanning kan nå millimeternivå eller till och med submillimeternivå, vilket exakt kan registrera det ursprungliga utseendet på kulturlämningar och erhålla högprecisions 3D-digitaliserade modeller för arkivering. Användningen av 3D-utskriftsteknik kan skannas efter arkiverade högprecisions digitaliserade kulturlämningar för lämpliga justeringar och modifieringar, användning av 3D-skrivare för att skriva ut modellen, och sedan polering, färgning och annan efterbearbetning av modellen, för att skaffa en kopia av kulturlämningarna. 3D-utskriftsteknik är fördelen med modellen till en hög hastighet, modellen av hög precision av restaureringen kan kopplas sömlöst till laserskanning. Därför har kombinationen av tredimensionell laserskanning och 3D-utskriftsteknik som används vid digitalisering av kulturlämningar och restaurering en unik fördel.
För det tredje, den grundläggande processen
Användningen av tredimensionell laserskanning och 3D-utskrift kombinerat för att hjälpa kulturlämningar digitalisering och restaurering av fältet är den nuvarande vanliga utvecklingstrenden. Det uppmätta målet har ett kort avstånd, höga krav på noggrannhet, som tillämpas på skyddet av kulturella reliker av tredimensionell laserskanning väljs vanligtvis handhållen eller stationsbärande och principen om fasskillnad för att erhålla målet för instrumenteringen. Den grundläggande processen inkluderar huvudsakligen målutrullning, datainsamling, modellskarvning, modellbearbetning, modellutskärning, 3D-utskrift och andra aspekter, som visas i figuren nedan. Ta Zhaozhou Bridge som ett exempel för att illustrera processflödet i olika stadier.
3.1 Målläggning
Lägg sfäriska mål enhetligt runt bron, med inte mindre än 3 par mål mellan två närliggande stationer. 3 par sfäriska mål är placerade på olika höjder, förskjutna för att undvika att placera dem på samma räta linje, för att undvika att man inte kan hitta grunden för anpassning av närliggande data med samma namn i ett senare skede.
3.2 Datainsamling
Välj lämplig vinkel, ställ in den stationsbärande tredimensionella laserskannern, ställ in scanningsupplösningen på enheten och hur kameran skjuter, kontrollera scanningstiden och utför 360 graders icke-riktad scanning av målet. Målavsökningen är klar, kontrollera noggrannheten av målbollsskanningen, bekräfta om den uppfyller villkoren för att använda ytpunktmolnet för att passa de sfäriska koordinaterna, om noggrannheten inte är tillräcklig måste du utföra högupplöst riktningsskanning av det sfäriska målet. Kontrollera upprepade gånger tills villkoren för montering av sfärens mitt är uppfyllda.
3.3 Modellskarvning
Enligt arbetsprincipen för laserskanning finns data som förvärvats av angränsande stationer i olika oberoende koordinatsystem. Det är nödvändigt att använda principen för ICP och andra relaterade algoritmer för att förena koordinatsystemet för multistationsdata, det vill säga genom att beräkna rotationsmatrisen mellan molndata från angränsande stationer för att slutföra modellanpassningen och få den fullständiga punkten molnmodell av brokroppen.
3.4 Modellbearbetning
Efter avbrusning, strömlinjeformning, segmentering och särdragsextraktion av brokroppens punktmolnmodell som erhållits efter justering, modelleras och rekonstrueras ytdata, och modellrekonstruktionen använder vanligtvis sättet att använda punktmolnet för att konstruera rutnätet för böjda kulturlämningar. Denna metod har hög noggrannhet, bra ytpassning och hög automatisering. Den rekonstruerade brorutnätsmodellen bearbetas genom skinning, hålfyllning, gallerreparation, utjämning, skärpning, texturkartläggning, etc., för att erhålla den digitala tredimensionella elektroniska modellen av bron och arkivera den och spara den i databasen.
3.5 Modellskärning och 3D-utskrift
Med hjälp av 3D-utskriftsteknik justeras och modifieras den arkiverade högprecisionsdigitaliserade elektroniska kulturlämningsmodellen på lämpligt sätt, och datorn används för modellskärning, beräkning av utskriftsrestaureringsbanan och generering av G-kod. Enligt materialtypen av kulturlämningar för att välja lämplig 3D-skrivare och råmaterial, G-kodinmatning till 3D-skrivaren, använder skrivaren munstycket högtemperatursmältande råmaterial för att följa banan för principen om lager-för-lager stapling av den digitala modellen återställs till den verkliga varan. Det fysiska föremålet kan användas för verkliga kulturlämningar skadade del av restaureringen, kan också användas för att besöka utställningen istället för riktiga kulturlämningar.
Zhaozhou Bridge fasade processresultat visas nedan.
3.6 Kompletterande dataåterställning
När man skannar med den stationsbärande 3D-laserskannern är det oundvikligt att datakryphål uppstår, och bristen på data kommer att medföra svårigheter vid etableringen av digitala modeller och 3D-utskrift. Sådana problem kan lösas på två sätt. En är utöver den enda användningen av stationsbärande skanning, med den handhållna 3D-laserskanningssynkroniseringen, kan skanningsvinkelproblem orsakade av dataluckor kompletteras med den handhållna skannern, flexibelt och bekvämt. Den andra är att komplettera och reparera de saknade uppgifterna under databehandlingen, inklusive nätoptimering, hålfyllning, utjämning och skärpning och andra medel. Bland dem är hålfyllning den mest kritiska, inklusive krökning, tangent, plan, inre hål, gränshål, överbryggning och många andra metoder. Jämfört med de traditionella restaureringsmetoderna, genom den tredimensionella laserskanningen för att erhålla högprecisionsdata, kan du skapa en mer realistisk digital tredimensionell modell, användningen av programvara för virtuell restaurering, för att ge en mängd olika restaureringseffekter än urval, som en grund för att förbättra det verkliga restaureringsprogrammet. Virtuell restaurering innehåller huvudsakligen kulturlämningar material fyllning av kroppsluckor, målningsreparation, texturrestaurering och så vidare. Efter reparation blir modellen slät och jämn och klara konturer.
Slutsats och utsikter
4.1 Slutsats
Genom kombinationen av tredimensionell laserskanning och 3D-utskriftsteknik beskrivs den nuvarande situationen för skydd och restaurering av kulturlämningar, arbetsprincipen, den grundläggande processen och dess fördelar. Tredimensionell laserskanningsreparation av kulturlämningar återställs inte bara med hög precision, utan kan också effektivt undvika sekundära skador på kulturlämningar i processen för digitalisering av kulturlämningar. Processen har unika fördelar när det gäller skydd och restaurering av kulturlämningar, och kan lösa traditionella kulturlämningar digital informationslagring och korrekt restaurering av problemet. För närvarande Dunhuang Mogao Grottoes skulptur successiv användning av laserskanning och 3D-utskriftsteknik för att uppnå digital arkivering av kulturlämningar och kulturlämningar reproduktion, tekniken mognar gradvis, mångfalden av processen förbättras gradvis.
4.2 Utsikter
För närvarande är problemen som behöver lösas ytterligare diversifieringen av 3D-utskriftsråmaterial, antalet 3D-skrivarmunstycken och volymen av 3D-utskrift för att ytterligare förbättra effektiviteten och praktiska 3D-utskrifter. Samtidigt kan laserskanning kombinerad med 3D-utskriftsteknik integreras i hyperspektral teknologi på basis av laserskanning, laserskanning av högprecisionsmodeller och högprecisionstextur erhållen från närbildsfotogrammetriintegration, kan du inse kulturlämningsmodellen och färgen på den högprecisionsdubbla restaureringen och reparationen, vilket har stor praktisk betydelse för kulturlämningsskydd och restaurering. Efter att ha skannat det digitala arkivet av den elektroniska punktmolnets kulturrelikmodell kan lagras i databasen, via Internet och molnlagringsteknik, kombinerat med virtuell verklighet VR-teknik, för att bygga ett online digitalt museum, så att turister kan förverkligas utan att lämna hem för att besöka webbsurfandet. 3D-utskrift av kulturlämningar kan också användas för själva utställningen av kulturlämningar och relaterade industrier av temat utbildning. Populariseringen och tillämpningen av denna teknik är av stor betydelse.
