Культурні реліквії - це цінне історичне багатство країни, історичні дослідження, наукове керівництво та інші аспекти великого значення. Однак з плином часу пошкодження культурних реліквій часто неминуче, що включає як природне вивітрювання самих реліквій, так і випадкове знищення.
У квітні 2019 року у соборі Паризької Богоматері у Франції сталася найсильніша пожежа в історії: дерев’яна конструкція у верхній частині церкви була повністю знищена, залишивши лише залишки каменю, і величезну кількість пошкоджень. На щастя, цифрова 3D-модель хмари точок Нотр-Даму була заархівована в електронному вигляді перед її знищенням, що надає достатні та точні дані для підтримки реконструкції пошкоджених частин Нотр-Даму, які можна відновити одну за одною на основі наявних даних.
Лазерне сканування та оцифрована 3D-модель архіву можуть допомогти у збереженні та реставрації спадщини, а також забезпечити автентичність і точність реставрації. Відповідні дослідники узагальнили застосування 3D-лазерного сканера в галузі охорони культурних реліквій у Китаї з точки зору розвитку технологій, принципу роботи та досягнень. Чжан Сяоцін та ін. вивчав застосування 3D-друку в реконструкції культурних реліквій з точки зору технології 3D-лазерного сканування та моделювання. У цьому документі описано основний процес оцифрування охорони культурних реліквій з точки зору поєднання двох технологій тривимірного лазерного сканування та 3D-друку, щоб вирішити проблему збереження інформації оцифрування традиційних культурних реліквій та точного відновлення проблеми.
По-перше, принцип роботи
Лазерне сканування з використанням методу безконтактного сканування дозволяє швидко отримати цільову поверхню масивних даних, у захисті культурних реліквій має видатні переваги. Тривимірне лазерне сканування в основному здійснюється за допомогою високошвидкісного методу вимірювання лазерного сканування у формі хмари точок для отримання масиву даних геометричного зображення на поверхні об’єкта. Дані, отримані за допомогою традиційних вимірювань, є в кінцевому рахунку двовимірною формою через представлені малюнки. На відміну від традиційних вимірювань, 3D-лазерне сканування отримує дані в тривимірній формі, яка містить не тільки інформацію про планарне положення та висоту, але також інформацію про колір RGB і коефіцієнт відбиття об’єкта, що тестується. Тому інформація, отримана за допомогою 3D лазерного сканування, є дуже вичерпною.
3D-лазерний сканер використовує лазер як джерело випромінювання світла для вимірювання об’єкта відповідно до певної горизонтальної та вертикальної роздільної здатності сканування та використовує безконтактний метод для отримання даних поверхні вимірюваного об’єкта. Принцип обчислення просторових координат точки показаний на малюнку нижче. Лазер використовується для визначення відстані S від об’єкта, який потрібно виміряти, до центру сканування, а потім вбудований у пристрій прецизійний кодер, керований годинником, використовується для синхронного вимірювання значення спостереження горизонтального кута сканування та значення спостереження поздовжнього кута сканування кожен лазерний імпульс, і просторові тривимірні координати виміряної точки можуть бути обчислені за допомогою просторового тривимірного геометричного співвідношення з використанням лінійного елемента та двох кутових елементів. X, Y, Z координати просторової точки. Дані, отримані за допомогою 3D-лазерного сканування, зазвичай знаходяться в окремій системі координат всередині обладнання з віссю X у поперечній площині сканування, віссю YY у поперечній площині сканування, перпендикулярній до осі X, і віссю Z перпендикулярно до поперечної площини сканування.
Вище Принципова схема обчислення просторових координат точки
Технологія 3D-друку полягає в тому, щоб друкувати тривимірні об’єкти, використовувати нарізку та потім відновлювати відновлення траєкторії, високотемпературне плавлення сировини, щоб слідувати принципу укладання траєкторії для відновлення цифрової моделі. Технологія 3D-друку з’явилася в середині{{ 3}}s, по суті, це використання світлового затвердіння та ламінування паперу та інших технологій, таких як новітній пристрій для виробництва добавок. В основному це той самий принцип роботи, що й звичайний друк, принтер використовує метал, кераміку, пластик, пісок та інші різні матеріали, такі як сировина, підключена до комп’ютера, через траєкторію нарізання, керовану комп’ютером, сировину шар за шаром відповідно до траєкторії стека «знизу вгору» і, зрештою, до комп’ютера щодо сканування цифрової тривимірної електронної моделі у фізичний об’єкт.
По-друге, аналіз технічних переваг
Тривимірне лазерне сканування має високу швидкість (близько 1 млн точок за секунду), відсутність необхідності контакту з ціллю (безконтактне вимірювання), великий обсяг даних, високу точність та інші характеристики. Серед них безконтактне вимірювання може отримати масивні дані на поверхні вимірюваного об’єкта, ефективно уникаючи контактного пошкодження культурних реліквій у процесі оцифрування культурних реліквій. У той же час, якою б складною не була структура вимірюваної мішені, її можна придбати відповідно до початкового вигляду. Точність вимірювання 3D лазерного сканування може досягати міліметрового рівня або навіть субміліметрового рівня, що дозволяє точно зафіксувати оригінальний вигляд культурних реліквій і отримати високоточні 3D оцифровані моделі для архівування. Використання технології 3D-друку може бути відскановано після архівованих високоточних оцифрованих культурних реліквій для відповідних коригувань і модифікацій, використання 3D-принтерів для друку моделі, а потім полірування, фарбування та іншої пост-обробки моделі, щоб отримати копію культурних реліквій. Технологія 3D-друку є перевагою моделі у високій швидкості, модель високої точності реставрації може бути плавно підключена до лазерного сканування. Тому поєднання тривимірного лазерного сканування та технології 3D-друку, що використовується при оцифровці культурних реліквій та реставрації, має унікальну перевагу.
По-третє, основний процес
Використання тривимірного лазерного сканування та 3D-друку в поєднанні, щоб допомогти оцифрувати культурні реліквії та відновити поле, є поточною основною тенденцією розвитку. Вимірювана ціль має коротку відстань, високі вимоги до точності, застосовується для захисту культурних реліквій тривимірного лазерного сканування, як правило, вибирається портативним або станційним перенесенням і принципом різниці фаз для отримання цілі приладів. Основний процес в основному включає розгортання цілі, збір даних, зрощування моделі, обробку моделі, нарізку моделі, 3D-друк та інші аспекти, як показано на малюнку нижче. Візьмемо міст Чжаочжоу як приклад, щоб проілюструвати перебіг процесу на різних етапах.
3.1 Постановка цілей
Рівномірно розташуйте сферичні цілі навколо мосту, не менше 3 пар мішеней між двома сусідніми станціями. 3 пари сферичних мішеней розташовані на різних висотах у шаховому порядку, щоб уникнути розміщення їх на одній прямій лінії, щоб уникнути неможливості знайти основу для вирівнювання сусідніх даних з однаковою назвою на пізнішому етапі.
3.2 Збір даних
Виберіть відповідний ракурс, налаштуйте станційний тривимірний лазерний сканер, налаштуйте дозвіл сканування на пристрої та спосіб зйомки камери, контролюйте час сканування та виконайте ненаправлене сканування цілі на 360 градусів. Сканування цілі завершено, перевірте точність сканування кульки-мішені, підтвердьте, чи відповідає воно умовам використання хмари точок поверхні для підгонки сферичних координат, якщо точності недостатньо, потрібно виконати спрямоване сканування високої роздільної здатності сферична мішень. Повторно перевіряйте, доки не будуть виконані умови для підгонки центру сфери.
3.3 Сплайсинг моделі
Згідно з принципом роботи лазерного сканування, дані, отримані сусідніми станціями, знаходяться в різних незалежних системах координат. Необхідно використовувати принцип ICP та інші суміжні алгоритми для уніфікації системи координат даних кількох станцій, тобто шляхом розрахунку матриці обертання між хмарними даними сусідніх станцій для завершення вирівнювання моделі та отримання повної точки хмарна модель тіла мосту.
3.4 Обробка моделі
Після усунення шумів, оптимізації, сегментації та виділення ознак моделі хмари точок тіла моста, отриманої після вирівнювання, поверхневі дані моделюються та реконструюються, і реконструкція моделі зазвичай використовує спосіб використання хмари точок для побудови сітки для вигнутих культурних реліквій. Цей метод відрізняється високою точністю, хорошим приляганням до поверхні і високою автоматизацією. Реконструйована модель сітки мосту обробляється шляхом скінінгу, заповнення отворів, ремонту сітки, згладжування, підвищення різкості, нанесення текстури тощо, щоб отримати цифрову тривимірну електронну модель мосту та архівувати її та зберігати в базі даних.
3.5 Нарізка моделі та 3D друк
Використовуючи технологію 3D-друку, архівна високоточна оцифрована електронна модель культурних реліквій відповідним чином налаштовується та модифікується, а комп’ютер використовується для розрізання моделі, розрахунку траєкторії відновлення друку та генерації G-коду. Відповідно до типу матеріалу культурних реліквій для вибору відповідного 3D-принтера та сировини, введення G-коду в 3D-принтер, принтер використовує насадку для високотемпературного плавлення сировини, щоб слідувати траєкторії принципу пошарового укладання. цифрової моделі відновлено до реальної речі. Фізичний об'єкт може бути використаний для реальних культурних реліквій, пошкоджених частиною реставрації, також може бути використаний для відвідування виставки замість справжніх культурних реліквій.
Нижче наведено результати поетапного процесу мосту Чжаочжоу.
3.6 Додаткове відновлення даних
Під час сканування за допомогою станційного 3D-лазерного сканера неминуче виникнуть лазівки в даних, а відсутність даних створить труднощі для створення цифрових моделей і 3D-друку. Такі проблеми можна вирішити двома способами. Одна з них полягає в тому, що на додаток до одноразового сканування на станції, з портативною синхронізацією 3D-лазерного сканування, проблеми з кутом сканування, спричинені пропусками даних, можуть бути доповнені портативним сканером, гнучким і зручним. Інший – доповнити та виправити відсутні дані під час обробки даних, включаючи оптимізацію сітки, заповнення отворів, згладжування та підвищення різкості та інші засоби. Серед них заповнення отворів є найбільш критичним, включаючи кривизну, дотичну, площину, внутрішні отвори, граничні отвори, мости та багато інших методів. У порівнянні з традиційними методами реставрації за допомогою тривимірного лазерного сканування для отримання високоточних даних можна створити більш реалістичну цифрову тривимірну модель, використовуючи програмне забезпечення для віртуальної реставрації, щоб забезпечити різноманітні ефекти реставрації, ніж відбору, як основи вдосконалення реальної програми реставрації. Віртуальна реставрація в основному містить культурні реліквії, заповнюючи проміжки в корпусі, ремонт фарби, реставрацію текстури тощо. Після ремонту модель стає гладкою, з рівними і чіткими контурами.
Висновок і перспектива
4.1 Висновок
Завдяки поєднанню тривимірного лазерного сканування та технології 3D-друку описано поточний стан охорони та реставрації культурних реліквій, принцип роботи, основний процес та його переваги. Ремонт культурних реліквій за допомогою тривимірного лазерного сканування не тільки реставрується з високою точністю, але й дозволяє ефективно уникнути вторинного пошкодження культурних реліквій у процесі оцифровки культурних реліквій. Цей процес має унікальні переваги у сфері захисту та реставрації культурних реліквій і може вирішити проблему зберігання цифрової інформації традиційних культурних реліквій і точного відновлення. В даний час скульптури гротів Дуньхуан Могао послідовно використовують технології лазерного сканування та 3D-друку для досягнення цифрового архівування культурних реліквій і відтворення культурних реліквій, технологія поступово дозріває, різноманітність процесу поступово вдосконалюється.
4.2 Outlook
Наразі проблеми, які потребують подальшого вирішення, це диверсифікація сировини для 3D-друку, кількість сопел 3D-принтера та обсяг 3D-друку для подальшого підвищення ефективності та практичності 3D-друку. У той же час лазерне сканування в поєднанні з технологією 3D-друку можна інтегрувати в гіперспектральну технологію на основі лазерного сканування, лазерного сканування високоточних моделей і високоточної текстури, отриманої в результаті інтеграції фотограмметрії великим планом, ви можете реалізувати макет пам'яток культури та колір високоточної подвійної реставрації та ремонту, що має важливе практичне значення для охорони та реставрації пам'яток культури. Після сканування цифровий архів моделі культурних реліквій електронної хмари точок можна зберігати в базі даних через Інтернет і технологію хмарного зберігання в поєднанні з технологією віртуальної реальності VR, щоб побудувати онлайновий цифровий музей, щоб туристи могли бути реалізовані, не виходячи додому, щоб відвідати онлайн-перегляд. 3D-друк культурних реліквій також можна використовувати для фактичної виставки культурних реліквій і суміжних галузей теми освіти. Популяризація та застосування цієї технології має велике значення.
