北科大联手海外团队开发用于文物保护的新型3D扫描技术，可清晰展示边缘特征
时间:2024-11-13 08:58 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
2024年11月12日，来自北京科技大学和日本立命馆大学（RitsumeikanUniversity）的研究人员开发了一种先进的边缘突出扫描技术，旨在提高可视化3D扫描物体的清晰度。新扫描技术能够更清晰地呈现复杂的 3D 物体，这对于保存和研究文化文物具有巨大的应用价值。
研究团队由田中聪教授领导，主要成员包括山田由里女士、高鸟聪博士和李亮教授。新方法通过分别强调复杂点云数据中的锐利和柔和边缘来解决常见的可视化问题，克服了传统方法的局限性。相关研究以题为“High-Visibility Edge-Highlighting Visualization of 3D Scanned PointClouds Based on Dual 3D Edge Extraction”发表在《RemoteSensing》杂志上。
田中教授在解释这项研究的广泛意义时指出：“我们的 3D 边缘提取方法不仅仅是一种改进，而是一种扩展技术，可以捕捉传统方法未涵盖的区域。对于考古学家和历史学家来说，这种工具为文化遗产对象的专业视觉分析开辟了新的可能性。对于普通民众来说，它提供了对历史文化遗址的更深入了解，是一种增强博物馆和美术馆展览的技术。”
△日本宫城县瑞岩寺洞穴 3D 扫描点云数据的双 3D 边缘提取。图片来自立命馆大学。
通过增强型 3D 扫描推进文化遗产可视化
随着 3D 扫描技术的快速发展，尤其是摄影测量和激光扫描，研究人员现在可以将复杂物体（包括文化文物）制作成详细的点云数据，并生成精确的数字表示。这些扫描可以深入分析结构细节，但在可视化方面可能存在挑战，因为传统的边缘突出显示方法通常会产生过多的线条，从而降低视觉清晰度。
为了应对这些挑战，研究团队开发了一种双边缘突出显示方法。这种双边缘提取技术使用单独的阈值来区分尖锐边缘和较柔和的圆边。
通过高曲率区域可识别出更锐利的边缘，而圆形或更细微轮廓中必不可少的软边缘则用次级阈值表示。通过对每个区域应用不同的可视化技术，团队可以捕捉到更全面的细节，而不会出现软边缘可视化为宽带时可能出现的混乱或厚度。
不透明度颜色渐变通过在柔和边缘内引入颜色和透明度渐变来进一步增强可视化效果，从而产生“光晕效果”，自然区分前边缘和背景边缘。深度感知因此得到显著改善，可以更清晰地观察复杂的内部结构。
为了实现这种高效的渲染，使用了基于随机点的渲染 (SPBR)，这种技术可以实现实时可视化，而无需 3D 处理中通常需要的密集深度排序。
在测试中，扫描技术被应用于高价值的文化遗产地，包括日本的玉城神社和印度尼西亚的婆罗浮屠寺。与传统的边缘突出显示相比，双边缘方法提供了更高的视觉清晰度，可以准确表示外部和内部结构，而不会增加计算时间。光晕效果和边缘变薄显著澄清了复杂的细节，这对保护文化遗产至关重要。
交互式渲染速度确保了扫描技术实时探索的功能，支持“透视”可视化等应用。新的扫描方法不依赖标准透明度，而是利用边缘清晰度将内部结构带入视野，而不会损失视觉深度，从而显著提高可理解性。
未来的改进将集中在完善阈值设定过程和扩展色彩渐变路径以进一步细化细微特征。机器学习的融入能够将 3D 修复与来自尖锐和柔和边缘的信息相结合，这对于以 2D 格式记录的文物进行数字重建特别有益。
这种新的可视化方法为 3D 扫描应用开辟了一条宝贵的途径，为研究人员提供了更精准的工具，以前所未有的清晰度和深度对文化遗产进行数字保存、分析和探索。
△对印度尼西亚婆罗浮屠寺（联合国教科文组织世界文化遗产）墙壁浮雕的 3D 扫描点云进行双 3D 边缘提取。图片来自立命馆大学。
用于文化保护的新型 3D 扫描方法
多年来，3D 扫描在文化保护方面的各种进展已被报道，凸显了这一技术的巨大应用潜力。早在 2022 年，乌克兰活动家就开始使用3D 扫描对受到俄罗斯军事行动威胁的文化遗产进行数字化保存。通过“备份乌克兰”计划，约 6,000 名志愿者使用 Polycam 应用程序捕捉纪念碑和历史遗迹的 3D 模型，保护它们免遭破坏。计划由联合创始人 Tao Thomsen 与联合国教科文组织和丹麦蓝盾公司合作发起，并迅速扩大。
此前在2018年，谷歌与致力于保护因冲突或自然灾害而面临风险的历史遗迹的非营利组织CyArk合作，在Google艺术与文化上启动了开放遗产项目。
借助 CyArk 的 3D 激光扫描专业知识，项目生成了高度详细的文化地标模型，可通过 Google 平台访问。利用 LiDAR 和摄影测量等先进技术，CyArk 实现了毫米级的精度，为未来的修复工作提供支持。作为 Google Arts& Culture 首次涉足 3D 遗址，OpenHeritage 还为有兴趣围绕这些数字文物创造沉浸式教育体验的开发者提供模型数据。
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