Kultúrne pamiatky sú cenným historickým bohatstvom krajiny, historickým výskumom, vedeckým vedením a ďalšími aspektmi veľkého významu. S odstupom času sa však často nedá vyhnúť poškodeniu kultúrnych pamiatok, ktoré zahŕňa prirodzené zvetrávanie samotných pamiatok a náhodné zničenie.
V apríli 2019 postihol francúzsky Notre Dame de Paris najhorší požiar v histórii, pričom drevená konštrukcia v hornej časti kostola bola úplne zničená, zostali po nej len zvyšky kameňa a obrovské škody. Našťastie bol digitálny 3D model mračna bodov Notre Dame pred jeho zničením elektronicky archivovaný, čo poskytuje dostatočné a presné údaje na podporu rekonštrukcie poškodených častí Notre Dame, ktoré je možné na základe existujúcich údajov postupne obnoviť.
Laserové skenovanie a digitalizovaný 3D model archívu môžu pomôcť pri zachovaní a reštaurovaní dedičstva a zabezpečiť autentickosť a presnosť reštaurovania. Relevantní výskumníci zhrnuli aplikáciu 3D laserového skenera v oblasti ochrany kultúrnych pamiatok v Číne z hľadiska technologického vývoja, princípu fungovania a úspechov. Zhang Xiaoqing a kol. študoval aplikáciu 3D tlače pri rekonštrukcii kultúrnych pamiatok z aspektov technológie súvisiacej s 3D laserovým skenovaním a modelovaním. Tento príspevok popisuje základný proces digitalizácie ochrany kultúrnych pamiatok z pohľadu kombinácie trojrozmerného laserového skenovania a 3D tlače dvoch technológií, s cieľom vyriešiť tradičnú digitalizáciu kultúrnych pamiatok uchovaním informácií a presnou obnovou problému.
Po prvé, princíp práce
Laserové skenovanie pomocou metódy bezkontaktného skenovania môže rýchlo získať cieľový povrch masívnych údajov, pri ochrane kultúrnych pamiatok má vynikajúce výhody. Trojrozmerné laserové skenovanie prebieha hlavne prostredníctvom vysokorýchlostnej metódy merania laserového skenovania vo forme mračna bodov na získanie poľa geometrických obrazových údajov na povrchu objektu. Údaje získané tradičným meraním sú v konečnom dôsledku v dvojrozmernej forme prostredníctvom prezentovaných nákresov. Na rozdiel od tradičných meraní získava 3D laserové skenovanie dáta v trojrozmernej forme, ktorá obsahuje nielen informácie o rovinnej polohe a nadmorskej výške, ale aj informácie o RGB farbe a odrazivosti testovaného objektu. Preto sú informácie získané 3D laserovým skenovaním veľmi komplexné.
3D laserový skener využíva laser ako zdroj vyžarujúceho svetla na meranie objektu v súlade s určitým horizontálnym a vertikálnym rozlíšením skenovania a využíva bezkontaktnú metódu na získanie údajov o povrchu meraného objektu. Princíp výpočtu priestorových súradníc bodu je znázornený na obrázku nižšie. Laser sa používa na získanie vzdialenosti S od objektu, ktorý sa má merať, k stredu skenovania a potom sa presný kódovač riadený hodinami zabudovaný vo vnútri zariadenia používa na synchrónne meranie pozorovanej hodnoty horizontálneho skenovacieho uhla a pozdĺžneho skenovacieho uhla pozorovania. každý laserový impulz a priestorové trojrozmerné súradnice meraného bodu sa môžu vypočítať pomocou priestorového trojrozmerného geometrického vzťahu pomocou čiarového prvku a dvoch uhlových prvkov. X, Y, Z súradnice priestorového bodu. Údaje získané 3D laserovým skenovaním sú zvyčajne v samostatnom súradnicovom systéme v rámci zariadenia, pričom os X je v priečnej rovine skenovania, os YY v priečnej rovine skenovania je kolmá na os X a os Z kolmo na priečnu skenovaciu rovinu.
Hore Principiálny diagram výpočtu priestorových súradníc bodov
Technológia 3D tlače spočíva v tlači trojrozmerných predmetov, pri použití krájania a následnej obnove trajektórie, pri vysokej teplote tavenia surovín, aby sa dodržiaval princíp stohovania trajektórií, aby sa obnovil digitálny model. Technológia 3D tlače sa objavila v polovici{{ 3}}s je v skutočnosti použitie vytvrdzovania svetlom a laminácie papiera a iných technológií, ako je najnovšie zariadenie na výrobu aditív. Ide v podstate o rovnaký pracovný princíp s bežnou tlačou, tlačiareň využívajúca kov, keramiku, plasty, piesok a iné rôzne materiály, ako sú suroviny, pripojená k počítaču, cez počítačom riadenú trajektóriu krájania, suroviny vrstvu po vrstve podľa na trajektóriu zásobníka zdola nahor a nakoniec počítač na skenovanie digitálneho trojrozmerného elektronického modelu do fyzického objektu.
Po druhé, analýza technických výhod
Trojrozmerné laserové skenovanie má vysokú rýchlosť (takmer 1 milión bodov za sekundu), nepotrebuje kontakt s cieľom (bezkontaktné meranie), veľké množstvo dát, vysokú presnosť a ďalšie vlastnosti. Spomedzi nich môže bezkontaktné meranie získať masívne údaje na povrchu meraného objektu, čím sa účinne zabráni kontaktnému poškodeniu kultúrnych pamiatok v procese digitalizácie kultúrnych pamiatok. Zároveň, bez ohľadu na to, aká zložitá je štruktúra meraného cieľa, môže byť získaná v súlade s pôvodným vzhľadom. Presnosť merania 3D laserového skenovania môže dosiahnuť milimetrovú alebo dokonca submilimetrovú úroveň, čo dokáže presne zaznamenať pôvodný vzhľad kultúrnych pamiatok a získať vysoko presné 3D digitalizované modely na archiváciu. Využitím technológie 3D tlače je možné naskenovať archivované vysoko presné digitalizované kultúrne pamiatky na vhodné úpravy a úpravy, použitie 3D tlačiarní na tlač modelu a následné leštenie, farbenie a ďalšie následné spracovanie modelu, aby získať kópiu kultúrnych pamiatok. Technológia 3D tlače je výhodou modelu vo vysokej rýchlosti, model s vysokou presnosťou náhrady je možné bezproblémovo prepojiť s laserovým skenovaním. Kombinácia trojrozmerného laserového skenovania a technológie 3D tlače využívaná pri digitalizácii kultúrnych pamiatok a reštaurovaní má preto jedinečnú výhodu.
Po tretie, základný proces
Použitie trojrozmerného laserového skenovania a 3D tlače v kombinácii na pomoc pri digitalizácii kultúrnych pamiatok a obnove poľa je súčasným hlavným trendom vývoja. Meraný cieľ má krátku vzdialenosť, vysoké požiadavky na presnosť, aplikovaný na ochranu kultúrnych pamiatok trojrozmerného laserového skenovania sa zvyčajne volí ručný alebo prenosný stanicou a princíp fázového rozdielu na získanie cieľa prístrojového vybavenia. Základný proces zahŕňa najmä nasadenie cieľa, získavanie dát, spájanie modelu, spracovanie modelu, rezanie modelu, 3D tlač a ďalšie aspekty, ako je znázornené na obrázku nižšie. Zoberme si Zhaozhou Bridge ako príklad na ilustráciu toku procesu v rôznych fázach.
3.1 Kladenie cieľov
Rovnomerne rozmiestnite guľové terče okolo mosta s najmenej 3 pármi terčov medzi dvoma susednými stanicami. 3 páry guľových terčov sú umiestnené v rôznych výškach, striedavo, aby sa predišlo ich umiestneniu na rovnakú priamku, aby sa predišlo tomu, že v neskoršej fáze nebude možné nájsť základ pre zarovnanie susedných údajov s rovnakým názvom.
3.2 Získavanie údajov
Vyberte vhodný uhol, nastavte trojrozmerný laserový skener nesúci stanicu, nastavte rozlíšenie skenovania na zariadení a spôsob, akým kamera sníma, ovládajte čas skenovania a vykonajte 360 stupňové nesmerové skenovanie cieľa. Skenovanie cieľa je dokončené, skontrolujte presnosť skenovania cieľovej gule, potvrďte, či spĺňa podmienky použitia mračna povrchových bodov na prispôsobenie sférických súradníc, ak presnosť nestačí, musíte vykonať smerové skenovanie s vysokým rozlíšením guľový terč. Opakovane kontrolujte, kým nie sú splnené podmienky na osadenie stredu gule.
3.3 Spájanie modelu
Podľa princípu fungovania laserového skenovania sú údaje získané susednými stanicami v rôznych nezávislých súradnicových systémoch. Je potrebné použiť princíp ICP a ďalších súvisiacich algoritmov na zjednotenie súradnicového systému údajov z viacerých staníc, to znamená pomocou výpočtu rotačnej matice medzi cloudovými údajmi susedných staníc na dokončenie zarovnania modelu a získanie úplného bodu. cloudový model mostného telesa.
3.4 Spracovanie modelu
Po odstránení šumu, zefektívnení, segmentácii a extrakcii prvkov modelu mračna bodov mostného telesa získaného po zarovnaní sa povrchové údaje namodelujú a zrekonštruujú a rekonštrukcia modelu zvyčajne využíva spôsob použitia mračna bodov na zostavenie siete. pre zakrivené kultúrne pamiatky. Táto metóda má vysokú presnosť, dobré prispôsobenie povrchu a vysokú automatizáciu. Zrekonštruovaný model mriežky mosta sa spracuje kožou, vyplnením otvorov, opravou mriežky, vyhladením, zaostrením, mapovaním textúr atď., aby sa získal digitálny trojrozmerný elektronický model mosta, archivoval sa a uložil do databázy.
3.5 Krájanie modelu a 3D tlač
Pomocou technológie 3D tlače sa archivovaný vysoko presný digitalizovaný model elektronických kultúrnych pamiatok vhodne upraví a upraví a počítač sa použije na krájanie modelu, výpočet trajektórie obnovy tlače a generovanie G kódu. Podľa typu materiálu kultúrnych pamiatok na výber vhodnej 3D tlačiarne a surovín, vstup G kódu do 3D tlačiarne, tlačiareň používa dýzu vysokoteplotné taviace suroviny, aby sledovala trajektóriu princípu stohovania po vrstvách. digitálneho modelu sa obnoví do skutočnej podoby. Fyzický objekt môže byť použitý na skutočné kultúrne pamiatky poškodenej časti reštaurovania, môže byť tiež použitý na návštevu výstavy namiesto skutočných kultúrnych pamiatok.
Výsledky fázovaného procesu mosta Zhaozhou sú uvedené nižšie.
3.6 Doplnková obnova údajov
Pri skenovaní 3D laserovým skenerom so stanicou je nevyhnutné, že vzniknú dátové medzery a nedostatok dát bude sťažovať vytváranie digitálnych modelov a 3D tlače. Takéto problémy možno vyriešiť dvoma spôsobmi. Jedným z nich je okrem jediného použitia skenovania prenášajúceho stanicu, s ručnou synchronizáciou 3D laserového skenovania, problémy s uhlom skenovania spôsobené medzerami v údajoch môžu byť doplnené o ručný skener, flexibilný a pohodlný. Druhou je doplnenie a oprava chýbajúcich údajov pri spracovaní údajov, vrátane optimalizácie siete, vypĺňania otvorov, vyhladzovania a ostrenia a iných prostriedkov. Spomedzi nich je najkritickejšie vypĺňanie otvorov, vrátane zakrivenia, dotyčnice, roviny, vnútorných otvorov, hraničných otvorov, premostenia a mnohých ďalších metód. V porovnaní s tradičnými metódami obnovy môžete prostredníctvom trojrozmerného laserového skenovania na získanie vysoko presných údajov vytvoriť realistickejší digitálny trojrozmerný model, pomocou softvéru na virtuálne reštaurovanie, ktorý poskytuje rôzne efekty obnovy ako pri výber, ako základ pre zlepšenie skutočného programu obnovy. Virtuálna obnova obsahuje najmä materiál na vyplnenie medzier tela kultúrnych pamiatok, opravu maľby, obnovu textúry atď. Po oprave sa model stáva hladkým a hladkým a jasným obrysom.
Záver a vyhliadka
4.1 Záver
Prostredníctvom kombinácie trojrozmerného laserového skenovania a technológie 3D tlače je opísaná súčasná situácia ochrany a obnovy kultúrnych pamiatok, princíp fungovania, základný proces a jeho výhody. Oprava kultúrnych pamiatok pomocou trojrozmerného laserového skenovania je nielen obnovená s vysokou presnosťou, ale môže tiež účinne zabrániť sekundárnemu poškodeniu kultúrnych pamiatok v procese digitalizácie kultúrnych pamiatok. Tento proces má jedinečné výhody v oblasti ochrany a obnovy kultúrnych pamiatok a môže vyriešiť tradičné uchovávanie digitálnych informácií o kultúrnych pamiatkach a presné obnovenie problému. V súčasnosti sochárstvo Dunhuang Mogao Grottoes postupným využívaním technológie laserového skenovania a 3D tlače na dosiahnutie digitálnej archivácie kultúrnych pamiatok a reprodukcie kultúrnych pamiatok, technológia postupne dozrieva, rozmanitosť procesu sa postupne zlepšuje.
4.2 Výhľad
V súčasnosti sú problémami, ktoré je potrebné ďalej riešiť, diverzifikácia surovín pre 3D tlač, počet trysiek 3D tlačiarne a objem 3D tlače pre ďalšie zlepšenie efektivity a praktickosti 3D tlače. Zároveň je možné laserové skenovanie v kombinácii s technológiou 3D tlače integrovať do hyperspektrálnej technológie na základe laserového skenovania, laserového skenovania vysoko presných modelov a vysoko presnej textúry získanej detailnou fotogrammetrickou integráciou, môžete realizovať model kultúrnych pamiatok a farba vysoko presného dvojitého reštaurovania a opravy, čo má veľký praktický význam pre ochranu a reštaurovanie kultúrnych pamiatok. Po naskenovaní digitálneho archívu elektronického bodového cloudu je možné model kultúrnych pamiatok uložiť do databázy prostredníctvom internetu a technológie cloudového ukladania v kombinácii s technológiou virtuálnej reality VR na vybudovanie online digitálneho múzea, aby sa turisti mohli realizovať bez opustenia domov na návštevu online prehliadania. 3D tlač kultúrnych pamiatok je možné použiť aj na samotné vystavenie kultúrnych pamiatok a súvisiacich odvetví s témou vzdelávania. Popularizácia a aplikácia tejto technológie má veľký význam.
