非接触式光学量测-数字典藏应用

非接触式三维扫描-数字典藏应用

在信息科技普遍应用的时代,数字化技术、信息通讯科技与网络的发展对社会的影响日益深远,为了完整纪录人类文明的发展、长久的保存与传承,世界各国无不致力于发展文化的数字化,而如何将人文与科技相融合,是各国极欲努力的目标。透过ATOS(非接触式三维扫描仪)+TRITOP(3D坐标量测系统)+FreeForm(自由设计系统)整合方案,就可以轻易地得到数字化资料及做设计变更。

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▲数位典藏流程

实例介紹-雕刻品

公元1999年,在捷克文化部的支持下在捷克首都布拉格的历史遗迹国家研究所开始一项长期的工程,监测查尔斯桥雕塑品。查尔斯桥,自14世纪开始,不仅是一个重要的历史遗迹,而且是一座巴洛克风格式的石制桥梁。

随着年代久远,石桥上的雕刻品逐渐剥落,因此原先的雕刻制品逐渐被副本替换,对原物和它的副本的研究下,能得到关于雕刻品受到各种环境因素有害影响的实际状态和讯息。对实际情势,非破坏性的测量方法的监控来说,拍摄2D照片对于实际上的3D形式,”平的图片”无法提供足够的信息。因此得到一准确的数字是需要的,数字化的数据能容易被归档、比较,并且容易制造复制品。

而数字化系统主要是使用来自德国,GOM的视觉量测系统ATOS和TRITOP,ATOS三维扫描仪测头是由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成,其原理就如同人类的眼睛,藉由光栅投影在待测物面上,并加以粗细变化及位移,配合CCD Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理,即可得知待测物的3D外型。依照不同型号的测头,扫描范围可从30x30mm至2000x2000mm,单一比量测数据最多可从影像当中撷取出80万、140万及400万点,而单一笔的量测数据计算出来之后,藉由标签点来定位,经电脑运算后会自动定位回去,简单说就像3D的拼图一般,把一个对象完整的拼凑出来,当整个对象量测完成之后,所有的点群加总后便是真实物体的外形,再藉由运算产生出STL格式的数据。

TRITOP 是测量标签点精确的位置的一个三维扫描摄影系统,系统是便于携带的,并且由一台高像素数字单眼相机、比例尺和一些编码标签点及笔记型电脑组成。拍摄的前置工作会在目标上放置标签点及编码标签点和一两个比例尺,然后透过来自不同位置的数字相机进行拍摄,这些图像被记录至电脑,经软件运算过后就可以精确得到物体上标签点的中心位置。

A.前置作业

工作人员利用升降机清洁雕像,准备拍摄的前置作业,放置卷标点及编码标签点。

B.雕像细部放大图

放置完标签点后的雕像细部图。

C.TRITOP拍摄

拍摄完成后软件显示相机拍摄当时的角度及卷标点的位置,结合两个三维扫描系统(TRITOP和ATOS)可以确保得到准确的数据以及容易量测的特性,为了能处理大量的数据,量测必须被分成前面、后面和轴承座三个部份,但是全部的数据都在正确的坐标系统里。首先这件雕刻品要先做清洁的动作,然后放置卷标点及编码标签点,如图中所示使用升降梯,大约使用了1600个标签点在这件雕刻品上。

因为雕像伫立在户外,在白天强烈的阳光照射下无法进行量测,所以ATOS三维扫描仪的量测主要在夜晚执行,在低的环境光线条件下使光栅在雕刻品上能够有好的成像,为了进行量测,ATOS 测头被安装在一个起重机升降架上,这台起重机由控制杆控制并且操控量测范围。对这件雕刻品来说,ATOS三维扫描仪拍摄超过350笔数字化资料,超过3700万个点群资料,取决于这件雕刻品和点群数据密度需要,一件雕刻品的量测在有经验的团队合作下大约需要2至3天的日子。

D.ATOS拍摄

在一些夹角较小并且隐藏的区域对于视觉式三角量测是不容易接近的,这些区域可以藉由逆向工程塑造(FreeForm)来得到这件实际雕刻品的重建,这项工作对于设备和操作者是一大挑战,用一台适当的设备要求最好的人员来完成这件好的雕刻品,数字化的数据被储存到CD,它将帮助查尔斯桥的雕刻品进入下个世纪。

E.雕像点群资料。

F.雕像底座点群资料。

实例介绍-瓷器

瓷器是一种由瓷石、高岭土等组成,外表施有釉或彩绘的器物,高级瓷器拥有远高于一般瓷器的工艺制作难度,因此在古代皇室中也不乏精美瓷器的收藏。作为古代中国的特产奢侈品之一,瓷器通过各种贸易渠道传到各个国家,精美的古代瓷器具有收藏价值的古董被大量收藏家所收藏,由此可知,珍贵的古物更有被永续保存的价值,然而,如何在不破坏古物的情况下得到数字化的数据呢?透过ATOS(三维扫描仪)+TRITOP(3D坐标量测系统)+FreeForm(触觉式设计系统)就可以办到。

是不是所有的对象都可使用ATOS进行量测呢?对于透明的对象及高反光的亮面必须对对象喷涂白色粉末,而瓷器经过我们实验过后,可以不用喷涂白色粉末,不直接放置卷标点在对象上,即使不使用标签点也能直接进行量测,如下图所示为ATOS三维扫描完成的STL点群资料和以三角网格显示的点群数据,可看出来ATOS 得到的点云密度相当高,细节的部份也能完整地显现出来。

ATOS 3D扫描完成的STL点群资料

H.以三角网格显示的点群数据,可看出来ATOS 3D扫描得到的点云密度相当高,细节的部份也能完整地显现出来。

I.为TRITOP拍摄前置作业,放置编码卷标点及比例尺。

J.为TRITOP拍摄时相机的角度以及此角度所拍摄到的编码标签点。

K.扫描完成的STL点群数据使用TRITOP贴图功能,经过不同角度的拍摄之后,将颜色贴到STL点群数据上。

L.经过FreeForm模型修整及Render功能渲染彩图后,图片变的较有立体感并带有瓷器的光泽,也可计算成QuickTime的mov档,用以互动旋转观看3D视角并放置在网页上。
结语

文物的记录保存困难度高,以往使用摄影的方式只能得到2D图像数据,并不能得知实际上3D尺寸数据,透过上述的解决方案,可以了解3D数据的方便性,不论是要做数据保存或是想做设计变更,都能够达成,马路科技顾问于1996年开始引进整合国内外逆向工程及快速原型软硬件设备,除了软硬件的销售外,更提供了工程服务及相关的咨询顾问。


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