使用Geomagic扫描数据处理软件为复活节岛巨人石像建模

点击数:533 发布时间:2017-11-30
没有人真正知道智利复活节岛上神秘的摩艾石像代表了什么。这些怒视冲冲的火山石雕像平均高度为4米,平均重量14吨左右,大概是在公元1300-1600年间雕凿的。
使用Geomagic扫描数据处理软件为复活节岛巨人石像建模

没有人真正知道智利复活节岛上神秘的摩艾石像代表了什么。这些怒视冲冲的火山石雕像平均高度为4米,平均重量14吨左右,大概是在公元1300-1600年间雕凿的。关于这些石像的来历,考古学家们有多种说法,其中最普遍接受的是这些石像代表从前的部落首领,但至今没有定论。拉帕努伊岛(岛上居民起的名字)位于太平洋东南角,距智利海岸2300英里,大约还有1000多尊巨大的半身人面石像存留。它们有一些被人类活动和自然环境所破坏和侵蚀,大部分可能是被海啸推到。

在2007年,德国考古研究所欧洲文化学会(项目负责人Burkhard Vogt博士)与德国汉堡港口城市大学的测绘专家组成团队,着手对其中一些地点进行地形激光扫描数字编录,建成3D网格模型,并进行纹理映射。团队成员包括Thomas P. Kersten、Dipl.-Ing. Klaus Mechelke和Dipl.-Ing. Maren Lindstaedt教授,他们与智利圣地亚哥的国家古迹保护委员会(Consejo de Monumentos Nacionales)及智利林业联合会CONAF合作,在2007至2011年每年的二月份和三月份执行2至4周的任务。此项目的目的是为进一步研究岛的历史做准备,记录汇编重新立起的摩艾石像,将地形数据导入GIS系统中。将来这些数据将用于测量未来雕塑的侵蚀和受损情况。

由于触碰雕塑是严令禁止的,只能通过非接触式测量进行扫描。因此,团队结合使用大空间激光扫描仪,同时使用专业单反相机拍照。

非接触式扫描

复活节岛巨人石像很明显是在拉诺拉拉库(Rano Raraku)采石场雕刻的,该地位于63英里外岛的东边尽头。大约一半的石像仍然在采石场的附近,但有288个石像被运往岛的四周,立起来之后背向大海;92个在运输途中。

他们对五个地方的11个石像进行了扫描研究。在这之前,关于巨人石像摩艾的资料只有图片、图纸和草图。因为触碰摩艾石像是不允许的,为了深入分析侵蚀情况,使用上面提到的非接触式扫描仪。对摩艾石像也进行了扫描,重点选择了10尊石像进行3D精确建模,分析这几年的侵蚀程度——如果可能的话,要跨越好几年进行研究。

使用地面激光扫描仪,获得了3D几何图形数据,并对每个3D点的激光束强度值和数码相机的RGB值也进行了存储。

为了确保得到完整的扫描结果,石像周围放置了多个扫描站进行重叠扫描获取360度全景数据。另外,在扫描点附近放置物理球体或目标以便于后续地理定位参考使用。扫描的球体和目标可以在创建的点云中自动被识别。所有东西设置完毕后,需要15分钟到1小时完成扫描,取决于所用的扫描仪和指定的分辨率。

在某些情况下,物理目标用来进行扫描方向定位参考。这就意味着每次扫描至少包含3个最好是4个参考目标。这些目标的坐标是由全站仪用每次扫描对象背后的特殊红色目标确定的。地理参考的位置在1mm至5mm范围内,扫描精度设置为高或较高,低噪音模式,取决于与扫描对象的距离,相当于扫描对象的分辨率是1mm至5mm。

现在,德国汉堡港口城市大学团队已经对46个摩艾石像(占所有重新立起来的摩艾石像的98%)进行了扫描,得到了几百G的扫描数据和照片。

摩艾大小等级

在前5年里,在5个不同时间内对4个主要地点的石像进行了扫描。这些扫描点包括Vaihu和Huri A Urenga的孤单站立的摩艾石像,每次只需要4个扫描站来记录数据; ahu Akivi(这里的7尊石像是岛上唯一面朝大海的),平均高约4.5米。除了这些石像外,对 ahu 和摩艾石像后面的火葬坑也进行了扫描。Ko Te Riku是另外一个孤单站立的摩艾石像,位于Tahai的祭祀地,这是岛上一个重要的历史遗迹。由于其头部顶着红色的火山石帽子,所以并没有使用激光扫描对这个摩艾石像进行完整的测量和记录。

石像数据处理和建模

使用 激光扫描仪及配套软件对数据点云进行自动校准。点云校准后,将它们导入Geomagic Wrap软件,它可以将三维点云数据转换为可用的3D模型。在 Geomagic软件中,能快速轻松地对点云进行再次采样得到更有效的数据点云,过滤数据和删除周边无用信息。在此之后,就可以快速轻松地创建出3D多边形模型用于存档、使用和分析。

在这个阶段,3D数据可以用作体积计算、横截面计算、几何元素计算(比如高和宽)和纹理映射可视化处理。这些模型数据成为了这些年变形分析的主要参考依据。

为了分析摩艾石像的变化情况,需要石像的两个三角网格,一个作为对比一个作为参考。在Vaihu和ahu Akivi的摩艾石像所建立的模型的分辨率分别是5mm和2mm。这个级别的分辨率可以很容易观察确定出任何侵蚀的痕迹。

专家们推测侵蚀或风化在10年内造成的改变是mm级别的,大的变化主要是由不稳定的地质状况造成的。但只有当参考数据和对比数据使用相同固定的坐标系时,才能进行比对。团队意识到,准确的地质测绘网是必须的,但目前还没建立起来。

Kersten教授说:“这个项目得到了大数据集,既是一个挑战也具有教学意义。我们开发了一套方案,在保证精度的同时使用Geomagic软件将扫描数据变为可用的3D模型,这样的话,这些珍贵的数据可以被不同研究人员再次使用。”

结论和展望

对摩艾石像造成的大多数破坏都是自然灾害,而现在对这些石像造成的破坏是马匹或人类,在安纳根纳湾ahu Nau Nau 的一尊石像在2008年3月遭到了游客的人为破坏。这说明很有必要对现有的摩艾石像进行扫面存档并建立3D数字模型。下一年扫描还会继续进行,完成对所有编录的887个摩艾石像的扫描和记录可能需要很长时间。但是,基于图像的记录系统结合图像匹配算法给我们提供了一种快速记录3D数据的低成本、灵活、高效的解决方案。

最后, Kersten教授说道,“这个项目很圆满的获得了摩艾石像的3D数据,非常成功。也帮助我们为快速存档历史遗迹定义了一种新方法。这些数据可以用作分析和存档,确保我们能够保护好先人创造的珍贵遗迹。”

上图: Geomagic软件中创建的新旧扫描数据的对比,让研究人员能够了解哪里被侵蚀了