RSS--浙江大学文化遗产研究院--研究设备-- http://site.team.zju.edu.cn/1359349208281/redir.php?catalog_id=4748 zh-cn Article List Tue, 28 Jan 2020 15:30:20 CST<![CDATA[系列化航拍技术设备]]> 2014-06-06 10:53:28 http://site.team.zju.edu.cn/1359349208281/redir.php?catalog_id=4748&object_id=23756 系列化航拍技术设备

 

 

浙江大学文化遗产研究院对航拍技术设备的探索起始于2010年始承担“国家科技支撑计划课题(课题任务书编号:2006BAK30B04)”《文物出土现场保护移动实验室研发》的‘文物出土现场空间信息采集应用扩展与功能优化研究’子项目。

上图:浙江大学航拍团队合影

 

  1. 航拍团队特色:

经过过多年的积累,已经形成了下列典型优势:

  1. 硬件改装能力:丰富的航拍设备硬件改装经验;经过在全国多地区复杂环境的高密度应用测试下,设备性能稳定。
  2. 软件开发能力:自动飞控技术、自动航拍正射影像拼接技术;
  3. 雄厚设备基础:形成了系列化专业的航拍飞行培训设备、飞行载体设备、飞行作业设备;
  4. 专业飞行团队:稳定的飞行团队,多年飞行和设备整装、培训经验;
  5. 丰富作业经验:具有全国各地复杂环境下作业的经验,能高效率的完成航拍正射影像数据、航拍全景图数据、航拍视频数据、航拍遥感数据的采集。
  6. 作业标准规范:整理制定出《浙江大学遥控直升机理论基础》、《浙江大学无人机航摄安全作业规范》、《浙江大学航拍锂电池组使用与维护规程》等一些列规程规范,已经是文物出土现场保护移动实验室现场空间信息采集部份的标准规范。

 

  1. 硬件设备基础
    1. 飞行平台设备

在机体方面目前已经形成由多类型训练机型、电动直升机、油动直升机、多旋翼飞行器搭配的多层次体系。可满足专业型航拍作业和使用前的基础培训。

已具备基本齐全的相关任务采集设备,同时亦有正在研发中的新型硬件设备和飞控系统,将来可满足更高需求的航拍任务设备,团队可根据任务需求结合现场的实际情况和成本控制灵活搭配航拍的飞行器和相关任务设备。

序号

类型

1

训练机

模拟器

训练型电动、油动直升机

训练型四旋翼

2

电动直升机

电动直升机

3

油动直升机

油动直升机

4

多旋翼飞行器

四旋翼

六旋翼

八旋翼

5

固定翼飞行器

 

上表:浙江大学航拍团队基础飞行载体设备类型表

以下是部份设备照片:

上图:训练型四旋翼飞行器

上图:专业型作业油动直升机

上图:专业型作业六旋翼飞行器

上图:专业型作业四旋翼飞行器

上图:专业型作业电动直升机

 

  1. 任务设备

上图:5D Mark II系列专用型作业云台与相机

上图:BMCC高端航拍视频数据采集设备(4k超高清视频)

 

上图:GH3系列专用型作业云台与相机

上图:Z15(NEX7)系列专用型作业云台与相机

上图:av200专业下挂型云台

 

 

  1. 技术示范应用点

参与了全国一系列重要的文化遗产保护工作。如:

  1. 《甘肃敦煌榆林窟、锁阳城捆绑申遗项目》航拍数据采集工作。
  2. 中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦《丝绸之路跨国系列申遗项目》的航拍数据采集工作,如:榆林窟、莫高窟、西千佛洞、锁阳城遗址、塔尔寺遗址、汉长城遗址、玉门关、河仓城、雅丹地貌、敦煌古城。
  3. 2011全国十大考古新发现”——浙江临平玉架山遗址航拍正射影像数据采集工作。
  4. 2010全国十大考古新发现”——湖南老司城遗址的航拍全景图、正射影像图采集工作。
  5. 国务院《长城资源调查项目》在宁夏固原境内的相关遗址点航拍工作,如战国秦长城遗址、大营城遗址、北咀嘴古城等。
  6. 其他如一系列田野考古发掘项目、文物出土现场保护移动实验室示范应用项目等,如新疆高昌故城大遗址航拍正射影像数据采集、山东章丘东平陵故城大遗址航拍正射影像数据采集、宁夏固原须弥山石窟的大遗址航拍正射影像数据采集以及各工作区的航拍立面正射影像数据采集。宁夏固原打石沟新石器时代文化遗址、沙塘镇新石器时代文化遗址等。浙江省境内的杭州临安西坟山遗址、杭州塘栖小横山遗址、杭州萧山老虎洞遗址、杭州萧山湖山墓地、温州洞头九亩秋盐业遗址。

 

上图:航拍技术设备全国示范应用点

 

  1. 成果节选

上图:山东省章丘市东平陵故城冶铁区航拍正射影像图

上图:山东省章丘市东平陵故城冶铁区航拍全景图

 

上图:山东省章丘市东平陵故城建筑区航拍全景图

上图:2013年杭州西湖曲院风荷航拍特写

 

上图:2013年4月29日浙江省杭州市湖山墓地航拍正射影像图

上图:2013年杭州萧山老虎洞遗址航拍正射影像图

 

上图:山东省章丘市东平陵故城航拍正摄影像图裁剪版

 

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<![CDATA[基于多图像的三维重构软件]]> 2014-06-06 10:40:37 http://site.team.zju.edu.cn/1359349208281/redir.php?catalog_id=4748&object_id=23714  

基于多图像的三维重构软件

 

 

  1. 技术源起

2008年,华盛顿大学率先在多图像三维重建技术领域取得突破。其原理是:通过在互联网上搜索某一特定区域的相关照片,即能大致重建出该区域的三维点云信息。

但是受到图片质量和拍摄角度、以及相关算法局限性的影响,只能得到大致的三维点云数据,点云数量稀疏,不能支持工程化的应用。

浙江大学随后跟进了相关的研究,并进行了相关针对性的研发工作。并通过2010年始承担“国家科技支撑计划课题(课题任务书编号:2006BAK30B04)”《文物出土现场保护移动实验室研发》的‘文物出土现场空间信息采集应用扩展与功能优化研究’子项目将本项技术不断的成熟与完善,并在全国多个重要遗址考古发掘工地和文博单位进行了工程化应用。

上图:浙江大学基于多图像的三维重构软件计算界面

 

 

  1. 技术特色

该技术具有低成本、易操作、全信息、高保真、全色彩等优点。相对于传统的皮尺加水准、实测法、近景摄影测量法、三维激光扫描法等文化遗产测绘方式,有如下优势:非接触式、无损、数据全面、生动、精度高、速度、直观性及现实性强,同时色彩还原准确,无需人工贴图。该项技术不能是针对馆藏文物数字化采集还是大型遗址的三维信息采集,都具有着自己突出的优势。

 

 

  1. 技术指标

序号

考核指标

对应要求

1

采集方式

  • 非接触式确保文物安全性
  • 无损

2

精度控制

几何形状精度

  • 点间距在0.02mm

多视对齐精度

  • 减少扫描次数做到精确成型

3

 

纹理映射

贴图方式

  • 点云自带纹理点着色、自动纹理映射完成无缝贴图

分辨率要求

  • 贴图最高分辨率无限制

4

采集与后期处理速度

  • 每件不得超过三天

5

数据全面性

原始数据的完整性

  • 模型完整无死角

曲面重构

  • 合理精度网格模型曲面布线合理

6

最终提交成果类型

原始三维点云文件

  • 带色彩纹理的点云数据

最终三维模型成果

  • 高精度网格模型与合理精度网格模型带纹理贴图,可供虚拟陈展、展示、网络等使用
 

 

 

  1. 技术原理

本项目采用的基于多图像的三维重建技术主要分成两大部分,一部分是相机的标定技术,另一部分是多视图立体匹配技术。

  1. 相机标定技术

相机标定技术的目的是计算出相机的内外参数,确立世界坐标系和图像系之间的关系。本项目采用的相机标定技术是相机的自标定技术,不依赖事先在场景中放置标志物(模式),因此自动化的程度要比带有标志物的标定方法要高。标定程序首先从图像中提取像素的特征点,本过程采用SIFT特征点。提取的特征点进行匹配过程,将图像的特征点对应起来。

最后采用捆集调整的方法进行相机参数以及稀疏点云的计算,为了降低图像的畸变对最终结果的影响,标称程序同时也计算了相机的畸变参数。浙江大学自主开发的软件系统对标定过程中的高分辨率照片处理、海量照片数据特征快速聚类进行了特殊处理,利用专有的算法进行优化,可保证自动标定计算出相机拍摄照片时的镜头焦距与畸变参数、拍摄方位与角度等内外参数。

  1. 多视图立体匹配方法

基于图像的三维建模中的一种重要的方法是多视图立体匹配的方法,本项目采用的是基于特征点扩充方式的多视图立体匹配方法。该方法的基本过程是计算一些稀疏点,然后对稀疏点进行扩充和去噪。不断的重复这一过程,直到最终扩充的点覆盖了图像的大部分的区域。

PMVS是基于特征点提取和扩充的多视图立体匹配的方法之一,在这个方法中,每一个特征点对应了空间中的一个面片,程序的计算过程中不断的优化面片的法向向量和位置,优化的过程中采用NCC来计算像素间的相似度。初始的点云的计算中,PMVS采用了多种的特征点包括SIFTDoGHarris等。扩充的过程中,扩充的点被设置在已经计算的点的周围而后对该点的位置和方向进行优化。对一些错误扩充的点,该算法采用的过滤的措施,如利用一致性约束来对噪点进行过滤。浙江大学自主研发的软件中,对于三维模型密集化处理做了专门研究和提升,可有效计算出更多、更精确的三维点云数据结果。

 

 

  1. 示范应用基础

浙江大学基于多图像的三维重构技术是“国家科技支撑计划课题(课题任务书编号:2006BAK30B04)”《文物出土现场保护移动实验室研发》项目“空间信息采集”部门的基础配备技术。并且技术已经在文物古迹的调查与保护等领域得到诸多应用。

在馆藏文物三维数字化方面:已经在四川成都武侯祠博物馆、浙江省博物馆、贵州省博物馆、陕西考古研究院、荆州博物馆均有出色应用。

在大型遗址考古方面:在宁夏固原须弥山石窟、山东章丘东平陵故城、新疆吐鲁番高昌故城、浙江临平玉架山遗址、内蒙古辽上京遗址、湖南永顺县老司城遗址、山西大河口西周霸国墓地、山西大同云冈石窟、陕西西安高陵院张村明代家族墓地、陕西西安凤栖原两汉家族墓地、湖北荆州熊家冢遗址、湖南铜官镇谭家坡长沙窑遗迹馆、杭州良渚古城遗址、杭州塘栖小衡山南朝墓葬群、杭州临平玉架山遗址、杭州市白塔、杭州市六和塔、杭州临平茅山遗址、杭州桐庐方家州遗址、余姚市田螺山遗址、温州市九亩丘盐业遗址、温州市洞头县妈祖庙等均有出色应用。

上图:基于多图像的三维重构软件全国部份技术示范应用点

 

上图:通过三维模型截取的灵台县深原乡2009LFYM2-02踏牛天王俑正射影像

上图:通过三维模型截取的甘肃灵台唐墓人面镇墓兽人面正面正射影像

上图:良渚遗址工作站良渚文化晚期玉琮三维模型展示

上图:通过三维模型截取的唐代越窑青釉褐彩如意云纹镂孔薰炉三维重建效果

上图:通过三维模型截取的山东章丘东平陵遗址建筑区XIT9216正射影像

上图:湖北荆州熊家冢遗址车马坑三维重建效果

上图:杭州市闸口白塔完整拼接处理效果

 

上图:须弥山石窟第46窟三维模型透视图截图西南角视角

 

上图:根据三维模型处理得到的须弥山石窟46窟南北纵剖面东正射影像图

 

上图:第46窟西壁正射影像图

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<![CDATA[第四代壁画书画高保真数字化采集技术设备]]> 2014-06-06 10:26:40 http://site.team.zju.edu.cn/1359349208281/redir.php?catalog_id=4748&object_id=23688 第四代壁画书画高保真数字化采集技术设备

 

 

  1. 技术源起

壁画书画高保真数字化采集技术设备的研发起始与浙江大学与敦煌研究院合作研发的壁画高保真数字化采集设备,核心技术一致。第一代壁画扫描设备进入莫高窟的工程化应用始于2008年,至2012年已经更新至第四代,设备功能更为安全、稳定、快捷、轻便,功能全面,完全满足平面壁画书画的高保真扫描需求。

上图:浙江大学第四代壁画书画高保真采集设备产品图

 

上图:拍摄设备操作软件系统界面

 

上图:交互式图像自动拼接软件系统界面

 

 

  1. 设备参数

产品型号

浙江大学第四代壁画书画高保真采集设备

扫描对象

  • 洞窟平面壁画高保真自动化采集;
  • 馆藏书画高保真自动化采集;

数据类型

可携挂不同类型采集终端完成常见光、红外光、紫外光高保真数据采集;

扫描方式

非接触,轨道式多级升降扫描,区块与相邻区块之间保持50%的重合度;

拼接方式

自动拼接

扫描范围

4.2M,横向宽度不限。

扫描精度

最高900PPI(由采集终端最高像素决定)。

设备重量

100kg~150kg

电源

240V

闪光灯光源

低能冷光源技术,零热零紫外零红外。

闪光灯电源箱

  1. 交流/直流供电;
  2. 自动稳定色温;
  3. 重复闪亮输出准确;

定位精度

设备的定位精度误差在1mm左右,可重复多次定位目标。

软件

专业壁画书画扫描控制系统

book2net BookExpert专业数字扫描控制系统,基于图像处理的专业书本扫描仪工作流程包括:自动书台控制;自动识别书籍;自动页识别;手动页拆分;手动页选择与拆分;自动纠偏;去指纹;多文件格式保存。

专业壁画书画自动拼接软件

  1. 色彩还原管理;
  2. 交互式图像自动拼接;

操作环境

  1. 工作温度:10°C - 38°C
  2. 相对温度:15% - 85% (无冷凝)

附件/选项

加长型拍摄轨道,可根据自行需要无限加长拍摄的轨道。

上表:浙江大学第四代壁画书画高保真采集设备技术参数

 

 

  1. 设备构成
    1. 硬件组成

设备主要部件包括:

  1. 地面拍摄轨道(可无限延长)
  2. 水平运动平台
  3. 垂直运动平台
  4. 拍摄控制系统
  5. 专业灯光设备
  6. 专业采集终端(可根据工程需要灵活更换采集终端设备)
  7. 各类型限位开关(保证文物安全)
    1. 软件系统
  1. 《浙江大学第四代壁画书画高保真数字化采集设备拍摄控制软件》
  2. 《浙江大学交互式壁画书画自动拼接软件》

 

 

  1. 设备特色
  1. 半自动快速扫描:设定幅面大小后自动扫描指定幅面,无需人工干涉。
  2. 重复定位能力:一旦有图片不符合要求时能精确找到该扫描区域进行二次矫正拍摄。并可以通过软件将相机迅速移动到指定位置;图片检查环节可在整个壁面拍摄完成后进行;
  3. 灯光系统:单幅图像光照均匀、质感佳,保证多幅图像之间的光照强度一致。
  4. 第四代壁画高保真自动采集设备配套控制软件:除必须具备的相关功能外,还须保证软件通信高速、性能稳定、出错率低;并具备一定的异常情况处理能力;操作界面人性化;具有系统异常自动恢复功能。
  5. 红外感应限位开关:针对文物安全的防护安装有针对轨道的触碰开关和针对壁面的红外开关共16个。轨道的触碰开关可确保主体支架移动触碰到导轨限位感应支架后停止并锁定。红外限位开关可调整感应距离(且感应的距离与红外线接触的材质有关)
  6. 紧急停止功能:如遇特殊情况可通过控制箱紧急停止按钮,停止设备运行。

 

 

  1. 核心技术
    1. 总体技术路线

上图:设备总体技术路线图

  1. 数据采集技术原理

由高保真壁画扫描设备对墙体壁画进行分块式图像采集,区块与相邻区块之间有50%的重合度,在高水准照明系统的支持下,保证所有区块的亮度均匀,通过提取重合区块的特征点,并进行匹配,使所有区块图像构建在统一的坐标系内,通过平面拟合,最后融合成一张高精度的数字壁画。

此方式是由局部高精度采集至全局高精度融合的过程,有效的解决了大幅面壁画难以一次性扫描完成的难点。

  1. 色彩还原技术原理

色彩还原技术主要为解决扫描所得图像色彩与真实色彩差异问题,采用浙江大学提供的解决方案。主要构件包括分光光度计,自制色卡,修正软件。

使用分光光度计读取扫描壁面中出现最多的24种色彩值,并以这24种色彩制作色卡,通过扫描采集此色卡,数据与真实色卡值进行对比,采用特定区域色彩矫正算法,最大限度还原真实色彩比例。

  1. 图像拼接技术原理

由高保真壁画扫描设备得到的大分辨率分块图像进入自动拼接系统进行处理。对所得图像进行色彩还原修正,再进行基于SIFT特征的图像全局匹配。经过求解SFM 问题,得到了全局一致性的图像配准,且同时得到了图像特征点在三维空间中的坐标。我们应用光束平差法(Bundle Adjustment)求解出的特征点在空间中的三维点云进行拟合,通过特征点对间的配准,得到特征点在三维空间中的坐标,并利用这些三维特征点云,结合最小二乘法和RANSAC算法拟合出一个正射投影平面,这样的正射投影平面对丝绸纹理有更好地容忍性。然后针对每张图像,三角剖分图像的特征点,找出其映射至正射投影平面的所有的特征点。在正射投影平面的外围添置若干外部特征点,并将这些外部特征点与通过算法检测出来的特征点组成整个图像的特征,依次遍历该三角剖分中所有的三角形,为了能够使得特征凸包之外的图像区域也可以被映射到正射投影平面,需要将这些图像区域也包括到一个特征凸包中,然后再依据三角映射的方式将所有的图像区域都映射至正射投影平面。在外部添置特征点的改进虽然增加了算法运行时间,但是正射投影平面拟合算法不容易受到病态离群点的影响,而且可以得到更大面积的全景图,使得最终正射投影拼接结果更加完整。将图像映射到正射投影平面后进行基于多分辨率样条的并进行融合,得到最终的正射投影拼接效果。

上图:交互式图像自动拼接技术流程图

 

 

  1. 示范应用基础:

上图:浙江大学第四代壁画书画高保真采集设备全国示范应用基础

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