北科大聯(lián)手海外團(tuán)隊(duì)開發(fā)用于文物保護(hù)的新型3D掃描技術(shù)，可清晰展示邊緣特征

2024年11月12日，南極熊獲悉，來自北京科技大學(xué)和日本立命館大學(xué)（RitsumeikanUniversity）的研究人員開發(fā)了一種先進(jìn)的邊緣突出掃描技術(shù)，旨在提高可視化3D掃描物體的清晰度。新掃描技術(shù)能夠更清晰地呈現(xiàn)復(fù)雜的 3D 物體，這對于保存和研究文化文物具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

研究團(tuán)隊(duì)由田中聰教授領(lǐng)導(dǎo)，主要成員包括山田由里女士、高鳥聰博士和李亮教授。新方法通過分別強(qiáng)調(diào)復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的銳利和柔和邊緣來解決常見的可視化問題，克服了傳統(tǒng)方法的局限性。相關(guān)研究以題為“High-Visibility Edge-Highlighting Visualization of 3D Scanned PointClouds Based on Dual 3D Edge Extraction”發(fā)表在《RemoteSensing》雜志上。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.3390/rs16193750

田中教授在解釋這項(xiàng)研究的廣泛意義時(shí)指出：“我們的 3D 邊緣提取方法不僅僅是一種改進(jìn)，而是一種擴(kuò)展技術(shù)，可以捕捉傳統(tǒng)方法未涵蓋的區(qū)域。對于考古學(xué)家和歷史學(xué)家來說，這種工具為文化遺產(chǎn)對象的專業(yè)視覺分析開辟了新的可能性。對于普通民眾來說，它提供了對歷史文化遺址的更深入了解，是一種增強(qiáng)博物館和美術(shù)館展覽的技術(shù)�！�

△日本宮城縣瑞巖寺洞穴 3D 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的雙 3D 邊緣提取。圖片來自立命館大學(xué)。

通過增強(qiáng)型 3D 掃描推進(jìn)文化遺產(chǎn)可視化

隨著 3D 掃描技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是攝影測量和激光掃描，研究人員現(xiàn)在可以將復(fù)雜物體（包括文化文物）制作成詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并生成精確的數(shù)字表示。這些掃描可以深入分析結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但在可視化方面可能存在挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的邊緣突出顯示方法通常會(huì)產(chǎn)生過多的線條，從而降低視覺清晰度。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種雙邊緣突出顯示方法。這種雙邊緣提取技術(shù)使用單獨(dú)的閾值來區(qū)分尖銳邊緣和較柔和的圓邊。

通過高曲率區(qū)域可識(shí)別出更銳利的邊緣，而圓形或更細(xì)微輪廓中必不可少的軟邊緣則用次級閾值表示。通過對每個(gè)區(qū)域應(yīng)用不同的可視化技術(shù)，團(tuán)隊(duì)可以捕捉到更全面的細(xì)節(jié)，而不會(huì)出現(xiàn)軟邊緣可視化為寬帶時(shí)可能出現(xiàn)的混亂或厚度。

不透明度顏色漸變通過在柔和邊緣內(nèi)引入顏色和透明度漸變來進(jìn)一步增強(qiáng)可視化效果，從而產(chǎn)生“光暈效果”，自然區(qū)分前邊緣和背景邊緣。深度感知因此得到顯著改善，可以更清晰地觀察復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)這種高效的渲染，使用了基于隨機(jī)點(diǎn)的渲染 (SPBR)，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化，而無需 3D 處理中通常需要的密集深度排序。

在測試中，掃描技術(shù)被應(yīng)用于高價(jià)值的文化遺產(chǎn)地，包括日本的玉城神社和印度尼西亞的婆羅浮屠寺。與傳統(tǒng)的邊緣突出顯示相比，雙邊緣方法提供了更高的視覺清晰度，可以準(zhǔn)確表示外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。光暈效果和邊緣變薄顯著澄清了復(fù)雜的細(xì)節(jié)，這對保護(hù)文化遺產(chǎn)至關(guān)重要。

交互式渲染速度確保了掃描技術(shù)實(shí)時(shí)探索的功能，支持“透視”可視化等應(yīng)用。新的掃描方法不依賴標(biāo)準(zhǔn)透明度，而是利用邊緣清晰度將內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶入視野，而不會(huì)損失視覺深度，從而顯著提高可理解性。

未來的改進(jìn)將集中在完善閾值設(shè)定過程和擴(kuò)展色彩漸變路徑以進(jìn)一步細(xì)化細(xì)微特征。機(jī)器學(xué)習(xí)的融入能夠?qū)?3D 修復(fù)與來自尖銳和柔和邊緣的信息相結(jié)合，這對于以 2D 格式記錄的文物進(jìn)行數(shù)字重建特別有益。

這種新的可視化方法為 3D 掃描應(yīng)用開辟了一條寶貴的途徑，為研究人員提供了更精準(zhǔn)的工具，以前所未有的清晰度和深度對文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字保存、分析和探索。

△對印度尼西亞婆羅浮屠寺（聯(lián)合國教科文組織世界文化遺產(chǎn)）墻壁浮雕的 3D 掃描點(diǎn)云進(jìn)行雙 3D 邊緣提取。圖片來自立命館大學(xué)。

用于文化保護(hù)的新型 3D 掃描方法

多年來，3D 掃描在文化保護(hù)方面的各種進(jìn)展已被報(bào)道，凸顯了這一技術(shù)的巨大應(yīng)用潛力。早在 2022 年，烏克蘭活動(dòng)家就開始使用3D 掃描對受到俄羅斯軍事行動(dòng)威脅的文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保存。通過“備份烏克蘭”計(jì)劃，約 6,000 名志愿者使用 Polycam 應(yīng)用程序捕捉紀(jì)念碑和歷史遺跡的 3D 模型，保護(hù)它們免遭破壞。計(jì)劃由聯(lián)合創(chuàng)始人 Tao Thomsen 與聯(lián)合國教科文組織和丹麥藍(lán)盾公司合作發(fā)起，并迅速擴(kuò)大。

此前在2018年，谷歌與致力于保護(hù)因沖突或自然災(zāi)害而面臨風(fēng)險(xiǎn)的歷史遺跡的非營利組織CyArk合作，在Google藝術(shù)與文化上啟動(dòng)了開放遺產(chǎn)項(xiàng)目。

借助 CyArk 的 3D 激光掃描專業(yè)知識(shí)，項(xiàng)目生成了高度詳細(xì)的文化地標(biāo)模型，可通過 Google 平臺(tái)訪問。利用 LiDAR 和攝影測量等先進(jìn)技術(shù)，CyArk 實(shí)現(xiàn)了毫米級的精度，為未來的修復(fù)工作提供支持。作為 Google Arts& Culture 首次涉足 3D 遺址，OpenHeritage 還為有興趣圍繞這些數(shù)字文物創(chuàng)造沉浸式教育體驗(yàn)的開發(fā)者提供模型數(shù)據(jù)。