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

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

研究團隊由田中聰教授領導，主要成員包括山田由里女士、高鳥聰博士和李亮教授。新方法通過分別強調復雜點云數據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。

相關鏈接：https://doi.org/10.3390/rs16193750

田中教授在解釋這項研究的廣泛意義時指出：“我們的 3D 邊緣提取方法不僅僅是一種改進，而是一種擴展技術，可以捕捉傳統(tǒng)方法未涵蓋的區(qū)域。對于考古學家和歷史學家來說，這種工具為文化遺產對象的專業(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，是一種增強博物館和美術館展覽的技術。”

△日本宮城縣瑞巖寺洞穴 3D 掃描點云數據的雙 3D 邊緣提取。圖片來自立命館大學。

通過增強型 3D 掃描推進文化遺產可視化

隨著 3D 掃描技術的快速發(fā)展，尤其是攝影測量和激光掃描，研究人員現在可以將復雜物體（包括文化文物）制作成詳細的點云數據，并生成精確的數字表示。這些掃描可以深入分析結構細節(jié)，但在可視化方面可能存在挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)的邊緣突出顯示方法通常會產生過多的線條，從而降低視覺清晰度。

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

通過高曲率區(qū)域可識別出更銳利的邊緣，而圓形或更細微輪廓中必不可少的軟邊緣則用次級閾值表示。通過對每個區(qū)域應用不同的可視化技術，團隊可以捕捉到更全面的細節(jié)，而不會出現軟邊緣可視化為寬帶時可能出現的混亂或厚度。

不透明度顏色漸變通過在柔和邊緣內引入顏色和透明度漸變來進一步增強可視化效果，從而產生“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雜的內部結構。

為了實現這種高效的渲染，使用了基于隨機點的渲染 (SPBR)，這種技術可以實現實時可視化，而無需 3D 處理中通常需要的密集深度排序。

在測試中，掃描技術被應用于高價值的文化遺產地，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，可以準確表示外部和內部結構，而不會增加計算時間。光暈效果和邊緣變薄顯著澄清了復雜的細節(jié)，這對保護文化遺產至關重要。

交互式渲染速度確保了掃描技術實時探索的功能，支持“透視”可視化等應用。新的掃描方法不依賴標準透明度，而是利用邊緣清晰度將內部結構帶入視野，而不會損失視覺深度，從而顯著提高可理解性。

未來的改進將集中在完善閾值設定過程和擴展色彩漸變路徑以進一步細化細微特征。機器學習的融入能夠將 3D 修復與來自尖銳和柔和邊緣的信息相結合，這對于以 2D 格式記錄的文物進行數字重建特別有益。

這種新的可視化方法為 3D 掃描應用開辟了一條寶貴的途徑，為研究人員提供了更精準的工具，以前所未有的清晰度和深度對文化遺產進行數字保存、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）墻壁浮雕的 3D 掃描點云進行雙 3D 邊緣提取。圖片來自立命館大學。

用于文化保護的新型 3D 掃描方法

多年來，3D 掃描在文化保護方面的各種進展已被報道，凸顯了這一技術的巨大應用潛力。早在 2022 年，烏克蘭活動家就開始使用3D 掃描對受到俄羅斯軍事行動威脅的文化遺產進行數字化保存。通過“備份烏克蘭”計劃，約 6,000 名志愿者使用 Polycam 應用程序捕捉紀念碑和歷史遺跡的 3D 模型，保護它們免遭破壞。計劃由聯(lián)合創(chuàng)始人 Tao Thomsen 與聯(lián)合國教科文組織和丹麥藍盾公司合作發(fā)起，并迅速擴大。

此前在2018年，谷歌與致力于保護因沖突或自然災害而面臨風險的歷史遺跡的非營利組織CyArk合作，在Google藝術與文化上啟動了開放遺產項目。

借助 CyArk 的 3D 激光掃描專業(yè)知識，項目生成了高度詳細的文化地標模型，可通過 Google 平臺訪問。利用 LiDAR 和攝影測量等先進技術，CyArk 實現了毫米級的精度，為未來的修復工作提供支持。作為 Google Arts& Culture 首次涉足 3D 遺址，OpenHeritage 還為有興趣圍繞這些數字文物創(chuàng)造沉浸式教育體驗的開發(fā)者提供模型數據。