（计算机应用技术专业论文）数字考古关键技术研究与应用.pdf

摘要 为，辅助考古石j f 究工作，奉文埘数字考古中的考古发掘现场的三维建模技术 和史物网上重现技术进行了研究。考古发掘现场的i 维建模技术利用有限的考古 成果进行考占现场的复原和建模r 作，最终输出包含探方模型和发掘文物模型的 标准v r m i 9 7 文件。文物网上重现技术则根据主题对义物维模型进行网i 的 虚拟展示。这两项技术都被应用到个考占研究辅助系统的设计与丌发中，并且 任金沙遗址的“文物保护关键技术研究”项目中进行了实际的应用。 本文首先对国内外数字考古的应用和技术研究现状进行了大量的分析，说明 了目前数字考古发展的三个趋势，即二维记录、二维重现和i 维传播；并且分析 了目前数字考古r f i 使用较为广泛的文物扶取、建模和覃现技术。 接着沦文研究了利用有限考占研究成果( 包括文化层剖面手描图、文物m 土 伊置、姿态等信息) 进行考占发掘现场建模技术。该建模技术提h 了j ：维模掣巾 点f u 文化层曲线的数学模犁，使用分段b 6 z i e r 曲线对文化层剖面曲线进行特征 提取，利用控制点举标信息牛成文化层曲线；提出探力外壁和文化面生成技术生 成探方框架模型：并使用模型融合技术对探方框架模型和文物二维模型进行融 合，从而生成完整的探方模型。 沦文的第二三部分研究_ r 辈于主题的文物网上重现技术。该技术捉了文物分 类的数学模型和分类方法，建立一r 基于i n t e r n e t 的文物重现的逻辑模型，详细分 杌j 模型巾客户端、服务器，并且通过网络协议提供了对基于主题的文物删上重 现的支持。 c ；仑文第四部分以考占研究辅助系统的设计开发对以 | 灭键技术进行j 实现。 铲对j “考占研究中存在的问题进行 r 考r 研究辅助系统的设计，并将上述父键 投术应用到开发实际中。 论艾的最后将考古研究辅助系统应j j 刮“文物保护关键技术研究”项h 取得了很好的效果。 尺键m 数字考古号1 1 l 研究辅l i 力考r i ，现场建模技术艾物例f ：重现技术 a b s t r a c t i no r d e rt oa i dt h ea r c h a e o l o g yr e s e a r c h ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e3 dm o d e l i n g t e c h n i q u ef o re x c a v a t i o ns i t ea n dt h er e l i cr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u ei ni n t e m e ti nt h e f i e l do fd i g i t a la r c h a e o l o g y m a k i n gu s eo fl i m i t e da r c h a e o l o g yp r o d u c t i o n ，t h e3 d m o d e l i n gt e c h n i q u er c c o n s t r n c t st h e e x c a v a t i o ns i t e ，a n dp r o d u c e sas t a n d a r d v r m l 9 7 - f o r m a tf i l e t h et h e m e b a s e dr e l i cr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u ec a l ld i s p l a yt h e 3 dm o d e lo far e l i ci ni n t e m e t b o t ho ft h et w ot e c h n i q u e sa r eu s e di nt h ed e s i g no f a i la r c h a e o l o g i c a lr e s e a r c ha s s i s t a n ts y s t e m ，a n da r ea p p l i e di nt h ep r o j e c tn a m e d r e s e a r c ho f k e yt e c h n i q u e so f r e l i cr e s e r v a t i o n ”f o rj i n s h aa r c h a e o l o g i c a ls i t e f i r s t l y , t h ea p p l i c a t i o na n dt e c h n i c a ls t a t u so fd o m e s t i ca n df o r e i g nd i g i t a l a r c h a e o l o g yi st h o r o u g h l ya n a l y z e d t h et h e s i sd e s c r i b e st h ea d v a n c i n gt r e n do f d i g i t a la r c h a e o l o g y ，i n c l u d i n g3 dd o c u m e n t a t i o n ，3 dr e p r e s e n t a t i o na n d3 d d i s s e m i n a t i o n i ta l s oa n a l y z e sf a m o u sr e c o n s t r u c t i o na n dr e p r e s e n t a t i o nt e c h n o l o g y t h e nt h et h e s i sp u tf o r w a r dan e w3 dm o d e l i n gt e c h n i q u ef o re x c a v a t i o n s i t e ， w h i c hm a k e su s eo fl i m i t e da r c h a e l o g i c a lr e s e a r c hp r o d u c t i o n t h em o d e l i n gm e t h o d c o n s t r u c t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p o i n ta n dc u r v ei nt h e3 dm o d e l ，a n de x t r a c t s t h ed i g i t a lf e a t u r e so ft h ec u r v eo fc u l t u r el a y e rf r o mt h ep r o f i l ec h a r t ，a n du s e st h e d a t ao fc o n t r o lp o i n tt op r o d u c e st h ep o i n t so nt h ec u r v eo fc u l t u r el a y e r t h e ni tp u t s t b r w a r dt h eo u t e r - w a l la n dc u l t u r es u r f a c eg e n e r a t i o nt e c h n i q u et op r o d u c et h e3 d m o d e lo fe x c a v a t i o nu n i t f i n a l l y , i tg e n e r a t e st h ei n t e g r a t e dm o d e lo fe x c a v a t i o nu n i t t o g e t h e rw i t ht h e3 dm o d e lo f r e l i cb yu s i n gm u l t i m o d e lf u s i o nt e c h n i q u e 。 t h et h i r d p a r to ft h i s t h e s i sp r o p o s e st h et h e m e b a s e dr e l i cr e p r s e n t a t i o n t e c h n i q u ei ni n t e m e t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr e l i cp a r t i t i o na n dp a r t i t i o nm e t h o d a r eb r o u i 曲tf o r w a r di nt h et e c h n i q u e i tt h e nc o n s t r u c t st h el o g i c a lm o d e lo fr e l i c r e p r e s e n t a t i o ni ni n t e m e t ，a n da n a l y z e st h ec l i e n ta n ds e r v e rp a r t i ta l s os u p p o r t st h e r e l i cr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u ei n n t e m e t b yp r o p o s i n gan e t w o r kp r o t o c 0 1 t h ef o u r t hp a r ti m p l e m e n t st h ek e yt e c h n i q u e sb yd e s i g n i n ga na r c h a e o l o g i c a l r e s e a r c ha s s i s t a n ts y s t e m t h es y s t e mi sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h e a r c h a e o l o g i c a lr e s e a r c h ，a n da p p l i e st h ek e yt e c h n i q u e sa b o v e f i n a l l y ，t h et h e s i sa p p l i e st h ea r c h a e o l o g i c a lr e s e a r c ha s s i s t a n ts y s t e mt ot h e p r o j e c to ft h er e s e a r c ho fk e yt e c t m i q u e so fr e l i cr e s e r v a t i o nf o rj i n s h aa r c h a e o l o g i c a l s i t e ，a n dw i n saf a v o r a b l ee f f e c t k e yw o r d s ：d i g i t a la r c h a e o l o g y , a r c h a e o l o g i c a lr e s e a r c ha s s i s t a n t ，3 dm o d e l i n g t e c h n i q u eo f e x c a v a t i o ns i t e ，r e l i cr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u ei ni n t e m e t 数字考古关键技术研究与应j ； j 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 中华文化与考古发掘 在历史的长河中，人类的祖先创造了无数瑰丽的历史文化，给我们后人留下 了数不清的遗址、遗迹、文物等，如埃及金字塔、m a y a 文化、中国秦代兵马俑 等等。这些文化遗产是人类文明的缩影与表征，它们不仅反映了特定社会条件下 生产力发展水平、科学技术水平和人们的创造能力，具有重要的历史与科学价值； 而目也反应了当时人们的文化和艺术水平、审美观和精神文明，具有很高的文化 和艺术价值。 中华民族悠久的文明历史积淀了丰富珍贵的历史文化遗产，产生了许多著名 的文化遗址，如敦煌莫高窟、河姆渡文化、良淆文化、金沙遗址等。这些珍贵文 化遗产对传承中华文化、建设社会主义精神文明和物质文明、实现中华民族伟大 复兴具有不可替代的重要作用。丰富而众多的文化遗产蕴含着重大的教育与开发 利用价值，如何更好地发掘、保护、研究文物资源并进行合理的利用与开发，如 何更好的宣传与发扬中围悠久的历史文化，对文物研究者以及科技工作者来说都 是1 项艰巨的任务。充分应用最新的信息技术，文物资源必将更进一步的发挥其 社会效益、经济效益和文化效益。 遗址、文物不仅代表着祖先曾经所创造的灿烂文化，而且也是新时代先进文 化建设的重要内容。在新的历史条件下，考古工作、文物的保护研究与开发利用 义面临了各种新的压力和矛盾，如城乡经济建设规划开发与文物及其遗址保护之 间矛盾突出、传统的展出方式不能满足人们对了解研究攀赏传统文化的需求之间 矛盾h 益、有限的资金投入不能解决大规模的文化遗址抢救与保护研究。数字考 占的研究为遗址与文物保护研究与丌发利用提供了条新思路，也作为最新信息 技术在文物方面的应用，为文物的研究和展示提供了新的形式与手段。充分利用 高新技术的理论和方法，开展我国若干重要文化遗产多学科多层面的综合研究， 不仅为这些文化遗产进行更有效地保护深入研究等提供科学技术依据，而且对同 类文化遗产保护研究具有借鉴和示范作用。 1 2 数字考古 数宁考占，采用虚拟现实、多媒体、宽带网络与数据库等先进信息技术，研 究歼发基于计算机与网络环境的新型实用化辅助系统或手段，能够服务于文物保 护、教育、宣传的的长远发展。数字考古，通过记录、拍摄、重建考古发掘现场 数字毫占关键技术研究与席用 浙江大学硕士学位论文 的地层、地貌、建筑、文物出土位置等信息，通过给文物相关的文字、图像、声 音、视频及三维数据信息提供数字化保存、组织存储与查询检索手段，通过数字 化展示手段在i n t e m e t 和实际遗址内进行参观展示，为文物的保护与研究者、窟 传者、旅游参观者更好的保护研究、宣传与观赏等服务。 国际上许多发达国家( 如美国、加拿大、日本、英国、德国等) 在数字考古 方面起步较早，目前对文物数字化技术研究的涵盖面已经比较全面，从数字化文 物存档到对文物的保护修复，以及大规模遗址的交互展示等研究都有了一定的积 累。但数字考古的研究和应用工作在国内起步较晚，研究和应用水平相对于美国、 西欧等发达国家都还处于较低的水平。国内文物数字化的发展，一方面受国内信 息技术水平发展的影响，另一方面也受到国内经济发展水平的约束。如今，中国 经济建设的成果举世瞩目，信息技术也有了长足的发展和进步，对文物保护与开 发利用的工作已经提上日程，文物数字化工作的条件日趋成熟。 信息技术的发展，尤其是数字摄影、三维信息获取、虚拟现实、多媒体与宽 带网络技术研究与应用，为数字考古的研究和应用提供了坚实的技术基础。数字 考古为遗址、文物提供数字化的存储、展示与开发利用，它将提供更丰富的媒体 信息，更安全的保存手段，更多样的展示手段，不仅为文化遗产的保护提供一种 新的思路，而且对进一步提高文物保护研究深度和，1 度，实现文物的科学保护和 合理j 于发，推动中国古代文明的研究向纵深发展，促进历史文化产业全面发展， 传承中华文化，实现中华民族的伟大复兴都具有十分重大的意义。 1 3 论文主要工作 本论文的研究是结合“十五”圈家科技攻关计划“古文化遗存的数字化工程 示范研究”和浙江省重点科技攻关项目“遗址文物的数字化关键技术研究及其应 用”进行的。论文的二； = = 要内容是将最新的信息化技术应用于数字考古工作上。通 过数字化技术将遗址发掘现场、遗址芨掘文物及相关的各种三维信息保存下来， 并且依靠网，卜- 重现展示手段，从而为考古研究工作提供一1 种新型的手段。具体的 说，论文主要做了以下二r 作： ( 1 ) 研究了利用有限考古研究成果( 包括文化层手描图、文物出土位置、姿 态等信息) 进行考古发掘现场建模技术。该建模技术提出了点和文化层 曲线的模型，并且使用分段b 6 z i e r 曲线对文化层曲线进行特征提取，利 用控制点坐标信息生成文化层曲线，并使用探方外壁和文化面牛成技术 ，仁成探方的外壁和文化层的三维坐标，从而进一步生成探方框架模型； 并利用文物m 土时的位置、姿态信息对探方框架模型和文物三维模型进 行融合，牛成完整的探方模型。 数事考古关键技术研究与麻用 浙江大学预十学位论文 ( 2 ) 研究了基于主题的文物网上重现技术。该技术提出了文物分类的数学模 型和分类方法，建立了基于i n t e m e t 的文物重现的逻辑模型，详细分析了 模型中客户端、服务器，并且通过网络协议提供了对基于主题的文物网 上重现的支持。 ( 3 ) 以考古研究辅助系统的设讨开发对以上关键技术进行了实现。针对目前 考古研究中存在的问题进行了考古研究辅助系统的设计，并将上述关键 技术应用到开发实际中。 ( 4 ) 将考古研究辅助系统应用到“古文化遗存的数字化工程示范研究”项目 中。根据金沙遗址的实际情况，对考古研究辅助系统进行了实际的应用。 1 4 论文结构 围绕数字考古中的建模和网上展示关键技术及其应用，本论文的组织结构如 下： 第一章：绪论。阐述了本文的研究背景、研究的主要意义、所做的工作和内 容组织。 第二章：数字考古的技术研究及应用现状。概括介绍了数字考古相关技术研 究的困内外现状、总结了数字考古的发展历史和在国内外的应用现状。 第三章：考古发掘现场的三维建模技术。本章主要介绍了如何利用有限的考 占成果对考古发掘现场进行建模。论文首先介绍了建模技术的方案，然后介绍了 建模技术中使用的三个关键技术：文化层曲线生成技术、探方外壁和文化面生成 技术、模型融合技术。 第四章：考古发掘文物的嘲上重现技术。主要介绍了基于主题的文物重现技 求和摹于主题的文物网上三维重现技术。基于主题的文物重现技术建立了文物分 类的数学模型，并提出了一个基于文物属性的文物分类的方法。而基于主题的文 物网l 二i 维重现技术则提出了一个基于i n t e m e t 的文物重现的逻辑模型，并且分 析了模型中的客户端、服务器端，设计了一个网络协议支持基于主题的文物重现。 第五章：考古研究辅助系统的没计。介绍个考古研究辅助系统的设计。主 要是将第三章和第四章的关键技术应用到实际的系统设计、开发中。主要内容包 括系统的功能和结构介绍，以及考占现场建模子系统和文物重现子系统的设计方 案。 第六章：考古研究辅助系统的应用。将第血章喇述的考古研究辅助系统应用 列r 具体的项同中，介绍了项目的应用过程和结果。 第七章：总结与展望。对论文的丁= 作进行了总结，并且对卜，步工作进行了 艉谗。 数 考古关键技术研究与应用 浙江大学硕士学位论文 第二章数字考古的技术研究及应用现状 2 1 国内外数字考古应用及发展现状 近些年来，随着计算机技术，特别是虚拟现实、多媒体、宽带网络与数据库 等技术的飞速发展，数字考古工作越来越受到全世界的重视。在国际上，英国、 法国、美国、埃及等国家的研究和应用起步较早，目前不论在技术研究和应用方 面都已经有了一定的规模和相当的积累；而我国的数字考古工作则处于起步阶 段，研究和应用水平还处于较低的水平。 在国际上，很多国家早已经开始了对数字考古工作的研究和应用，数字考古 应用项目逐渐朝着以下三个方向发展 1 】：( 1 ) 三维记录( 3 dd o c u m e n t a t i o n ) ：使 用三维技术来保存、记录考古发掘过程中的信息数据，包括发掘现场、出土的文 物、古迹、古建筑等；( 2 ) 三维重现( 3 dr e p r e s e n t a t i o n ) ：即使用虚拟现实、多 媒体等技术对遗址、文物等进行建模、渲染；( 3 ) 三维传播( 3 dd i s s e m i n a t i o n ) ： 即通过计算机技术对遗址、文物进行传播教育，包括使用增强现实技术在遗址现 场进行辅助展示，通过网络进行远程展示等。 英国的3 d m u r a l e ( 3 d m e a s u r e m e n ta n d v i r t u a l r e c o n s t r u c t i o no f a n c i e m l o s t w o r l do fe u r o p e ) 项目【2 】【3 1 是由欧盟支持，英国的b r u n e l 大学主持开发的。这 个项目主要使用多媒体、虚拟现实等技术为数字考古提供整套文物、地层的获 取，蕈建、器物模型的复原、发掘过程的展示等 4 】，并且以土耳其的s a g a l a s s o s 遗址 5 】为实例进行了应用。图1 为使用形状获取器( s h a p e w a r e ) 【6 】获取的 p o s e i d o n 的头像，图2 则为考古发掘过程的模拟。 囤1p o s e i d o n 头像 数字考古工键技术酬究与应用浙江大学硕 学位论文 第二章数字考古的技术研究及应用现状 2 1 国内外数字考古应用及发展现状 近此年来，随着计算机技术，特别是虚拟现实、多媒体、宽带网络与数据库 等技术的飞速发展，数字考古工作越来越受到全世界的重视。在国际上，英国、 法国、美国、埃及等国家的研究和应用起步较早，目前不论在技术研究和廊用局 面都已弊有了 定的规模和相当的积累；而我国的数字考古上作则处于起步阶 段，研究和应用水平还处于较低的水平。 在国际上，很多国家早已绎井始了对数字考古工作的研究和应用，数宁考古 随用项目逐渐朝着以下= 个方向发展1 1 ：f 1 ) 三维记录( 3 dd o c u m e m a t i o l l ) ：使 用。维技术来保存、记录考古发掘过程中的信息数据，包括发掘现场、m 士的义 物、古迹、1 1 建筑等；( 2 ) 三维重现( 3 dr e p r e s e n t a t i o n ) ：即使用虚拟现实、多 耍某体等技术对遗址、文物等进行建模、渲染：( 3 ) 三维传播( 3 dd i s s e m i n a t i o n ) ； 即通过计算机技术对遗址、文物进行传播教育，包括使用增强现实技术在遗址现 场进行辅助展示，通过网络进行远程展示等。 英矧的3 d m u r a l e ( 3 d m e a s u r e m e ma n d v i r t u a l r e c o n s t r u c t i o no f a n c i e m l o s t w o r l do fe u r o p e ) 项目f 2 1 1 3 是由欧盟支持，英国的b r u n e l 大学t 持升发的。这 个项 1 卡要使i i = | j 多媒体、虚拟现实等技术为数字考古提供一整套文物、地层的获 烈与重建、器物模型的复原、发掘过程的展不等 4 】，并且咀土耳其的s a g a l a s s o s 遗h k 5 】为实例进行了应用。图1 为使用形状获取器( s h a p e w a r e ) 1 6 1 获取的 p o s e i d o n 的头像，图2 则为考古发掘过程的模拟。 p o s e i d o n 的头像，图2 则为考古发掘过程的模拟。 吲1p o s e i d o n 头豫 数字考古关键技术研究与应用浙江火学硕士学位论文 图2 考古发掘过程模拟 法国的f o v e a 项居 7 】则是由法国自然历史博物馆、t o u l o u s e 大学、法国国 家计算机科学与自动化研究所联合研发的，旨在通过计算机技术辅助分析发掘洞 窟的上壤、发掘物等来了解人类物种的进化过程。项目主要解决以下四个问题： ( 1 ) 地质三维建模( 3 d m o d e l i n g t h eg e o l o g y ) ( 2 ) 环境三维建模( 3 d m o d e l i n g t h e e n v i r o n m e n t ) ；( 3 ) 化石三维建模( 3 dm o d e l i n gt h ef o s s i l s ) ；( 4 ) 三维重现和交互 ( 3 dv i s u a l i z a t i o na n di n t e r a c t i o n ) 。地层的三维建模使用一个数学模型，通过一 系列参数或者一系列离散点来记录地层信息，如图3 所示；对于化石的三维建模 则使用切片式扫描图片来重建三维模型( 如图4 所示) ，并假设人脸皮肷和头颅 形状是吻合的，进行人脸的复原，如图5 所示。 图3f o v e a 项h 地层建模图4 使用切片式扫描蘑建三维模型 图5 人脸的复原过程 南斯拉夫的温察( v i n c a ) 文化遗址【8 】使用“3 dd i g t a lv i n c a ”系统作为考古 发掘辅助系统，记录收集发掘现场的数字信息。3 dd i g t a lv i n c a 系统 9 】使用大量 考，彳州实际测量出的坐标进行发掘现场地形的三维结构建模，使用分段拍摄的地 形罔”进行图片拼接( s t i t c h ) 作为纹理，如图6 所示：并且使用考古发掘时拍 摄的照片重建出温察文化后期的建筑，如图7 。 数f 考古关键技尤研究与应用浙耍大学硕 “学位怡业 图6 发拥现场复原效果圈图7 温察义化建筑复原 希腊的攮于增强现实的文物遗址导游项目f a u g m e n t e dr e a l i t yb a s e dc u l t u r a l h e r i t a g eo n s i t eg u i d e ，简称为a r c 王e o g u i d e ) 【1 0 1 1 1 1 和比利时的e n a m e 项 目 1 2 1 m q 是遗址再现的典型代表。图8 即为a r c h e o g u l d e 项目中使用a r 技 术展示h e r a 庙宇的效果图。 现实中遗址 的图片 增强现实处 理后酌翻片 图8 使用a r 增强遗址展m 效果 相对于围外的快速发展，国内在数字考古方面的发展才刚刚起步，目前主要 的应用是考古发掘过程的辅助以及考占数字博物馆的建靠。 目前幽内考古发掘过程的辅助主要是通过电流、电磁波以及磁场等手段，将 地理信息系统等数字技术应用到考古发掘中，从而提高遗址地表信息数据f l 匀精 度。由陕西省考古研究所和北京人学联合组成的削公庙考古队，住陕西省歧山县 删公庙遗址进行考古调查、钻探及抢救发掘工作中，首次将g p s ( 全球_ j 星定位 系统) 、g 1 s ( 地理信息系统) 、r s ( 遥感) 技术综合心用于大遗址考古的争过程， 在航空遥感资利的基础上确定遗址位置，建立“周公庙遗址田野考古调查数据 序”，初步措建起周公庙遗址西周墓葬群“数字考古”的数据库框架f 1 3 1 。 考占数字博物馆则是国内数字考卉的另外一个应用方向，以山东大学考古数 博物馆l4 和西北大学考占数字博物馆【15 为代表。这两个考古数字博物馆通 过于工建模文物、发掘现场的场景，真实感较差：网上的数字博物馆_ _ j _ = 要展出文 物、场景，以及相关的文7 资料、嘲片等，展示手法单，与国外相关的项 | 桐 | 匕水、re 差趾较人。 数字考古关键技术研究与应j h 浙江大学硕士学位论文 2 2 数字考古相关技术研究现状 2 2 1 获取技术研究现状 2 2 1 1 考古现场的获取与建模 目前考古现场的获取技术主要是基于图像序列或视频的三维建模 1 6 1 。该技 术既可以可以通过对场景实拍的一系列图像来进行建模，也可以通过视频来进行 建模。该技术不需要预先获取照相机的内外部参数，在获取场景图像序列时，可 以随意改变照相机设置( 缩放或焦距) ，同时也不需要对于待重建场景模型有预 先的知识，从而达到比较高的灵活性，提高获取系统的效率。 该技术主要可以分为以f 几个步骤：投影重建( p r o j e c t i v er e c o n s t r u c t i o n ) ， 自标定( s e l f - c a l i b r a t i o n ) ，深度图像配准( d e n s em a t c h i n g ) 以及三维模型重建 ( 3 dm o d e lb u i l d i n g ) 。 ( 1 ) 投影重建 1 7 1 ：输入为图像序列，要求连续获取的两幅图像之间的差别 在定范围之内，具有一定的相关性，即对于菜一副图像内一个特征点，它的对 应点应该处于相邻图像对应位置的某一邻域内，从而可以比较快速有效的自动获 取对应点对。这里所指的特征点即灰度值梯度变化较大的象素点。通过梯度计算 得到两副相邻图像的，l 组对应点对( 7 组以上) ，计算两幅图像的极线几何对应 戈系，得到其基础矩阵。 图9 极线几伺 阁9 描述了极线几何示意图。f c o p i c o p 2 ，p 】形成极平商，平面与成像平面 交线为极线，c o p l 与c o p 2 连线与两成像平面交点e l 与e 2 分别为两个极点， 假设三维空间点p 在成像平面上对应为p l 与p 2 ，则在极坐标中满足以下关系： ，一 “ “，p z2u ，其中f 即为3 * 3 的基础矩阵，它定义了两个投影坐标系对应关系。 ( 2 ) 自标定【1 8 】( 1 9 】：由于不同视点照相机参数都不同，则投影变换关系都不 同，所以需要通过自标定将各个投影关系变换到一个统一的尺度中。照相机自标 定足指不需要标定块，仅仅通过图像点之间的对应关系对摄像机进行标定的过 数字考占关键技术研究与应用浙江丈学硕士学位论文 程，它的优点是比较灵活，方便。自标定的基本思路是通过绝对二次曲线建立关 ：摄像机内参数矩阵的约束方程，称之为k r u p p a 方程。由于不同视点照相机参 数都不同，则投影变换关系都不同，所以需要对每组图像进行自标定，得到一个 k r u p p a 方程，通过自标定，将各个投影关系变换到一个统一的尺度中，这样最 后得到的也是一个原始重建物体的比例模型。 ( 3 ) 深度图像配准 2 0 1 ：在前面的投影重建中，只是提取了一些特征点，对 它们进行重建。为了获取整副场景的三维模型，则需要对图像中每个点进行配准， 根据极线约束原理，对于图像中每个点，它的配准点都处于对应的极线上，这样 可以将二维搜索改进为一维搜索，大大提高计算效率，通过三角测距计算得到场 景的深度图像。 ( 4 ) 三维模型重建；深度图像为模型的点云表示，其中点相对独立，通过使 用参数化表面模型对其进行插值，得到一个连通面片模型，同时需要对模型处理， 消除一些错误面片，然后进行平滑处理，最后对模型进行纹理映射，加强模型的 真实感。 基于图像序列的三维建模技术可以恢复出具有照片级真实感的场景或者物 体模型，具有成本低廉，方便快捷等特点，因而得到了较为广泛的应用。3 dm u r a l e 项目成功的应用了此获取方法来进行地形、地貌以及建筑的三维获取，图1 0 即 为使用浚技术建造的地形的三维模型。 图1 03 d m u r a l e 建造的地形模型 2 2 ，1 2 单个文物的获取与建模 1 基于i b m r 的文物获取技术 i b m r 技术也就是基于图像的建模和绘制技术。它通常是基于一些预先生成 的图像( 或环境映照) 来生成不同视点的场景画面。基于图像的绘制技术和其建 模方法的密不可分，通常合称为i b m r ( i m a g eb a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ) 。 数，考古关键技术研究与应用 浙江大学硕士学位论文 该技术以图形学为理论基础，同时结合了计算机视觉等技术，其核心思想是利用 丰h 关对象或环境的一组图像( 特定的视点位置) 来合成出任意视点位置的视图。 基于图像的建模就是利用场景的图像( 照片、渲染图像) 来建立场景的几何 模型，更准确地说，就是利用图像来确定场景的外观、场景的几何结构、光照明 模型、反射特性、动力学特性。由于图像本身包含着丰富的场景信息，自然容易 从图像获得照片般逼真的场景模型 2 1 】。 由多幅图像进行三维重构的主要步骤和方法有：照相机校准、照相机方位估 算、三角化、由运动获取结构、特征匹配、立体匹配、由轮廓像恢复形体、视见 凸包、逆向纹理映射。 i b m r 的建模绘制方法由于其简单，资源要求低在数字化文物展示中得到了 j1 泛的应用，目前互联网络上的三维文物展示一般都采用该技术。图11 是使用 i b m r 技术重建文物模型的实例。 图1 1 使用i b m r 技术重建文物模型 2 利用j 维扫描设备获取文物 此类获取方法主要是是利用具有测距功能的三维扫描设备来获取物体的二二 维信息，如f a s t s c a n ，i n s p e c k ，g o m ，i q s u n8 8 0 ，d e l t a s 曲e r e 等等。这些设备 利用激光、超声波或者红外线测距，能够获得的比较精确的三维数据，适用f 有 定精度要求的建模应用中，如复杂机械零件，文物等。除了精度高的优点外， 另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时间很少。 三维扫描技术起源于2 0 世纪8 0 年代。c y b e r w a r e 公司研制出魁界巴最早的 一维扫描仪，并将其成功地投入实用。进入9 0 年代，三维扫描技术获得了广泛 的应用，到目前为止已有近白种型号的三维扫描装置面世。而且随着技术的发展， i 维 拙设备在精度、速度、易操作性等方面达到了很高的水平，可扫描对象的 范围不断扩大，而且与此同时设备的成本和价格也在不断降低。 美幽斯坦福大学、华盛顿大学与c y b e r w a r e 公司合作完成的数字化米开朗基 罗( m i c h e l a n g e l o ) 计划使片三维扫描仪记录rt j 座米开朗基罗所塑造的大型塑 像，包括著名的大卫像，并住旁建立了交互式的计算机环境供参观者使用 数字考古关键技术研究与席用浙江火学硕士学位论文 2 2 2 3 。图1 2 为使用三维扫描仪获取大卫像。 图i 2 使用三维扫描仪获取大一卫像 尽管三维扫描仪的种类繁多，它们的工作原理也各不相同。利用三维扫描仪 埘实物进行三维数据信息获取的过程一般分感知和重构两个阶段。感知阶段通过 收集和获取原始的数据信息来产生最初的几何数据，一般为三维的点云数据。而 亘构阶段是一一个关键的数据处理过程，它将感知阶段获得信息转换成三维几何数 据，如通过n u r b s 或三角面片来表示模型。 目前，三维扫描技术可以将古文物、传统雕刻、浮雕甚至人类学中将占人类 的骨头、器皿，快速的数字化并保存下来。便携式三维数字扫描器可方便的架设 于复杂的地理环境，对于过于大件的文物也町分批扫描，从而使得三维扫描技术 住文物保护领域处于蘑要的位置，并已成为三维文物数字信息记录技术的主流。 2 2 2i n t e r n e t 上的文物重现技术研究现状 2 2 2 1q u i e k t i m e v r q u i c k t i m e 是由美国的a p p l e 公司开发的1 款优秀的媒体播放器，从1 9 9 1 年推出到现在，q u i c k t i m e 已逐渐成为网络数字视频和流媒体传输的标准之一。 总的来说，q u i c k t i m e 具有以下优点：( 1 ) 跨平台性：被几乎所有主流电脑平台 支持，包括a p p l em a co s 、m i c r o s o f tw i n d o w s 等。( 2 ) 支持领先的集成压缩技 术，存储窄j 刊要求小。( 3 ) 包含基于i n t e m e t 应用的关键特性，能够通过i n t e r n e t 提供实时的数宁化信息流、工作流与文件同放功能。 q u i c k t i m ev r ( q t v r ) 是一种基于静态图象的、在i n t e r n e t 上广泛应j 目的 虚拟现实技术。利用它来创建虚拟场景，可以在一个大厅里环绕四周，以任意一 数字考古关键技术研究与应用浙江大学硕士学位论文 个角度观察这个空间；电可以围绕某一个物体，在3 6 0 度的范围观察它。q t v r 的核心概念主要包括全景图像( p a n o r a m a ) 、对象( o b j e c t ) 和场景( s c e n e ) 。 q q 、v r 的全景图像是空间中一个视点对周围环境的3 6 0 度的视图，可以理解 为以节点为中心的具有一定高度的圆柱形的平面，平面外部的景物投影在这个平 面上。用户可以在全景图象中在3 6 0 度的范围内任意切换视线，也可以在一个视 线上改变视角，来取得接近或远离的效果。 对象是和全景图象的概念相对比的概念。对象是从分布在以一件物体为中心 的立体3 6 0 度的球面上的众多视点来看件物体，从而生成的对一个对象的全方 位的图象信息。 而场景是指把一个或多个全景图象或对象电影通过热点这种手段连接后的 全景图象和对象电影的有序集合体。在场景中，用户可以在很多全景图象或对象 电影中漫游。 目前q t v r 已经成为互联网上构建虚拟环境使用的主要技术之。由埃及 和i b m 公司合作制作的项目永远的埃及( e t e m a le g y p t ) 2 4 大量使用q t v r 技术来进行洞窟、建筑、文物的展示，如图1 3 所示。但是这样的模式限制了参 观者的参观角度和运动范围，虽然技术已经很成熟但并不能满足网上虚拟展示的 需要。 图1 3 “永远的埃及”使用q t v r 制作的洞窟外景 2 2 2 2 基于v r m l 的文物重现技术 v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种虚拟环境交换格式。 v r m i 。9 7 1 2 5 是由国际标准化组织( i s o ) 在1 9 9 7 年1 2 月作为国际标准i f 式发 钷。 v r m l 语言的基本1 + 作原理可概括为：文本描述、远程传输、本地计算牛 成。( 1 ) 文本描述指v r m l 用类似h t m l 标记文本语言来描述世界和链接，这 在保证各种平台通用的同时，也降低了数据量，从而在低带宽的网络上也可以实 现：( 2 ) 远程传输是指用户浏览v r m l 接述的虚拟场景时，需要通过i n t e r n e t 将描述场景的文本传送剑本地，文本描述是嵌在w e b ，贝面中，在浏览器请求相 数字考古关键技术研究与应用 浙江人学硕士学位论文 廊页面时与页面描述文本一起传送本地；( 3 ) 本地计算生成是指描述虚拟场景的 数据传送到本地后，通过本地平台e 的v r m l 浏览器交互式的访问该文件描述 的虚拟世界。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。 v r m l 文件主要包括：v r m l 文件头、原型、造型节点、脚本、路由。其 中，文件头部分是必须的，它告诉浏览器该文件符合的规范标准以及使用的字符 集等信息。原型定义了创建了带有指定名称、接口和整体的新节点类型，一旦定 义了原型，v r m l 文件的其他地方随意的使用它。造型节点是v r m l 中的基本 建造模块，它构成了v r m l 文件的主体部分，正是由于造型节点定义而产生了 虚拟的v r m l 空间。脚本可以看作是一个节点的外壳，包括域、e v e n t l n 事件、 e v e n t o u t 事件。脚本本身没有任何动作，然而你可以通过由j a v a 或j a v a s c r i p t 编 程语言写成的程序来赋予你脚本节点的动作。路由是一种文本描述的消息，一旦 在两个节点之间创建了一个路由，第一个节点可以顺着路由传递消息给第二个节 点，这样的消息被称为事件。 图1 4 使用v r m l 浏览器浏览文物的三维模型 作为i s o i e c 国际标准，v i l m l 的稳定性得到保证，因此刚一问世，便； 起了极大的反响，得到众多的软硬件厂商的支持，推动了i n t e m e t 网上交互式三 维应用的迅速发展。目前已经有p a r a l l e lg r a p h i c s 、s g i 、m i c r o s o f t 等众多公司开 发了浏览器插件支持对v r m l 的解释和浏览。图1 4 就是使用c o r t o n a 浏览器观 看文物的二维模型。 数字考古关键技术研究与应用浙江大学硕士学位论文 第三章考古发掘现场的三维建模技术 考古发掘是考古专家了解人类历史的重要方法，考古发掘现场是考古资料获 取的主要场所。考古发掘现场( e x c a v a t i o ns i t e ) 通常是由若干个发掘单元一一 探方( e x c a v a t i o nu n i t ) 构成的；每个探方又是由土层单元( s t r a t i g r a p h i cu n i t ) 和考古物件( a r c h a e o l o g i c a lo b j e c t ) 构成：土层单元是从古至今泥土的堆积过程， 由顶层至底层可以根据土质的不同( 进而反映时代的不同) 将其划分为不同的文 化层( c u l t u r el a y e r ) ；而考古物件则可以被划分成若于集合( c o l l e c t i o n ) ，如陶 器( p o t t e r y ) 集合等 2 6 1 。图1 5 是一个考古发掘现场信息数据的逻辑结构。 1 占荡j 鹚女穆_ 卜白麓撩 图1 5 考古发掘现场信息数据的逻辑结构 但是由于种种原因，传统的发掘方式并不能很好的保存和研究发掘现场的信 息。( 1 ) 发掘现场一般在考古发掘过程中或者考古发掘完成以后就遭到不可恢复 性毁坏，因此一旦发掘工作完成，考古信息的获取就停止了。( 2 ) 在考古完成之 后，一切信息的来源只能是考古专家的考古成果，如