一种文物虚拟修复方法和修复系统

摘要

本发明公开了一种文物虚拟修复系统。本发明的目的是提供一种文物虚拟修复系统，包括VR眼镜和投影仪，其特征在于：所述VR眼镜呈现虚拟修复工作台，运用虚拟现实进行对象展示、交互操作、三维立体、交互维度等操作，在虚拟空间进行文物修复动画视图的模拟操作，而所述投影仪则投影显示操作人员的实时操作画面。本发明在修复文物之前，采用本系统进行模拟操作得到最佳方案，避免了因为在有些技术手段没有达到的情况下，对文物的修复有可能造成的二次伤害，而在提升修复系统培训的真实感与临场感的同时，缩短修复系统培训周期，降低修复系统培训成本，从而实现真正的修复系统专业培训。

说明书

技术领域

本发明涉及一种文物修复系统，尤其涉及一种文物虚拟修复方法和修复系统。

背景技术

我国是一个历史悠久的文明古国，在我国漫长的历史进程中，产生了种类繁多，品种及其丰富的文物，但是，这些年代久远的历史文化遗产，随着时间的流逝，都经受着不同程度的破坏和损害，如,金属文物锈蚀、陶器、瓷器破碎，石雕残崩，木器和竹器干裂、皱缩，出土的纺织品、纸张文物腐朽等，所有这些经过破坏或损害的文物都需要进行抢救或修复才能长期地保存下去；但是同时，文物的修复是一项技术性非常强的工作，文物的类别不同，它的修复方法也不同，修复人员一方面需要掌握各方面的专业知识，另一方面也需要在长期的工作中积累更多的修复经验；目前存在的问题是，一方面，具有丰富经验的技术人员急缺，新人的培训仅仅依靠言传身教，且传授过程不可重复，培训效率极低；另一方面，因为在有些技术手段没有达到的情况下，对文物的修复有可能造成二次伤害。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种文物虚拟修复方法和修复系统，该方法在计算机里进行建模将文物缺失的部分补回原状，采用便携式的VR眼镜以及便携式的操作台，不在真实的文物上进行实际的修复工作，而在三维可视化模型上模拟修复，具有修复文物的真实感和临场感。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种文物虚拟修复方法，采用以下步骤：

1）利用三维激光扫描仪和摄影机扫描文物并存档，对采集的文物图像进行图像预处理，对影响图像特征的噪点和反光区域进行优化处理，通过数字化处理确保图像表面平滑度与边缘锐化增强；对文物表面的纹理和色彩特征的采集分析，提取文物的色彩特征，对分析完成的文物的图像纹理特征进行提取，其中，图像纹理特征包括三维数据、表面纹理、色彩特征和文物图像；

2）通过三维扫描的所述三维数据、表面纹理、色彩特征和文物图像构建文物的三维模型，并运用计算机在所述三维模型上叠加虚拟现实或增强现实建模的操作指导信息；

3）操作人员在所述三维模型上进行虚拟修复操作，同时，投影仪记录操作人员实时操作画面；

4）通过TOF传感器获取操作人员实时操作动作，并通过计算机与所述操作指导信息进行对比；

5）判断操作人员的操作动作正确与否，并及时给出纠正指示。

作为本发明的进一步改进，采用三维激光扫描仪扫描文物时，综合利用不同类型的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集，结合近景摄影测量，实现文物表面信息的全部留取。

作为本发明的进一步改进，首先，利用毫米级和亚毫米级三维激光扫描仪器获取文物整体的密集点数据，通过多时相点数据对比，得到文物整体的变化量，包括文物整体的倾斜、局部结构的变形及缺损的具体变化情况；然后，采用近景摄影测量，通过投影或纹理展开的方式获得文物的影像图，借助图像识别技术能够检测出纹理色彩的细微变化。

作为本发明的进一步改进，所述图像预处理主要包括点云拼接、降噪除冗、数据分割、滤波、点云优化处理。

作为本发明的进一步改进，采用CAD三维建模软件和三维扫描逆向工程方法，重建虚拟修复环境、虚拟场景和虚拟文物数据生成三维可视化模型，采用三维变形体虚拟仿真技术、三维透视结构虚拟运动仿真方法、三维柔性变形力学模拟方法，使得模型能进行任意方位的旋转和清晰地显示出各个方位的结构；在三维建模过程中将面数降低，以便完成对文物表面的纹理和色彩赋予材质和贴图。

作为本发明的进一步改进，根据文物上待修复部件或色彩模块的实际三维模型数据、纹理和色彩特征，应用Unity3d虚拟现实开发包构建所述三维模型的虚拟影像；应用Javascript开发语言由指导人员制定与实际三维模型数据、纹理和色彩特征对应的至少一个修复方案，各待修复部件、纹理和色彩特征分别对应至少一个修复方案，实现各功能训练模块的交互式三维虚拟仿真效果，实现对文物修复工作的高度还原。

作为本发明的进一步改进，VR系统通过TOF传感器获取操作人员实时操作动作，将所述操作人员实时操作动作和预先存储的各待修复部件、纹理和色彩特征分别对应的修复方案相比较。

一种文物虚拟修复系统，包括三维激光扫描仪、摄影机、VR系统、投影仪和计算机，其特征在于：所述三维激光扫描仪和摄影机对文物进行三维扫描建模得到三维模型数据、表面纹理和色彩特征；所述计算机根据文物上待修复部件或色彩模块的实际三维模型数据、纹理和色彩特征，对文物优化生成的数据导入到相应的计算机程序中，再构建修复方案；所述VR系统呈现虚拟修复工作台，运用虚拟现实进行对象展示、交互操作、三维立体、交互指示的操作，使得操作人员在虚拟空间进行文物修复动画视图的模拟操作；所述投影仪记录实际操作的工作画面并精准呈现其画面；计算机通过TOF传感器获取操作人员对文物的三维虚拟模型的实时操作动作，通过与所述修复方案进行对比，判断操作人员的操作动作正确与否并及时给出纠正指示。

作为本发明的进一步改进，所述对象展示是采用CAD三维建模软件和三维扫描逆向工程方法，重建虚拟修复环境、虚拟场景和虚拟文物数据生成三维可视化模型，采用三维变形体虚拟仿真技术、三维透视结构虚拟运动仿真方法、三维柔性变形力学模拟方法，使得模型能进行任意方位的旋转和清晰地显示出各个方位的结构。

作为本发明的进一步改进，所述交互操作是通过TOF传感器获取操作人员实时的操作动作，并通过计算机与所述修复方案进行对比，判断操作人员的操作动作正确与否并及时给出纠正指示，从而使得操作人员在操作错误时得到实时纠正。

作为本发明的进一步改进，所述VR系统包括VR眼镜；所述TOF传感器通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的反射时间来得到目标物距离。

其中，所述VR眼镜是虚拟现实头戴显示器设备，是利用仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术多种技术集合的产品，是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互设备。

其中，所述Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

其中，所述JavaScript一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。

本发明的有益效果是:

1、本发明借助CAD三维建模软件和三维扫描逆向工程技术等，重建虚拟修复环境、虚拟场景和虚拟文物数据等三维可视化模型，因在开发中利用了三维变形体虚拟仿真技术、三维透视结构虚拟运动仿真技术、三维柔性变形力学模拟技术，模型能进行任意方位的旋转和清晰地显示出各个方位的结构，操作者可以多模式、多方位以及透视模式下对其进行操作。

2、本发明以超越以往二维的表现方式，应用Unity3d 虚拟现实开发包和Javascript等开发语言，实现各功能训练模块的交互式三维虚拟仿真效果，实现了对文物修复工作的高度还原，适用于教学、岗前培训和知识普及。本发明配套相应培训系统，通过3D扫描真实的文物标本的图像，并运用计算机在该图像上叠加上虚拟现实或增强现实建模的操作指导信息，使得培训人员可在操作过程中实时获得指导信息，提升培训的效率。同时通过TOF传感器获取培训人员实时的操作动作，并通过计算机与预设数据进行对比，判断培训人员的操作动作正确与否并及时给出纠正指示，从而使得培训人员在操作错误时得到实时纠正。

3、本发明采用便携式的VR眼镜以及便携式的操作台，使其操作培训不受场地的限制，在提升修复系统培训的真实感与临场感的同时，缩短修复系统培训周期，降低修复系统培训成本，从而实现真正的修复系统专业培训。而在修复文物之前，在本系统前模拟操作得到最佳方案，避免了因为在有些技术手段没有达到的情况下，对文物的修复有可能造成的二次伤害。

4、本发明通过首先利用毫米级和亚毫米级三维激光扫描仪器获取文物整体的密集点云数据，通过多时相点云数据对比，得到文物整体的变化量，包括文物整体的倾斜、局部结构的变形及缺损的具体变化情况；然后，采用近景摄影测量，通过投影或纹理展开的方式获得文物的正射影像图，借助图像识别技术能够检测出纹理色彩的细微变化。

附图说明

图1是本发明的建模流程示意图。

图2是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及其具体实施方式作进一步详细说明。

参见图1-2，本发明的文物虚拟修复方法，采用以下步骤进行：

1）利用三维激光扫描仪和摄影机扫描文物并存档，对采集的文物图像进行图像预处理，对影响图像特征的噪点和反光区域进行优化处理，通过数字化处理确保图像表面平滑度与边缘锐化增强；对文物表面的纹理和色彩特征的采集分析，提取文物的色彩特征，对分析完成的文物的图像纹理特征进行提取，其中，图像纹理特征包括三维数据、表面纹理、色彩特征和文物图像；

2）通过三维扫描的所述三维数据、表面纹理、色彩特征和文物图像构建文物的三维模型，并运用计算机在所述三维模型上叠加虚拟现实或增强现实建模的操作指导信息；

3）操作人员在所述三维模型上进行虚拟修复操作，同时，投影仪记录操作人员实时操作画面；

4）通过TOF传感器获取操作人员实时操作动作，并通过计算机与所述操作指导信息进行对比；

5）判断操作人员的操作动作正确与否，并及时给出纠正指示。

其中，采用三维激光扫描仪扫描文物时，综合利用不同类型的三维激光扫描系统，用毫米级的三维扫描仪进行整体控制，用亚毫米级的三维扫描仪进行局部数据采集，结合近景摄影测量，实现文物表面信息的全部留取。

由于三维激光扫描虽能够记录文物纹理信息，但由于精度不高、计算复杂等原因，难以进行文物纹理彩绘的精密检测。而，近景摄影测量具有间接测量、利用瞬间影像重建目标几何模型的特点，通过投影或纹理展开的方式可获得文物的影像图，精度可以达到亚毫米级，借助图像识别技术能够检测出纹理色彩的细微变化。

具体操作如下：首先，利用毫米级和亚毫米级三维激光扫描仪器获取文物整体的密集点数据，通过多时相点数据对比，得到文物整体的变化量，包括文物整体的倾斜、局部结构的变形及缺损的具体变化情况；然后，采用近景摄影测量，通过投影或纹理展开的方式获得文物的影像图，借助图像识别技术检测纹理色彩的细微变化。图像预处理主要包括点云拼接、降噪除冗、数据分割、滤波、点云优化处理。

采用CAD三维建模软件和三维扫描逆向工程方法，重建虚拟修复环境、虚拟场景和虚拟文物数据生成三维可视化模型，采用三维变形体虚拟仿真技术、三维透视结构虚拟运动仿真方法、三维柔性变形力学模拟方法，使得模型能进行任意方位的旋转和清晰地显示出各个方位的结构；在三维建模过程中将面数降低，以便完成对文物表面的纹理和色彩赋予材质和贴图。

根据文物上待修复部件或色彩模块的实际三维模型数据、纹理和色彩特征，应用Unity3d虚拟现实开发包构建所述三维模型的虚拟影像；应用Javascript开发语言由指导人员制定与实际三维模型数据、纹理和色彩特征对应的至少一个修复方案，各待修复部件、纹理和色彩特征分别对应至少一个修复方案，实现各功能训练模块的交互式三维虚拟仿真效果，实现对文物修复工作的高度还原。

VR系统通过TOF传感器获取操作人员实时操作动作，将所述操作人员实时操作动作和预先存储的各待修复部件、纹理和色彩特征分别对应的修复方案相比较。

本发明的修复系统包括三维激光扫描仪、摄影机、VR系统、投影仪和计算机，其特征在于：所述三维激光扫描仪和摄影机对文物进行三维扫描建模得到三维模型数据、表面纹理和色彩特征；所述计算机根据文物上待修复部件或色彩模块的实际三维模型数据、纹理和色彩特征，对文物优化生成的数据导入到相应的计算机程序中，再构建修复方案；所述VR系统呈现虚拟修复工作台，运用虚拟现实进行对象展示、交互操作、三维立体、交互指示的操作，使得操作人员在虚拟空间进行文物修复动画视图的模拟操作；所述投影仪记录实际操作的工作画面并精准呈现其画面；计算机通过TOF传感器获取操作人员对文物的三维虚拟模型的实时操作动作，通过与所述修复方案进行对比，判断操作人员的操作动作正确与否并及时给出纠正指示。

采用CAD三维建模软件和三维扫描逆向工程方法，重建虚拟修复环境、虚拟场景和虚拟文物数据生成三维可视化模型，采用三维变形体虚拟仿真技术、三维透视结构虚拟运动仿真方法、三维柔性变形力学模拟方法，使得模型能进行任意方位的旋转和清晰地显示出各个方位的结构。

通过TOF传感器获取操作人员实时的操作动作，并通过计算机与所述修复方案进行对比，判断操作人员的操作动作正确与否并及时给出纠正指示，从而使得操作人员在操作错误时得到实时纠正。

VR系统包括VR眼镜；所述TOF传感器通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的反射时间来得到目标物距离。

其中，VR眼镜是虚拟现实头戴显示器设备，是利用仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术多种技术集合的产品，是借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互设备。

其中，Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

其中，JavaScript一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。

本发明在修复文物时先将文物扫描建模后，再结合VR眼镜和投影仪对文物时行模拟操作，起到培训学员和预演修复的作用。