Las reliquias culturales son la valiosa riqueza histórica, la investigación histórica, la orientación científica y otros aspectos de gran importancia del país. Sin embargo, con el paso del tiempo, el daño a las reliquias culturales suele ser inevitable, lo que incluye tanto el desgaste natural de las reliquias como la destrucción accidental.
En abril de 2019, Notre Dame de París en Francia sufrió el peor incendio de su historia, con la estructura de madera en la parte superior de la iglesia completamente destruida, dejando solo restos de piedra y una gran cantidad de daños. Afortunadamente, el modelo digital de nube de puntos 3D de Notre Dame se archivó electrónicamente antes de su destrucción, lo que proporcionó datos suficientes y precisos para respaldar la reconstrucción de las partes dañadas de Notre Dame, que pueden restaurarse una por una basándose en los datos existentes.
El escaneo láser y el modelo de archivo 3D digitalizado pueden ayudar a la conservación y restauración del patrimonio y garantizar la autenticidad y precisión de la restauración. Investigadores relevantes resumieron la aplicación del escáner láser 3D en el campo de la protección de reliquias culturales en China desde los aspectos de desarrollo tecnológico, principio de funcionamiento y logros. Zhang Xiaoqing et al. Estudió la aplicación de la impresión 3D en la reconstrucción de reliquias culturales desde los aspectos del escaneo láser 3D y la tecnología relacionada con el modelado. Este artículo describe el proceso básico de digitalización de la protección de reliquias culturales desde el punto de vista de la combinación de dos tecnologías de escaneo láser tridimensional e impresión 3D, con el fin de resolver el problema tradicional de retención de información de digitalización de reliquias culturales y restauración precisa del problema.
Primero, el principio de trabajo.
El escaneo láser que utiliza el método de escaneo sin contacto puede obtener rápidamente la superficie objetivo de los datos masivos, lo que tiene ventajas sobresalientes en la protección de reliquias culturales. El escaneo láser tridimensional se realiza principalmente a través del método de medición de escaneo láser de alta velocidad, en forma de nube de puntos para obtener la matriz de datos de imágenes geométricas en la superficie del objeto. Los datos obtenidos mediante medición tradicional son en definitiva de forma bidimensional, a través de los dibujos presentados. A diferencia de las mediciones tradicionales, el escaneo láser 3D adquiere datos en forma tridimensional, que no solo contiene información sobre la posición plana y la elevación, sino también información sobre el color RGB y la reflectancia del objeto bajo prueba. Por tanto, la información obtenida mediante el escaneo láser 3D es muy completa.
El escáner láser 3D utiliza un láser como fuente de luz emisora para medir el objeto de acuerdo con una determinada resolución de escaneo horizontal y vertical, y adopta un método sin contacto para obtener los datos de la superficie del objeto medido. El principio de cálculo de las coordenadas de puntos espaciales se muestra en la siguiente figura. El láser se utiliza para obtener la distancia S desde el objeto a medir hasta el centro de escaneo, y luego el codificador controlado por reloj de precisión construido dentro del dispositivo se usa para medir sincrónicamente el valor de observación del ángulo de escaneo horizontal y el valor de observación del ángulo de escaneo longitudinal de cada pulso láser y las coordenadas espaciales tridimensionales del punto medido se pueden calcular a través de la relación geométrica espacial tridimensional utilizando un elemento lineal y dos elementos angulares. Coordenadas X, Y, Z del punto espacial. Los datos adquiridos mediante el escaneo láser 3D generalmente se encuentran en un sistema de coordenadas separado dentro del equipo, con el eje X en el plano de escaneo transversal, el eje YY en el plano de escaneo transversal perpendicular al eje X y el eje Z. perpendicular al plano de exploración transversal.
Arriba Diagrama de principios del cálculo de coordenadas de puntos espaciales.
La tecnología de impresión 3D consiste en imprimir objetos tridimensionales, el uso de corte y luego reconstruir la restauración de la trayectoria, derretir materias primas a alta temperatura para seguir el principio de apilamiento de trayectoria para restaurar el modelo digital. La tecnología de impresión 3D apareció a mediados de {{ 3}}s, de hecho, es el uso de fotopolimerización y laminación de papel y otras tecnologías, como el último dispositivo de fabricación aditiva. Es básicamente el mismo principio de funcionamiento con la impresión ordinaria, la impresora utiliza metal, cerámica, plástico, arena y otros materiales diferentes, como materias primas, conectadas a la computadora, a través de la trayectoria de corte controlada por computadora, las materias primas capa por capa según a la trayectoria de la pila de abajo hacia arriba y, en última instancia, a la computadora al escanear el modelo electrónico digital tridimensional en un objeto físico.
En segundo lugar, el análisis de las ventajas técnicas.
El escaneo láser tridimensional tiene una velocidad rápida (casi 1 millón de puntos por segundo), no necesita contactar con el objetivo (medición sin contacto), gran cantidad de datos, alta precisión y otras características. Entre ellos, la medición sin contacto puede obtener datos masivos sobre la superficie del objeto medido, evitando efectivamente daños por contacto a las reliquias culturales en el proceso de digitalización de reliquias culturales. Al mismo tiempo, no importa cuán compleja sea la estructura del objetivo medido, se puede adquirir de acuerdo con la apariencia original. La precisión de la medición del escaneo láser 3D puede alcanzar un nivel milimétrico o incluso submilimétrico, lo que puede registrar con precisión la apariencia original de las reliquias culturales y obtener modelos digitalizados 3D de alta precisión para archivar. El uso de tecnología de impresión 3D puede escanear las reliquias culturales digitalizadas de alta precisión archivadas para realizar los ajustes y modificaciones apropiados, el uso de impresoras 3D para imprimir el modelo y luego pulir, colorear y otros posprocesamiento del modelo para obtener una copia de las reliquias culturales. La tecnología de impresión 3D es la ventaja del modelo en una velocidad rápida, el modelo de la restauración de alta precisión se puede conectar sin problemas al escaneo láser. Por lo tanto, la combinación de escaneo láser tridimensional y tecnología de impresión 3D utilizada en la digitalización y restauración de reliquias culturales tiene una ventaja única.
Tercero, el proceso básico.
El uso del escaneo láser tridimensional y la impresión 3D combinados para ayudar a la digitalización y restauración de reliquias culturales es la tendencia de desarrollo principal actual. El objetivo medido tiene una distancia corta, requisitos de alta precisión, el escaneo láser tridimensional aplicado a la protección de reliquias culturales generalmente se selecciona de mano o con estación y el principio de diferencia de fase para obtener el objetivo de la instrumentación. El proceso básico incluye principalmente implementación de objetivos, adquisición de datos, empalme de modelos, procesamiento de modelos, corte de modelos, impresión 3D y otros aspectos, como se muestra en la figura siguiente. Tome el puente Zhaozhou como ejemplo para ilustrar el flujo del proceso en diferentes etapas.
3.1 Colocación de objetivos
Coloque objetivos esféricos uniformemente alrededor del puente, con al menos 3 pares de objetivos entre dos estaciones vecinas. Se colocan 3 pares de objetivos esféricos a diferentes alturas, escalonados para evitar colocarlos en la misma línea recta, para evitar no poder encontrar la base para la alineación de los datos vecinos con el mismo nombre en una etapa posterior.
3.2 Adquisición de datos
Seleccione el ángulo apropiado, configure el escáner láser tridimensional que lleva la estación, configure la resolución de escaneo en el dispositivo y la forma en que dispara la cámara, controle el tiempo de escaneo y realice un escaneo no direccional de 360 grados del objetivo. Se completa el escaneo del objetivo, verifique la precisión del escaneo de la bola objetivo, confirme si cumple con las condiciones de usar la nube de puntos de la superficie para ajustarse a las coordenadas esféricas, si la precisión no es suficiente, debe realizar un escaneo direccional de alta resolución de el objetivo esférico. Verifique repetidamente hasta que se cumplan las condiciones para encajar el centro de la esfera.
3.3 Empalme de modelos
Según el principio de funcionamiento del escaneo láser, los datos adquiridos por las estaciones vecinas se encuentran en diferentes sistemas de coordenadas independientes. Es necesario utilizar el principio de ICP y otros algoritmos relacionados para unificar el sistema de coordenadas de datos de múltiples estaciones, es decir, calcular la matriz de rotación entre los datos de nubes de las estaciones vecinas para completar la alineación del modelo y obtener el punto completo. Modelo de nube del cuerpo del puente.
3.4 Procesamiento del modelo
Después de eliminar el ruido, simplificar, segmentar y extraer características del modelo de nube de puntos del cuerpo del puente obtenido después de la alineación, los datos de la superficie se modelan y reconstruyen, y la reconstrucción del modelo generalmente adopta la forma de utilizar la nube de puntos para construir la cuadrícula. para reliquias culturales curvas. Este método tiene alta precisión, buen ajuste de superficie y alta automatización. El modelo de rejilla del puente reconstruido se procesa mediante desollado, relleno de orificios, reparación de rejilla, alisado, afilado, mapeo de texturas, etc., para obtener el modelo electrónico digital tridimensional del puente, archivarlo y guardarlo en la base de datos.
3.5 Corte de modelos e impresión 3D
Utilizando tecnología de impresión 3D, el modelo archivado de reliquias culturales electrónicas digitalizadas de alta precisión se ajusta y modifica adecuadamente, y la computadora se utiliza para cortar el modelo, calcular la trayectoria de restauración de la impresión y generar código G. De acuerdo con el tipo de material de las reliquias culturales para seleccionar la impresora 3D y las materias primas adecuadas, se ingresa el código G a la impresora 3D, la impresora utiliza la boquilla para derretir las materias primas a alta temperatura para seguir la trayectoria del principio de apilamiento capa por capa. del modelo digital se restaura al modelo real. El objeto físico puede usarse para reliquias culturales reales dañadas como parte de la restauración, también puede usarse para visitar la exposición en lugar de reliquias culturales reales.
Los resultados del proceso por fases del puente Zhaozhou se muestran a continuación.
3.6 Restauración complementaria de datos
Al escanear con el escáner láser 3D que lleva la estación, es inevitable que surjan lagunas en los datos, y la falta de datos traerá dificultades para el establecimiento de modelos digitales y la impresión 3D. Estos problemas pueden resolverse de dos maneras. Una es que, además del uso único del escaneo con estación, con la sincronización del escaneo láser 3D portátil, los problemas del ángulo de escaneo causados por la falta de datos se pueden complementar con el escáner portátil, que es flexible y conveniente. El otro es complementar y reparar los datos faltantes durante el procesamiento de datos, incluida la optimización de la malla, el relleno de orificios, el suavizado y el afilado, entre otros medios. Entre ellos, el relleno de orificios es el más crítico, incluyendo curvatura, tangente, plano, orificios internos, orificios límite, puentes y muchos otros métodos. En comparación con los métodos de restauración tradicionales, a través del escaneo láser tridimensional para obtener datos de alta precisión, puede establecer un modelo tridimensional digital más realista, el uso de software para restauración virtual, para proporcionar una variedad de efectos de restauración que los selección, como base para mejorar el programa real de restauración. La restauración virtual contiene principalmente material de reliquias culturales, relleno de huecos corporales, reparación de pintura, restauración de texturas, etc. Después de la reparación, el modelo adquiere contornos suaves, lisos y claros.
Conclusión y perspectiva
4.1 Conclusión
Mediante la combinación de escaneo láser tridimensional y tecnología de impresión 3D, se describe la situación actual de la protección y restauración de reliquias culturales, el principio de funcionamiento, el proceso básico y sus ventajas. La reparación de reliquias culturales con escaneo láser tridimensional no solo se restaura con alta precisión, sino que también puede evitar eficazmente daños secundarios a las reliquias culturales en el proceso de digitalización de reliquias culturales. El proceso tiene ventajas únicas en el campo de la protección y restauración de reliquias culturales, y puede resolver el problema de la retención de información digital de reliquias culturales tradicionales y la restauración precisa del problema. En la actualidad, las Grutas de Dunhuang Mogao esculpen el uso sucesivo de escaneo láser y tecnología de impresión 3D para lograr el archivo digital de reliquias culturales y su reproducción, la tecnología está madurando gradualmente y la diversidad del proceso se está mejorando gradualmente.
4.2 Perspectivas
En la actualidad, los problemas que deben resolverse aún más son la diversificación de las materias primas de impresión 3D, la cantidad de boquillas de impresora 3D y el volumen de impresión 3D para mejorar aún más la eficiencia y practicidad de la impresión 3D. Al mismo tiempo, el escaneo láser combinado con la tecnología de impresión 3D se puede integrar en la tecnología hiperespectral sobre la base del escaneo láser, el escaneo láser de modelos de alta precisión y texturas de alta precisión obtenidas a partir de la integración de fotogrametría de primer plano, puede realizar el modelo de reliquias culturales y el color de la doble restauración y reparación de alta precisión, que es de gran importancia práctica para la protección y restauración de reliquias culturales. Después de escanear el archivo digital del modelo de reliquias culturales de nube de puntos electrónicos, se puede almacenar en la base de datos, a través de Internet y tecnología de almacenamiento en la nube, combinado con tecnología de realidad virtual VR, para construir un museo digital en línea, de modo que los turistas puedan realizarlo sin salir. inicio para visitar la navegación en línea. La impresión 3D de reliquias culturales también se puede utilizar para la exhibición real de reliquias culturales y las industrias relacionadas con el tema de la educación. La popularización y aplicación de esta tecnología es de gran importancia.
