一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法与流程

本发明涉及三维建模，尤其涉及一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法。

背景技术：

1、随着数字博物馆、虚拟展陈和文物数字化保护的发展，利用多视角图像、摄影测量或点云重建技术建立文物三维模型，已成为文物形态记录和数字展示的重要手段。现有方法通常通过特征匹配、空间交会、点云融合和表面网格构建获得文物三维模型，并结合图像纹理对铭文、裂纹和纹饰等局部结构进行增强。

2、然而，文物在采集过程中通常处于托架支撑、夹持、悬挂或局部承托状态，其表面形态同时受到展架支撑载荷和文物自重载荷影响。对于纸张、丝织物、皮革及薄壁木器等易变形文物，支撑位置和支撑力分布容易引起局部弯曲、拉伸或翘曲。现有方法多直接将采集到的受力形态作为文物自身形态，难以获得消除展架支撑作用和重力作用后的文物本征形态。

3、同时，文物扫描通常需要持续一定时间，采集期间的环境温度、环境湿度和环境照度变化可能引起材料缓慢伸缩或变形，图像采集装置还可能产生轻微振动或热漂移。现有方法难以有效分离相机运动、文物整体刚体运动、环境可逆形变和材料内部时变形变，容易在多时刻点云融合过程中产生表面重影、结构边界偏移和局部形态失真。

4、因此，本发明提出了一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法。在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可能包含不属于本领域普通技术人员公知常识的现有技术信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，解决上述背景技术中所提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，包括如下步骤：

4、s1、在文物保持展架支撑状态下，采集多视角图像、支撑反力、环境参数及采集时刻，提取材料特征点，建立材料坐标锚点时序数据；

5、s2、根据材料坐标锚点时序数据确定参考环境状态和参考支撑状态，分离相机运动、文物整体刚体运动及材料形变，将表面数据映射至参考环境状态，生成参考状态表面数据；

6、s3、根据参考支撑状态生成载荷微扰序列，在支撑合力、支撑合力矩和文物空间位置处于允许范围内时，于相邻支撑点之间转移支撑载荷，采集支撑反力增量和材料坐标位移场，形成载荷微扰状态关联数据集；

7、s4、根据参考状态表面数据和载荷微扰状态关联数据集，确定局部刚度、材料方向性、支撑接触范围和初始应力分布，经策略优化构建展架约束力学模型；

8、s5、利用展架约束力学模型分级解除展架支撑载荷和文物自重载荷，获得文物本征三维模型，依据多视角几何证据进行结构增强，将增强后的模型正向恢复至采集状态，经投影一致性校验和力学响应一致性校验后输出精细化三维模型。

9、s1具体包括：在文物保持展架支撑状态下，配置图像、反力及环境采集装置，标定后按时间标识对齐多视角图像、支撑反力和环境参数，形成多源同步观测数据集及展架支撑结构数据；校正多视角图像，提取随文物材料共同位移的材料特征点，按纹理、邻接关系及运动连续性建立跨视角对应关系，形成候选材料坐标锚点；根据标定参数和像素位置计算该候选材料坐标锚点的初始三维位置，经射线夹角和重投影误差筛选，确定材料坐标锚点及其置信度，关联时间标识、环境参数和支撑反力，形成材料坐标锚点时序数据。

10、s2具体包括：根据材料坐标锚点时序数据确定参考采集时刻、参考环境状态和参考支撑状态，建立材料坐标状态补偿参数；根据固定编码标志和材料坐标锚点三维位置，确定相机运动分量及文物整体刚体位移，并扣除环境可逆形变位移和材料内部时变形变位移，形成分量化位移数据；对同一时间标识下的多视角图像进行密集匹配，计算表面点三维位置，依据分量化位移数据将各时刻表面点云映射至参考采集时刻和参考环境状态，对满足多视角支持条件的表面点进行置信度加权融合，形成参考状态表面数据。

11、s3具体包括：根据参考支撑状态、参考状态表面数据和展架支撑结构数据确定相邻支撑点组合，设置载荷转出量、载荷转入量和补偿支撑量，在支撑合力、支撑合力矩及文物空间位置处于允许范围内时生成载荷微扰序列；按照载荷微扰序列调节支撑载荷，在状态稳定后采集支撑反力和多视角图像，计算支撑反力增量，扣除非载荷微扰位移后形成材料坐标位移场；关联支撑反力增量、材料坐标位移场、环境状态、接触滑移标识和恢复状态偏差，剔除无效及重复性不足状态，形成载荷微扰状态关联数据集。

12、s4具体包括：根据参考状态表面数据、参考支撑状态和载荷微扰状态关联数据集划分表面区域，确定局部刚度、材料方向性、支撑接触范围和初始应力分布，形成初始力学参数；以初始力学参数为起始值，根据预测位移误差、预测支撑反力误差和参数约束，依次调整支撑接触范围、局部刚度、材料方向性及初始应力分布，获得优化力学参数；根据参考状态表面数据建立表面网格，赋予优化力学参数并设置展架约束条件，利用校正状态集合校正模型，通过验证状态集合独立验证，得到校正后的展架约束力学模型。

13、s5具体包括：以校正后的展架约束力学模型为基础，分级解除展架支撑载荷和文物自重载荷，在保留材料固有残余应力的条件下，获得文物本征三维模型及本征形变映射关系；根据多视角几何证据确定待增强区域，对文物本征三维模型进行受约束网格细分和顶点调整，形成候选精细化三维模型及结构增强证据记录；将候选精细化三维模型正向恢复至对应采集状态，利用验证视角和验证状态集合分别进行投影一致性校验和力学响应一致性校验，根据校验结果调整结构增强或优化力学参数，输出精细化三维模型。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明通过同步采集多视角图像、支撑反力和环境参数，并建立材料坐标锚点时序数据，提高了不同采集时刻及不同视角数据的对应准确性，减少了点云错配和表面重影。通过分离相机运动、文物整体刚体运动、环境可逆形变和材料内部时变形变，将表面数据统一映射至参考环境状态，降低了环境变化对文物三维重建结果的干扰。

16、本发明通过在支撑合力、支撑合力矩和文物空间位置受控的条件下实施支撑载荷微扰，能够在不拆卸文物的情况下获得支撑反力增量和材料坐标位移场，降低了检测过程对文物的扰动。通过反演局部刚度、材料方向性、支撑接触范围和初始应力分布，并对展架约束力学模型进行校正，提高了文物实际受力状态的表征精度，避免采用统一经验参数造成的计算偏差。

17、本发明通过分级解除展架支撑载荷和文物自重载荷，在保留材料固有残余应力的基础上获得文物本征三维模型，减少了非线性卸载导致的网格翻转、结构失真和拓扑关系破坏。通过多视角几何证据约束局部结构增强，并采用正向状态恢复、投影一致性校验和力学响应一致性校验，能够避免将墨迹、污渍或阴影误增强为三维结构，提高精细化三维模型的真实性和可靠性。

1.一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，还包括：s5、利用展架约束力学模型分级解除展架支撑载荷和文物自重载荷，获得文物本征三维模型，依据多视角几何证据进行结构增强，将增强后的模型正向恢复至采集状态，经投影一致性校验和力学响应一致性校验后输出精细化三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，s1具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，还包括：根据标定参数和像素位置计算该候选材料坐标锚点的初始三维位置，经射线夹角和重投影误差筛选，确定材料坐标锚点及其置信度，关联时间标识、环境参数和支撑反力，形成材料坐标锚点时序数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，s2具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，s3具体包括：

7.根据权利要求6所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，还包括：关联支撑反力增量、材料坐标位移场、环境状态、接触滑移标识和恢复状态偏差，剔除无效及重复性不足状态，形成载荷微扰状态关联数据集。

8.根据权利要求1所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，s4具体包括：

9.根据权利要求2所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，s5具体包括：

10.根据权利要求9所述的一种用于文物展示的三维模型重建与结构精细化增强方法，其特征在于，还包括：将候选精细化三维模型正向恢复至对应采集状态，利用验证视角和验证状态集合分别进行投影一致性校验和力学响应一致性校验，根据校验结果调整结构增强或优化力学参数，输出精细化三维模型。