Kulturelle Relikte sind der wertvolle historische Reichtum des Landes, historische Forschung, wissenschaftliche Beratung und andere Aspekte von großer Bedeutung. Im Laufe der Zeit sind jedoch Schäden an Kulturdenkmälern oft unvermeidbar, zu denen sowohl die natürliche Verwitterung der Relikte selbst als auch die versehentliche Zerstörung gehören.
Im April 2019 ereignete sich in Frankreichs Notre-Dame-de-Paris der schlimmste Brand aller Zeiten. Dabei wurde die Holzkonstruktion an der Spitze der Kirche vollständig zerstört, nur noch Steinreste blieben übrig, und es entstand großer Schaden. Glücklicherweise wurde das digitale 3D-Punktwolkenmodell von Notre Dame vor seiner Zerstörung elektronisch archiviert und lieferte ausreichende und genaue Daten, um die Rekonstruktion der beschädigten Teile von Notre Dame zu unterstützen, die auf der Grundlage der vorhandenen Daten einzeln wiederhergestellt werden können.
Laserscans und digitalisierte 3D-Archivmodelle können zur Erhaltung und Restaurierung des Kulturerbes beitragen und die Authentizität und Genauigkeit der Restaurierung sicherstellen. Relevante Forscher fassten die Anwendung von 3D-Laserscannern im Bereich des Schutzes kultureller Relikte in China unter den Aspekten Technologieentwicklung, Funktionsprinzip und Erfolge zusammen. Zhang Xiaoqing et al. untersuchte die Anwendung des 3D-Drucks bei der Rekonstruktion kultureller Relikte unter den Aspekten des 3D-Laserscannens und der Modellierungstechnologie. In diesem Artikel wird der grundlegende Prozess der Digitalisierung des Schutzes kultureller Relikte aus der Sicht der Kombination von dreidimensionalem Laserscannen und 3D-Drucken zweier Technologien beschrieben, um das traditionelle Problem der Digitalisierung kultureller Relikte, der Informationsspeicherung und der genauen Wiederherstellung zu lösen.
Erstens das Prinzip der Arbeit
Laserscannen mit berührungsloser Scanmethode kann schnell die Zieloberfläche großer Datenmengen ermitteln und bietet herausragende Vorteile beim Schutz kultureller Relikte. Das dreidimensionale Laserscannen erfolgt hauptsächlich durch die Hochgeschwindigkeits-Laserscanning-Messmethode in Form einer Punktwolke, um eine Reihe geometrischer Bilddaten auf der Oberfläche des Objekts zu erhalten. Die durch herkömmliche Messungen gewonnenen Daten liegen letztlich in zweidimensionaler Form vor und werden anhand der dargestellten Zeichnungen dargestellt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen erfasst das 3D-Laserscanning Daten in dreidimensionaler Form, die nicht nur Informationen zur planaren Position und Höhe, sondern auch RGB-Farb- und Reflexionsinformationen des zu prüfenden Objekts enthalten. Daher sind die durch 3D-Laserscanning gewonnenen Informationen sehr umfassend.
Der 3D-Laserscanner verwendet einen Laser als emittierende Lichtquelle, um das Objekt entsprechend einer bestimmten horizontalen und vertikalen Scanauflösung zu messen, und verwendet eine berührungslose Methode, um die Oberflächendaten des gemessenen Objekts zu erhalten. Das Prinzip der Berechnung räumlicher Punktkoordinaten ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Laser wird verwendet, um den Abstand S vom zu messenden Objekt zum Scanzentrum zu ermitteln, und dann wird der im Gerät eingebaute Präzisionsuhr-gesteuerte Encoder verwendet, um den horizontalen Scanwinkel-Beobachtungswert und den longitudinalen Scanwinkel-Beobachtungswert von synchron zu messen Jeder Laserimpuls und die räumlichen dreidimensionalen Koordinaten des gemessenen Punkts können durch die räumliche dreidimensionale geometrische Beziehung unter Verwendung eines Linienelements und zweier Winkelelemente berechnet werden. X-, Y-, Z-Koordinaten des Raumpunkts. Die durch 3D-Laserscanning erfassten Daten befinden sich normalerweise in einem separaten Koordinatensystem innerhalb der Ausrüstung, wobei die X-Achse in der transversalen Scanebene, die YY-Achse in der transversalen Scanebene senkrecht zur X-Achse und die Z-Achse liegt senkrecht zur transversalen Scanebene.
Obiges Prinzipdiagramm der Berechnung räumlicher Punktkoordinaten
Die 3D-Drucktechnologie besteht darin, dreidimensionale Objekte zu drucken, die Flugbahn zu schneiden und dann wiederherzustellen. Bei hoher Temperatur schmelzende Rohstoffe folgen dem Prinzip der Flugbahnstapelung, um das digitale Modell wiederherzustellen. Die 3D-Drucktechnologie erschien in der Mitte{{ 3}}s ist in der Tat der Einsatz von Lichthärtung und Papierlaminierung sowie anderen Technologien wie dem neuesten Gerät für die additive Fertigung. Im Grunde ist es das gleiche Funktionsprinzip wie beim normalen Drucken: Der Drucker verwendet Metall, Keramik, Kunststoffe, Sand und andere unterschiedliche Materialien wie Rohstoffe, ist mit dem Computer verbunden und legt die Rohstoffe durch die computergesteuerte Schnittbahn Schicht für Schicht entsprechend ab zur Flugbahn des Bottom-Up-Stapels und schließlich zum Computer beim Scannen des digitalen dreidimensionalen elektronischen Modells in ein physisches Objekt.
Zweitens die Analyse der technischen Vorteile
Das dreidimensionale Laserscannen hat eine hohe Geschwindigkeit (fast 1 Million Punkte pro Sekunde), erfordert keinen Kontakt zum Ziel (berührungslose Messung), große Datenmengen, hohe Genauigkeit und andere Eigenschaften. Unter anderem können durch berührungslose Messungen umfangreiche Daten über die Oberfläche des gemessenen Objekts erfasst werden, wodurch Kontaktschäden an Kulturdenkmälern im Prozess der Digitalisierung von Kulturdenkmälern effektiv vermieden werden. Gleichzeitig kann das gemessene Ziel, egal wie komplex die Struktur ist, in Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Erscheinungsbild erfasst werden. Die Messgenauigkeit des 3D-Laserscannings kann Millimeter- oder sogar Submillimeter-Niveau erreichen, wodurch das ursprüngliche Erscheinungsbild kultureller Relikte genau erfasst und hochpräzise digitalisierte 3D-Modelle für die Archivierung erhalten werden können. Durch den Einsatz der 3D-Drucktechnologie können die archivierten hochpräzisen digitalisierten Kulturdenkmäler für entsprechende Anpassungen und Modifikationen gescannt werden, der Einsatz von 3D-Druckern zum Drucken des Modells und anschließendes Polieren, Färben und andere Nachbearbeitungen des Modells erfolgen Erhalten Sie eine Kopie der kulturellen Relikte. Der Vorteil der 3D-Drucktechnologie liegt darin, dass das Modell schnell verarbeitet werden kann und die hohe Präzision der Restauration nahtlos mit dem Laserscanning verbunden werden kann. Daher bietet die Kombination aus dreidimensionalem Laserscanning und 3D-Drucktechnologie, die bei der Digitalisierung kultureller Relikte und der Restaurierung eingesetzt wird, einen einzigartigen Vorteil.
Drittens der grundlegende Prozess
Die Verwendung von dreidimensionalem Laserscanning und 3D-Druck in Kombination zur Unterstützung der Digitalisierung kultureller Relikte und der Restaurierung des Feldes ist der aktuelle Mainstream-Entwicklungstrend. Das gemessene Ziel hat eine kurze Entfernung und hohe Anforderungen an die Genauigkeit. Zum Schutz kultureller Relikte wird das dreidimensionale Laserscannen in der Regel als Hand- oder Stationsträger ausgewählt und das Prinzip der Phasendifferenz verwendet, um das Ziel der Instrumentierung zu erhalten. Der grundlegende Prozess umfasst hauptsächlich Zielbereitstellung, Datenerfassung, Modellspleißen, Modellverarbeitung, Modellschneiden, 3D-Druck und andere Aspekte, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Nehmen Sie die Zhaozhou-Brücke als Beispiel, um den Prozessablauf in verschiedenen Phasen zu veranschaulichen.
3.1 Zielauslegung
Platzieren Sie kugelförmige Ziele gleichmäßig um die Brücke herum, mit mindestens drei Zielpaaren zwischen zwei benachbarten Stationen. Drei Paare von kugelförmigen Zielen befinden sich auf unterschiedlichen Höhen und sind versetzt angeordnet, um zu vermeiden, dass sie auf derselben geraden Linie platziert werden, sodass zu einem späteren Zeitpunkt nicht die Grundlage für die Ausrichtung benachbarter Daten mit demselben Namen gefunden werden kann.
3.2 Datenerfassung
Wählen Sie den geeigneten Winkel, richten Sie den stationären dreidimensionalen Laserscanner ein, richten Sie die Scanauflösung am Gerät und die Art und Weise ein, wie die Kamera aufnimmt, steuern Sie die Scanzeit und führen Sie ein ungerichtetes 360-Grad-Scannen des Ziels durch. Das Scannen des Ziels ist abgeschlossen. Überprüfen Sie die Genauigkeit des Scannens des Zielballs und bestätigen Sie, ob die Bedingungen für die Verwendung der Oberflächenpunktwolke zur Anpassung an die Kugelkoordinaten erfüllt sind. Wenn die Genauigkeit nicht ausreicht, müssen Sie ein hochauflösendes Richtungsscannen durchführen das kugelförmige Ziel. Überprüfen Sie wiederholt, bis die Bedingungen für die Anpassung des Kugelmittelpunkts erfüllt sind.
3.3 Modellspleißen
Nach dem Funktionsprinzip des Laserscannings liegen die von benachbarten Stationen erfassten Daten in unterschiedlichen unabhängigen Koordinatensystemen vor. Es ist notwendig, das ICP-Prinzip und andere verwandte Algorithmen zu verwenden, um das Koordinatensystem von Mehrstationsdaten zu vereinheitlichen, d. h. durch Berechnung der Rotationsmatrix zwischen den Wolkendaten benachbarter Stationen, um die Modellausrichtung abzuschließen und den vollständigen Punkt zu erhalten Wolkenmodell des Brückenkörpers.
3.4 Modellverarbeitung
Nach der Entrauschung, Straffung, Segmentierung und Merkmalsextraktion des nach der Ausrichtung erhaltenen Punktwolkenmodells des Brückenkörpers werden die Oberflächendaten modelliert und rekonstruiert, und bei der Modellrekonstruktion wird normalerweise die Punktwolke zum Aufbau des Gitters verwendet für gebogene Kulturdenkmäler. Diese Methode weist eine hohe Genauigkeit, eine gute Oberflächenanpassung und einen hohen Automatisierungsgrad auf. Das rekonstruierte Brückengittermodell wird durch Häutung, Lochfüllung, Gitterreparatur, Glättung, Schärfung, Texturkartierung usw. verarbeitet, um das digitale dreidimensionale elektronische Modell der Brücke zu erhalten, es zu archivieren und in der Datenbank zu speichern.
3.5 Modellschneiden und 3D-Drucken
Mithilfe der 3D-Drucktechnologie wird das archivierte hochpräzise digitalisierte Modell elektronischer Kulturrelikte entsprechend angepasst und modifiziert, und der Computer wird zum Schneiden des Modells, zum Berechnen der Druckwiederherstellungsbahn und zum Generieren von G-Code verwendet. Wählen Sie entsprechend der Materialart des Kulturguts den geeigneten 3D-Drucker und die entsprechenden Rohstoffe aus, geben Sie den G-Code in den 3D-Drucker ein und verwenden Sie die Düse zum Schmelzen von Rohstoffen bei hoher Temperatur, um der Flugbahn des Prinzips der Schicht-für-Schicht-Stapelung zu folgen des digitalen Modells wird dem Original wiederhergestellt. Das physische Objekt kann für echte kulturelle Relikte verwendet werden, die bei der Restaurierung beschädigt wurden, und kann auch für den Besuch der Ausstellung anstelle echter kultureller Relikte verwendet werden.
Die Ergebnisse des phasenweisen Prozesses der Zhaozhou-Brücke sind unten aufgeführt.
3.6 Ergänzende Datenwiederherstellung
Beim Scannen mit dem stationären 3D-Laserscanner ist es unvermeidlich, dass Datenlücken entstehen und der Mangel an Daten Schwierigkeiten bei der Erstellung digitaler Modelle und beim 3D-Druck mit sich bringt. Solche Probleme können auf zwei Arten gelöst werden. Zum einen können neben der Einzelnutzung des stationären Scannens mit der handgehaltenen 3D-Laserscan-Synchronisation durch Datenlücken verursachte Scanwinkelprobleme durch den Handscanner flexibel und bequem ergänzt werden. Die andere besteht darin, die fehlenden Daten während der Datenverarbeitung zu ergänzen und zu reparieren, einschließlich Netzoptimierung, Lochfüllung, Glättung und Schärfung und anderer Maßnahmen. Unter diesen ist die Lochfüllung am kritischsten, einschließlich Krümmung, Tangente, Ebene, Innenlöcher, Randlöcher, Überbrückung und viele andere Methoden. Im Vergleich zu herkömmlichen Restaurierungsmethoden können Sie durch dreidimensionales Laserscannen, um hochpräzise Daten zu erhalten, ein realistischeres digitales dreidimensionales Modell erstellen und mithilfe von Software für die virtuelle Restaurierung eine Vielzahl von Restaurierungseffekten erzielen Auswahl als Grundlage für die Verbesserung des tatsächlichen Restaurierungsprogramms. Die virtuelle Restaurierung umfasst hauptsächlich das Füllen kultureller Relikte, das Füllen von Körperlücken, die Reparatur von Gemälden, die Wiederherstellung von Texturen usw. Nach der Reparatur erhält das Modell glatte, glatte und klare Konturen.
Fazit und Ausblick
4.1 Fazit
Durch die Kombination von dreidimensionalem Laserscanning und 3D-Drucktechnologie werden die aktuelle Situation des Schutzes und der Restaurierung von Kulturdenkmälern, das Funktionsprinzip, der grundlegende Prozess und seine Vorteile beschrieben. Die dreidimensionale Laserscanning-Reparatur von Kulturdenkmälern wird nicht nur mit hoher Präzision wiederhergestellt, sondern kann auch Sekundärschäden an Kulturdenkmälern im Prozess der Digitalisierung von Kulturdenkmälern effektiv vermeiden. Das Verfahren bietet einzigartige Vorteile im Bereich des Schutzes und der Restaurierung von Kulturdenkmälern und kann das Problem der traditionellen digitalen Informationsspeicherung und Wiederherstellung von Kulturdenkmälern lösen. Gegenwärtig werden in den Mogao-Grotten von Dunhuang sukzessive Laserscan- und 3D-Drucktechnologien eingesetzt, um die digitale Archivierung kultureller Relikte und die Reproduktion kultureller Relikte zu erreichen. Die Technologie reift allmählich heran und die Vielfalt des Prozesses wird schrittweise verbessert.
4.2 Ausblick
Derzeit sind die Probleme, die weiter gelöst werden müssen, die Diversifizierung der Rohstoffe für den 3D-Druck, die Anzahl der 3D-Druckerdüsen und das Volumen des 3D-Drucks, um die Effizienz und Praktikabilität des 3D-Drucks weiter zu verbessern. Gleichzeitig kann das Laserscannen in Kombination mit der 3D-Drucktechnologie auf der Grundlage des Laserscannens in die Hyperspektraltechnologie integriert werden, das Laserscannen hochpräziser Modelle und hochpräziser Texturen, die durch die Integration von Nahphotogrammetrie erhalten werden, können Sie realisieren das Modell der kulturellen Relikte und die Farbe der hochpräzisen doppelten Restaurierung und Reparatur, die für den Schutz und die Restaurierung kultureller Relikte von großer praktischer Bedeutung ist. Nach dem Scannen des digitalen Archivs der elektronischen Punktwolke kann das Modell kultureller Relikte in der Datenbank gespeichert werden. Über das Internet und die Cloud-Speichertechnologie kann in Kombination mit der Virtual-Reality-VR-Technologie ein digitales Online-Museum aufgebaut werden, sodass Touristen realisiert werden können, ohne es zu verlassen Startseite, um das Online-Browsing zu besuchen. Der 3D-Druck von Kulturdenkmälern kann auch für die eigentliche Ausstellung von Kulturdenkmälern und den damit verbundenen Branchen des Bildungsthemas eingesetzt werden. Die Popularisierung und Anwendung dieser Technologie ist von großer Bedeutung.
