民族文化遗产数字化保护技术概述

摘要：当今时代计算机的迅速发展和图形图像处理技术及虚拟现实技术的不断提高为民族文化遗产的数字化保护奠定了坚实的基础。该文介绍目前数字化处理的关键技术，如三维激光扫描数字建模技术、点云数据的处理、三维彩色模型实现方法等以及数字化民族文化遗产对民族文化遗产的保护有着十分重要的作用。同时，通过对比、研究国内外数字化文化遗产的相关情况，说明将民族文化遗产数字化是一种必然趋势。

关键词：民族文化遗产；三维激光扫描系统；点云数据处理；三维彩色模型；数字化

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）15-3643-03

民族文化遗产是一个民族的政治、经济、文化的象征。通过对民族文化遗产的研究，我们可以回顾民族过去的历史，为继承民族的文化打下坚实的基础。然而，民族文化遗产在传承的过程中，不免会遭遇失传、破坏的伤害。这对一个民族来说是非常大的损失与遗憾。如今，随着计算机的迅速发展和图形图像处理技术的不断提高，民族文化遗产的保护也逐渐走向数字化和网络化。

本文将结合一些相关领域的典型实例资料和国内外发展现状和趋势 ，综合介绍民族文化遗产保护数字化的主要研究内容及其关键技术 ，这些关键技术使民族文化遗产永久保存下来成为现实，以此来说明将民族文化遗产数字化是发展的必然趋势。

1 国内外相关领域典型实例及发展趋势

1.1 国外发展

1993年，欧盟国家制定的《欧洲联盟条约》为文化遗产保护奠定了坚实的法律基础。此后，欧盟先后制定了“Culture 2000 Programme”、“Cluture Programme（2007-2013）”等计划，推动了欧盟文化遗产保护的脚步。

近年来，欧盟重奖优秀文化遗产保护项目。组委会提出对于杰出文化的遗产除了保护还应该加强其新用途的开发。可以包括的品类有，独体的建筑或建筑群，无论在城市和乡村都可以；工业以及工程的遗址；文化景观，历史悠久的公园、花园景观设计，面积较大的设计景观、文化场所、环境广告或农业奇观；考古遗址，包括水下遗址；艺术品，有历史意义和收藏价值的古物。

“美国记忆”项目是美国文化遗产数字化的主要项目。该项目将主要历史资料数字化。目前已有近百个资料库上因特网服务。

日本文化遗产的数字化发展较快，并有广泛应用。例如对消失的文化遗址进行复原的色彩处理。近年来，日本国立国会图书馆也积极将馆藏非物质文化遗产资源数字化，形成相关的非物质文化遗产资源数字化。

1.2 国内发展

虚拟故宫漫游（浙江大学）；兵马俑（微软研究院）；三峡文化遗产数字化展览（南京大学）

2 目前数字化保护主要研究内容和关键技术

2.1 三维激光扫描系

2.1.1三维激光扫描系统分类

三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。

1）机载激光扫描系统。机载激光扫描仪目前主要有Leica-ALS系列，Riegl-VQ系列，Riegl-LMS系列，Optech-ALTM，Topeye，天宝等等。

2）车载激光扫描系统。车载激光扫描系统拥有多个相互关联的子系统，包括激光感应、GPS定位、IRS内部指令，数码摄像等部分。

3）地面型激光扫描系统。地面型激光扫描系统可分为移动式扫描系统和固定式扫描系统。目前如加拿大、美国等有已经拥有相关扫描系统获得大面积地形数据。

4）手持型激光扫描系统。这一类扫描仪方便携带且测量数据精确度较高，主要用于洞穴测量等方面。

2.1.2三维激光扫描系统的工作原理

三维激光扫描系统包括激光测距系统和激光扫描系统，同时集成CCD和仪器内部控制、校正系统等。在仪器内，通过两个同步反射镜快速有序旋转，将激光脉冲发射体发出的激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间来计算距离，同时扫描控制模块控制盒测量每个脉冲激光的角度，最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。

2.2 三维激光扫描数字建模技术

三维建模技术的核心就是根据对象的三维空间信息，通过三维激光扫描技术得到该对象表面点云空间相对位置的三维数据，利用相关建模软件和适当的算法，快速构建出物体的三维模型。物体的三维模型一般分为3类：线模型、面模型、体模型。

2.3 点云数据的处理

通过三维激光扫描仪采集到的点云数据非常大，因此需要对点云数据做处理。例如可以采取以下方法处理点云数据：

1）去除点云数据异常点

由于在采集数据的过程中，不可避免的会受一些因素的影响（例如光照），从而产生异常点。因此首先要去除点云数据中的异常点来提高数据的准确性。不同类型的测量点云数据去除异常点的方法不同。例如图2，图3是对扫描线测量点云数据采用弦高偏差判断法进行异常点去除的前后对比图

2） 点云数据的拼接

同一个区域在不同的测量过程中得到的数据可能也是不同的。因此我们需要将数据进行拼接，通过点云数据的对齐和对齐区域的数据统一。

3） 对数据进一步处理

实际测量中由于随机差错和噪音等的影响，需要对测量的点云数据进行平和

滤波以得到精确的模型。例如运用平均值滤波法将采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值来取代原始点。

此外，对于高密度的点云，需在保证精度的情况下尽可能的取出冗余数据实现数据精简。

2.4 三维彩色模型实现方法的研究

总所周知，很多文化遗产是拥有鲜艳的颜色的，仅仅建立三维数字模型是远远不够的，还需对文化遗产本身的颜色进行记录，获得三维模型及色彩纹理信息。

利用彩色摄像机对物体拍照实现物体的彩色数字化是一种常用的方法。通过摄像机的标定确定三维空间坐标与摄像机所获得的图像像素坐标之间的映射关系。最后将三维信息与彩色信息进行匹配获得三维彩色模型。

3 结论

民族文化遗产是一个民族的精神财富。将民族文化记录保存下来，不仅可以让后人传承优秀的文化，也能使民族的文化在历史上留下浓墨重彩的一笔。

三维激光扫描技术也是近年来研究的热点问题之一。国外的发展起步较早，而我国无论在技术上还是在实例上都有较大的空缺。因此，要实现研究的完整性，提高三维扫描系统的应用水平，包括在三维数字建模、数据处理、色彩信息匹配方面都要进一步改进和完善。

但是，通过对民族文化遗产进行数字化建模，不仅可以保护到珍贵的民族文化遗产，也可以通过互联网等给人们提供更多的信息。可见数字化民族文化遗产将必将成为保护民族文化遗产的必然趋势。

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