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1、ICS37.(Ol:97.195CCSA15WW中华人民共和国文物保护行业标准RH7T01172023石窟寺三维数字化采集与加工Three-dimensionaldigitalacquisitionandprocessingofcavetemples202372-06发布2024-07-01实旅国家文物局发布前寺IllI范围12规范性引用文件13术语和定义I4缩略语25采集安全要求26工作流程37前期准备37.1 方案设计37.2 工作环境准备37.3 设备准备47.4 人员准备48数据来粢48.1 数据采柒内容48.2 石窟寺空间结构数据采集48.3 石窟寺造像数据采集79数据加工89.1
2、石窟寺空间结构数据加工89.2 石窟寺造像数据加工10IO成果提交12附录A（规范性）石窟寺空间结构三维理建控制点测做记录表13附录B（规范性）石窟寺空间结构激光扫描草图14附录C（规范性）石窟寺空间结构激光扫描记录表16附录D（规范性）石窟寺造像三维扫描记录表17附录E（规能性）石窟寺造像纹理采集记录表18参考文献19前言本文件按照GB/T1,120204标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起早。请注意本文件的某些内容可能涉及专利.本文件的发布机构不承担识别专利的责任.本文件由国家文物局提出.本文件由全国文物保护标准化技术委员会(SAQTC289)归11.本文件起草单位：
3、武汉大学、敦煌研究院、武汉大势智弑科技有限公司、H前恒其数字文化利技有限公M.本文件主要起草人：张帆、黄先锋、吴健、命天秀、岛云龙、丁小胜，石窟寺三维数字化采集与加工1范Bl本文件规定了石宓寺三维数字化采集安全要求、工作流程、前期准济、数据采集、数据加工及成果提交的要求。本文件适用于石窟寺三维数字化采集与加工.2捉范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版适用于本文件。GB/T12898-2009国家三、四等水准测量规范C1I/T1001测绘技术设计规定T20
4、07-2001三、四等导线测破规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件.3.1石窟寺cavetemple依托山体断崖，从山崖的壁面向内部纵深开曲的古代庙宇建筑.3.2加工processing通过一定工序和方式将原始数据处理为目标数据的过程.注1:原始数据过含石侬寺三维空间和造像的点云、图像等数据。注2：EJ标数据包括处理后的点云、三维模型等数据，3.3石立三罐空间结构cavetemple3Dstructure石窟寺内、外反映其性侦、结构、体量的对象集合。注1:石窟寺三维空间结构涉及建筑物和各涧窟的前室、而道、主室、中心柱等对软，不涉及窟内独立扉）塑注2:根据保护需要也包含石窟寺外立面断雌体。
5、3.4网格模型meshmodel通过三角网表达不规则对象表面形状的模型.3.5构网trianguarization将离散的三维点构建成表面三角网格模型的过程.3.6=Imthree-diaensionalreconstruction对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型。3.7定位目标点IoCatIonaltarget表面覆前有特殊反光材料，用于辅助手持三维扫描仪定位的标记物。注：定位目标点又称标记点、标志点。3.8可见区域visiblearea对象表面可被人眼宜接观察到的区域.3.9l*denoising将几何数据中由于设备和操作造成的机差点灌除。3.10篇化simplifying设定
6、一定距离偏差或法向偏差等阈值，将阈值之内的顶点去除，注：简化利用较少数陆的三角影描述对象几何形状，一般的简化都是有损的.3.11修补repairing将有孔洞、缺失的几何表面通过几何特征延伸成完整的几何表面的过程.4语下列缩略语适用于本文件，PPI:像素每英寸(PixelPerInch)RAW:原始图像编码数据(RAWImageFormat)TIEF:标签图像文件格式(TiIgImageFilelormal)5采集安全要求石窟寺数据采集应遵循下列安全要求：a)人身安全：做好人身安全防范措.施，保障人身安全：b)文物安全：人员、设备、袋置、线缆、定位目标点等均不应直接接触文物表面：架设设备的三脚
7、架或其他固定装置，与文物对象的最近也禽应大于10cm;三维激光扫描仪和全站仪底座中心离文物对象的最近距离应大于40cm;手持扫描仪进行数据采集时，扫描仪设备与文物的最近距离应大于20cm;对他窕中的造像进行数据采集时，不应在佛宅上直接架设设备，应搭建梏定工作平台供设备架设，工作平台可延伸至佛攵内,但不应直接接触文物，与文物的最近他离应大于20cm;C)设备安全：浮格遵守各种设位的使用规电，保证设备安全：d)数据安全与知识产权：确保采集过程中产生的数据不公发生增加、修改、丢失和泄露等：严格执行与知识产权相关的法律和规定.6工作灌程石扇寺三维数字化采集与加工流程包括前期准备、数据采集、数据加工和成
8、果提交,见图寺S1石总寺三维数字化采集与加工去程7mm*7.1 方Ihft计方案设计应遵循CH/T1004的规定。7.2 工作环境准备清理数字化工作空间中地面灰尘、蜘蛛网、洞m说明牌、可移动监测设备、防护装置等与数字化对象无关的物品.7.3 *备准备根据石窟寺情况和数字化要求选择合适的激光扫描仪、相机、灯光等设备.7.4 人员准备指定具备专业技术的数据采集人员、加工人员、检查人员并组成固定的工作小杷.8*8.1 St果集内容数据采集包含内容如下：a)石窟寺空间结构数据.包括拄制测盘数据、标制测量数据、激光扫描数据等：b)石窟寺造像数据，包括几何数据和皎:埋数据.8.2 石净空间结构敷据采集8.
9、2.1 10MiM量8.11.1一!求对单个石窟寺进行三维空间结构数据枭集时，不需要进行控制测量。而单个石窟寺采集数据需要纳入大地空间参考，或采集多个石质寺的三维空间结构数据且纳入统一空间参考时，应进行控制测量.石窟寺控制测m以自定义平面坐标系和高程基准为主，如对绝对空间参考有要求，宜采用CGCS2000国家大地坐标系和1985国家程基准.在控制测盘的导线或支呼线控制点上观测获得标杷坐标，以便对各站点公数据配准起到控制误型传递及统一空间参考的作用.8.2J.2设备要求控制测房所使用的全站仪技术参数要求如下：a)有桢情模式下20Om以内测距精度应优于2mm.无技慎模式下200m以内测即精度应优于
10、5mm:b)测角制度应优于2”。8.2.1.3控网精度要求控制网精度要求如下：a)控制网平面控制应满足QVT2007-2001中一级导践的要求；b)控制网裔程控制应满足GB/T128982。09中四等水准的要求。8.2.2#!丽M8.22.1标影姻18.2.2.1.1 无IIr控潮的标品类0对无需控制测量的布面寺三维空间结构数据果集作业，可使用的标把类型为：圆形标杷、方形标靶、球形标祀、反射片、标靶纸.标靶制作要求可参考CH/Z3017-2015的规定.8.2.2.1.2 的标品类0对需要控制测限的石窟寺三维空间结构数据采集作业时，宜使用玩把纸类型的标及I,标靶制作可参考CHZ3017-2（H
11、5的规定.8.2.2.1.3 求标耙布设要求如下：a） 标死和扫描仪之间距离应不大于17m;如果是面状标犯,则扫描仪中心与标靶中心的连规与标祀法向夹角应不大于5Q;b） 同一扫描站能扫到的标把数埴不应少于5个,标把应高低错落放冏，高度差别应大于0.3m,不可近似分布于同一个平面或直线上：c） 标靶应均匀分布于扫描空间内.不可过分集中干一侧或局部：d） 相邻扫描站的公共标靶数量不应少于4个,不可近似分布于同一个平面或真我上.8.Z2.3C三NhHR标把测量步探如下：a）从控制网引支导战至石窟寺洞口方便观测微Jt扫描标耙坐标处，并测l该支导线控制点坐标；b）在支导线控制点设站，测度激光标靶坐标，8
12、.2. 2.4支导线与标咕M技术要求8.2.1.1.1 支导线测量技术要未如卜：a）支导线不宜多于一条边：b）测距、测角均为一测回，两姐坐标较差应不大于2mm.泅量结果取中数：c）应在支导规点进行坐标检验，息与已知点坐标较差应不大于2mm.8.2.1.1.2 标超测出技术要求如下：a）每个单独的采集场景应测盘5个以上标靶点：b）每个标靶点观测一Pl.8.2.1.1.3 效采编8.23.1 *石面寺三维空间结构数据采集应使用地于飞行时间原理的三维激光扫描仪，其要求如下：a）攥作方式应采用冏定架站式三维激光扫描仪：b）激光测距方式应为脓冲式或相位式：c） 测距量程应不小于50m:d） 测距中误差，
13、50m处90%反射率时，应不大于2mm:e） 点位中误差.50m处90%反射率时,应不大于3mm:0角度分疥率应不大于0.01；g）水平扫描延阳应为360。；h）垂直扫描越困应不小于260。；i）激光强僮等覆应为ClaSSI,8.2.3.2点云精度点云精度及技术指标按CH/Z30172015中规定的一等等缎点云精度与技术指标要求：a)特征点间距中误叁不宜大于5mm:b)球大点间距不宜大于3mm:O点公配准宜枭用点云和点云出准或利用公共标靶配准，连续传递配准次数不应超过4次，且不宜仅通过点云特征点进行配准.8.23.3点云%K度点云完整度技术指标要求如下：a) 可见区域凌盅率不应小于80%;b)
14、 相邻扫描站点之间点云曳胖度不应小于30%;c)应同时采集激光扫描强度信息.8.2.4 三jB8.24.1 1SJZ标靶测中应填写附录A规定的表格，记录班本信息、支导规测量信息及标靶坐标测域信息，记录和检变要求如下：a) 冽质人员和记录人员相互确认坐标记录：b) 现场作业完成后立即记录.不应事后补填.8 .Z4.2麻扫推现场记录激光扫描工作中应先按照网录B绘制箪图，再按照附录C填写表Cl.主要记录扫描站设站信息和草图,记录友格和地图应字迹清楚,保持图面清晰完整.9 .2.5石寺空向结构敷采集检IE采集完成的石窟寺结构采集数据和采集记录应中检查人检查：检查应符合表I的规定：不合格时，应查找原因并
15、重新采集.1石寺空间结构敷采集检童内容与央求序号内容拴式顶要求1控制iWit控制网平面精度符合8.2.1.3a)的要求控制N商科精度符合8.2.l.3b)的要求2标犯测址测量数据的限差支导线向洌两阻坐标较差小于等于2，m:支导线点坐标检验时.已知点坐标较差小于等于2Im现场记录符合&2.4.I的要求3激光扫描点云的Ift神度相梵JI描六点之间点云重要度大于等F30点云的先察性可见区域1滥率大于等于80点云的诙度M大点间距小于警于3rm现场记录草图中应包含全却的标靶和扫描站：草图中标把和扫描站相对位Bl健反映真实情况：扫描定位表中扫描站信息应完整8.3石寺iK1敷聚集8.3.1 几何敷采集8.3
16、.1.1 ”备要求利用三处扫描的方法采集造像表面三维形状信息的几何数据，采集所使用的三处扫描仪要求如下；3)设备类型宜采用手持式三维扫描仪：b)三维扫描仪定位方式宜采用目标几何形状自定位、目标颜色自定位、跟踪仪或关节皆，定位目标点定位可作为辅助定位方式，不宜作为主要定位方式：O扫描精度误差应不大于0.2mm:d) 扫描分辨率应不大于Imm:e) 扫描仪的破佳工作距离应为300mm-500mm:f) 扫描仪的次扫描对象尺寸应不小于2mx2mx2m.8.3.1.2网格BX求采集的几何数据为网格模型.要求如下：a) 网格模型应正确反映造像形态；b) 最大点间距应不大于Imm:c) 特征点之间距高误若
17、应不大于2mm;d)不应出现分层、错位等错误；e) 造像可见区域衣面徵靛率应不小于90%;f) 如造像需分成多个扫描工程获取数据.则扫描工程之间重叠度应不小于30%,且重心区城应包含不规则形状的表面，不应全部为平面或规则如面.8.11.3现场记录应记录采集时间、操作人、设备型号、扫描分辨率设置等，并填写附录D规定的扫描记录表等.记录表格应字迹消她.保持图面清晰完整.8.3.28.3.11ttM*次埋数据采集设备技术指标要求如下：a)采泉摄影宜采用单反数码相机拍摄：b)相机有效像素应不小于3000万像素：c)图像传落器尺寸应不小于36mm24mm:d)悔头类型立采用定住镜头：O色卡宜采用24色标
18、准色卡或20阶灰阶R：O辅助光源应采用带有柔光装前的冷光型电子闪光灯：g)辅助光源色泡范围陶在5000K-5600K之间.8.3.2.2敏理敷拍皿求石窟寺造像三维重建纹理数据拍摄要求如K：a)图像的拍摄角度宜保僦头正对目标Iftl：b)图像在原始分辨率下应能完整分辨信息采集区域采集对飘的细节.所获取的图像应具有均匀一致的清晰度，不应存在因镜头失焦、光戏衍射等原因导致的局部模糊等现象：C)对石窟寺室外造像，应选择)ti较为菜和、均匀的天气进行拍摄，避免逆光拍摄，能见度过低或光线过暗时不宜拍摄：对石窟寺室内造像.应采用辅助光源进行拍摄,辅助光源布设应使被报区域光照均匀，对于被遮挡区域,应采用柔光灯
19、补光：d) 造像可见区域表面湿康率应不小于95%;e) 所拍摄对象占画面的比例应不小于50%;f) 图像分辨率应不小于300dpi:g) 图像拍摄格式为RAW格式：h)灯光设置或相机参数调整后,应柏揭一张标准色卡照片：i)相如照片曳级度应不小于50%,8.3.23应填写表E.I现场记录麦格，记录相机参数、光源参数、摄矩、摄影师、灯光师、照片起止编号等.8.3.3石，迨像敷采索检叠采集完成的石窟寺造像数据和采集记录应由检修人检杳；采集准备阶段检查仪器设备顶，采集完成后检查其他攻：检查应符合&2的规定：不合格时，应查找原因并诅新聚集.*2石旁造像采集检青内容与央求字号内容检查顶要求1几何数数仪器设
20、备符合8.3.1.l的要求网格模依符合8.3.1.2的要求现场记录符合8.3.1.3的要求2放理数据仪器设备符合8.3.2的要求纹理数据符合8.3.2.2a),b)xd)xe)xf).力、D的要求现场记录符合8.3.2.3的要求9敷加工9.1 石导空同第料Ct加工9.1.1 施工三程由8.2.3获取的石窟寺三维空间结构原始点云数据，加工内容包括点云数据加工、网格模型加工，具体工作流程如图2所示。9.1.2 点云,加工步与要求点云数据加工是针对多站石窟寺空间结构点云数据进行标祀提取、点云配准、坐标转换等加工操作,其步骡与要求如下：a)导入原始点云数据：b)分别在每站点zi中提取标靶中心三雉坐标：
21、B2石，三空何结构败加工工作藻程c) 根据标靶中心三维坐标进行各妇描站点云数幅配准：d) 如有控制测破的M圮坐标.则利用控制测St的标把坐标通过七参数模型进行点云坐标转换.参5转换的标花数量不应少于5个,且不应分布在近似平面内，坐标转换现差应不大于2.5mm;O对点云进行降噪处理.点云降噪应视点的数Jft采用/波方法或人I：手动进行点云数据降噪处理,以去除点云数招中脱离扫描目标物的异常点和孤立点：D对点云进行抽稀处理，扫描目标物表面曲率变化不大区域宜用均匀抽稀，抽稀的间曲设置不应大于10mm:扫描目标物表面曲率变化明K区域宜采用保持特征的抽梅.根抠法向显变化和曲率识别特征区域进行抽桶,抽稀间环
22、设过不应大于3mm;g) 对点云数据进行检杳与归档；h) 输出点云数据成果.9.1.3 网格模H加工步与要求网格模型加工是将表现石窟寺三维空间结构的岗敢点云构建成连续表面三角网，并进行加工处理,其步骤与要求如F：a) 去除点云数据冗氽,对于多姑之间的用外部分点云可采用统一采样去除数据冗余,采样间距不在大于3mm;b) 将威散的三整点构建成网格模组,构网过程中不应进行正采样操作，如数据H过大，可分块构网后合并；O与石窟寺空间结构无关的对以应删除,包括独立的优像、仪器设备、线嫌、室外其他对象、后期加装的门和栏杆等附属设施等：d) 对于因点云测距误差引起的石S!寺三维空间结构的粗糙.应选取需要去啖的
23、三角网进行同JS去咬处理.不应采用全局去噪的处理方法：e编辑网格模型参照CH/Z3O172015的Mt定，应采用孔填充、边修补、简化、细化、光滑处理等方法,优化三角网模型：O网格模型应按照模型之间的公差进行简化，最大公差设翼不应大于3mm,应按照曲率优先的原则进行：g）对网格模型进行检查与归档：h）输出网格模型成果数据.9.1.4 石窟空间瑚WK提加工检充加工完成的点云数据与网格模里应由检查人员检杳：检谷应符合表3的规定：不合格时，应杳找原因并重新加工。3石学空间绪构依据施工检充内容与更求序号内容检件项要求1点云数据界常点和孤立点点云数据中不应保留脱离杓描目标物的邪常点和孤立点点云繇度在表面曲
24、率变化不大的区域,点云数据密度小于等于io皿;在表面曲率变化明显区域点云密度小等于3nn2网格模型网格模型与点云数据的空间位置点云数据与网格模里登加时两组数据同一特征点误差小于笄于211m完整性表面Kl益率大于等户80%表面正确性表面应无测优噪声引起的情误凸起、凹唱、小孔与打状物9.2石等造像敷据加工9.21加工as包括几何数据加工、奴理数据加工，数据加工流程如图3所示。纹理数据加工：HWttiKlflI纹理照片激光扫描网格投网司处理数据检套几何梅型或SJI-sJa处理接健线几何得整I接缝战色把明整不合脩图3石寺造像三维依据加工流程9.2.2几何敷须工-：维扫描仪扫描的网格模型几何数据加Jl要
25、求如下：a) 模型预处理应检查和修狂对非流形边、自相交、高度折射边、灯状物、小孔等模型问即：b) 应去除与扫描的造像无关的冗余元素，如墙面、地面等；C)对同一造像的多个工程扫描应进行配准悚作，优化目标的标准偏差应不大于0.3mm;d)对于因点云测距误差引起的石窟寺造像表面的粗糙.应选取禽要去噪的三角N进行局部去噪处理,不应采用全局去噪的处理方法：c) 应按照简化后模型之间的公差进行简化，鼠大公差设置应不大于0.Imm;简化前后的网格模里细节变化在视觉上不应有较大差别；f) 对模型扫描区域内规则区域的小面积孔洞可进行修补,特征明显部位或大面枳的孔洞不应撼补，应补充扫描或采用其他手段得到真实网格模
26、型。9.2.3纹理敷加工9. 2.3.1纹理数据预处理加工要求如下：a)预处理对象应利用拍摄的色卡进行白平衡校准和数字冲印：b)预处理对象应为RAW格式图像文件：O使用的预处理具有白平衡工具；d)白平衡工具吸取照片中灰阶卡的18%灰色块进行白平衡校准：O校准后的图像中，照片中灰阶卡和标准色卡所有色块的R值、G(ft、B值相差应设置一个限差伯，该限差值根据对象去面色彩情况、拍摄条件、光照设备等因素综合确定；D利用色卡白平衡校准参数校准相同条件下拍援的所有其他阳片.并进行数码冲印，冲印的输出格式为JPEG或TlFF,其中JPEG品质要求为12.9.2,3.2钗理数据加工要求如下：a) 选取贴图区域
27、角度的正视照片用于益:理映射：b) 几何特征点反投影到税理空间后，与对应的钗理特征点误差应不大于3像素：C)多张经理之间的接缝规处理时，应针对每条接缝践，先进行几何错位调整，声iS行色彩保差调整.调整后的接缝线处不应有几何错位和色彩偏差：1)输出经理图像分辨率与品质应保持输入钗理原始图像分辨率与品质；c) 纹理映射应覆盖全部几何表面.9.2.4石明像蚊加工检专加工完成的几何数据与蚊理数据应由检交人员检杳：检查应符合表4的规定；不合格时,应查找原因并重新加工。4石寺造像M加工枪充内容与要求序号内容检森项要求1几何数据表面正确性我面不应有如流形边、自相交、i度折射边、钉状物、小孔等模型问题配准精度
28、不同扫描站拼接后的表面不应有错位和起伏，接边识差W03nm孔洞修补可见区域不应存在较大孔涧：不可见区域的孔洞不应修补4(It)序号内容检查项要求2纹理数据格式与品场输出格式为JPEG或TlFF,如果是JPEC则乩质要求为12映射精度符合9.2.3.2b）的要求映射完整度符合9.2.3.2e）的要求W成果!交所有成果以数字化形式组织，纸质隼图和表格扫描后制作成电子文档形式：时间系统的I期应采用公元纪年,时间应采用北京时间：成果类型、成果内容、成果格式（有多种格式的任选其一）如表5所示。5成果Ialfl彩式成果类型成果内容成果格式空间结构数据控制测成果控制点坐标TXT、XYZ标记点坐标TXT.XY
29、Z控制点测技记录表PDF激光扫描成果点云数据TXT.XYZ.PTS、PrGIGS.ASC.E57激光扫描草图PDF激光扫描记录表PDF敢据加工成果网格模型数据OBJ,ST1.检查报告PDF造像数据数据采集成果原始网格模型ST1.、OBJ原始纹理影像RAW（不同设备厂冢犷展名不同）数据来集记录表PDtttnJ:成果加工后的模型数楙OBJ（网格帙型），TIF、JPG（纹理）,IT1.（材质）数据加工记录表PDF检杳报告PDF（规范性）石寺空间结构三罐控制点冽记录我石3寺空间结构三维苴建控制点测量记录表的格式见表A.I,表A.1石窟寺空间结构三维束建控制点测量记录表石原寺琳号采日期检查日期测段人员记
30、录人员检查人员（一）支导靓测量观测点点名XYZ府视点（已如点，控制网点）全站仪架设点（己知点，控制网点）石窟寺洞口点（待测点,支导线点）（二）标一坐标测I.定向及测前检验（后视点名一）观测项XYZ备注后视点坐标测m后视坐标校验差依是否合格2.标把点坐标编号XYZ备注备注附量B（粕范性）石寺空间结构光扫描草图石忌寺空间结构激光扫描草图格式见图B.I.示例见图B.2.石向寺能号绘制人员日期需注标靶控制点扫描站Bb-I石寺空闾结构洗日播草图E&2石窟等空间结构激光归草图示例（规范性）石寺空间结构激光扫描记录表石窟寺空间结构激光扫描记录表格式见表CJ.*c.l石窟寺空间结构微光扫描记录表日期石窟寺编号
31、记录人员（一）激光扫描的准各1.作放置标肥数fit全站仅可测得标能数垃爸注（二）激光扫描阶段与数据卜效阶段站点编号扫描方式是否使用三脚架激光分疥率数据下我完毕数据完抠需注（规范性）石窟寺造像三维扫描记录表石窟寺造像三维扫描记录表格式见表DJ:D.1石窗明ftei尉璃记录表石窟寺塘号造像城号设备型号旧描分辨率设置采一日期招描人员记录人员检查人员扫描草图备注附量E（震范性）石寺建像收理采集记录表石血寺造像纹理栗集记录表的格式见表E1.E-1石*ft像收现采集记录衮石窟循号造像编号摄影Wi灯光加日期记录人员相机参数Jtltil快门速慢8光度镜头及光源快头焦矩拍摄强题光源梨号光源煦度光湿布设方式光湿位置魁片起止编号起止备注参考文献1CH/Z3017地面三维激光扫描作业技术规程
