项目负责人

1、项目介绍。包括项目所属课程介绍，项目所属课程实验内容，课程考核方式，课程预备知识。

课程概述：

本课程主要针对计算机科学与技术及软件工程专业的学生。学生可借助该平台，按功能实施模块化设计，供学生借此平台开展新的文物虚拟修复解决方案的设计实现实验。达到使学生学会掌握应用此平台设计新的文物虚拟修复解决方案及设计兵马俑实战游戏等目的。

考试要求：

本课程考核范围主要包括平时成绩，期中成绩和期末成绩三部分，各部分所占比例如下：

平时成绩占20%，期中成绩占20%，期末成绩占60%

平时成绩、期中成绩和期末成绩均按百分制计分，最终成绩计算方法如下：

平时成绩*20%+期中成绩*20%+期末成绩*60%

预备知识：

计算机图形学、线性代数

2、项目内容介绍。包括实验目的、实验原理、实验仪器设备（平台）、使用方法、实验步骤、实验结果与结论以及远程实验所需要的保障条件。具体内容请参考学院项目相关资料。

一、实验目的

1. 了解文物碎片，从实体到虚拟模型的建立过程，加深对计算机虚拟化的认识。

2. 通过虚拟模型近距离观察，了解兵马俑等文物碎片的特点。

3. 学习利用虚拟手段辅助进行虚拟场景的兵马俑碎片复原，防止手工复原对文物造成的二次伤害。

4. 在学生参与真实文物修复活动前可以利用该系统对学生进行文物虚拟修复训练，使学生到达提高修复经验和提高修复技能，降低对文物在修复过程中的二次损伤的目的。

二、实验原理及内容

1.学生首先分组使用手持式三维扫描仪对仿真破碎文物碎片进行扫描（如果是虚拟实验，可使用事先扫描好的碎片数据），采集文物表面几何数据，然后使用平台软件对数据集进行预处理并导出碎片几何模型。

2.然后全组学生可在所有碎片几何模型基础上，应用软件环境对碎片进行虚拟拼接和修复，并最终形成拼接方案。如果拼接错误，软件给出拼接存在的问题提示。拼接过程也可借助头戴式显示器和交互设备由一组学生在虚拟环境协作完成。

三、实验仪器设备及平台

手持式三维扫描仪、图形工作站、头戴式VR显示器、通用软件GeoMagic，自主开发虚拟现实实验软件。

四、实验内容与步骤

1.获取扫描数据

从实验辅导教师手中获取待拼接的原始数据，通常编号规则为G**-**-**-**z (f)，如图一所示，该编号第一位表示挖掘编号，第二位表示俑所在区域编号，第三位表示俑编号，第四位后表示碎片编号及其正反，z表示正，f表示反。

2.预处理数据

1）按编号打开一个碎片的正(反)面模型，使用geomagic工具去除模型的边缘杂质噪声，将文物模型上的缺失空洞，利用geomagic工具补洞

i、点击geomagic打开按钮，打开需要预处理的碎片的obj文件。此时软件弹出对话框：推荐使用网格医生命令来分析和修复多边形网格，是否想使用网格医生命令？此时选择“是”，如图二所示。

ii、将碎片转至正视图（即正面面向显示器）。单击鼠标左键圈取碎片上的噪声部分，按Delete键进行删除，如图三所示。注意：由于碎片比较大，注意在操作之后进行保存，以免之前的工作丢失。

iii、去除噪声完成后，依次点击面板左侧“应用”-“保存”按钮，如图四所示。

iv、对预处理过的碎片进行保存，保存文件类型为.wrp文件（即默认文件类型）。

2）将正反面模型拼接成一个完整碎片模型，拼好后重复去噪和补洞操作，编号并保存为一个碎片模型

i、点击geomagic打开按钮，打开需要拼接的两个碎片。注意：此时需要打开的是能组成一个完整碎片的正面和反面两个碎片。

ii、点击菜单栏“对齐”按钮，选择对齐菜单中的手动注册，之后将模式选为“1点注册”，如图五所示。

iii、点击定义集合中的编号即可将模型分别拖入三个坐标系之中，左边碎片在“固定”坐标系中，右边碎片在“浮动”坐标系中，下方视图中为两个碎片拼接效果图，如图六所示。

iv、此时将两个碎片分别转至相对面（即拼合的面相对），鼠标选取一点（拼合点）。

v、在下方视图中，旋转碎片，查看拼接效果，如果拼接无误，点击面板左侧“确定”按钮，完成拼合，效果如图八所示。

3)依次对所有待拼接碎片进行预处理

i、选定“组”，即刚拼合好的碎片。

ii、点击菜单栏“多边形”按钮，选择“全部填充”。点击面板左侧“全部填充”下“应用”按钮，旋转碎片查看补洞结果，如果全部填充，点击“保存”按钮。

通过以上三步，兵马俑碎片的数据预处理过程就完成了。

3.拼接合成碎片

1)依次打开碎片，并观察碎片，发现两个可以拼接完成的碎片

寻找可拼接碎片有多种方法，例如可以先观察碎片属于俑身的哪个部位，在将临近部位的碎片进行比较，找到可以拼接的碎片，例如图十碎片可以看出为兵马俑盔甲裙摆的碎片

2)在geomagic软件中打开上一步寻找到的待拼接文件，通常为两个碎片模型

i、选择打开文件，框选待拼接的两个碎片,将碎片打开

ii、这时如图十二所示，可以看见两个碎片是乱放在一起的

选择“对齐”菜单中的手动注册功能，之后将模式选为n点注册

iii、依次点击定义集合中的碎片的编号即可将模型分别显示在三个坐标系之中

3)对两个匹配的碎片进行拼接

i、点击鼠标中键并拖动,将两个碎片的待拼接面旋转到可以拼接比较的合适角度

ii、将两个模型上可以匹配拼接的点进行标定，进行初步拼接

首先找到一个模型待拼接面上的一个突起特征较明显的点，单击鼠标会有一个编号出现在模型上，即在模型上标定了点.之后在另一个模型待拼接面上找到对应的凹陷特征点，单击鼠标，这时会在模型上出现一个对应编号，例如图十五中红色模型中的1与绿色模型中的1对应，如此,选择3对标定点模型即可自动拼接

iii、调整标定点，对拼接效果进行调整，直到达到理想模型,调整方法一般有两种

方法一. 调整原先标定点

该种方法适用情况为：之前标定点的位置和理想位置相差太远,导致碎片拼接后的效果很差(碎片相互重叠或者相距较远),这时就要去掉之前标定的点,重新选择合适的位置标定。

方法二. 增加新的标定点

该种方法适用情况为：拼接后的碎片已经基本在理想位置,只是稍有偏差,需要对位置稍作调整就可以,这时对碎片再标定新的辅助点,进行微调。

6)合成模型，达成理想效果后合并为一个碎片模型

i、点击确定即可完成模型的合并，效果如图十八所示

ii、保存模型,对拼接好的两个碎片进行保存,成为一个新的碎片，保存文件类型为.wrp文件（即默认文件类型）。

4.完成整俑的拼接

重复第三大步的步骤，直到将整个俑拼接完成，最终得到一个完整兵马俑，完成实验，过程如图二十 --- 图二十二所示。

五、实验结果与数据处理

1.将采集来的数据进行预处理，转换为文物碎片模型，最终得到一组可供后续拼接的兵马俑碎片模型

要求学生能在课程时间内完成提供碎片的预处理

2.将文物碎片模型进行拼接、合成，得到完整兵马俑模型

要求学生能最终将碎片拼接完成整个兵马俑模型。

【课程视频及课件】

【完整版】3号俑复原指导手册.pdf

兵马俑前期处理.zip

兵马俑虚拟拼接.zip

辅助拼接.zip

【思考题】

1. 怎样提升文物拼接修复效率

2. 如何设计自动化的文物拼接修复工具