 Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2012, 2, 142-146 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2012.23026 Published Online August 2012 (http://www.hanspub.org/journal/csa.html) Museum Collections Digitalization and Management Based on Reverse Engineering Hong Ji, Tao Shen Virtual Reality Division, Beijing Computing Center, Beijing Email: jihong@bcc.ac.com, shentao@bcc.ac.com Received: Jun. 18th, 2012; revised: Jul. 3rd, 2012; accepted: Jul. 12th, 2012 Abstract: As the increasing attention to museum information, museum collection digitalization plays more and more important role in digital museum management. A solution museum collection digitalization and its management based on reverse engineering proposed in this paper can meet the industrial application accuracy. The work flow of reverse engineering of museum collections is as follow: 3D scanning of museum collections, correction and revising the point cloud data, the digital model with digital dynamic label. As the application results shown, the method presented by this paper can accurately exhibit museum collections’ 3D surface in formation. Keywords: Reverse Engineering; Digital Museum 基于逆向工程的博物馆藏品数字化及其管理 季 红，沈 涛 北京市计算中心虚拟现实事业部，北京 Email: jihong@bcc.ac.com, shentao@bcc.ac.com 收稿日期：2012 年6月18 日；修回日期：2012 年7月3日；录用日期：2012 年7月12 日 摘 要：随着人们对博物馆信息的不断重视，博物馆藏品的数字化在建立数字博物馆的工作中显得越来越重要。 本文将可以达到工业应用精确度的逆向工程有关技术应用于数字博物馆建设与管理，提出了基于逆向工程的博 物馆藏品数字化及其管理方案。其基本实施流程为：对藏品进行三维扫描，对扫描后的点云数据进行处理和修 正，对数字藏品模型添加进行分类保存。实现的效果证明，该方法可以精确数字化重现博物馆藏品三维表面信 息。 关键词：逆向工程；数字博物馆 1. 引言 在我国文化事业的迅速发展的大背景下，数字博 物馆的研究如雨后春笋般蓬勃发展。博物馆具有馆藏 物品的展示，收藏和科学研究等社会功能[1]。因 此 ，在 建立数字博物馆的工作中，实现藏品信息的数字化成 为建立数字博物馆最为重要的工作之一。不同于博物 馆的虚拟展示，数字化藏品要求数据精确完整，且尽 可能重现原馆藏物品外形几何信息和表面彩色纹理 信息；管理上要求便于藏品的检索、信息标注和信息 追加。目前，数字博物馆的藏品展示多采用文字、影 像方式或通过人工建模方式[2,3]，并不能完整和精确的 还原藏品的信息。在信息技术中，逆向工程是一种已 经广泛应用于工业制造技术，可以实现实物物体高精 度信息化，进而重现产品外形并进行数据分析 [4]。将 逆 向工程运用于博物馆藏品的数字化中，就可以达到高 精度还原藏品外形几何信息及表面纹理信息的目的。 Copyright © 2012 Hanspub 142  基于逆向工程的博物馆藏品数字化及其管理 图1是故宫博物院的虚拟博物馆展示，虽然是人 工绘画的效果图，但也能达到较好的展示效果。图 2 是大卫石膏雕像扫描实物照片；图3是大卫石膏雕像 数字化重构效果图，其中(a)是模型的数字化模型效果 图，(b)是彩色三维数字扫描仪扫描的包含表面彩色纹 理信息的数字化模型效果图。 Figure 1. V irtu al mu seum exhibitio n of the nat ional p alace mu seum[5] 图1. 故宫博物院的虚拟博物馆展示[5] Figure 2. The real object of David plaster statue photo 图2. 大卫石膏雕像实物照片 (a) (b) Figure 3. The digital model of David plaster statue: (a) The digital model of David plaster statue; (b) The restoration surface texture model of David plaster statue 图3. 大卫石膏雕像数字化模型：(a) 大卫石膏雕像数字化模型；(b) 大卫石膏雕像表面纹理复原模型 显然通过扫描后，重构的数字化模型更能真实的 展示实物物体的外表构造信息。本文提出的基于逆向 工程的博物馆藏品数字化及其管理，采用工业中的逆 向工程方法对藏品进行数字化处理，可以高精度全方 面还原数字化藏品的三维信息，提高了数字博物馆藏 品展示的精确度和真实性。最后对数字化藏品的数据 整理、加工后分级输出，以满足不同需求，从而优化 了数字博物馆藏品数据的个性化服务。 2. 博物馆藏品信息的特点与逆向工程 及其特点 2.1. 博物馆藏品信息的特点 博物馆的基本职能包括展示功能，以及藏品收集 的管理和传播[1]。因此，建立数字藏品不仅仅是简单 的博物馆藏品实体数字虚拟展示，还应该包括博物馆 藏品的其他资源的数字化。在藏品的展示中，按照不 同种类博物馆具有不同种类的展示藏品，例如艺术博 物馆的藏品有图像、雕塑，以及藏品说明；科学博物 馆的藏品有标本、机械模型、影像资料等等。从藏品 的视觉展示维度划分，可分为二维平面实体展示和三 维立体实体的展示；按照藏品的作用划分，可分为观 赏作用和科学研究作用[2]。因此，从数据保存和输出 需求的角度分析，数字化藏品的具有不同的精确度要 求，且不同的藏品具有不同的数字化藏品信息标签。 2.2. 逆向工程及其特点 逆向工程技术(Reverse Engineering，RE)是根据已 有的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模 型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改 进，是对已有设计的再设计，本质上是一个“认识原 型–再现原型–超越原型”的过程[6]。逆向工程在汽 车、飞机、船舶制造行业的设计制造中具有相当重要 的地位，相对于普通的设计制造过程，逆向工程节约 了大量物质成本，缩短了设计制作的工期，大大提高 了产品设计的效率，加强了产品设计制造的可继承性 [4]。也就是说，逆向工程的技术的特点是实现较高精 确度的实体数据重现，以及可以对这些数据的分析处 理和应用修改。 因此，将逆向工程应用于建立数字博物馆，可以 精确有效对博物馆藏品实体进行数字化，从而真实再 Copyright © 2012 Hanspub 143  基于逆向工程的博物馆藏品数字化及其管理 现数字博物馆的藏品展示，以及对数字化藏品数据进 行测量分析。 3. 逆向工程在建立数字博物馆的实现 逆向工程的总体实施流程可以概括为从实体建 立数据，再到实体；主要步骤包括实体数据采集、实 体模型数字化及其加工，以及实体输出三大部分，图 4是基于逆向工程的博物馆藏品扫描与模型管理流 程。 3.1. 藏品实体的数据采集 进行藏品数据的采集需要三维扫描仪，现在主流 的三维数字扫描仪按操作方式可以分为机架式和手 持式两大类，手持式三维扫描仪主要适用于小型物体 扫描，机架式三维扫描仪主要适用于大型建筑物扫 描；功能上可分为彩色三维扫描仪和非彩色三维扫描 仪，非彩色的三维数字扫描仪只能采集扫描实体的三 维位置信息，而彩色三维数字扫描仪可以同时采集扫 描实体的三维位置信息和实体表面的色彩信息。图 5 所示为 FARO PHOTON LASER三维数字扫描仪，该 扫描仪为机座式扫描仪，扫描距离最长 153 米，频率 每秒 976,000点。由于藏品体积较大(如图 6)，本文以 FARO PHOTON LASER三维数字扫描仪对北京市自 然博物馆藏品马门溪龙数字化处理为例，说明逆向工 程在藏品数字化应用的实施流程。 三维数字扫描仪 采集 3D 点云数据 点云数据 修正与处理 模型重构 模型数据保存 模型数据修改 模型输出 藏品实物 藏品实体的 数据采集 藏品实体数据化 及其加工 藏品的 数字模型输出 Figure 4. The implementations processes of museum collections 3D scanning and its data management based on reverse engineering 图4. 基于逆向工程的博物馆藏品扫描与模型管理实施流程 Figure 5. FARO PHOTON LASER 3D VIU scanner 图5. FARO PHOTON LASER三维数字扫描仪 Figure 6. The Mamenxi Dinosa ur fossils in Beijing na tural museum 图6. 北京市自然博物馆场馆中展出的马门溪龙化石 FARO PHOTON LASER三维数字扫描仪在数字 化扫描，首先是对扫描仪选择正确的扫描点选定，扫 描仪的位置要尽可能可以扫描到藏品的各个部位。进 行北京市自然博物馆马门溪龙扫描，分别在马门溪龙 肋骨的两侧进行定点扫描。扫描仪对藏品扫描后得到 的是点云数据。点云是在同一坐标系下具有一定空间 位置信息大量离散的点的集合。使用三维数字扫描仪 对藏品扫描后，得到的是一系列记录藏品表面形状信 息的点云数据。这里将三维数字扫描仪扫描藏品后得 到的点云称为原始点云数据。 3.2. 藏品实体数据化及其加工 3.2.1. 点云数据修正与处理、模型重构 完成藏品实体扫描的过程后，需要对扫描实体得 到的原始点云数据进行处理。实现藏品外形的数据 化，包括三项工作：去除较大误差的点，进行数据的 拼接，以及进行曲面拟合。这些步骤可以在逆向工程 专用的软件中完成的，常用的逆向工程软件有 Image Waresurfacer，Geomagic，COPY CAD，Unigraphics NX，Pro Engineer，CATIA，ALIAS软件等。 本文以使用 Geomagic 对北京市自然馆的马门溪 龙骨骼化石的藏品进行逆向工程为例，说明用逆向工 Copyright © 2012 Hanspub 144  基于逆向工程的博物馆藏品数字化及其管理 程对数字博物馆藏品化点云模型建立的操作过程。 Geomagic Studio是一款具有强大建模功能的专业逆 向工程软件，支持多重三维数据输出格式，内含强大 的点云处理功能模块，支持快速曲面造型方式建模， 利用该模块的数据处理相关工具，可以大大提高藏品 数字化的效率[7]。图 6为北京市自然博物馆场馆中展 出的马门溪龙化石实体，由于藏品本身体积较大，需 要扫描多次，采集点云数据。三维扫描时每一次对实 体扫描均可以得到一组点云数据，拼接点云数据就是 把每次扫描采集的点云数据合并到一个场景中，从而 实现重构藏品点云模型。在Geomagic Studio 12中， 在点云模块下选择要合并的点，点击合并点对象，即 一次点云的拼接(图7)[8]。 拼接过程中，可能由于扫描不完整产生孔洞。较 大的孔洞需要对模型重新采样数据，再合并到点云模 型中进行孔洞填补。 受扫描设备和环境因素的影响，扫描以后得到的 点云数据存在大量的无用点，这些无用点会干扰后继 工作的展开，所以在进行曲面重构之前首先要把这些 杂点去除。杂店去除可以使用Geomagic Studio 12下 点模块修改的选择体外孤点和非连接项，设置合适参 数后删除。去除杂点后，开始点云数据拼接。被扫描 物体表面结构越不规则，则得到点云数据越不规则， 越容易产生孔洞；藏品体积越大，得到的数据量越大， 扫描的时间越长。 异于工业产品一般具有较规则平滑的特点，骨骼 本身表面存在许多细微不规则结构，点云模型建立的 过程中经常需要扫描和拼接交替进行，以填充扫描孔 洞和完整化模型数据场。完成数据处理后，利用 Geomagic Studio 12 点模块下的封装，将点云数据转 化为三角面模型，完成点云模型建立。可以利用逆向 工程的软件将点云数据拟合为平滑曲面，至此完成藏 品的模型数字化过程(如图 8)。 Figure 7. The original point cloud data of Mamenxi Dinosaur by 3D scanner 图7. 马门溪龙三维扫描原始点云数据 Figure 8. The digital Mamenxi Dinosaur model after point cloud surface fitting 图8. 经曲面拟合后的马门溪龙数字模型 3.2.2. 藏品数据保存 完成藏品模型数字化后需对藏品进行数据保存 工作，这是数字化博物馆藏品管理的基础[9]。为了对 藏品进行有效的管理，首先需要根给藏品的不同类型 及不同的数据应用分别建立多维动态数字标签。藏品 的数字标签是对数字产品的信息进行分类管理和概 括的数字化标识的依据，方便对模型的分类存放管 理、检索和维护的工作，也可作为藏品检索的关键词 使用。 用向量 12 ,,, n n r 1, 2,;1, 2, n nm m 表示藏品的动态数字 标签，其中 n r； 表示藏品所属领 域， n m 表示该领域下藏品划分的表示。藏品首先按 照所属的领域不同进行分类，根据类型不同，数字标 签的建立方式也随之改变，即mf ，且 为正 整数。比如，藏品属于动植物标本，则该藏品的信息 可以包括标本生产地点、时间，年代等等。这样相同 类型的藏品具有相同标准的动态数字标签，这样对数 字藏品的管理不是建立在树形的文件夹结构下的，而 是可以根据标签进行分类和提取。藏品的动态数字标 签可以表示为 n nn m 12 ,, , 1,2,，即同一件藏 品可能由于类型划分的方式而同时属于两种或两种 以上的类型，那么这件藏品就可能具有两套动态数字 标签，这在标记和保存过程是允许的。另外也可以根 据管理需要追加新的分类，为藏品建立新的动态数字 标签标识。 3.3. 藏品实体输出 藏品的实体输出即实现藏品展出的功能，实体的 博物馆展示被时间和空间限制。例如台湾故宫博物院 有藏品 60 多万件，经常展出的有5000 多件，其他展 品每 3个月进行一次更换，通过参观的方式能够欣赏 到的展品是非常有限的。数字化的展品突破的时间和 Copyright © 2012 Hanspub 145  基于逆向工程的博物馆藏品数字化及其管理 Copyright © 2012 Hanspub 146 (a) (b) Figure 9. Different output accuracy of the digital Mamenxi Dinosaur’s backbone model: (a) Nondestructive output of the digital Mamenxi Dinosaur’s backbone model; (b) 10% destruction of the digital Ma- menxi Dinosaur’s backbone model 图9. 马门溪龙脊骨数字模型输出示例：(a) 马门溪龙脊骨数字模型无 损输出；(b) 马门溪龙脊骨数字模型 10%输出 空间的限制，拓宽了文化传播的渠道。 藏品实体输出包括模型输出和藏品其他信息输 出。这里藏品的其他信息指藏品模型数据以外的信 息，比如藏品收藏年份，藏品级别，收藏依据等等， 这些信息的输出通常不需要进行处理，下面说明本文 提出的分级模型数据输出。 根据对输出数据精度不同要求，按从高到低的顺 序可以分为数据分析级、影视级，和普通级。按照模 型表面曲率，曲率越大的区域点云数据的增加与减少 对曲面拟合影响程度越大，曲率越小的区域点云数据 的增加和减少对曲面拟合的影响程度越小。在模型减 面计算时，优先去除对模型曲面拟合影响程度小的 点。按照不同的需求，建立藏品模型的输出标准，对 模型去点，再进行曲面光滑操作：用于专业研究并获 得相关许可的用户可以使用点云数据 100%输出模 型，用于影视制作并获得相关许可的用户可以使用点 云数据按 50%输出的模型，普通用户得到相关许可可 以使用按点云数据10%输出的模型。图 9所示为北京 自然博物馆马门溪龙化石藏品扫描数字化模型的脊 骨部分按点云数据 100%数据输出和 10%精简的普通 级数据输出对比。 4. 总结 本文以北京自然馆藏品马门溪龙的恐龙骨架化 石为例，阐述了基于逆向工程的博物馆藏品数字化及 其管理的实施方案详细流程。不同于工业产品的三维 数据扫描，根据博物馆藏品种类不同，其三维扫描的 点云数据需要大量的修正和再扫描处理，经过逆向软 件中点云数据拼接及曲面拟合后，可以建立博物馆藏 品的数字化模型。在博物馆藏品的管理方面，提出了 建立藏品动态数字标签，方便了藏品的管理与维护。 由于博物馆面对的服务对象不同，提出了精确度定级 的藏品模型数据输出，以满足不同的应用需求。实验 证明，使用逆向工程进行藏品数字化能够达到较高精 度的数字化还原效果，对藏品的保存具有一定的实用 意义。然而，随着藏品本身的尺寸，表面结构的复杂 程度不同，会给扫描和数据处理带来较大困难，导致 数据修正处理需要时间较长。因此，在建立数字化博 物馆的工作中，也应该依据藏品的实际情况制定合理 的数字化方法。 5. 致谢 感谢北京市自然博物馆为本文提供的素材，感谢 曾宇教授的指导和支持。另外特别感谢为本文提供素 材的王一舰、宋宁军和向磊。 参考文献 (References) [1] 顾洁燕, 王晨. 试论当代数字博物馆的模式和发展[J]. 理论 探索, 2011, 6(33): 39-44. 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