《Electronics》：A Quantitative and Qualitative Comparison of 3D Digitization Techniques for Sustainable Display of High-Detail Museum Artifacts: The Sine Quadrant Example
Abdullah Harun Incekara and
Dursun Zafer Seker
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摘要：博物馆文物的三维数字化对于其虚拟展示以及在损坏或丢失情况下的重新展示至关重要。考虑到博物馆中可展出的文物数量，在设计条件下进行的单一数字化实践在真实感方面效果有限。在本研究中，研究人员在博物馆环境中使用摄影测量和结构光扫描（SLS）技术对高度详细的正弦象
摘要：博物馆文物的三维数字化对于其虚拟展示以及在损坏或丢失情况下的重新展示至关重要。考虑到博物馆中可展出的文物数量，在设计条件下进行的单一数字化实践在真实感方面效果有限。在本研究中，研究人员在博物馆环境中使用摄影测量和结构光扫描（SLS）技术对高度详细的正弦象限仪对象进行了数字化。三维模型由摄影测量中导出的点云和直接从SLS获取的点云生成。在基于线性和边缘细节可区分性的定性评估中，发现摄影测量技术更优；在基于文物上参考长度值的定量评估中，SLS更优，同时摄影测量也被认为是足够的。摄影测量和SLS的最大差异值分别为0.40厘米和0.27厘米，而平均差异值分别为0.24厘米和0.10厘米。此外，云到云距离分析表明两个点云在几何上重叠得相当好。还使用异常值检测分析对点云的同质性进行了比较。该分析显示摄影测量点云中的噪声在文物上具有更广泛的分布。在数据采集和处理时间方面，SLS更优，而成本相当。从不同角度评估这些技术后，研究人员发现，由于最终用户优先需要高纹理质量，摄影测量在博物馆环境中建模更为可取。在这方面，SLS在数据采集和处理方面高度依赖于硬件能力。
论文解读文章
研究背景：博物馆文物作为文化遗产（cultural heritage，CH）的物质体现，承载历史价值，需可持续保存与展示。虚拟博物馆（virtual museum，VM）的创建可实现远程访问，但传统360°相机在细节精度和可伸缩性上存在局限。高精度三维模型是解决该问题的核心，然而在博物馆实际环境中（非可控光照、无法移动文物）进行三维数字化时，摄影测量（photogrammetry）与结构光扫描（structured-light scanning，SLS）两种主流技术的选择缺乏系统指导。现有研究多聚焦于室外或可控环境，且对包含文字、线条和点状细节的高复杂文物（如正弦象限仪）建模比较不足。因此，研究人员以土耳其Tokat博物馆展出的正弦象限仪（sine quadrant）为对象，在真实博物馆环境下（黄色灯光、反射表面）开展两种技术对比研究，旨在为大规模博物馆文物三维建模提供参考。
研究人员开展的研究：在博物馆现场对正弦象限仪进行数字化，使用摄影测量（基于Structure-from-Motion，SfM）和SLS技术。通过定性（视觉与边缘检测）、定量（参考长度测量、云到云距离（C2C）分析）、异常值检测（Statistical Outlier Removal，SOR）以及时间与成本分析进行全面比较。结论是：定性上摄影测量因高纹理质量更优；定量上SLS的几何精度稍高，但差异不显著；时间上SLS更快，成本相近；综合认为摄影测量更适合博物馆环境下的优先需求。该研究填补了复杂文物在博物馆实际条件下两种技术对比的空白，发表于《Electronics》。
关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用摄影测量技术，采用50mm定焦镜头的Canon EOS 5D Mark III DSLR相机，在约80cm距离拍摄67张照片（48张倾斜、19张垂直，重叠率约80%），利用3D打印八边形测试场（带不同高度彩色立柱和地面控制点（GCP））进行缩放。使用Agisoft Photoscan软件生成点云和纹理模型。SLS技术使用Scantech iReal 2E手持式结构光扫描仪，以0.7mm分辨率扫描，通过iReal 3D软件直接获取点云。数据采集均在Tokat博物馆的玻璃展柜内进行，无额外照明控制。点云比较使用Cloud Compare软件进行C2C距离分析和ICP配准，异常值检测通过Python的Open3D库实现SOR算法，边缘检测采用Canny算法。
研究结果：
3.1 定性评估：通过视觉对比和Canny边缘检测，发现摄影测量三维模型在颜色饱和度、细节可区分性上明显优于SLS模型。SLS因集成相机分辨率低及反射效应，导致边缘线性细节模糊，与文献[20,24]结果相异，但与文献[37,38]一致。研究人员指出，50mm定焦镜头、近距离拍摄以及博物馆环境（非可控光照）是导致差异的关键因素。
3.2 定量评估：基于10个参考长度值测量，SLS的平均差值为0.10cm，最大差值0.27cm；摄影测量平均差值0.24cm，最大差值0.40cm。均方根误差（RMSE）分别为0.13cm（SLS）和0.26cm（摄影测量）。C2C分析显示，SLS点云作为参考，摄影测量点云的平均距离为0.442mm，标准偏差0.399mm，表明几何一致性良好，差异集中在边缘和正割部分。两种技术在度量精度上均满足虚拟展示要求，差异不显著。
3.3 异常值检测分析：SOR分析（20邻居参数，2倍标准偏差）显示，摄影测量点云中异常值（噪声）分布更广，覆盖整个文物表面，而SLS点云异常值主要集中在边缘，上表面更均匀。摄影测量点云虽然点数约为SLS的10倍（源于高密度设置），但噪声更分散，导致表面粗糙度更高。SLS因更少受用户因素影响，点云同质性更好。
3.4 时间与成本分析：数据采集时间上，SLS仅需15-20秒，远少于摄影测量的数小时（因需多角度、高重叠拍摄）。数据处理时间上，摄影测量需至少2小时（包括匹配、稠密化、纹理生成），SLS仅需约5分钟。但SLS硬件成本约为摄影测量相机的2倍，且对计算机性能要求高；摄影测量硬件与软件独立，成本较低。在博物馆环境中，若使用转台辅助，两种技术的时间优势可进一步优化，但SLS对反射表面的纹理缺陷仍无法避免。
总结讨论：研究人员分析了两种技术差异的原因：摄影测量优势源于高分辨率相机和定焦镜头，以及SfM算法对纹理细节的敏感性；SLS劣势源于集成相机分辨率低和反射效应，且设备性能（如iReal 2E）限制了点云密度。尽管文献[34]在博物馆条件下得出SLS更优，但该研究未展示纹理模型，故本研究更全面。结论指出，从最终用户对纹理质量的高需求出发，摄影测量在博物馆建模中更具吸引力。
研究结论翻译：据研究人员所知，此前文献中未涉及的正弦象限仪对象，本研究使用摄影测量和SLS技术进行了三维建模。与以往研究不同，建模所需的数据采集是在博物馆环境中进行的。两种技术制作的三维模型可为未来在博物馆环境中需要大量建模的虚拟博物馆项目提供参考。所得模型在质量、数量、时间和成本方面进行了详细比较。两种技术之间未发现显著的定量差异。在定性方面，从用户角度看，摄影测量方法产生了明显更高质量的结果。在SLS中，扫描仪集成相机分辨率不足以及反射效应是降低模型视觉质量的因素。在摄影测量中，数据采集时间比SLS长得多是最显著的缺点。克服这两种技术中这些负面影响的常见解决方案是将文物放置在转台上。对以低速恒定移动的物体在固定位置进行拍照将显著减少数据采集时间。在SLS中，这种情况可以在一定程度上减少反射效应。总体而言，正弦象限仪对象由于其详细内容，可以作为博物馆条件下其他对象三维建模技术选择的参考。考虑到虚拟博物馆中用户友好性、无法高效处理大量数据、以及用户视角对纹理质量的优先需求，摄影测量技术显得更具吸引力。
