Hands-Free Heritage: Automated 3D Scanning for Cultural Heritage Digitization
作者: Javed Ahmad, Federico Dassiè, Selene Frascella, Gabriele Marchello, Ferdinando Cannella, Arianna Traviglia
分类: cs.CV
发布日期: 2025-10-06 (更新: 2025-10-14)
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💡 一句话要点
提出一种自动化双机器人扫描系统，用于文化遗产高精度三维数字化
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 三维扫描 文化遗产数字化 机器人 自动化 运动规划
📋 核心要点
- 传统文化遗产数字化三维扫描依赖人工操作，需要专业知识，效率低且易出错。
- 提出一种双机器人协同扫描系统，通过自动化运动规划实现文物表面的全面高精度扫描。
- 实验表明，该系统在几何精度和数字化效率方面优于传统方法，降低了对专业人员的依赖。
📝 摘要（中文）
高保真三维扫描对于保护文化遗产文物至关重要，它支持文档记录、分析和长期保护。然而，传统方法通常需要专业的知识和人工干预，以维持最佳扫描条件和覆盖范围。本文提出了一种自动化的双机器人扫描系统，通过结合协调的机器人操作和高分辨率三维扫描，消除了对手持或半自动工作流程的需求。我们的系统将扫描空间参数化为不同的区域，从而实现配备扫描仪的机器人和托盘处理机器人之间的协调运动规划。优化的轨迹规划和航路点分布确保了全面的表面覆盖，最大限度地减少了遮挡，并在重建精度和系统效率之间取得平衡。实验结果表明，与基线方法相比，我们的方法实现了显著更低的Chamfer距离和更高的F-score，从而提供了卓越的几何精度、更高的数字化效率，并减少了对专家操作员的依赖。
🔬 方法详解
问题定义：文化遗产数字化过程中，高精度三维扫描至关重要。然而，传统的手持或半自动扫描方法依赖于专业人员的操作，不仅效率低下，而且容易受到人为因素的影响，难以保证扫描质量和完整性。此外，复杂文物的遮挡问题也难以通过人工调整姿态来完全解决。
核心思路：本文的核心在于利用双机器人协同工作，实现扫描过程的完全自动化。一个机器人负责携带扫描仪，按照预先规划的轨迹对文物进行扫描；另一个机器人负责调整文物姿态，以减少遮挡，从而实现文物表面的全面覆盖。通过优化轨迹规划和姿态调整策略，在保证扫描精度的同时，提高扫描效率。
技术框架：该系统的整体框架包括以下几个主要模块：1) 扫描空间参数化：将扫描空间划分为不同的区域，以便进行运动规划。2) 运动规划：为扫描仪机器人和托盘处理机器人生成协调的运动轨迹，确保扫描仪能够覆盖文物表面，并最大限度地减少遮挡。3) 扫描数据获取：利用高分辨率三维扫描仪获取文物表面的点云数据。4) 数据后处理：对获取的点云数据进行配准、融合和重建，生成高精度的三维模型。
关键创新：该方法最重要的创新点在于将机器人技术与三维扫描技术相结合，实现了文化遗产数字化过程的完全自动化。与传统方法相比，该方法无需人工干预，可以显著提高扫描效率和精度，并降低对专业人员的依赖。此外，通过双机器人协同工作，可以有效地解决复杂文物的遮挡问题。
关键设计：在运动规划方面，采用了优化的轨迹规划算法和航路点分布策略，以确保扫描仪能够全面覆盖文物表面，并最大限度地减少遮挡。在数据后处理方面，采用了高精度的点云配准和融合算法，以保证三维模型的精度和完整性。具体的参数设置和算法选择需要根据具体的文物和扫描环境进行调整。
📊 实验亮点
实验结果表明，与基线方法相比，该系统在几何精度方面取得了显著提升，Chamfer距离显著降低，F-score显著提高。这表明该系统能够更精确地重建文物的三维模型。此外，该系统还能够显著提高数字化效率，减少对专家操作员的依赖，从而降低数字化成本。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于文化遗产保护领域，例如文物数字化存档、虚拟博物馆建设、文物修复和研究等。通过自动化三维扫描，可以更高效、更精确地记录和保存珍贵的文化遗产，为后代提供宝贵的历史资料。此外，该技术还可以应用于工业检测、逆向工程等领域。
📄 摘要（原文）
High-fidelity 3D scanning is essential for preserving cultural heritage artefacts, supporting documentation, analysis, and long-term conservation. However, conventional methods typically require specialized expertise and manual intervention to maintain optimal scanning conditions and coverage. We present an automated two-robot scanning system that eliminates the need for handheld or semi-automatic workflows by combining coordinated robotic manipulation with high-resolution 3D scanning. Our system parameterizes the scanning space into distinct regions, enabling coordinated motion planning between a scanner-equipped robot and a tray-handling robot. Optimized trajectory planning and waypoint distribution ensure comprehensive surface coverage, minimize occlusions, and balance reconstruction accuracy with system efficiency. Experimental results show that our approach achieves significantly lower Chamfer Distance and higher F-score compared to baseline methods, offering superior geometric accuracy, improved digitization efficiency, and reduced reliance on expert operators.