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 机器人协同 自动化扫描 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，自动规划扫描轨迹，优化表面覆盖，减少遮挡。
- 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、分析和长期保存。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：文化遗产数字化需要高精度的三维模型，但现有方法依赖人工操作，耗时耗力，且扫描质量受操作者经验影响。手动扫描难以保证扫描角度和距离的一致性，容易出现遮挡和数据缺失，最终影响三维模型的精度和完整性。因此，如何实现自动化、高精度、高效率的文化遗产三维扫描是本文要解决的核心问题。
核心思路：本文的核心思路是利用双机器人协同工作，一个机器人负责携带三维扫描仪进行扫描，另一个机器人负责操作文物托盘，调整文物姿态。通过合理的运动规划和轨迹优化，实现对文物表面的全面覆盖，减少遮挡，提高扫描效率和精度。这种自动化方法旨在减少人工干预，降低对操作人员专业技能的要求，并提高扫描过程的可重复性和一致性。
技术框架：该系统的整体架构包括两个机器人：一个配备高分辨率三维扫描仪的扫描机器人和一个负责文物托盘操作的托盘机器人。系统首先将扫描空间参数化为不同的区域，然后进行运动规划，为两个机器人生成协调的运动轨迹。轨迹规划的目标是最大化表面覆盖率，最小化遮挡，并平衡重建精度和系统效率。系统还包括数据采集和处理模块，用于将扫描数据融合为完整的三维模型。
关键创新：该论文的关键创新在于将双机器人协同操作应用于文化遗产三维扫描，实现了扫描过程的自动化。通过优化的运动规划和轨迹生成算法，系统能够自动确定最佳扫描路径和姿态，从而提高扫描效率和精度。此外，系统还考虑了遮挡问题，通过调整机器人姿态和文物方向，最大限度地减少遮挡，提高数据完整性。
关键设计：系统采用参数化的扫描空间划分方法，将文物表面划分为多个区域，并为每个区域规划独立的扫描轨迹。运动规划算法考虑了机器人的运动学约束、扫描仪的视场范围以及文物表面的几何特征。系统还设计了一种基于Chamfer距离和F-score的评估指标，用于评估三维模型的精度和完整性。具体参数设置和损失函数细节未知。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该自动化双机器人扫描系统在文化遗产数字化方面表现出色。与传统方法相比，该系统实现了显著更低的Chamfer距离和更高的F-score，表明其具有更高的几何精度。具体而言，Chamfer距离降低了XX%（具体数值未知），F-score提高了YY%（具体数值未知）。这些结果证明了该系统在提高数字化效率和精度方面的优势。
🎯 应用场景
该研究成果可广泛应用于文化遗产保护、博物馆数字化、艺术品复制等领域。通过自动化三维扫描，可以高效、精确地记录和保存珍贵的文化遗产，为研究、教育和展示提供支持。未来，该技术有望与虚拟现实、增强现实等技术结合，为用户提供更加沉浸式的文化体验。
📄 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.