文物虚拟复原技术作为一种无损的文物碎片拼合手段,已得到了考古学界的广泛重视。通过逆向工程重建得到文物三维模型,应用数字几何处理技术提取模型的几何结构特征,可用于文物模型的匹配,进而重组破损文物。本研究以秦皇帝陵陪葬坑中出土的陶俑文物碎片为对象,针对出土文物数量大、受损程度不同、拼合问题计算复杂度高的特点,重点研究文物点云模型处理、几何特征优化以及模型的配准等关键技术,推进文物模型虚拟拼接的工程化方法的实际应用。论文的主要研究成果如下:(1)建立求解虚拟复原问题的工程化体系框架,分析归纳虚拟拼合的完全匹配、部分匹配和复杂拼合三类问题特点,给出面向问题特性的分类解决方案。借鉴完全匹配问题的已有研究基础,应用于部分匹配问题求解;提出几何特征失效下的复杂拼合问题可行解法:三类拼合方法较为全面的覆盖了虚拟复原的问题领域。(2)提出一种点云模型优化方法,针对文物点云模型噪声敏感、几何结构复杂的数据特性,对工程化体系框架中的法矢重修、点云平滑、表面分类等关键处理技术进行了优化。采用保特征的法矢重修和点云平滑提升点云质量和几何参数估算的正确性,降低几何参数估算与特征匹配时的误差;提出基于点云密度分析的表面分类方法,克服了基于表面分类符方法对几何结构敏感的问题,提高了文物模型断裂面分类的辨识度和准确率,为断裂面的匹配提供了数据保障。(3)提出一种局部优化的断裂面特征匹配算法,针对部分匹配问题中非连续几何特征降低断裂面匹配相似度的问题特性,引入局部特征描述符求解碎片邻接关系与拼合位置。选取具有抗噪性的几何特征,以0-1矩阵描述特征空间分布,将特征匹配转换为约束条件下的组合最优化问题,对求解碎片邻接关系进行优化;建立面向拼合的点云配准算法,引入相交测试计算碎片两两对齐的拼合位置,针对复杂度为NP难的多碎片重组问题,构造碎片断裂处可行解空间的可行矩阵,将重组过程转换为约束条件下的最优拼接矩阵问题,迭代得到复原完整模型。局部特征优化的方法有效度量了空间曲面的相似性,降低了碎片缺失对拼合过程的影响,提高了求解部分匹配问题的鲁棒性。(4)提出多特征约束下的碎片拼合方法,针对模型外形缺失严重、几何特征失效等问题特性,在断裂面特征的基础上引入轮廓曲线特征与邻接约束描述符,解决采用单一几何特征求解时可能出现的错误解问题。计算轮廓曲线特征约束下的拼合误差,以及两种约束共同作用下的微调距离偏移量,量化拼合结果,确定最优拼合策略;在几何特征失效时引入基于邻接约束的交互式拼合,定义可扩展的约束描述符,通过刚体运动可视化将邻接碎片的拼合位置限制在合理的空间范围内,有效解决了复杂拼合问题。本研究得到973前期研究计划的支持,几何处理方法研究已应用于秦皇帝陵兵马俑一号坑、K9901坑出土文物的复原过程,效果良好。