可移動(dòng)文物多視角三維重建的拍攝方法探索

摘要：通過數(shù)字?jǐn)z影與多視角三維重建技術(shù)，能夠完成多種可移動(dòng)文物的三維重建工作。為滿足AgisoftPhotoscan軟件進(jìn)行三維重建的技術(shù)要求，在進(jìn)行可移動(dòng)文物的多視角影像獲取時(shí)，針對(duì)形態(tài)各異、種類繁雜的可移動(dòng)文物，需要采用不同的拍攝方法，保證可移動(dòng)文物三維重建的最佳效果。、三維重建和影像拍攝隨著三維重建技術(shù)的快速發(fā)展，基于全方位空間信息采集和展示的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，三維重建技術(shù)已經(jīng)越來越多地被運(yùn)用到考古研究和博物館展示中來。其中多視角三維重建技術(shù)不僅能夠完全滿足考古遺址、文物信息提取的精度要求，更因其使用的便捷性和靈活性，在考古、文博工作中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，取得了很好的成果。數(shù)字?jǐn)z影測量(DigitalPhotogrammetry)是基于數(shù)字影像和攝影測量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對(duì)象以數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測量學(xué)的分支學(xué)科。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字影像或數(shù)字化影像進(jìn)行處理，使用計(jì)算機(jī)視覺(其核心是影像匹配與影像識(shí)別)代替人眼的立體量測與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取，重建空間物體的三維模型。多視角三維重建是以數(shù)字相機(jī)作為影像獲取工具，從多角度圍繞被拍攝物體拍攝多幅數(shù)字影像，然后使用三維重建軟件根據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測量原理，對(duì)獲取的全部數(shù)字影像進(jìn)行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點(diǎn)云，加載影像信息后得到真實(shí)的三維模型，實(shí)現(xiàn)被拍攝物體三維模型重建的技術(shù)。目前在考古領(lǐng)域中被廣泛使用的三維重建軟件是AgisoftPhotoscan。AgisoftPhotoscan是一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的優(yōu)秀軟件。由于這款軟件無需設(shè)置初始值，對(duì)照片的拍攝順序位置沒有嚴(yán)格的要求，無論是航拍還是地面拍攝的影像都可以使用。它可自由選定是否使用控制點(diǎn)，而在使用控制點(diǎn)的設(shè)置下就能夠生成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。AgisoftPhotoscan可生成高分辨率正射影像及帶精細(xì)色彩紋理的DEM模型。完全自動(dòng)化的工作流程，即使非專業(yè)人員也可以生成專業(yè)級(jí)別的三維模型和攝影測量數(shù)據(jù)。進(jìn)行多視角三維重建首先要進(jìn)行影像的采集和拍攝，高分辨率數(shù)字相機(jī)是獲取影像的工具。考古工作中三維影像的獲取包括出土文物的多視角拍攝和田野考古遺址的多視角地面和高空拍攝。二、可移動(dòng)文物的多視角拍攝方法拍攝出高質(zhì)量的數(shù)字影像是三維重建的前提與基礎(chǔ)，拍攝的基本要求是使用高分辨率數(shù)字相機(jī)，避免使用超廣角和魚眼鏡頭，圖像質(zhì)量要設(shè)定為最高像素。手持拍攝時(shí)相機(jī)快門不要設(shè)定太慢，要保證拍攝時(shí)不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。ISO設(shè)置不要過高，避免產(chǎn)生噪點(diǎn)，光圈在拍攝期間要保持不變。拍攝的照片要求對(duì)焦清晰，并使相鄰影像具有一定的重疊度，確保可移動(dòng)文物全方位的影像獲取。使用高像素?cái)?shù)字相機(jī)，相機(jī)設(shè)置為手動(dòng)檔（M檔）設(shè)置統(tǒng)一的光圈大小和曝光時(shí)間，光圈值一般為8或10左右，以確保數(shù)字影像具有足夠的景深；曝光時(shí)間不低于1/30秒（視拍攝者具體情況而定），光線比較暗的時(shí)候需要適當(dāng)增加感光度進(jìn)行拍攝，但不要過大，避免產(chǎn)生明顯的噪點(diǎn)。并且要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成拍攝，使每幅數(shù)字影像的亮度、反差、陰影等情況比較一致。本文將著重介紹出土文物在不同形態(tài)狀況和拍攝條件下，配合AgisoftPhotoscan軟件后期數(shù)據(jù)處理，為完成多視角三維重建所采用的不同拍攝方法和技巧。懸掛拍攝法懸掛拍攝法是在自然光條件下將文物用堅(jiān)韌而透明的魚線懸掛在拍攝架上，拍攝者圍繞文物對(duì)其進(jìn)行正面、側(cè)面、底部全方位的多視角拍攝。根據(jù)文物實(shí)際大小和造型特點(diǎn)需要拍攝大約幾十到一百多張照片。為避免文物正面和底部拍攝光線反差過大，需要在拍攝架下鋪上拍攝反光板，（圖一）這樣可以減少照片的后期處理加工，增強(qiáng)拍攝效果提高后期處理效率。如果拍攝照片的反差、亮度比較合適，可以不用進(jìn)行勻光等處理即可使用；如果照片存在比較暗淡等問題，則需要在Photoshop軟件中進(jìn)行反差和亮度的調(diào)整，增強(qiáng)影像的質(zhì)量，以便提高后續(xù)三維處理的速度和精度。圖一使用魚線是因?yàn)槠淙犴g而透明的特點(diǎn)既可以保證文物懸掛時(shí)的安全性也可以減少懸掛線對(duì)文物表面的影響。而對(duì)于生成三維模型后魚線在文物表面生成的痕跡，我們可以在AgisoftPhotoscan軟件的工具中選擇導(dǎo)出紋理，通過Photoshop軟件進(jìn)行相應(yīng)的處理和修改，然后再在工具中重新將修改后的紋理導(dǎo)入。這個(gè)步驟可以重復(fù)進(jìn)行，直到取得滿意的效果。懸掛拍攝法的優(yōu)點(diǎn)是可以一次性完成文物全方位照片獲取，在后期三維建模的過程中能夠一次性完成數(shù)據(jù)處理，（圖二）提高三維建模的速度。缺點(diǎn)是因?yàn)椴捎米匀还饩€，天氣情況和光線條件會(huì)對(duì)拍攝效果影響比較大。另外文物是由細(xì)細(xì)的魚線懸吊，在室外環(huán)境下風(fēng)的大小會(huì)對(duì)拍攝產(chǎn)生不利影響。而且這種方法只適用于重量比較輕，體積比較小，便于懸吊的文物，不能滿足各種各樣文物三維重建拍攝的要求。圖二拼合拍攝法拼合拍攝法是在自然光條件下將文物的上部和底部分別進(jìn)行全方位多視角拍攝，再在AgisoftPhotoscan軟件中將兩組照片進(jìn)行處理和計(jì)算，將生成的堆塊進(jìn)行對(duì)齊和合并，最終生成三維重建模型?；谌S建?？臻g運(yùn)算和匹配時(shí)的技術(shù)要求，為了符合三維建模時(shí)的空間參照和計(jì)算，以便區(qū)別二者的不同，建立完整的空間數(shù)據(jù)，這就需要在對(duì)文物進(jìn)行上部和底部拍攝時(shí)，將文物放置在不同的兩個(gè)臺(tái)面上并分別安置在兩個(gè)不同的位置上，使正反面拍攝時(shí)的背景環(huán)境形成差別。為了便于以后對(duì)三維重建的文物進(jìn)行測量和繪圖，如果在其中一個(gè)拍攝臺(tái)面上設(shè)置控制點(diǎn)，就可以生成具有真實(shí)坐標(biāo)的三維模型以及高分辨率真實(shí)坐標(biāo)的正射影像圖等，滿足對(duì)文物數(shù)據(jù)的精確測量采集，文物線圖的繪制以及多種相關(guān)研究的要求。面對(duì)形態(tài)各異的文物，在使用拼合拍攝法的時(shí)候，我們可以根據(jù)其造型特點(diǎn)，采用多種方法來進(jìn)行多視角三維影像拍攝。在拍攝正反兩面都可以正常垂直擺放的文物時(shí)，我們只需將文物的正反兩面分別擺放在不同臺(tái)面上進(jìn)行全方位多視角拍攝。例如在拍攝陶豆時(shí)就采用這種方法進(jìn)行拍攝。（圖三）圖三在拍攝底部可以垂直擺放而頂部無法對(duì)應(yīng)垂直擺放的文物時(shí)，我們先對(duì)垂直擺放文物的上部進(jìn)行全方位多視角拍攝，而在對(duì)文物底部進(jìn)行全方位多視角拍攝時(shí)可以采用垂直或傾斜懸空兩種擺放方式。例如拍攝頂部呈圓弧型的佛龕時(shí)，將佛龕的頂部進(jìn)行包裹保護(hù)之后垂直插入沙箱，（圖四）然后對(duì)露出的底部進(jìn)行全方位多視角拍攝。在拍攝另一個(gè)頂部呈圓弧型且窄薄易損的佛龕時(shí)，我們將佛龕倒放然后鋪墊其他支撐物，使佛龕傾斜，底座突出懸

空，（圖五）以便于進(jìn)行全方位多視角拍攝。圖四圖五在拍攝正反兩面都無法垂直擺放的文物時(shí)，我們可以使用輔助手段使文物垂直擺放，或?qū)⑽奈锲椒艃擅娣D(zhuǎn)拍攝。例如在拍攝佛像殘件時(shí)，我們將佛像的兩頭分別進(jìn)行包裹保護(hù)之后垂直插入沙箱，然后對(duì)露出的部分進(jìn)行全方位多視角拍攝。而在拍攝人骨骨骼時(shí)將其正反兩面水平擺放，（圖六）分別進(jìn)行全方位多視角拍攝。圖六在拍攝體積重量巨大無法輕易移動(dòng)位置的文物時(shí)，我們可以在全方位多視角拍攝完正面后原地翻轉(zhuǎn)文物，然后將周圍拍攝環(huán)境用各種適合的材料進(jìn)行遮蓋，使拍攝反面時(shí)的背景與拍攝正面時(shí)的背景產(chǎn)生差別，再對(duì)反面進(jìn)行全方位多視角拍攝，從而滿足AgisoftPhotoscan軟件在進(jìn)行三維建?？臻g運(yùn)算和匹配時(shí)的技術(shù)要求。例如在拍攝石雕人像時(shí)，我們先是對(duì)人像的左側(cè)進(jìn)行了全方位多視角拍攝，然后在原地翻轉(zhuǎn)到人像的右側(cè)，用木板遮蓋人像的四周，（圖七）造成兩面拍攝背景的不同，再對(duì)人像右側(cè)進(jìn)行全方位多視角拍攝。圖七拼合拍攝法的優(yōu)點(diǎn)是拍攝方式靈活，可以完成多種形態(tài)類別文物的多視角三維影像獲取。缺點(diǎn)同樣是因?yàn)橐捎米匀还饩€，天氣情況和光線條件會(huì)對(duì)拍攝效果影響比較大。轉(zhuǎn)盤拍攝法這種方法的要求是在室內(nèi)使用攝影燈光，也可加閃光燈進(jìn)行補(bǔ)光。使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)的設(shè)置需要使用手動(dòng)檔（M檔）設(shè)置統(tǒng)一的光圈大小和曝光時(shí)間，光圈值一般為14或16左右，曝光時(shí)間設(shè)置為1/125秒。拍攝時(shí)將文物放置在轉(zhuǎn)盤上，在轉(zhuǎn)盤上標(biāo)畫出刻度，每旋轉(zhuǎn)10~20度拍攝一張。使用三腳架固定相機(jī)位置，通過三腳架高度的調(diào)整，拍攝不同角度，完成全方位的多視角拍攝。拍完正面后再將文物翻轉(zhuǎn)，以同樣的方法拍攝文物的底面。（圖八）圖八轉(zhuǎn)盤拍攝法同樣需要對(duì)文物的上部和底部分別進(jìn)行全方位的多視角拍攝，但由于這種方法是將文物放置在同一個(gè)轉(zhuǎn)盤平臺(tái)上進(jìn)行雙面的拍攝，拍攝背景一樣。基于三維建?？臻g運(yùn)算和匹配時(shí)的技術(shù)要求，我們就需要將拍攝背景設(shè)置成完全單一的顏色，例如白色、黑色、灰色等。同樣如果在其中一個(gè)拍攝臺(tái)面上設(shè)置控制點(diǎn)，將兩組照片在AgisoftPhotoscan軟件中進(jìn)行處理和計(jì)算，就可以生成具有真實(shí)坐標(biāo)的三維模型以及高分辨率真實(shí)坐標(biāo)的正射影像圖等。例如在拍攝人骨骨骼時(shí)，我們使用白色背景板，將人骨放置在白色標(biāo)有刻度的轉(zhuǎn)盤上，再用白色方塊將人骨兩頭墊起，增大全方位多視角拍攝的面積。每旋轉(zhuǎn)10度橫向拍攝一張。再通過三腳架高度的調(diào)整，拍攝不同角度，最終完成人骨骨骼正反兩面的全方位多視角拍攝。轉(zhuǎn)盤拍攝法的優(yōu)點(diǎn)是在室內(nèi)采用燈光拍攝，不會(huì)受到天氣情況和光線條件影響。目前這種方法更適合拍攝一些特別細(xì)小和復(fù)雜的文物，其三維建模的效果和完成率要高于懸掛拍攝法和拼合拍攝法。缺點(diǎn)是目前使用轉(zhuǎn)盤的尺寸和承重都有限，適用的文物受到了限制。另外拍攝方式不夠靈活，拍攝設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。三、文物三維影像的重建與應(yīng)用文物三維影像的獲取是文物三維重建的基礎(chǔ)，多種拍攝方法保證了各類文物的三維影像獲取，從而使文物的三維重建得以實(shí)現(xiàn)。完成文物三維重建，需要將拍攝的文物照片導(dǎo)入AgisoftPhotoscan軟件。然后在工作流程中依照軟件的步驟，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行處理，最終完成文物的三維重建。我們可以在視圖中選擇相機(jī)（位置）、標(biāo)記、區(qū)域、軌跡球、資訊的顯示或隱藏，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的查閱與展示。AgisoftPhotoscan軟件基于多視角影像三維重建技術(shù)原理，是一款能夠?qū)⑵矫嬗跋襁M(jìn)行重建，生成高質(zhì)量的三維模型、點(diǎn)云模型、DEM（數(shù)字高程模型）、正射影像等的三維模型制作軟件。AgisoftPhotoscan軟件支持輸入格式包括：JEPG、TIFF、PNG、BMP、JEPGMulti-PictureFormat（MPO），輸出格式包括三維建模常見的格式GeoTiff、xyz、GoogleKML、COLLADA、VRML、WavefrontOBJ、PLY、3DSMax、Universal3D、PDF。這些格式的文件可以在相應(yīng)的軟件中進(jìn)行兼容使用。圖九三維模型可以真實(shí)再現(xiàn)文物的原貌（圖九），進(jìn)行全方位的觀察，滿