可移動文物多視角三維重建的拍攝方法探索

摘要：通過數(shù)字攝影與多視角三維重建技術，能夠完成多種可移動文物的三維重建工作。為滿足AgisoftPhotoscan軟件進行三維重建的技術要求，在進行可移動文物的多視角影像獲取時，針對形態(tài)各異、種類繁雜的可移動文物，需要采用不同的拍攝方法，保證可移動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的快速發(fā)展，基于全方位空間信息采集和展示的技術優(yōu)勢，三維重建技術已經(jīng)越來越多地被運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用，取得了很好的成果。數(shù)字攝影測量(DigitalPhotogrammetry)是基于數(shù)字影像和攝影測量的基本原理，應用計算機技術、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識別等多學科的理論與方法，提取所攝對象以數(shù)字方式表達的幾何與物理信息的攝影測量學的分支學科。計算機對數(shù)字影像或數(shù)字化影像進行處理，使用計算機視覺(其核心是影像匹配與影像識別)代替人眼的立體量測與識別，完成影像幾何與物理信息的自動提取，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)字攝影測量原理，對獲取的全部數(shù)字影像進行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點云，加載影像信息后得到真實的三維模型，實現(xiàn)被拍攝物體三維模型重建的技術。目前在考古領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生成高質量三維模型的優(yōu)秀軟件。由于這款軟件無需設置初始值，對照片的拍攝順序位置沒有嚴格的要求，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，而在使用控制點的設置下就能夠生成真實坐標的三維模型。AgisoftPhotoscan可生成高分辨率正射影像及帶精細色彩紋理的DEM模型。完全自動化的工作流程，即使非專業(yè)人員也可以生成專業(yè)級別的三維模型和攝影測量數(shù)據(jù)。進行多視角三維重建首先要進行影像的采集和拍攝，高分辨率數(shù)字相機是獲取影像的工具。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、可移動文物的多視角拍攝方法拍攝出高質量的數(shù)字影像是三維重建的前提與基礎，拍攝的基本要求是使用高分辨率數(shù)字相機，避免使用超廣角和魚眼鏡頭，圖像質量要設定為最高像素。手持拍攝時相機快門不要設定太慢，要保證拍攝時不會產(chǎn)生抖動。ISO設置不要過高，避免產(chǎn)生噪點，光圈在拍攝期間要保持不變。拍攝的照片要求對焦清晰，并使相鄰影像具有一定的重疊度，確?？梢苿游奈锶轿坏挠跋瘾@取。使用高像素數(shù)字相機，相機設置為手動檔（M檔）設置統(tǒng)一的光圈大小和曝光時間，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；曝光時間不低于1/30秒（視拍攝者具體情況而定），光線比較暗的時候需要適當增加感光度進行拍攝，但不要過大，避免產(chǎn)生明顯的噪點。并且要在盡可能短的時間內完成拍攝，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韌而透明的魚線懸掛在拍攝架上，拍攝者圍繞文物對其進行正面、側面、底部全方位的多視角拍攝。根據(jù)文物實際大小和造型特點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軟件中進行反差和亮度的調整，增強影像的質量，以便提高后續(xù)三維處理的速度和精度。圖一使用魚線是因為其柔韌而透明的特點既可以保證文物懸掛時的安全性也可以減少懸掛線對文物表面的影響。而對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出紋理，通過Photoshop軟件進行相應的處理和修改，然后再在工具中重新將修改后的紋理導入。這個步驟可以重復進行，直到取得滿意的效果。懸掛拍攝法的優(yōu)點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。缺點是因為采用自然光線，天氣情況和光線條件會對拍攝效果影響比較大。另外文物是由細細的魚線懸吊，在室外環(huán)境下風的大小會對拍攝產(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行全方位多視角拍攝，再在AgisoftPhotoscan軟件中將兩組照片進行處理和計算，將生成的堆塊進行對齊和合并，最終生成三維重建模型?；谌S建?？臻g運算和匹配時的技術要求，為了符合三維建模時的空間參照和計算，以便區(qū)別二者的不同，建立完整的空間數(shù)據(jù)，這就需要在對文物進行上部和底部拍攝時，將文物放置在不同的兩個臺面上并分別安置在兩個不同的位置上，使正反面拍攝時的背景環(huán)境形成差別。為了便于以后對三維重建的文物進行測量和繪圖，如果在其中一個拍攝臺面上設置控制點，就可以生成具有真實坐標的三維模型以及高分辨率真實坐標的正射影像圖等，滿足對文物數(shù)據(jù)的精確測量采集，文物線圖的繪制以及多種相關研究的要求。面對形態(tài)各異的文物，在使用拼合拍攝法的時候，我們可以根據(jù)其造型特點，采用多種方法來進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，我們只需將文物的正反兩面分別擺放在不同臺面上進行全方位多視角拍攝。例如在拍攝陶豆時就采用這種方法進行拍攝。（圖三）圖三在拍攝底部可以垂直擺放而頂部無法對應垂直擺放的文物時，我們先對垂直擺放文物的上部進行全方位多視角拍攝，而在對文物底部進行全方位多視角拍攝時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，將佛龕的頂部進行包裹保護之后垂直插入沙箱，（圖四）然后對露出的底部進行全方位多視角拍攝。在拍攝另一個頂部呈圓弧型且窄薄易損的佛龕時，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，我們可以使用輔助手段使文物垂直擺放，或將文物平放兩面翻轉拍攝。例如在拍攝佛像殘件時，我們將佛像的兩頭分別進行包裹保護之后垂直插入沙箱，然后對露出的部分進行全方位多視角拍攝。而在拍攝人骨骨骼時將其正反兩面水平擺放，（圖六）分別進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位置的文物時，我們可以在全方位多視角拍攝完正面后原地翻轉文物，然后將周圍拍攝環(huán)境用各種適合的材料進行遮蓋，使拍攝反面時的背景與拍攝正面時的背景產(chǎn)生差別，再對反面進行全方位多視角拍攝，從而滿足AgisoftPhotoscan軟件在進行三維建?？臻g運算和匹配時的技術要求。例如在拍攝石雕人像時，我們先是對人像的左側進行了全方位多視角拍攝，然后在原地翻轉到人像的右側，用木板遮蓋人像的四周，（圖七）造成兩面拍攝背景的不同，再對人像右側進行全方位多視角拍攝。圖七拼合拍攝法的優(yōu)點是拍攝方式靈活，可以完成多種形態(tài)類別文物的多視角三維影像獲取。缺點同樣是因為要采用自然光線，天氣情況和光線條件會對拍攝效果影響比較大。轉盤拍攝法這種方法的要求是在室內使用攝影燈光，也可加閃光燈進行補光。使用高分辨率數(shù)碼相機，相機的設置需要使用手動檔（M檔）設置統(tǒng)一的光圈大小和曝光時間，光圈值一般為14或16左右，曝光時間設置為1/125秒。拍攝時將文物放置在轉盤上，在轉盤上標畫出刻度，每旋轉10~20度拍攝一張。使用三腳架固定相機位置，通過三腳架高度的調整，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，以同樣的方法拍攝文物的底面。（圖八）圖八轉盤拍攝法同樣需要對文物的上部和底部分別進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轉盤平臺上進行雙面的拍攝，拍攝背景一樣?；谌S建?？臻g運算和匹配時的技術要求，我們就需要將拍攝背景設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拍攝臺面上設置控制點，將兩組照片在AgisoftPhotoscan軟件中進行處理和計算，就可以生成具有真實坐標的三維模型以及高分辨率真實坐標的正射影像圖等。例如在拍攝人骨骨骼時，我們使用白色背景板，將人骨放置在白色標有刻度的轉盤上，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10度橫向拍攝一張。再通過三腳架高度的調整，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。轉盤拍攝法的優(yōu)點是在室內采用燈光拍攝，不會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小和復雜的文物，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。缺點是目前使用轉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，拍攝設備相對復雜。三、文物三維影像的重建與應用文物三維影像的獲取是文物三維重建的基礎，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現(xiàn)。完成文物三維重建，需要將拍攝的文物照片導入AgisoftPhotoscan軟件。然后在工作流程中依照軟件的步驟，設置相關的參數(shù)進行處理，最終完成文物的三維重建。我們可以在視圖中選擇相機（位置）、標記、區(qū)域、軌跡球、資訊的顯示或隱藏，進行相關數(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原理，是一款能夠將平面影像進行重建，生成高質量的三維模型、點云模型、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的軟件中進行兼容使用。圖九三維模型可以真實再現(xiàn)文物的原貌（圖九），進行全方位的觀察，滿