张蕾:可移动文物多视角三维重建的拍摄方法探

  摘要:通过数字摄影与多视角三维重建技术,能够完成多种可移动文物的三维重建工作。为满足Agisoft Photoscan软件进行三维重建的技术要求,在进行可移动文物的多视角影像获取时,针对形态各异、种类繁杂的可移动文物,需要采用不同的拍摄方法,保证可移动文物三维重建的最佳效果。

  随着三维重建技术的快速发展,基于全方位空间信息采集和展示的技术优势,三维重建技术已经越来越多地被运用到考古研究和博物馆展示中来。其中多视角三维重建技术不仅能够完全满足考古遗址、文物信息提取的精度要求,更因其使用的便捷性和灵活性,在考古、文博工作中得到了广泛的推广和应用,取得了很好的成果。

  数字摄影测量(Digital Photogrammetry)是基于数字影像和摄影测量的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法,提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。计算机对数字影像或数字化影像进行处理,使用计算机视觉(其核心是影像匹配与影像识别)代替人眼的立体量测与识别,完成影像几何与物理信息的自动提取,重建空间物体的三维模型。

  多视角三维重建是以数字相机作为影像获取工具,从多角度围绕被拍摄物体拍摄多幅数字影像,然后使用三维重建软件根据数字摄影测量原理,对获取的全部数字影像进行相互匹配,生成被拍摄物体的表面三维点云,加载影像信息后得到真实的三维模型,实现被拍摄物体三维模型重建的技术。

  目前在考古领域中被广泛使用的三维重建软件是Agisoft Photoscan。Agisoft Photoscan是一款基于影像自动生成高质量三维模型的优秀软件。由于这款软件无需设置初始值,对照片的拍摄顺序位置没有严格的要求,无论是航拍还是地面拍摄的影像都可以使用。它可自由选定是否使用控制点,而在使用控制点的设置下就能够生成真实坐标的三维模型。Agisoft Photoscan可生成高分辨率正射影像及带精细色彩纹理的DEM模型。完全自动化的工作流程,即使非专业人员也可以生成专业级别的三维模型和摄影测量数据。

  进行多视角三维重建首先要进行影像的采集和拍摄,高分辨率数字相机是获取影像的工具。考古工作中三维影像的获取包括出土文物的多视角拍摄和田野考古遗址的多视角地面和高空拍摄。

  拍摄出高质量的数字影像是三维重建的前提与基础,拍摄的基本要求是使用高分辨率数字相机,避免使用超广角和鱼眼镜头,图像质量要设定为最高像素。手持拍摄时相机快门不要设定太慢,要保证拍摄时不会产生抖动。ISO设置不要过高,避免产生噪点,光圈在拍摄期间要保持不变。拍摄的照片要求对焦清晰,并使相邻影像具有一定的重叠度,确保可移动文物全方位的影像获取。

  使用高像素数字相机,相机设置为手动档(M档)设置统一的光圈大小和曝光时间,光圈值一般为8或10左右,以确保数字影像具有足够的景深;曝光时间不低于1/30秒(视拍摄者具体情况而定),光线比较暗的时候需要适当增加感光度进行拍摄,但不要过大,避免产生明显的噪点。并且要在尽可能短的时间内完成拍摄,使每幅数字影像的亮度、反差、阴影等情况比较一致。

  本文将着重介绍出土文物在不同形态状况和拍摄条件下,配合Agisoft Photoscan软件后期数据处理,为完成多视角三维重建所采用的不同拍摄方法和技巧。

  悬挂拍摄法是在自然光条件下将文物用坚韧而透明的鱼线悬挂在拍摄架上,拍摄者围绕文物对其进行正面、侧面、底部全方位的多视角拍摄。根据文物实际大小和造型特点需要拍摄大约几十到一百多张照片。为避免文物正面和底部拍摄光线反差过大,需要在拍摄架下铺上拍摄反光板,(图一)这样可以减少照片的后期处理加工,增强拍摄效果提高后期处理效率。如果拍摄照片的反差、亮度比较合适,可以不用进行匀光等处理即可使用;如果照片存在比较暗淡等问题,则需要在Photoshop软件中进行反差和亮度的调整,增强影像的质量,以便提高后续三维处理的速度和精度。

  使用鱼线是因为其柔韧而透明的特点既可以保证文物悬挂时的安全性也可以减少悬挂线对文物表面的影响。而对于生成三维模型后鱼线在文物表面生成的痕迹,我们可以在Agisoft Photoscan软件的工具中选择导出纹理,通过Photoshop软件进行相应的处理和修改,然后再在工具中重新将修改后的纹理导入。这个步骤可以重复进行,直到取得满意的效果。

  悬挂拍摄法的优点是可以一次性完成文物全方位照片获取,在后期三维建模的过程中能够一次性完成数据处理,(图二)提高三维建模的速度。缺点是因为采用自然光线,天气情况和光线条件会对拍摄效果影响比较大。另外文物是由细细的鱼线悬吊,在室外环境下风的大小会对拍摄产生不利影响。而且这种方法只适用于重量比较轻,体积比较小,便于悬吊的文物,不能满足各种各样文物三维重建拍摄的要求。

  拼合拍摄法是在自然光条件下将文物的上部和底部分别进行全方位多视角拍摄,再在Agisoft Photoscan软件中将两组照片进行处理和计算,将生成的堆块进行对齐和合并,最终生成三维重建模型。基于三维建模空间运算和匹配时的技术要求,为了符合三维建模时的空间参照和计算,以便区别二者的不同,建立完整的空间数据,这就需要在对文物进行上部和底部拍摄时,将文物放置在不同的两个台面上并分别安置在两个不同的位置上,使正反面拍摄时的背景环境形成差别。为了便于以后对三维重建的文物进行测量和绘图,如果在其中一个拍摄台面上设置控制点,就可以生成具有真实坐标的三维模型以及高分辨率真实坐标的正射影像图等,满足对文物数据的精确测量采集,文物线图的绘制以及多种相关研究的要求。

  面对形态各异的文物,在使用拼合拍摄法的时候,我们可以根据其造型特点,采用多种方法来进行多视角三维影像拍摄。

  在拍摄正反两面都可以正常垂直摆放的文物时,我们只需将文物的正反两面分别摆放在不同台面上进行全方位多视角拍摄。例如在拍摄陶豆时就采用这种方法进行拍摄。(图三)

  在拍摄底部可以垂直摆放而顶部无法对应垂直摆放的文物时,我们先对垂直摆放文物的上部进行全方位多视角拍摄,而在对文物底部进行全方位多视角拍摄时可以采用垂直或倾斜悬空两种摆放方式。例如拍摄顶部呈圆弧型的佛龛时,将佛龛的顶部进行包裹保护之后垂直插入沙箱,(图四)然后对露出的底部进行全方位多视角拍摄。在拍摄另一个顶部呈圆弧型且窄薄易损的佛龛时,我们将佛龛倒放然后铺垫其他支撑物,使佛龛倾斜,底座突出悬空,(图五)以便于进行全方位多视角拍摄。

  在拍摄正反两面都无法垂直摆放的文物时,我们可以使用辅助手段使文物垂直摆放,或将文物平放两面翻转拍摄。例如在拍摄佛像残件时,我们将佛像的两头分别进行包裹保护之后垂直插入沙箱,然后对露出的部分进行全方位多视角拍摄。而在拍摄人骨骨骼时将其正反两面水平摆放,(图六)分别进行全方位多视角拍摄。

  在拍摄体积重量巨大无法轻易移动位置的文物时,我们可以在全方位多视角拍摄完正面后原地翻转文物,然后将周围拍摄环境用各种适合的材料进行遮盖,使拍摄反面时的背景与拍摄正面时的背景产生差别,再对反面进行全方位多视角拍摄,从而满足Agisoft Photoscan软件在进行三维建模空间运算和匹配时的技术要求。例如在拍摄石雕人像时,我们先是对人像的左侧进行了全方位多视角拍摄,然后在原地翻转到人像的右侧,用木板遮盖人像的四周,(图七)造成两面拍摄背景的不同,再对人像右侧进行全方位多视角拍摄。

  拼合拍摄法的优点是拍摄方式灵活,可以完成多种形态类别文物的多视角三维影像获取。缺点同样是因为要采用自然光线,天气情况和光线条件会对拍摄效果影响比较大。

  这种方法的要求是在室内使用摄影灯光,也可加闪光灯进行补光。使用高分辨率数码相机,相机的设置需要使用手动档(M档)设置统一的光圈大小和曝光时间,光圈值一般为14或16左右,曝光时间设置为1/125秒。

  拍摄时将文物放置在转盘上,在转盘上标画出刻度,每旋转10~20度拍摄一张。使用三脚架固定相机位置,通过三脚架高度的调整,拍摄不同角度,完成全方位的多视角拍摄。拍完正面后再将文物翻转,以同样的方法拍摄文物的底面。(图八)

  转盘拍摄法同样需要对文物的上部和底部分别进行全方位的多视角拍摄,但由于这种方法是将文物放置在同一个转盘平台上进行双面的拍摄,拍摄背景一样。基于三维建模空间运算和匹配时的技术要求,我们就需要将拍摄背景设置成完全单一的颜色,例如白色、黑色、灰色等。同样如果在其中一个拍摄台面上设置控制点,将两组照片在Agisoft Photoscan软件中进行处理和计算,就可以生成具有真实坐标的三维模型以及高分辨率真实坐标的正射影像图等。

  例如在拍摄人骨骨骼时,我们使用白色背景板,将人骨放置在白色标有刻度的转盘上,再用白色方块将人骨两头垫起,增大全方位多视角拍摄的面积。每旋转10度横向拍摄一张。再通过三脚架高度的调整,拍摄不同角度,最终完成人骨骨骼正反两面的全方位多视角拍摄。

  转盘拍摄法的优点是在室内采用灯光拍摄,不会受到天气情况和光线条件影响。目前这种方法更适合拍摄一些特别细小和复杂的文物,其三维建模的效果和完成率要高于悬挂拍摄法和拼合拍摄法。缺点是目前使用转盘的尺寸和承重都有限,适用的文物受到了限制。另外拍摄方式不够灵活,拍摄设备相对复杂。

  文物三维影像的获取是文物三维重建的基础,多种拍摄方法保证了各类文物的三维影像获取,从而使文物的三维重建得以实现。完成文物三维重建,需要将拍摄的文物照片导入Agisoft Photoscan软件。然后在工作流程中依照软件的步骤,设置相关的参数进行处理,最终完成文物的三维重建。我们可以在视图中选择相机(位置)、标记、区域、轨迹球、资讯的显示或隐藏,进行相关数据的查阅与展示。

  三维模型可以真实再现文物的原貌(图九),进行全方位的观察,满足目前对文物数字化,信息化,数据化存储,展示和研究的需求。而正射影像图可以使文物绘图更方便和精准,在设置控制点的前提下,可以导出顶部、底部、前面、背面、右侧和左侧共六个方向的正射影像图,(图一〇)在此基础上绘制文物线图将比传统的方法更精确更便捷。

  基于数字摄影基础上的多视图三维重建技术对可移动文物全方位空间信息的采集更精准,展示更全面,从而为考古研究提供了新的方法,也为文物数据库和数字博物馆的建立提供了强大的技术保障,因此这项技术必将在考古和文博的工作中具有很好的发展前景。

  (作者:张蕾 中国社会科学院考古研究所 原文刊于《华夏考古》2018年第1期此处省略注释,完整版请点击左下方“阅读原文”)返回搜狐,查看更多