壁畫照片采集的分區(qū)塊方法研究

華 巍，胡云崗，侯妙樂，張學東

(北京建筑大學，北京 102616)

0 引 言

壁畫是繪在建筑物的墻壁或天花板上的裝飾性圖畫，是古今中外歷史上最悠久的一種繪畫形式[1]。古代壁畫不僅是藝術珍寶，而且在研究古代社會結構、人民生活等諸多方面都有重要的歷史意義和價值。但由于年代久遠，壁畫的制作工藝和所處環(huán)境的影響使壁畫產(chǎn)生了不同程度的各種類型病害。加上出土時不可避免地人為損害，很多壁畫的畫面內(nèi)容已經(jīng)殘缺不全，畫面圖像承載的珍貴信息受到損失，也不利于壁畫的展示和欣賞。為了能更好地修復和保存這些壁畫以供人們欣賞和研究，研究壁畫的數(shù)字化保護具有重要的意義[1-3]。

近些年文物數(shù)字化保護技術發(fā)展迅猛，用近景攝影測量和計算機圖像處理技術可以很精確地恢復壁畫的三維空間信息，從而達到保護和永久地數(shù)字化貯存壁畫文物的目的。同時也為古代珍貴文物的保護、復原與研究提供了新的手段。當前的主流數(shù)字化采集設備可分為兩大類，一是大平臺掃描儀設備，它較為成熟，但畫幅不可能很大，尺寸受到限制，對古壁畫信息采集意義不大。二是架設數(shù)碼相機，通過分塊采集后在電腦拼接，以完成整個壁畫數(shù)字采集過程。其中第二種采集方式，可以使用非量測數(shù)碼相機作為數(shù)據(jù)采集工具，配合相應的數(shù)據(jù)處理軟件制作。大大降低了外業(yè)數(shù)據(jù)采集成本，且具有工作效率高、設備易操作、受環(huán)境限制小等特點[4-6]。

但由于壁畫所處地質環(huán)境、光線、場地大小等因素限制，壁畫數(shù)字照片的采集往往會出現(xiàn)單張照片形變過大，照片曝光度不足或者過度曝光，照片殘影，相鄰區(qū)塊照片的重疊度不足，照片色彩與實際文物偏差過大，照片分辨率不足等問題[7-9]。前期數(shù)據(jù)采集的不合格，會使得文物數(shù)字化資料嚴重失實。本文針對現(xiàn)今壁畫數(shù)字化前期數(shù)碼照片采集中出現(xiàn)的問題，進行了深入研究，并對出現(xiàn)的問題提出了解決方案，總結出了一套對于壁畫文物數(shù)字化照片采集的“分區(qū)塊”照片采集新方法。該方法整體流程如圖1所示，從壁畫照片采集前的準備、采集的過程，以及采集完畢后對數(shù)據(jù)的檢查、后期處理和應用等方面進行了改進。對提高壁畫數(shù)字化照片采集的質量、效率有著顯著的作用。

圖1 壁畫照片采集流程Fig.1 The mural photo collection process

1 器材選擇與現(xiàn)場踏勘

1.1 器材選擇

1.1.1 相機選擇

照片的輸出分辨率簡稱DPI（dot per inch），指在每英寸（1英寸約等于2.54 cm）長度內(nèi)的像素數(shù)。DPI越大，代表照片精細度越高。對于壁畫的數(shù)字化照片信息采集，采樣分辨率不低于300 DPI。設傳感器輸出像素為a×b，實際場景尺寸為A×B，DPI大小為D。在確定了采集的精度標準后，實際場景的尺寸A=(a/D)×2.54；B=(b/D)×2.54（單位均為cm）。

綜合考慮，本次研究選擇了尼康公司生產(chǎn)的D810數(shù)碼單反相機進行壁畫采集，該數(shù)碼相機傳感器尺寸為全畫幅（135畫幅），有效像素3615萬，傳感器輸出像素最大尺寸為7 360×4 912，若每張照片精度控制在300DPI，則每張照片所采集的實際場景尺寸不能超過62 cm×42 cm。

在采集照片前，應先調整好數(shù)碼相機內(nèi)部參數(shù)。文件記錄方面，為保證最佳像素，設置RAW+JPEG格式來記錄原始數(shù)據(jù)，并將JPEG圖像尺寸調至最大，RAW位深度不低于12 bit；為減小采集照片的噪點，感光度ISO一般設定小于等于100；為保證整幅照片的清晰，調節(jié)光圈在F8～F16之間，且避免使用最小光圈；為避免畫面抖動造成的重影，當手持采集時，應持穩(wěn)相機，快門速度不低于1/160 s；在使用腳架或滑軌輔助采集時，快門速度不低于1/100 s；為保證白平衡的統(tǒng)一，采用自定義白平衡模式。即采集貼近采集區(qū)塊表面的18%中性灰卡，利用計算機或數(shù)碼相機內(nèi)置的分析軟件設定自定義白平衡[10]。

1.1.2 鏡頭選擇

由于定焦鏡頭成像素質突出，一般選取定焦鏡頭采集壁畫照片且要求最大程度減小照片的鏡頭畸變。通常情況下，50mm定焦鏡頭以其幾乎無畸變的優(yōu)異特性、極高的成像素質以及適當?shù)膬r格水平，成為壁畫數(shù)字化照片采集的首選[11]。

1.1.3 燈光選擇

在使用燈光時，需要選擇帶有柔光罩的閃光燈，或者帶柔光板的LED常亮燈等外置光源。外置光源要求具有高顯色性（CRI＞96）、較為穩(wěn)定的色溫（色溫5 500 K±10%以內(nèi)），和較為穩(wěn)定的亮度輸出一致性（多次輸出亮度差異＜2%）。一般常見的燈光有攝影棚外拍閃光燈、相機機頂閃光燈、手持式LED常亮光源等。在采集時，應給外置光源加裝專用柔光罩（箱），以確保光線柔和，不會在被攝文物表面反光，產(chǎn)生光斑影響照片采集質量。

需要注意的是，應注意調節(jié)外置光源亮度使光線均勻，過亮的光源會對文物造成危害。使用輔助光源時應使用泛光，讓光線均勻柔和，避免出現(xiàn)過亮的光斑。同時為了保證色溫穩(wěn)定，應使用同型號的同種光源。

1.1.4 色卡選擇

受不同光源色溫不同的影響，采集的照片可能存在偏離正色等問題。使用色卡可以保證在同一色溫條件下，還原照片正確的顏色而不受外界光源的影響。業(yè)內(nèi)普遍采用孟塞爾色彩體系（Munsell color system）的矩形彩色標板，如：X-rite公司生產(chǎn)的ColorChecker Passport色卡，并配合同名ColorChecker Passport校色軟件進行后期校色處理。在對壁畫進行照片數(shù)據(jù)采集時，應調節(jié)相機各項參數(shù)，使得畫面曝光均勻。一般先放置ColorChecker Passport色卡來采集每區(qū)塊的第一張校色照片，如圖2所示。色卡應在畫面的中心位置，并保證占50%左右的畫面比率，以便調色軟件ColorChecker Passport可以輕松識別色卡并校正顏色。如圖3所示，在每行或每列的中間采集區(qū)塊、整幅壁畫中心采集區(qū)塊和四個角落采集區(qū)塊時，應先按照色卡擺放標準放置色卡采集，之后移開色卡，采集該區(qū)塊正射影像。

1.1.5 其他工具的選擇

圖2 色卡數(shù)據(jù)的采集Fig.2 The color data collection

圖3 色卡擺放位置示意圖Fig.3 Color card location diagram

在大型文物的采集中，為了保證畫面的重疊度一致，以及減少因手持產(chǎn)生的畫面抖動、殘影，常使用三腳架、滑軌、快門線作為輔助攝影器材。在布設三腳架和滑軌時，應確保三腳架底部支撐穩(wěn)固，必要時可以使用膠槍對架腿著地點進行固定?；墤ＷC軌道水平，相機滑動平順。選擇滑軌的長度應盡可能最大限度地滿足文物的大小，避免多次移動滑軌造成照片采集精度降低。

1.2 現(xiàn)場踏勘

由于壁畫所處地理環(huán)境、地質背景等自然環(huán)境比較復雜，常常會受到雨水、風沙的侵蝕以及強光照射的威脅，有時地震也會給壁畫帶來毀滅性的破壞。

根據(jù)壁畫所處環(huán)境的光照條件不同，一般分為室內(nèi)壁畫，如寺廟內(nèi)、墓葬內(nèi)壁畫等；和戶外壁畫，如崖壁、寺廟外墻壁畫等。在戶外采集壁畫照片時，應選擇光照條件好，色溫變化不大的時間段采集，避免在光比較大的時刻（如正午）采集?？梢赃x擇多云或者陰天的天氣采集、或者在清晨太陽不強烈的時刻采集，避免陽光直射或陽光產(chǎn)生的陰影對畫面的影響。當采集照片環(huán)境在室內(nèi)時（如寺廟內(nèi)佛像照片采集），需要按前述標準增加色溫穩(wěn)定、亮度穩(wěn)定的燈光來確保光照條件適宜。

2 壁畫照片“分區(qū)塊”采集

壁畫數(shù)字化照片采集目前采用矩陣式高清晰數(shù)字攝影法（又稱正直多基線高清晰數(shù)字攝影法）進行精確采集，結合空間測量技術提供尺寸校準。為保證大幅面壁畫的采集精度，本文采用“分區(qū)塊”采集法，其具體流程如圖4所示。

圖4 壁畫采集流程圖Fig.4 The mural collection flow chart

1）依水平和垂直方向將被采集壁畫分隔為大小相同的若干個采集區(qū)塊（壁畫尺寸較小時可以整體看做是一個區(qū)塊），后期處理軟件（如業(yè)內(nèi)常用的Photo Scan）要求相鄰采集區(qū)塊有50%以上面積重疊[12-14]?？紤]到有些鏡頭會在照片邊緣產(chǎn)生畸變，后期需要裁剪，前期照片采集重疊度一般提高到70%左右。區(qū)塊大小由所用的數(shù)碼相機傳感器有效像素和要求的采集分辨率確定。

2）調整燈光，使用泛射光采集壁畫照片。調節(jié)光照方向與壁畫夾角大于45°，被采集區(qū)塊應被泛射光均勻照亮，區(qū)塊內(nèi)各點的亮度差異小于10%，至適合亮度和光照角度，以采集對象均勻曝光，主體無陰影為標準[15-17]。然后設置相機參數(shù)，調整數(shù)碼相機的位置和角度，使數(shù)碼相機傳感器與水平面成0°，數(shù)碼相機主光軸垂直于壁畫表面，或垂直于成像中心區(qū)域壁畫表面的切面，光軸垂直對準第一個采集區(qū)塊中心，保證采集區(qū)塊影像充滿數(shù)碼相機取景范圍。

3）在每行或每列的中間采集區(qū)塊、整幅壁畫中心采集區(qū)塊和四個角落采集區(qū)塊，應先按照色卡擺放標準放置色卡采集，之后移除色卡，采集該采集區(qū)塊正射影像。之后按每個采集區(qū)塊所處位置編號，采用“S”型路線采集照片，并保證每次鏡頭在水平和垂直方向上的移動距離相同，精確控制畫面重疊率。

4）將采集平臺（滑軌）平移，使數(shù)碼相機的主光軸對準下一采集區(qū)塊，并核對數(shù)碼相機參數(shù)，與被攝畫面角度、距離關系，再次采集色彩校準文件。此時燈光應根據(jù)采集區(qū)塊的變化相應發(fā)生移動。按照事先設定好的采集順序，重復上述操作，直至壁畫照片采集完成。若采集過程中，數(shù)碼相機參數(shù)，與被攝畫面角度、距離關系需要改變時（如壁畫前有遮擋），則應重新調整數(shù)碼相機，達到采集標準后繼續(xù)采集。

5）開始采集壁畫照片時，應做好采集記錄。包括數(shù)碼相機參數(shù)，與被攝畫面角度、距離關系、燈光亮度等。若壁畫本體被嚴重遮擋，或其不具備正射采集條件時，應采集盡可能接近正射角度的側射影像，并對這些非正射照片做出相應記錄。后期通過軟件進行透視校正，生成近似正射影像的校正影像。

3 壁畫照片的數(shù)據(jù)檢查與處理

3.1 壁畫照片數(shù)據(jù)檢查與篩選

照片數(shù)據(jù)采集完畢后，應首先對照片數(shù)據(jù)進行粗篩，刪除模糊不清的、曝光度與其他照片嚴重不符的照片。然后進行分辨率檢查，使用相同數(shù)碼相機正射采集如圖5所示分辨率標板。采集完成后，將影像放大100%觀測。按觀測線一次對比周邊區(qū)域數(shù)字與中心區(qū)域數(shù)字的精細度，在觀測線上分別標出符合壁畫數(shù)字化照片采集分辨率的位置，并將每一側的標注點依次連接。連接區(qū)域內(nèi)即使本區(qū)塊照片的合格取用范圍，并按照連接區(qū)域范圍使用Adobe公司的PhotoShop軟件進行裁剪，裁除區(qū)域外分辨率不佳的部分，保留畫面中心成像合格的部分，并做勻光處理[18]。

然后利用X-rite公司的ColorChecker Passport軟件和Adobe公司的LightRoom軟件對已經(jīng)檢查合格的照片文件進行顏色校準，整個采集過程應采用統(tǒng)一的色彩管理文件。

圖5 分辨率標板Fig.5 Resolution standard card

3.2 壁畫照片畸變矯正算法

經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查與篩選后的壁畫照片仍存在不同程度的畸變，這是因為數(shù)碼照相機的成像原理可以近似看作小孔成像，設定通過小孔成像得到的照片為理想照片，記為f(x,y)，由于在實際采集壁畫照片時使用的光學鏡頭與理想的小孔成像模型不完全一致，因此會產(chǎn)生照片畸變，記為g(x,y)。假設理想照片中的點(x,y)在畸變照片中對應坐標為(x',y')，則兩者之間的映射關系為：

利用多項式來近似這兩個函數(shù)，假設多項式次數(shù)為k，則有

為了確定多項式系數(shù),在理想圖中找N個點(x1,y1),(x2,y2)，…，(xN,yN)，這些點稱為約束點,它們在畸變圖中對應的坐標分別為(x'1,y'1),(x'2,y'2)，…，(x'N,y'N)，基于這N對約束點數(shù)據(jù)用最小二乘法可以求解出式（2）中的參數(shù)，從而確定坐標映射關系。

對于理想照片中的一點，利用式（2）可得到它在畸變照片中對應的位置,然后使用灰度插值的方法即可得到該點的顏色（或者灰度）。對理想照片中的每一點做這樣的處理，就完成了圖象的幾何畸變矯正[19]。

最后可將矯正好的照片文件導入PhotoScan軟件，生成彩色模型，并渲染出正射影像。也可直接在PhotoShop軟件內(nèi)進行拼接，輸出正射影像圖。

4 實驗論證

依據(jù)本文得出的基于數(shù)字化保護的文物照片采集方法，使用尼康D810數(shù)碼單反相機，配合50mm定焦鏡頭，對北京某寺廟壁畫進行了數(shù)字化照片采集。如圖6a是采集的未經(jīng)校色的原始文件，圖6b是在使用X-rite公司的色卡并配合ColorChecker Passport軟件校色后的照片文件。對比發(fā)現(xiàn)，圖6a未經(jīng)校色前，整體色溫偏低，直觀感受為照片色彩偏黃。圖6b校色后的文件色彩還原度極高，能夠真實地反映出所采集物體的原始色彩，達到了基于數(shù)字化保護文物照片的采集標準。

圖6 照片校色前后的對比Fig.6 Contrast before and after color correction

圖7 a是使用50mm定焦鏡頭采集的壁畫照片整體，圖7b是使用50mm定焦鏡頭采集并矯正后的壁畫照片整體右下角紅框處邊緣畫質放大圖，由圖7b可知，50mm鏡頭的畫質分辨率極高，照片經(jīng)幾何矯正后邊緣沒有明顯的畸變。圖8a是在相同條件下使用24mm定焦鏡頭采集的未矯正的壁畫照片整體，僅中心畫質理想。圖8b是圖8a右下角紅框內(nèi)的邊緣畫質放大圖，但從圖中可以看出邊緣畫質模糊，有明顯桶形畸變，需要對照片進行裁切并矯正后使用。

圖7 使用50mm定焦鏡頭采集的壁畫照片F(xiàn)ig.7 Using 50mm fixed focus lens collect mural photos

圖8 使用24mm定焦鏡頭采集的壁畫照片F(xiàn)ig.8 Using 24mm fixed focus lens collect mural photos

綜上所述，在采集基于數(shù)字化保護的文物照片時，采用本文所述的“分區(qū)塊”采集方法，可以提高照片數(shù)據(jù)的采集質量，達到文物數(shù)字化保護所需照片的標準。而普通的采集方法難以達到所需的技術標準，不宜作為基于數(shù)字化保護的文物照片的采集方法。

5 結束語

隨著文物數(shù)字化和虛擬修復技術的推進，數(shù)字照片的采集是未來文物數(shù)字化保護與修復的基礎。又由于利用二維數(shù)字照片直接制作三維數(shù)字模型和輸出數(shù)字正射影像圖具有操作方法簡單靈活、制作成本低、工作效率高的優(yōu)勢，具有很好的推廣應用前景。因此，文物照片的采集在文物數(shù)字化保護與修復過程中具有非常重要的作用。本文以北京某壁畫文物為例，配合常見的尼康D810數(shù)碼單反相機，研究了對壁畫進行文物數(shù)字化前期“分區(qū)塊”數(shù)字照片采集的方法。利用本文所述的“分區(qū)塊”方法進行文物數(shù)字化前期數(shù)據(jù)采集，可以提高數(shù)字照片采集的成功率，而且也可以提高三維數(shù)字模型和數(shù)字正射影像圖的精度。