張家界市博物館明代銅佛像的多視角影像三維重建探索

趙紫軒，范花寧，馬贊峰，馬菁毓，尚 巍

(1. 中央民族大學，北京 100081； 2. 中國文化遺產研究院，北京 100029； 3. 張家界市博物館，湖南張家界 427000)

0 引 言

現階段，張家界市博物館青銅文物在進行保護修復的同時，文物檔案數據庫的建立也在籌備中，新技術的探索也在此次文物檔案數據庫建設中得到嘗試。文物信息的影像采集通常使用平面二維影像拍攝，現有二維平面數據信息已難以滿足如今更加細致的文物建檔與研究需求，隨著科技的發(fā)展，將三維空間影像技術運用在文物信息采集上變得日益迫切。

目前對文物進行三維重建使用的方法主要分為四類：基于X射線掃描的第三代工業(yè)CT技術、基于結構光的三維重建系統(tǒng)、三維激光掃描儀技術[1]以及基于圖像的多視角影像三維重建技術[2]。

第三代工業(yè)CT價格昂貴、體積較大；結構光三維建模系統(tǒng)所需儀器較多，不便攜帶；三維激光掃描儀雖然體積小，但技術復雜且價格昂貴，使該技術不易推廣；基于圖像建模的多視角影像三維重建技術是以普通數字相機作為獲取影像工具，對文物全方位360°拍攝獲取多幅數字影像，通過計算機視覺自動進行三維重建而獲得的擬真三維模型。與前三者相比，多視角影像三維重建具有數據采集方便靈活、硬件成本低、操作簡單、自動化程度高的特點。

通過上述比較分析，結合張家界市博物館現有設備條件，最終選擇基于圖像的多視角影像三維重建技術對張家界市館藏明代銅佛像進行三維影像建模，利用Agisoft PhotoScan軟件處理相機采集圖像，得到物體點云數據，生成網格，建立紋理，最后生成物體數字高程模型進而生成三維模型。

1 多視角影像三維重建技術在文物中的應用現狀

多視角影像三維重建技術由中國社會科學院考古研究所劉建國研究員首次引入并實踐于國內考古領域[3]，此方法主要運用于古遺址、古墓葬、古村落等考古領域的三維重建。在遼寧建昌縣東大杖子M40中第一次應用研究，并提出了多視角影像三維重建軟件能夠自動快速生成點云、三角網模型和最佳紋理，節(jié)省大量手動張貼紋理時間，紋理與模型完全擬合的結論[2]。亦提出了對可移動文物進行多視角影像三維重建技術的具體方法，以及對考古現場信息獲取、存檔、繪圖與數字博物館建設的意義[4]。

除上述考古領域的研究，目前該技術僅見于鄴城石質佛教造像[5]、陶鼎[6]的素面三維建模、湖北漢川馬口窯陶器[7]、云岡石窟第5窟[8]的運用。用于館藏文物影像資料的數字化建檔以及作為文物病害的分析數據則較少見。

2 多視角影像三維重建技術在張家界市博物館明代銅佛像上的應用

2.1 影像采集

拍攝環(huán)境：館藏文物通常置于文物庫房中保管。對于這件出庫進行影像采集的佛像，為保證其安全，不便將其放置在室外自然光照射的條件下拍攝。因此在室內設置攝影棚，使用橙色柔光箱作為打光設備，對于光線較暗的部位需要增加相機感光度或使用其他光源補光。此次在無測量控制板的情況下，使用坐標紙鋪于攝影臺上，便于后期三維重建時控制點的選擇以及誤差分析。如有條件，可制作測量控制板提高控制測量精度。

相機設置：型號NIKON 1 J5，分辨率5568×3712dpi。設置為手動檔，白平衡為日光模式，不使用閃光燈，中心位置單點、單次自動對焦模式。

拍攝方法：拍攝佛像前，首先觀察佛像外形與顏色。在室內拍攝光線較暗的環(huán)境中，需對佛像進行補光以還原佛像原色。該座佛像底部呈不規(guī)則三角形，為空心，故在拍攝時需對佛像立面與底部分別進行影像采集，以確保影像資料全面，有利于更好地建立完整的數字化數據。

佛像立面拍攝，將佛像立于攝影臺坐標紙上，對佛像的頂部與周身，采取俯拍、正拍、仰拍的方式進行三到四圈的拍攝(拍攝角度見圖1)。佛像的肉髻、右手臂內側與右側腰部等部位既細小又隱蔽，因此對這些細節(jié)處增加了近景的圖像采集，以保證獲得佛像全方面的信息。

圖1 佛像立面拍攝角度

佛像底部拍攝，將佛像面部朝下放于攝影臺上，不得與立面拍攝時放置的位置相同，應安放于不同位置，避免兩組影像生成點云數據后因臺面背景相同計算機自動參照校準而無法合并成完整的模型。佛像底部可稍懸出攝影臺邊緣，便于完整地看見佛像底部的邊緣與內部結構。佛像底部內部深處光線昏暗，拍攝時應增加照明度，有利于清晰拍攝到底部空心部位的影像數據。底部分正面、45°仰視角、45°俯視角三個角度，受擺放限制，仰視角、俯視角各繞半圈拍攝(圖2)。

圖2 佛像底部拍攝角度

佛像立面與底部在拍攝時，每張照片需保證與前后照片所拍攝的部位有重疊部分，有利于軟件計算照片定向的完成，具體拍攝軌跡見圖3。

圖3 佛像拍攝軌跡

2.2 影像數據處理

由于銅佛像表面病害分布密集不均，為了得到精確的銅佛像三維數據，在建模前需對所拍照片進行整理，篩除畫質不佳、模糊不清、重復的照片。最后用于三維重建的佛像立面影像圖片130張，底部影像圖片77張。兩組影像需分開處理再合并為整體。

打開Agisoft PhotoScan軟件，建立佛像立面與底部兩個區(qū)塊，分別導入兩組影像采集圖片。佛像立面區(qū)塊的工作流程為：對齊照片→建立密集點云→生成網格→生成紋理，然后在已建成的模型上以坐標紙為校準點選擇4個控制點(圖4)。

圖4 銅佛像立面密集點云與控制點

佛像底部區(qū)塊的工作流程為：對齊照片→建立密集點云→對齊堆塊。隨后使用工具欄中的刪除工具修除兩組模型中與佛像一同生成的坐標紙、拍攝背景、多余的噪點等密集點云。

最后合并兩組區(qū)塊，工作流程為：合并堆塊→合并密集點云生成“Merged Chunk”區(qū)塊→“參考”面板修正合并模型中圖片的坐標控制點→生成網格→生成紋理，佛像立面與底部合并的三維重建模型完成，最終生成銅佛像多視角三維重建影像(圖5)。為確保控制測量的精度，可在“參考”面板中對每張照片的4個控制點進行精確調整。

圖5 佛像正面、背面、底部三維影像圖

根據生成的三維模型可以直接導出高程三維模型、點云數據，同時還可以導出模型正射影像圖在其他軟件中使用和修改，其具體導出步驟為：選擇“導出正射影像”選項，在對話框內的“投影平面”分別選擇要導出的“前面XZ”、“背面XZ”、右側“YZ”、“左側YZ”、“頂部XY”、“底部XY”，像素尺寸設置為0.0005m，“混合模式”選擇“馬賽克”，便可導出佛像的正射影像圖(圖6～7)。工作過程無需專業(yè)人士，簡單、上手快。

3 誤差分析

通過選擇控制點point 1～point 4，軟件自動測量計算出控制點的坐標精度(表1)。

控制點X坐標的誤差數值最大在0.2mm左右，Y、Z坐標的誤差值不超過0.1mm。表明Agisoft PhotoScan軟件生成的三維模型以及正射影像圖等精度較高，可以滿足文物檔案影像信息記錄的要求。

圖6 佛像模型前面、背面、右側、左側正射影像圖

圖7 佛像模型頂部、底部正射影像圖

表1 控制點的三維坐標與誤差數值

對比佛像三維模型與采集影像的表面紋理、顏色以及病害分布狀況(圖8～11)，不僅可以清晰的辨識佛像三維模型表面的紋飾與病害分布，亦能夠呈現銅佛像表面的土漬、腐蝕程度，顏色也與采集影像圖片十分接近。

根據三維模型、銅佛像影像以及實物銅佛像三者之間的對比分析，發(fā)現三維模型的成色、紋飾、質感等皆受采集影像的控制。由此可見，在開始三維建模之前，影像的采集是決定后期模型顏色與質量的關鍵點。不同圖片遠近距離的改變對模型結果的影響不大，但是影像采集時室內光源是否充足，能否顯現文物真實色調，采集圖像是否全面，影像是否清晰等因素，則直接影響后期三維模型的色彩還原與質地精細程度。采集影像的顏色越接近本色，影像質量越清晰全面，三維模型的還原度則越高，建成的三維模型與文物的顏色、形態(tài)面貌、病害情況才能基本相一致。

圖8 佛像三維模型背部

圖9 背部圖像

圖10 佛像三維模型右側腰部

圖11 右側腰部圖像

4 與三維激光掃描技術的比較

目前三維重建技術以三維激光掃描技術為主導。不少文保單位在文物三維信息的采集工作上多考慮使用三維激光掃描技術，但與此同時又不得不支付昂貴的購買費用。多視角影像三維重建技術，僅需一臺相機即可采集影像信息，較之費用昂貴的三維激光掃描儀設備，文物單位大多具備購買相機的能力。對于多視角影像三維重建技術的相機裝備要求取決于對模型清晰度與精確度的要求，模型的質量要求越高，采集圖像時相機像素的要求也隨之提高。

在三維重建技術的工作流程上，三維激光掃描技術的工作流程為：采集數據(三維掃描儀獲取數據、高清相機獲取紋理)→三維點云數據處理(除噪、拼接、優(yōu)化等)→構建三維模型→數據補充→三維貼圖[9]。而由Agisoft PhotoScan軟件生成的三維模型，只需按照軟件上的步驟執(zhí)行，自動計算識別導入的文物照片即可。除了對導入照片的取景角度、清晰度、光線等方面在拍攝技術上有一定要求外，軟件本身在工作流程上卻高效簡捷，在顏色、紋理上都與文物照片差異甚微。

在價格和軟件工作流程方面，多視角影像三維重建技術較之三維激光掃描技術，具有價格經濟，操作簡單、易上手的特點，更適宜普及推廣。

5 結 語

通過對模型完成的精準度、工作流程的復雜度、設備的費用等多方面的分析與比較，多視角影像三維重建技術具有其自身優(yōu)勢。

目前，多視角影像三維重建技術在可移動文物的應用中尚處探索階段。在操作步驟上，該技術操作簡單，要求技術不高，非專業(yè)人士也可迅速掌握；在成像方面，該技術很好地成形了銅佛像的表面紋理與顏色，誤差微小，病害情況清晰可見，且無需激光、X射線、結構光等設備，使用數碼相機即可進行，因此在技術的運用與推廣上更具優(yōu)勢。其次，與傳統(tǒng)的二維平面記錄相比，該技術能夠更加全面地展現文物的全貌，視覺上更為直觀。可嘗試與文物檔案數據庫建設關聯，完善二維圖像記錄的不足之處，為此次張家界市博物館館藏文物的信息檔案建立開拓了一種新型模式。然而無論是何種文物，在使用三維重建技術進行信息記錄時，應最大限度地詳細記錄現存實物的表面信息，亦是為文物的保存與修復提供堅實的信息基礎。

由于三維重建技術對蘊含了豐富歷史、藝術、科學信息的文物來說是一項新型科技，無論如何都要在保護文物的前提下利用這項技術，思考如何才能既做到完整記錄文物體表的立體信息，又能將文物自身所涵蓋的價值向世人所展示，探索該項技術的未來前景，任重道遠又意義非凡。

致謝： 衷心感謝中國社會科學院考古研究所劉建國老師對本次三維重建工作的悉心指導與幫助。

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