三維重建技術(shù)在考古中的應(yīng)用分析

穆金鋒

摘要：在考古工作領(lǐng)域之中，三維重建技術(shù)有著舉足輕重的地位，根源在于其有助于生動(dòng)形象地展現(xiàn)考古遺址、遺跡還有出土文物，全面性地記錄和整理相關(guān)的空間信息，為日后考古鉆研、文化遺產(chǎn)保護(hù)和展覽等，提供合理性的指導(dǎo)依據(jù)。由此，本文將在強(qiáng)調(diào)三維重建技術(shù)在考古領(lǐng)域中的應(yīng)用要點(diǎn)前提下，結(jié)合實(shí)際分析考古中妥善沿用三維重建技術(shù)的措施。

關(guān)鍵詞：三維重建;考古;要點(diǎn);應(yīng)用措施

在我國(guó)考古學(xué)研究持續(xù)深入的同時(shí)，有關(guān)空間信息的全面性收集整理和生動(dòng)呈現(xiàn)等，引起業(yè)界強(qiáng)烈的關(guān)注。好比說在田野考古活動(dòng)中，發(fā)掘出的三維信息可以深入性呈現(xiàn)出各個(gè)文化層的精神風(fēng)貌，加上考古發(fā)掘存在不可逆轉(zhuǎn)性，所以說，針對(duì)考古遺跡、遺存當(dāng)中的空間信息進(jìn)行及時(shí)性挖掘記錄，顯得十分關(guān)鍵。至于如何在考古活動(dòng)中科學(xué)有效地使用三維重建技術(shù)，具體細(xì)節(jié)會(huì)在后續(xù)有機(jī)延展。

一、三維重建技術(shù)在考古中應(yīng)用的要點(diǎn)

三維重建技術(shù)擁有回溯歷史、恢復(fù)古環(huán)境等神奇的功能，而隨著相關(guān)科技的不斷進(jìn)步，如今已然衍生出傳統(tǒng)幾何體、三維激光掃描、攝影測(cè)量原理三類常見的建模方式。至于考古中沿用這類技術(shù)時(shí)要注意哪些細(xì)節(jié)，則表現(xiàn)為：

（一）充分運(yùn)用立體幾何原理

歸根結(jié)底，就是在大力融入立方體、球體等傳統(tǒng)的幾何元素前提下，配合平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運(yùn)算等多元化的操作方式，來實(shí)現(xiàn)一些煩瑣類幾何場(chǎng)景的構(gòu)建目標(biāo)。通過建模方式構(gòu)建三維模型主要包括幾何建模、物理建模、行為建模、對(duì)象特性建模等等，這些模型的創(chuàng)建和描述，可以說是虛擬場(chǎng)景造型呈現(xiàn)的重心所在。經(jīng)過對(duì)比，應(yīng)用頻率相對(duì)高一些的是透過表面還有實(shí)體結(jié)構(gòu)模型完成建模任務(wù)，其對(duì)于規(guī)則實(shí)體建模工作比較適用，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)的模具加工之前，習(xí)慣于配合傳統(tǒng)幾何建模技巧來進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。而考古中的幾何建模模式傾向于利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助制圖，用來復(fù)原關(guān)注的文物并予以細(xì)致性地測(cè)量，不過該類方式在面對(duì)一些實(shí)體結(jié)構(gòu)相對(duì)煩瑣的物件時(shí)，建模難度會(huì)急速飆升，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量還有計(jì)算處理時(shí)長(zhǎng)也會(huì)同步增加。歸納來說，該類方式還是比較符合小件規(guī)則文物的建模標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于野外考古發(fā)掘活動(dòng)來說則實(shí)用性不強(qiáng)。

（二）推廣使用三維激光掃描方式

三維激光掃描，顧名思義，就是借助三維掃描測(cè)量技術(shù)來分別識(shí)別出物體實(shí)際的空間坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)尺寸、紋理影響等重要數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的儀器設(shè)備是三維數(shù)字化儀，工作原理就是在進(jìn)行脈沖式激光發(fā)射和接受的同時(shí)，產(chǎn)生批量化且精度較高的點(diǎn)云，隨后透過自動(dòng)化組合來再現(xiàn)被測(cè)物體的立體化形態(tài)，適用范疇相對(duì)寬闊一些。其和我們常見的攝像機(jī)、圖形采集卡等有著明顯的差異性。表現(xiàn)為掃描圖形是立體實(shí)物、可以獲取物體表層所有采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)和色彩，甚至是三維數(shù)據(jù);再就是輸出的為覆蓋所有采樣點(diǎn)、立體坐標(biāo)且擁有色彩的數(shù)字模型文件，特別是經(jīng)過非接觸式的光學(xué)掃描過后，還可以及時(shí)明確物體表層的三維數(shù)據(jù)，同時(shí)盡量避免對(duì)物體造成過多的損傷。需要引起注意的是，其在進(jìn)行透明物體三維信息采集時(shí)，由于激光特征影響，不能針對(duì)目標(biāo)提供有效的反射光路，如若說外界輔助條件不達(dá)標(biāo)，便不能實(shí)現(xiàn)對(duì)透明物體收集三維數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

（三）適當(dāng)借鑒數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，實(shí)際上就是基于人眼雙目視覺原理來建模。對(duì)應(yīng)的方法表現(xiàn)為：先借用兩個(gè)已知位置的兩張數(shù)字影像還有特殊的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行同名點(diǎn)的坐標(biāo)重疊交匯，在獲取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)并生成相應(yīng)的點(diǎn)云之后，構(gòu)建起三維數(shù)字表面模型，還有不規(guī)則的三角網(wǎng)，再然后則將影像的紋理有序地映射于基于點(diǎn)云構(gòu)建的空間三角網(wǎng)之上，形成和調(diào)研空間物體比較貼近的真實(shí)三維模型。

二、考古中妥善沿用三維重建技術(shù)的措施

在此主要以俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的AgisoflPhotoscan軟件為媒介來展開文物模型的三維重建活動(dòng)，該類程序融合了數(shù)字影像自動(dòng)生成還有多視角影像三維重建等高新技術(shù)，可以靈活處理各個(gè)視角拍攝的影像，衍生出真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。包括航拍、地面拍攝的任何角度影像，還有考古出土的陶片以及大型的考古遺址等等，都可以快速地完成三維建模。

（一）多視角影像的三維重建

多視角影像三維重建技術(shù)具備豐富的特征，表現(xiàn)為適用范疇廣泛、獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量高超、建模完成度和效率高等等?？v觀遺址考古、現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘、文物出土等諸多供需，都能夠透過多視角影像拍攝途徑來實(shí)現(xiàn)三維重建目標(biāo)，而這期間沿用的拍攝工具和軟件操作原理都十分簡(jiǎn)易，只要保證相關(guān)考古人員之前接受過相關(guān)培訓(xùn)，就可以高效率地進(jìn)行三維重建;再就是借助多視角影像三維重建的模型精度很高、紋理擬合效果理想、沒有太多的誤差，可以全面迎合數(shù)據(jù)存檔、考古鉆研、文物保護(hù)等多元化的工作標(biāo)準(zhǔn);還有則是多視角三維重建技術(shù)在拍攝影像和處理數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)耗費(fèi)太多的時(shí)間精力，使用的設(shè)備原理比較簡(jiǎn)單，也不會(huì)造成過多的經(jīng)費(fèi)投入。

因此，在完成對(duì)建模主體場(chǎng)景的捕捉任務(wù)過后，要嚴(yán)格對(duì)照相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)、遺址結(jié)構(gòu)的完整性，并結(jié)合特定的坐標(biāo)系統(tǒng)來進(jìn)行深入性的測(cè)量并有序地輸入到軟件之中，這樣既可以用來測(cè)量建模主體中隨意兩點(diǎn)的距離，又方便日后準(zhǔn)確評(píng)估模型的精度。需要注意的是，模型控制測(cè)量中的控制點(diǎn)數(shù)量要多于三個(gè)，并且要保證在整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)予以均勻分布。如若說預(yù)處理環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)影像相對(duì)暗淡一些，還可以借助PS圖像處理程序進(jìn)行亮度增強(qiáng)，其間切忌隨意裁剪或是拉伸、平移圖像;再就是禁用那些單位質(zhì)量值沒有0.5的影像，否則會(huì)限制建模的準(zhǔn)確度。待預(yù)處理過后，則可以利用合格影像來生成三維點(diǎn)云和編輯，一旦說發(fā)現(xiàn)當(dāng)中數(shù)據(jù)存在粗差過大或是偏離實(shí)體位置等問題，要盡快予以刪除，之后就可以進(jìn)行實(shí)體構(gòu)建和自動(dòng)生成了。

（二）等值線圖的及時(shí)生成

等值線的衍生，對(duì)于青銅鼎制作工藝鉆研認(rèn)證大有裨益。須知大部分青銅鼎在鑄造期間幾乎不存在完全對(duì)稱的特征，而在相關(guān)文物修復(fù)時(shí)，技術(shù)人員則可以考慮針對(duì)前后相關(guān)的三維模型予以存檔，并創(chuàng)建專門的文物數(shù)字檔案，旨在為后續(xù)修復(fù)和研究工作順利進(jìn)行提供豐富的借鑒素材。特別是在對(duì)青銅鼎等文物進(jìn)行模型三維重建過后，還需要及時(shí)測(cè)量當(dāng)中的特征點(diǎn)，以獲取更為精準(zhǔn)的點(diǎn)位信息，更好地進(jìn)行線劃圖繪制。當(dāng)影像數(shù)目超出兩百幅時(shí)，要借助高效的圖形工作站進(jìn)行批量化處理，要不就是考慮降低全部影像的像素，這樣才可以促進(jìn)三維重建工作愈加順利地進(jìn)行，方便及時(shí)生成考古研究所需的等值線圖。

需要關(guān)注的是，透過三維模型導(dǎo)出的數(shù)字高程模型，雖然可以在短時(shí)間內(nèi)生成相對(duì)精準(zhǔn)的等圖，不過適用范疇還是一些體積較小的文物，如若說要針對(duì)大規(guī)模遺址還有墓葬地進(jìn)行三維重建時(shí)，還需要額外使用全站儀、RTK等專業(yè)化儀器設(shè)備，生成急需的等高線圖。

（三）模型進(jìn)程報(bào)告的順利導(dǎo)出

經(jīng)過對(duì)三維模型的進(jìn)程報(bào)告導(dǎo)出之后，還可以從中發(fā)現(xiàn)和模型精度相關(guān)的誤差分析結(jié)果。結(jié)合我國(guó)社科院考古研究所劉建國(guó)研究院的講座內(nèi)容分析，Agisoft Photoscan程序在針對(duì)小型器物進(jìn)行建模時(shí)，精度通常穩(wěn)定在0.1毫米上下;而面對(duì)一些規(guī)模較大的發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，建模的最高精度則維持在3毫米范疇內(nèi)，還需要額外搭配多視角影像的三維重建模型，才可以更好地迎合考古學(xué)研究中對(duì)于精度的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)語

綜上所述，相比傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù)，多視角影像的三維重建方式具備操作便捷簡(jiǎn)單、消耗經(jīng)費(fèi)不多、獲取的模型精度較高等優(yōu)勢(shì)，不管是對(duì)于細(xì)小的文物還有大規(guī)模的遺址等等，都比較適用。希望日后相關(guān)考古人員能夠加大對(duì)該類技術(shù)的推廣力度，兼顧對(duì)其的學(xué)習(xí)、實(shí)踐、探討，對(duì)各類文物和遺址進(jìn)行包括平面、立面、剖面、斷面的影像圖生成，高效率地完成模型的三維重建任務(wù)，進(jìn)一步為我國(guó)考古事業(yè)繁榮性和突破性發(fā)展，做出更多的支持服務(wù)貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪海明.基于多重分形頻譜理論的野生東北虎頭骨三維重建研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2015.