矩阵接片与物质文化遗产保护

王光伟 （南京邮电大学 江苏南京 210000）

矩阵接片与物质文化遗产保护

王光伟 （南京邮电大学 江苏南京 210000）

华夏民族拥有着五千多年的文明史，在这漫漫的历史长河中，遗留下的文化隗宝可以说数不胜数，如古建筑、古村落、古城墙、古雕塑、绘画、青铜器等等。但是，随着旅游业的发展，人们正有意识或无意识的对文化遗产造成损害。你可能会在八达岭长城看到“某某到此一游的字样”；你也可能会在明孝陵中看到某些石像被摸圆了棱角；甚至就连故宫博物院里的国宝也会因为管理人员的疏忽而遭到损失。文化遗产具有唯一性和不可复制性，它承载着太多中华民族的文明发展史，它的价值是不可估量的。所以如何更好的保护文化遗产已经成为了当今时代发展的课题。本文是一篇关于文物信息采集的文章，旨在将文化遗产数字化，以高清晰的画面还原出遗产的现状，通过各种媒体的传播实现文化保护的目的，而数字技术的发展，也为此提供了手段和可能。

一、什么是矩阵接片

所谓矩阵接片就是人为的将被摄对象在拍摄时进行有计划的分割，并且把被摄对象划分为互有叠加的n个，每次只拍摄其中一个，在完成对被摄对象的全部拍摄之后，后期借助图像软件，对被摄对象进行拼接复原，从而得到一张完整的、超大画幅的照片，如图1是将被摄对象划分为互有叠加的N个。现在的数码相机的像素从500万像素到2000万像素不等，但是利用矩阵接片接出来的照片可以达到几亿甚至几十亿像素。在文物保护中运用矩阵接片技术，我们不仅可以看到文物的总体形象而且可以通过放大图像看到文物表面的纹理，甚至连肉眼无法看到的细节也能一览无遗。将这项技术应用到极致的便属google的“博物馆计划”了。

谷歌利用先进的GigaPixel相机对大部分艺术珍品都做了单独的高清晰解析图像展示，某些图像的像素甚至高达70亿，如梵高名作《星空》、波提切利名作《维纳斯的诞生》等。在如此高像素的图片上，我们不仅可以清晰的看清楚绘画的每一处细节，甚至连画面留白处的画布纹路都清晰可见。

什么是Giga Pixel相机呢？如图2，Giga Pixel相机也是由多张照片拼接而成的。Giga Pixel相机的技术原理与矩阵接片是一样的，也是由大量的照片拼贴而成。但是它与传统的矩阵接片又有所不同，Giga Pixel相机拥有98个微距镜头，镶嵌在一个球面透镜中，它可以一次性的完成对指定场景的拍摄，并且一次拍摄拼接出来的照片容量可达到1G多。但这种设备昂贵且笨重，与传统接片相比Giga Pixel虽然有速度优势，但却牺牲了灵活性，而且携带不方便。它类属于旋转接片却不能应用于移位接片，在对壁画或长卷画廊等大面积拍摄时，Giga Pixel相机是不适用的。

二、矩阵接片分类

（一）旋转位置接片

保持相机水平且稳定，利用全景云台围绕着镜头节点，以一个预定角度作水平或垂直旋转进行拍摄，最终甚至可以把720度的全景画面拍摄下来（包括天空和地面，也称为球面全景）。需要注意的是，这种方式只适合拍摄有一定距离或者是环状排列分布的景物，而不适合拍摄受狭窄空间限制的或是延伸过长的景物。

（二）平行移位接片

在狭窄的环境中拍摄像大型壁画或长卷画廊这种类型的接片时，就适宜采用平行接片的方法，因为随着镜头的旋转，镜头与被摄物的对焦距离也会越来越长，这样就会产生严重的透视变形并最终导致照片无法拼接到一起。所以必须采取另一种接片技术——平行移位接片。所谓平行移位接片就是借助架设的横移导轨将相机架设在轨道车上，“逐格移动，逐格拍摄”。拍摄期间必须始终保持相机镜头与壁面的距离不变，并且在拍摄前期做好详细的计划，如计算好拍摄的张数、确定横竖重叠的百分比、运用何种照明工具等等。

（三）矩阵接片的应用

物质文化遗产包括古遗址、古建筑、石刻、壁画、艺术品、绘画、手稿以及历史文化名城（街区、村镇）等等。传统的对物质文化遗产的信息保存方式往往只是局部的、零散的图像资料，不能很好的展现遗产的风貌。而利用矩阵接片技术，在一览遗产整体面貌的同时还可以展现它们细微的表面纹理资料，这样就能够更完整、更全面的保存文化遗产的图像信息。所以，矩阵接片技术在文化遗产保护中的作用是非常大的。

1.矩阵接片在古建筑中的应用。在对建筑物进行信息采集的时候，通常只是以拍摄单张照片来表现整个建筑物或是建筑物的某个局部的细节，这种信息采集方式在一定程度上限制了观赏者的视野范围，加上广角镜头拍摄出来的照片又会使建筑物的变形加大，使图像失贞。而矩阵接片技术则可以很好的解决上述的问题。如图3，这幅孝陵明楼的照片拥有3.2亿像素，是用30张1800万像素的照片拼接而成，我们在总览明楼的同时还可以不断放大图片来看清砖瓦的纹理。

2.矩阵接片在绘画作品中的应用

典型的例子就是google的博物馆计划，前面讲到google利用giga pixel相机拍摄了一些像素高达70亿的绘画作品，其展现的细节，有些连肉眼都无法捕捉的到。如图4是google博物馆展示的名作《The Merchant Georg Gisze》，以及70亿像素放大100%的效果。

3.矩阵接片在大场景文化名城中的应用。矩阵接片技术可以更好地表现出文化名城的风采，利用航拍技术或是站在高处对文化名城进行俯拍接片，人们在纵览名城的同时还可以通过放大图片观察到某个建筑物的细节部分（比如某古老寺院屋檐上的铃铛、某建筑大门的门牌号等），这样能更加形象、生动、具体的将文化名城的风貌展现到人们面前。如图5，这幅照片是在紫金山山顶上拍摄完成的，由1百多张照片拼接成20亿像素的长画幅照片，在俯览南京城的同时还能通过放大照片清晰的看到建筑物。

4.矩阵接片在考古遗址中的应用。出于文物保护的目的，有些考古遗迹是被禁止对外开放的。即便允许游客参观，但光线和空间等因素的限制也会影响游客观赏性，这样就失去了文物本身的宣传教育的功能。利用移动接片技术，在充足光照的条件下对遗迹进行信息采集，然后将采集到的图像资料发布到互联网或是终端机设备上，人们只要轻轻的点下鼠标就能观察到遗迹的风貌，这样在达到文物保护目的同时也克服了人们因空间和光线的限制带来的浏览不便。而且人们可以在足不出户的情况下“近距离”的观察遗迹，为文化研究提供了便利，也更好地实现了文物的宣传教育功能。

三、拍摄

（一）器材选择

1.数码相机。相机必须要有手动档功能，能调整光圈、感光度等。

2.镜头。在对绘画、壁画、手稿等进行信息采集时，微距镜头是必不可少的。在对大场景以及摩崖雕刻等远距离进行信息采集时，长焦镜头也是必须的。而对建筑物进行采集时，一般采用中长焦镜头。根据拍摄物体的特征大小来选择镜头，一帮选用28MM—200MM焦段的定焦镜头。

3.快门线。减少手抖造成照片质量下降

4.存储卡。在拍摄时一般都是以RAW格式拍摄，一张RAW图片的容量通常在22M左右，所以在拍摄期间应多备几张大容量的存储卡。

5.三脚架和全景云台。脚架起到相机的水平以及稳固的作用。云台，可以保证相机以预定的角度进行左右上下的旋转。

6.轨道和台架。用于水平面横向和垂直面纵向移动以及作为照相机的水平平台。

7.偏振镜。在拍摄壁画等纸类绘画作品时，可以消除反光。

8.水平尺、水平珠。用于衡量相机是否水平。

9.色温记录器。记录当时环境色温。

10.灯光。主要分两种：一种是无色差冷光源，避免热光源产生的热量对拍摄文物造成影响。一种是闪光灯，但要通过反光板反射使用，避免其直接的、瞬间的照射到文物上。

11.电脑。用于最终图像的拼接合成。

（二）拍摄注意事项

1.选对镜头节点。所谓镜头节点也就是镜头的光学中心，穿过此点的光线不会发生折射。在进行矩阵接片的拍摄时就要以镜头节点为旋转中心，这样在拍摄的多张照片中的物体就不会产生位移，后期照片拼接也不会出现拼接不上的情况。一般来说广角镜头的镜头节点在靠近镜片的位置，随着焦段的不断升高，节点位置会相应的往后移动。

2.在进行接片的时候，必须始终保持脚架的稳定，与位置不变。

3.在拍摄过程中不能随便更改镜头焦段

4.拍摄时应在一个时间段内一次性的完成拍摄，避免在不同时间段内拍摄一组接片时因为光照等条件不一致导致照片无法合成。

5.关闭相机的自动白平衡、自动ISO感光度，禁止使用自动曝光模式。

6.利用色温表记录当时环境的色温以便后期色温还原。

7.以RAW文件格式拍摄可以还原出当时的色温。

（三）工作步骤

矩阵接片是一项前后衔接非常紧密的技术，它涉及到摄影、采光、测量、记录以及后期计算机软件应用等。如果其中有一项工作做的不够好，都有可能影响整体的出片效果，所以只有在各方面共同努力下，才可以顺利的完成对被摄对象的信息采集。

1.前期计划。该阶段主要是对遗产现状的分析和现场调研，然后根据调研结果制定拍摄计划，包括器材的选择、选择拍摄的时间和地点、采光方式以及拍摄的张数等等。以明孝陵为例，对陵墓的现状分析之后，我们以神道中的石像为主要信息采集对象，而根据石像的大小、表面纹理以及周围空间距离，我们决定采用85MM的定焦镜头，在石像的侧面方向以4*4（4行4列）矩阵进行拍摄。拍摄时间定在周一至周五的清晨或傍晚，避开游客的高峰时期，在早晨、傍晚进行拍摄可以避免阳光的直射造成石像局部的反差过大。如图6是明孝陵神道的麒麟，其采用4*4列的拍摄方式，最终拼接成1亿像素的图片，可以看清楚麒麟表面的纹理。

2.拍摄阶段。该阶段主要是以制定的拍摄计划为依据，根据现场的情况（光照等）进行有放失的拍摄（参见上述的拍摄注意事项）。

3.后期拼接发布。拍摄和拼接的联系是相当紧密的，拍摄的精准性决定了后期拼接的难易程度，在拍摄过程中，脚架的不小心移位、某张照片曝光不准确或是虚焦等现象都会给拼接带来相当大的麻烦，有时候甚至是致命的，所以拍摄和后期是相辅相成的两个阶段。

（1）整理、色温还原。将拍摄的图片分门别类，并用图像处理工具还原出照片的真实色温。数码相机拍摄的照片，在受光线以及环境的制约下，其照片的色温值会与现场所呈现的有很大出入，所以必须根据当时色温表记录的环境色温数据，运用相关软件（如photoshop raw）将拍摄的文物的色温进行还原，以求能更真实的还原文物的风貌。（根据色温记录器的值）。

（2）拼接。现在用于照片拼接的软件非常多，主要的有photoshop、PTGUI、Panorama Maker 5 Pro 、 Canon PhotoStitch 等。这里以PTGUI为例将拍摄的一组接片导入到PTGUI中，点击对准图像，这时PTGUI会根据照片重合度自动建立参考控制点，如果因部分照片的相似度太高、或是虚焦等原因造成软件不能自动识别控制点，也可以手动建立参考控制点。当所有控制点都匹配以后，点击运行优化器后，最后再进行全景图片的输出。

（3）发布。PTGUI软件可以将拼接的照片生成JPG、TIF、PSD等图片格式，但是这些图片容量一般较大，而且必须用专门的查看器浏览，不易于传播和推广。利用PANO2VR等软件可以将PTGUI生成的图片进一步转换成FLASH、HTML、quicktime等格式，并能有效压缩容量，而这种格式的文件可以比较容易的上载到网站服务器，也可以与360全景漫游系统相结合结合，移植到多媒体支撑平台上，更方便用户的浏览体验。随着互联网、终端设备的发展普及，“随时随地”查看遗产信息、“身临其境”的在线虚拟浏览文化遗址即将成为现实。