张家界市博物馆明代铜佛像的多视角影像三维重建探索

赵紫轩，范花宁，马赞峰，马菁毓，尚 巍

(1. 中央民族大学，北京 100081； 2. 中国文化遗产研究院，北京 100029； 3. 张家界市博物馆，湖南张家界 427000)

0 引 言

现阶段，张家界市博物馆青铜文物在进行保护修复的同时，文物档案数据库的建立也在筹备中，新技术的探索也在此次文物档案数据库建设中得到尝试。文物信息的影像采集通常使用平面二维影像拍摄，现有二维平面数据信息已难以满足如今更加细致的文物建档与研究需求，随着科技的发展，将三维空间影像技术运用在文物信息采集上变得日益迫切。

目前对文物进行三维重建使用的方法主要分为四类：基于X射线扫描的第三代工业CT技术、基于结构光的三维重建系统、三维激光扫描仪技术[1]以及基于图像的多视角影像三维重建技术[2]。

第三代工业CT价格昂贵、体积较大；结构光三维建模系统所需仪器较多，不便携带；三维激光扫描仪虽然体积小，但技术复杂且价格昂贵，使该技术不易推广；基于图像建模的多视角影像三维重建技术是以普通数字相机作为获取影像工具，对文物全方位360°拍摄获取多幅数字影像，通过计算机视觉自动进行三维重建而获得的拟真三维模型。与前三者相比，多视角影像三维重建具有数据采集方便灵活、硬件成本低、操作简单、自动化程度高的特点。

通过上述比较分析，结合张家界市博物馆现有设备条件，最终选择基于图像的多视角影像三维重建技术对张家界市馆藏明代铜佛像进行三维影像建模，利用Agisoft PhotoScan软件处理相机采集图像，得到物体点云数据，生成网格，建立纹理，最后生成物体数字高程模型进而生成三维模型。

1 多视角影像三维重建技术在文物中的应用现状

多视角影像三维重建技术由中国社会科学院考古研究所刘建国研究员首次引入并实践于国内考古领域[3]，此方法主要运用于古遗址、古墓葬、古村落等考古领域的三维重建。在辽宁建昌县东大杖子M40中第一次应用研究，并提出了多视角影像三维重建软件能够自动快速生成点云、三角网模型和最佳纹理，节省大量手动张贴纹理时间，纹理与模型完全拟合的结论[2]。亦提出了对可移动文物进行多视角影像三维重建技术的具体方法，以及对考古现场信息获取、存档、绘图与数字博物馆建设的意义[4]。

除上述考古领域的研究，目前该技术仅见于邺城石质佛教造像[5]、陶鼎[6]的素面三维建模、湖北汉川马口窑陶器[7]、云冈石窟第5窟[8]的运用。用于馆藏文物影像资料的数字化建档以及作为文物病害的分析数据则较少见。

2 多视角影像三维重建技术在张家界市博物馆明代铜佛像上的应用

2.1 影像采集

拍摄环境：馆藏文物通常置于文物库房中保管。对于这件出库进行影像采集的佛像，为保证其安全，不便将其放置在室外自然光照射的条件下拍摄。因此在室内设置摄影棚，使用橙色柔光箱作为打光设备，对于光线较暗的部位需要增加相机感光度或使用其他光源补光。此次在无测量控制板的情况下，使用坐标纸铺于摄影台上，便于后期三维重建时控制点的选择以及误差分析。如有条件，可制作测量控制板提高控制测量精度。

相机设置：型号NIKON 1 J5，分辨率5568×3712dpi。设置为手动档，白平衡为日光模式，不使用闪光灯，中心位置单点、单次自动对焦模式。

拍摄方法：拍摄佛像前，首先观察佛像外形与颜色。在室内拍摄光线较暗的环境中，需对佛像进行补光以还原佛像原色。该座佛像底部呈不规则三角形，为空心，故在拍摄时需对佛像立面与底部分别进行影像采集，以确保影像资料全面，有利于更好地建立完整的数字化数据。

佛像立面拍摄，将佛像立于摄影台坐标纸上，对佛像的顶部与周身，采取俯拍、正拍、仰拍的方式进行三到四圈的拍摄(拍摄角度见图1)。佛像的肉髻、右手臂内侧与右侧腰部等部位既细小又隐蔽，因此对这些细节处增加了近景的图像采集，以保证获得佛像全方面的信息。

图1 佛像立面拍摄角度

佛像底部拍摄，将佛像面部朝下放于摄影台上，不得与立面拍摄时放置的位置相同，应安放于不同位置，避免两组影像生成点云数据后因台面背景相同计算机自动参照校准而无法合并成完整的模型。佛像底部可稍悬出摄影台边缘，便于完整地看见佛像底部的边缘与内部结构。佛像底部内部深处光线昏暗，拍摄时应增加照明度，有利于清晰拍摄到底部空心部位的影像数据。底部分正面、45°仰视角、45°俯视角三个角度，受摆放限制，仰视角、俯视角各绕半圈拍摄(图2)。

图2 佛像底部拍摄角度

佛像立面与底部在拍摄时，每张照片需保证与前后照片所拍摄的部位有重叠部分，有利于软件计算照片定向的完成，具体拍摄轨迹见图3。

图3 佛像拍摄轨迹

2.2 影像数据处理

由于铜佛像表面病害分布密集不均，为了得到精确的铜佛像三维数据，在建模前需对所拍照片进行整理，筛除画质不佳、模糊不清、重复的照片。最后用于三维重建的佛像立面影像图片130张，底部影像图片77张。两组影像需分开处理再合并为整体。

打开Agisoft PhotoScan软件，建立佛像立面与底部两个区块，分别导入两组影像采集图片。佛像立面区块的工作流程为：对齐照片→建立密集点云→生成网格→生成纹理，然后在已建成的模型上以坐标纸为校准点选择4个控制点(图4)。

图4 铜佛像立面密集点云与控制点

佛像底部区块的工作流程为：对齐照片→建立密集点云→对齐堆块。随后使用工具栏中的删除工具修除两组模型中与佛像一同生成的坐标纸、拍摄背景、多余的噪点等密集点云。

最后合并两组区块，工作流程为：合并堆块→合并密集点云生成“Merged Chunk”区块→“参考”面板修正合并模型中图片的坐标控制点→生成网格→生成纹理，佛像立面与底部合并的三维重建模型完成，最终生成铜佛像多视角三维重建影像(图5)。为确保控制测量的精度，可在“参考”面板中对每张照片的4个控制点进行精确调整。

图5 佛像正面、背面、底部三维影像图

根据生成的三维模型可以直接导出高程三维模型、点云数据，同时还可以导出模型正射影像图在其他软件中使用和修改，其具体导出步骤为：选择“导出正射影像”选项，在对话框内的“投影平面”分别选择要导出的“前面XZ”、“背面XZ”、右侧“YZ”、“左侧YZ”、“顶部XY”、“底部XY”，像素尺寸设置为0.0005m，“混合模式”选择“马赛克”，便可导出佛像的正射影像图(图6～7)。工作过程无需专业人士，简单、上手快。

3 误差分析

通过选择控制点point 1～point 4，软件自动测量计算出控制点的坐标精度(表1)。

控制点X坐标的误差数值最大在0.2mm左右，Y、Z坐标的误差值不超过0.1mm。表明Agisoft PhotoScan软件生成的三维模型以及正射影像图等精度较高，可以满足文物档案影像信息记录的要求。

图6 佛像模型前面、背面、右侧、左侧正射影像图

图7 佛像模型顶部、底部正射影像图

表1 控制点的三维坐标与误差数值

对比佛像三维模型与采集影像的表面纹理、颜色以及病害分布状况(图8～11)，不仅可以清晰的辨识佛像三维模型表面的纹饰与病害分布，亦能够呈现铜佛像表面的土渍、腐蚀程度，颜色也与采集影像图片十分接近。

根据三维模型、铜佛像影像以及实物铜佛像三者之间的对比分析，发现三维模型的成色、纹饰、质感等皆受采集影像的控制。由此可见，在开始三维建模之前，影像的采集是决定后期模型颜色与质量的关键点。不同图片远近距离的改变对模型结果的影响不大，但是影像采集时室内光源是否充足，能否显现文物真实色调，采集图像是否全面，影像是否清晰等因素，则直接影响后期三维模型的色彩还原与质地精细程度。采集影像的颜色越接近本色，影像质量越清晰全面，三维模型的还原度则越高，建成的三维模型与文物的颜色、形态面貌、病害情况才能基本相一致。

图8 佛像三维模型背部

图9 背部图像

图10 佛像三维模型右侧腰部

图11 右侧腰部图像

4 与三维激光扫描技术的比较

目前三维重建技术以三维激光扫描技术为主导。不少文保单位在文物三维信息的采集工作上多考虑使用三维激光扫描技术，但与此同时又不得不支付昂贵的购买费用。多视角影像三维重建技术，仅需一台相机即可采集影像信息，较之费用昂贵的三维激光扫描仪设备，文物单位大多具备购买相机的能力。对于多视角影像三维重建技术的相机装备要求取决于对模型清晰度与精确度的要求，模型的质量要求越高，采集图像时相机像素的要求也随之提高。

在三维重建技术的工作流程上，三维激光扫描技术的工作流程为：采集数据(三维扫描仪获取数据、高清相机获取纹理)→三维点云数据处理(除噪、拼接、优化等)→构建三维模型→数据补充→三维贴图[9]。而由Agisoft PhotoScan软件生成的三维模型，只需按照软件上的步骤执行，自动计算识别导入的文物照片即可。除了对导入照片的取景角度、清晰度、光线等方面在拍摄技术上有一定要求外，软件本身在工作流程上却高效简捷，在颜色、纹理上都与文物照片差异甚微。

在价格和软件工作流程方面，多视角影像三维重建技术较之三维激光扫描技术，具有价格经济，操作简单、易上手的特点，更适宜普及推广。

5 结 语

通过对模型完成的精准度、工作流程的复杂度、设备的费用等多方面的分析与比较，多视角影像三维重建技术具有其自身优势。

目前，多视角影像三维重建技术在可移动文物的应用中尚处探索阶段。在操作步骤上，该技术操作简单，要求技术不高，非专业人士也可迅速掌握；在成像方面，该技术很好地成形了铜佛像的表面纹理与颜色，误差微小，病害情况清晰可见，且无需激光、X射线、结构光等设备，使用数码相机即可进行，因此在技术的运用与推广上更具优势。其次，与传统的二维平面记录相比，该技术能够更加全面地展现文物的全貌，视觉上更为直观。可尝试与文物档案数据库建设关联，完善二维图像记录的不足之处，为此次张家界市博物馆馆藏文物的信息档案建立开拓了一种新型模式。然而无论是何种文物，在使用三维重建技术进行信息记录时，应最大限度地详细记录现存实物的表面信息，亦是为文物的保存与修复提供坚实的信息基础。

由于三维重建技术对蕴含了丰富历史、艺术、科学信息的文物来说是一项新型科技，无论如何都要在保护文物的前提下利用这项技术，思考如何才能既做到完整记录文物体表的立体信息，又能将文物自身所涵盖的价值向世人所展示，探索该项技术的未来前景，任重道远又意义非凡。

致谢： 衷心感谢中国社会科学院考古研究所刘建国老师对本次三维重建工作的悉心指导与帮助。

：

[1] 邱兆文，张田文．文物三维重建关键技术[J].电子学报，2008(12)：2423-2427.

QIU Zhao-wen， ZHANG Tian-wen. Key techniques on cultural relic 3D reconstruction[J]. Acta Electronica Sinica，2008(12)：2423-2427.

[2] 刘建国．辽宁建昌县东大杖子M40的三维建模与探索[J]．考古，2014(12)：94-98.

LIU Jian-guo. The multi-view 3D reconstruction of the tomb M40 in the middle of the Dong Dazhangzi Gemetery in Jianchang County[J]． Archaeology，2014(12)：94-98.

[3] 刘建国.我为遗迹做三维建模成本很低[EB/OL]．(2014-11-10)[2018-02-14].http：//www.hongbowang.net/interview/2014-11-10/1146.html.

LIU Jian-guo. I build 3D models of cultural remains at very low cost[EB/OL].(2014-11-10)[2018-02-14]. http：//www.hongbowang.net/interview/2014-11-10/1146.html.

[4] 刘建国.可移动文物的多视角影像三维重建[J]．考古，2016(12)：97-103.

LIU Jian-guo. The multi-view 3D reconstruction of movable cultural relics[J]．Archaeology，2016(12)：97-103.

[5] 张 蕾．邺城佛教造像的三维重建探索[J]．南方文物，2015(4)：241-245.

ZHANG Lei. The exploration made into the 3D reconstruction of Ye City Buddhist Sculptures[J]．Cultural Relics in Southern China，2015(4)：241-245.

[6] 刘建国．三维重建在文物考古工作中的应用[J]．中国文化遗产，2015(5)：43-47.

LIU Jian-guo. Application of the multi-view 3D reconstruction in archaeological work[J]．China Cultural Heritage，2015(5)：43-47.

[7] 官 彬．湖北汉川马口窑陶器的三维摄影重建探析[J]．装饰，2015(5)：87-89.

GUAN Bin. The three-dimensional photography reconstruction analysis on Makou Kiln of Hubei Hanchuan[J]．Art & Design，2015(5)：87-89.

[8] 杨 宝．云冈石窟风化病害调查与初步研究[D].北京：中央民族大学，2016：46-47．

YANG Bao. The investigation and analysis on the present situation of the weathering diseases in Yungang Grottoes[D]. Beijing：Minzu University of China，2016：46-47.

[9] 何海平．三维激光扫描技术在文物数字化中的应用[C]//首都博物馆论丛(第29期).北京：燕山出版社，2015：335-341．

HE Hai-ping. Application of three-dimension laser scanning technology in artifact digitization[C]// A Collection of Essays about Capital Museum of China(29).Beijing：Yanshan Press， 2015：335-341．