高平羊头山石窟多视角三维重建拍摄方法探索

杨宝

摘 要：文章以羊头山石窟为例，综合运用数码相机和智能无人机探索三维建模前期拍摄方法，主要介绍了多视角三维重建技术的设备、原理、依托软件、拍摄方法、注意事项以及对拍摄素材的预处理，为后期建模奠定基础。

关键词：羊头山石窟;多视角三维重建技术;无人机;拍攝方法

多视角影像三维重建技术作为文物数字化的最新技术之一，在文物保护中的作用越来越大。目前国内关于该技术在文博领域的应用研究逐渐丰富，其中以中国社会科学院考古研究所刘建国先生为代表，成果颇丰。此外，我国学者同国外学者就该技术在文物研究保护领域的应用也进行了交流。2017年3月28日，在中国社会科学院考古研究所报告厅召开的“中俄考古现场三维重建技术研讨会”上，中俄双方分享了在该领域研究的经验。

石窟寺遗产的保护是国内外共同面临的难题，探索多视角影像三维重建技术在该类型文化遗产中的应用意义重大，有望推进其数字化保护进程。在对石窟寺进行多视角影像三维建模的过程中，由于石窟寺所处环境复杂、体量巨大以及开窟造像所形成的特殊空间形态等因素，建模前期素材获取难度较大，对拍摄技术要求较高。本文针对这一问题，以高平羊头山石窟为例，探讨石窟寺三维重建过程中的拍摄方法。

羊头山石窟位于山西省高平市神农镇羊头山，石窟、石塔、造像碑等散落分布于山坡上，其中石窟共有10处，主要石窟开凿于北魏时期。羊头山石窟是佛教艺术由洛阳向北传播到太原这一路线的中转站，具有重要的价值[1]。

1 多视角影像三维重建技术的原理、设备及依托软件

1.1 技术原理

多视角影像三维重建技术是以普通数码相机作为影像获取工具，使用一台或多台摄像设备对真实场景采样，从不同角度围绕被拍摄的遗址、文物等获取多幅数字影像，然后根据计算机视觉原理，对获取的全部数字影像进行相互匹配，生成被拍摄物体的表面三维点云，自动加载影像纹理后得到的真实三维模型。整个建模流程基本自动化，无需复杂的计算机操作[2]。

1.2 设备

1.2.1 影像素材采集设备

多视角影像三维重建技术实现的前提是获取多幅多角度的数字影像，获取影像素材的设备主要包括数码单反照相机和智能无人机。

数码单反照相机具有真实图传、准确抓拍、操控便捷的特点，适用于石窟寺的造像细节拍摄、近地面连接处拍摄以及狭小窟内空间的拍摄。高度1.5米以下使用数码单反相机拍摄，无需借助无人机拍摄。拍摄较高壁面时，可以借助三脚架等辅助拍摄工具完成拍摄。

智能无人机航拍属于超低空影像拍摄方式的一种，其优点是能够拍摄石窟寺上空范围或者是人工拍摄不便到达的位置，可对石窟寺的壁面上部、顶部及整体环境进行拍摄。本课题采用的是大疆公司生产的Phantom 4 Pro智能无人机。该无人机是目前同类型机种中较为先进的机型，具有专业级航拍设备和航拍测绘功能，符合野外石窟寺调查的航拍要求。

1.2.2 三维模型处理设备

三维建模最基本的硬件设备是计算机，模型运算过程需要处理图形色彩等信息，图像处理工作量大，需要配置运算速度快、整体性能高的计算机，尤其应从CPU、GPU、内存、硬盘等方面综合考虑。多核处理器和高速固态硬盘作为优先首选，显卡与显示器的选择应遵循色彩还原度高、色差小的原则。

1.3 依托软件

主要依托的软件是Agisoft PhotoScan，此软件是俄罗斯Agisoft公司研发的一款三维重建软件，基于计算机视觉系统，运用多视角影像三维重建技术自动生成高质量三维模型的软件。该软件将具有一定重叠的二维影像资料进行处理，通过添加控制点，最终生成带有真实坐标数据的三维模型。此软件建立三维模型的过程完全自动化，建立模型效果良好，精度较高，处理得到的影像结果为具有地理坐标信息的可测量模型。

此外，在三维重建过程中，还需用到Computer Aided Design、Adobe Lightroom、Adobe Photoshop等软件。

2 影像素材的获取

2.1 拍摄方法

运用数码相机或智能无人机拍摄的影像是多视角三维重建的基本素材，基于计算机视觉运行功能和数字摄影测量原理建立三维模型，因此，必须提供一定数量和质量的影像资料，Agisoft PhotoScan软件才能进行完整的三维模型重建。故所获取的影像素材质量的高低至关重要。

石窟寺的外部和内部具有复杂多样的形态，其影像素材需要通过数码单反相机和智能无人机航拍两种拍摄方式来获取，具体根据石窟寺的规模、形态、分布等情况进行选择。拍摄效果在一定程度上决定了建模成型的效果，故不同类型的石窟在获取影像时需采用不同的拍摄方法。

单面石窟的拍摄，主要针对仅露出外立壁的石窟类型的影像获取。此类石窟拍摄相对简单，只有一个正壁，且内凹不明显。拍摄时，拍摄轨迹呈S形的横向走位，或呈W形的纵向走位，避免没有规律的拍摄轨迹。既要注意相邻照片之间应保持一定的重叠范围，也要注意垂直壁面拍摄（图1）。

半立体石窟的拍摄，主要针对背靠山体或岩体的石窟类型的影像获取。主要拍摄方法可参考单面石窟的拍摄，需要注意的是对其顶部的拍摄。当相机拍摄无法获得完整影像时，可采用无人机补拍，顶部与各侧面的连接处要增大拍摄覆盖的范围，尽可能多地获取影像以保证此类石窟影像的完整性（图2）。

立体石窟的拍摄，主要针对独立形态的石窟类型的影像获取。主要拍摄方法是对其环绕式拍摄，按环形拍摄轨迹取像一圈后，自下而上呈螺旋上升式轨迹取像，由此达到对石窟的全方位多视角拍摄。下部、中部位置用相机环绕拍摄，较高的上部、顶部位置采用无人机环绕航拍。注意保证拍摄角度的完整性和相邻照片的重合度，最大程度地获取充足的影像素材（图3）。

石窟内部的拍摄，主要针对石窟内部各壁面和顶部的封闭空间的影像获取。石窟内部采用数码单反相机拍摄，拍摄者置身于窟内地面中心，向石窟各壁面及顶部呈放射式拍摄。注意在对窟内顶部和底部拍摄时，可使用米字形拍摄轨迹，利用交叉的走位把顶部和底部全部覆盖（图4）。

2.2 拍摄注意事项

在对石窟寺进行影像素材采集的过程中难免遇到诸多问题，这些问题的产生往往是由不同因素造成的。

2.2.1 注意气象、环境等外部因素

石窟寺拍摄作为野外工作，天氣状况对工作效果有着直接的影响。在光线条件上，晴天在早、中、晚三个时段的光线比阴霾、雨雪天都要充足，较大程度满足拍摄时的光线需求，但要注意中午阳光强烈时易产生过度曝光。在天气条件上，雨雪天相比于阴晴天，降水和降雪不利于对石窟寺的拍摄取景。在风力条件上，无风或微风的天气最适合无人机的航空拍摄，大于5级的风力则会严重影响无人机的航行。若强行航拍不仅无法稳定滞空拍摄，而且有可能造成无人机设备的损坏和人员的伤害。

石窟寺的周围环境一般较复杂，无论是崎岖不平的地形还是枝繁叶茂的植被，都是影响拍摄影像完整性的重要因素。例如，羊头山石窟五号窟的左右两边树木的枝叶延伸覆盖于其正壁上方，使用数码相机拍摄该窟顶部高度不够，而使用无人机拍摄则受到植被的遮挡，无法获取顶部的细节影像，最终造成建立的五号窟三维模型顶部的混乱，故需要对石窟周边植物进行必要的清除。

2.2.2 注意技术训练、设备准备等内部因素

拍摄者的技术决定了所获取影像的质量，拍摄者不仅需要熟练掌握数码相机、无人机等设备的操作技巧，而且需要了解石窟寺的特点。在复杂的环境下，对拍摄的角度、方向、参数设置以及操作技巧等要求很高，因此要提前训练熟练。在设备准备方面，要备足数码相机和无人机的电池，尤其是无人机电池，一块电池最多飞行20多分钟，航拍获取的影像数量有限。若同时使用多台相机拍摄，最好是相同型号的相机，以免造成所获取的影像素材效果不一，影响后期建模生成。此外，尽量使用三脚架等辅助工具，以拍摄更高质量的照片。最后，要提前确定所调查地区是否在无人机禁飞区范围内，若在禁飞区，需要提前到公安部门备案。

3 影像素材预处理

影像素材预处理是指在前期拍摄过程中，由于各种因素造成获取的影像质量欠佳，无法满足建模的要求，对所获取影像素材进行优化，使其达到最佳的状态以满足建模需要的过程。此过程包括对影像素材的收集整理和软件预处理两个阶段。

3.1 收集整理

首先将获取的影像素材进行分类归档，主要分为两类：一类是石窟寺本体的素材影像，一类是调查现场的工作影像。课题组前后进行了两次现场取材，先将石窟的影像根据取材的时间先后顺序分类，再根据石窟的编号和内外窟顺序分类，然后将分类归档好的影像素材根据拍摄的角度、方向、轨迹排列编号，这样就能清楚地辨识出所获取的影像素材中是否有模糊、缺漏、重复的照片。结合前后两次的取材，对获取的影像进行挑选删减，保留质量相对较好的影像，以确保后期建模流程中对齐照片的合理性和密集点云生成的完整性。最后将已分类整理好的前后两次影像资料整合存档，方便后期建模提取使用。

3.2 软件预处理

本课题主要依托专业级图片编辑软件Lightroom对影像素材进行预处理，由于所获取的石窟影像素材数量较多，使用Photoshop批量化处理图片会造成预处理的效率低下，而Lightroom的图片批量处理功能更符合这一技术要求。

首先把整理好的影像素材以文件夹的形式直接拖入Lightroom操作界面，然后选中全部文件并点击修改照片。在修改照片的界面调整参数选项工具栏，主要调整以下参数：

①曝光度，调整照片整体的光线影响程度。

②对比度，增强照片中色域的差值，使颜色细节更加明显。

③阴影，对照片的阴影与暗部进行局部增光，使其细节得以体现。

④清晰度，提高照片整体的清晰程度，还原照片真实性。

为了保证准确高效的预处理，在Lightroom自动调整的基础上，微调以上参数设置达到最佳效果，通过观察照片整体与细节的协调性和修改前后的差异性来确定最终的修改程度。最后设置影像导出的参数，“格式”选择“JPEG”，“品质”设置“最优”，导出路径设置为新的整合分区，以方便区分原始影像素材和处理后影像素材的位置。

这样的预处理方式能使影像素材在尽量不改变其真实性的基础上，满足三维建模所需要的质量要求。

4 结语

在石窟寺多视角影像三维重建过程中，影像素材的质量是影响三维模型生成效果的重要因素，需要注意影像素材的清晰度、重合度以及拍摄轨迹。在深入分析石窟寺特点的基础上，综合考虑气象、石窟微环境、设备特点、技术水平等多方面因素，以获取高质量的影像素材，并对其进行预处理，便于后期三维建模的顺利实施，进而达到石窟寺数字化保护与利用的目的。

（附记：参与羊头山石窟多视角三维重建拍摄的同学有历史15级学生梁凡僖、陈飞宏、张旭、贾洋。）

参考文献

[1]张庆捷，李裕群，郭一峰.山西高平羊头山石窟调查报告[J].考古学报，2000（1）.

[2]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）.