浅谈水下考古摄影基础与三维建模在水下考古中的应用

黎飞艳

笔者从事水下考古工作 10多年，主要负责水下考古项目的水下摄影工作，工作中面对水下考古千变万化的各种遗址、遗迹、文物、以及周边环境，通过图形、影像等二维展示方式很难使人们获得完整的空间关系信息，为了完整呈现水下考古影像采集方式与方法，在工作中不断的学习、总结和积累经验。通过“丹东一号”沉船、湖北均州沧浪亭、广东西樵山明代古采石场水下遗址、西沙金银岛水下遗址、甲午海战“经远舰”等项目的实践，积累了一些水下考古摄影及三维建模工作的经验，形成下面的文字，以供同行日后工作参考，并借此求教于方家。

一、水下考古摄影的基本要求

（一）摄影者应具备以下基本条件

一是要了解工作项目的历史和项目背景。二是要了解、认识文物。三是要有娴熟的摄影技巧，以应对水下的复杂情况。

（二）潜水技术的要求

水下考古摄影最重要的就是中性浮力控制，感知并熟练掌握中性浮力，可以帮助摄影师悬停在所需的拍摄高度，在确保潜水安全的情况下完成拍摄任务。

在国内不同的海域潜水作业，其海底状况完全不同，没有固定的工作环境，所以水下考古摄影师在工作中经常会遇到一些复杂的拍摄问题，需要冷静的思考与应对。

比如开放水域，需要对海况进行充分的了解，选择合适的时机进行拍摄，以降低潮汐、水流、浪涌、能见度等对拍摄任务的影响等；封闭水域潜水，在没有水流的情况下从事水下摄影，对中性浮力的要求非常苛刻，如果被摄范围不能保持清晰或者人为的搅动造成能见度下降，会直接影响水下照片的成像效果，甚至会被迫终止此次潜水，等到水下能见度恢复正常后才能再次拍摄，这样会直接影响工作效率和水下考古工作的整体进度。

（三）潜水计划的制定

根据潜水区域的深度，在下水前制定潜水计划，按照国际潜水组织制定的潜水计划，其中包括深度、潜水工作时间，出水过程中在不同深度的减压、停留时间（按照规定必须制定不同深度的 3套潜水方案，其中2套是备用方案）。潜水前明确拍摄任务及工作区域的拍摄顺序，尽量做到拍摄区域没有漏拍的现象。

（四）下水前的摄影设备检测

下水前，首先要根据水下考古拍摄任务，决定携带哪种焦段的镜头：因为在水下，专业相机基本没有更换镜头的条件；如有需要，携带两台相机潜水也是可以的，其中一台作为主力机型，另一台备用，两台机器的镜头焦距及功能互补，这样就可以提高水下拍摄的工作效率。相机和镜头搭配好之后，要仔细进行防水安全检查。

1、确认相机的密封性。为了保证水下考古摄影工作的顺利、保证照相机的绝对安全，在正式潜水拍摄前，一定要对防水壳（不带相机）进行防水测试。把加上一定配重的防水壳系在绳索上，然后下放到需要的潜水深度进行测试（为了确保安全 甚至可下放到防水壳生产厂家规定的安全深度），以确保在水下摄影时就不会碰到漏水的问题。

由于近几年生产水下相机防水壳的厂家，发明了一种主动防漏报警装置（也叫负压测漏报警装置），此装置安装在相机防水壳上，与防水壳内部相通、只要摄影师在下水前打开防漏水报警装置，在恒压的情况下，指示灯为红色，当抽气筒工作时，将防水壳内的空气抽出形成负压时，绿灯亮起，（然后将防水壳放置在安全区域 5-10分钟），如果绿灯没有发生变化，说明防水壳密封正常，否则红灯亮起报警（图1）。

2、相机性能检查。相机开关和快门是否正常、试拍后并回看照片、测试存储卡是否已装好，内置闪光灯是否能够引闪外接闪光灯。根据水下的拍摄需求，尽量将闪光灯的闪光模式及输出指数调整到适当的位置等等。

3、相机参数设定。拍摄模式、对焦模式、白平衡、 ISO、连拍模式、照片存储格式。

4、最好将相机用保险绳（失手绳）与自己连在一起，以避免下水后因为紧张，手滑或别的原因导致相机脱手，造成无法弥补的损失。

（五）下水后的摄影设备防漏观察

为了设备的安全考虑，我们在下潜过程中，摄影师要观察安装在防水壳上的主动防漏水报警装置指示灯信号，如果绿色指示灯闪烁、表示相机防水壳密封正常，反之红色指示灯闪烁、表示相机防水壳密封不正常，有渗漏现象。

二、水下考古拍摄技巧的应用

水下考古摄影必备器材有：相机防水壳、单反数码相机、外接闪光灯、闪光灯连线、对焦灯、外接监视器等设备（图2）。

（一）曝光

现有的水下相机、基本上都是使用有自动曝光功能的数码单反相机，我们在水下考古摄影最常用的快门速度为1/60至1/200（多数相机的最高 闪光同步速度为1/200）秒。如照明条件足 够明亮，可采用1/200秒（1/200闪光同步速度，如高于闪光同步速度会导致部分画面被快门遮挡）。这个快门速度有助于抵消由于水流造成的相机晃动所带来的影像模糊。特别是抓拍水下考古人员工作场景照片时，必须用较高的快门速度，必要时采取包围曝光的方式。根据特殊的拍摄要求，我们也可以利用相机的速度优先模式、光圈优先模式或手动模式来完成不同的拍摄任务。

（二）聚焦与构图

将单反相机置于防水壳内并潜入水下时，会发现有些相机上的测距仪和取景器变得无用，这是由于防水壳使你的眼睛无法接近取景器，因此在水下拍摄时最好是使用有自动对焦功能的照相机，如果照相机没有自动对焦功能，则在下水前就预先进行手动对焦调整，根据水下的拍摄对象范围、大小来确定对焦距离。拍摄较大的目标，例如拍摄潜水员在水下工作、水下勘探等就拨到6英尺的刻度上。拍摄 水下的小件文物就拨到2-3英尺的刻度上，特别需要注意的是每一支镜头的有效对焦距离是不一样的。

有些防水壳使人眼无法用照相机的取景器准确构图取景，所以很多防水壳都有一个外接显示器帮助你将镜头对准被摄体，如果没有这种外接显示器，就必须学会用估计的方法仔细将照相机镜头对准被摄体，以达到尽可能好的构图效果。

（三）水下闪光灯的运用

拍摄水下文物、文化遗迹、石刻等，我们还需要进行补光，利用闪光灯灯臂的灵活性、调整闪光灯的角度，然后再调整闪光灯（主光、辅助光）的输出指数，从而增强被摄体在照片上的明、暗对比，突出重点。

由于使用了人工光源，伴随而来的是因为水中存在有悬浮颗粒，光线在水中经由悬浮颗粒反射而产生雾化现象，会导致影像不够鲜明、锐利及影像模糊。特别在使用闪光灯时会加重这种“雪花”状现象,甚至会有斑点或光点出现，令影像画面不够整洁。这时候就需要调整人工光源的照射角度，尽量不让闪光灯输出的光线照亮镜头与被摄体之间水中的悬浮物，尽可能让闪光灯离镜头远一点，这样可避免反向散射、拍摄出反差极好、清晰度较高的水下考古照片（图3）。

三、水下光谱特性及视觉差异

（一）光谱特性

水下与陆地的空气环境不同，水分子的密度比空气密度要大很多，从而导致对光谱的吸收也不同于在空气中。随着水下深度的加大，光谱中的不同波长的颜色开始被水吸收，在水深约 6米时红色已经消失， 10米时橙色被吸收， 19米时黄色被吸收，然后依次为绿、蓝等颜色，最后只有 10%的蓝光可达100米深1。深度越大，色温越高,由于光的强度是随水深而减弱，因此不建议使用色温修正滤片，而应该使用人工光源来增加照明度及修正色温，如使用水下闪光灯或水下照明的灯阵（但色温最好要达到5200k-5600K）。原则上水深5米以上可以用自然光,或自然光+人工光源进行拍摄。当然，在条件允许的情况下，充分发挥摄影器材的性能，利用微弱光线也能够表现水下多彩的世界。

（二）视觉差异

视觉差异就是潜水员在水下观察物体时，视觉会发生放大、位移和失真。此时水下物体看上去显得大一些，约为原物的4/3。距离显得近些，约为原距离的3/4。以致同一物体的各个部位或不同距离的物体，放大的比例不一样，产生了失真。这种变化对相机镜头也是同样的，当使用广角或者鱼眼镜头时，这种失真会更加明显。

四、水下考古摄影与三维建模素材的采集方法

上述为水下考古工作中一般性照片拍摄的简要经验总结，下面再谈谈水下三维建模素材的拍摄体会。

（一）拍摄前的准备工作

按照下水前的摄影设备检测标准，完成各项检测，根据水下拍摄对象调整相机的各项指标，主要是水下相机及闪光灯调整。根据拍摄水下三维拼接照片的要求，水下三维照片的形成是由摄影师在水下拍摄的几百或者几千张水下照片、利用三维建模成像软件进行处理，生成三维立体图像，所以对水下摄影师在拍摄时有更高的要求。

1、手动曝光。水下单反相机的功能非常的强大，笔者建议水下拍摄三维拼接照片最好是将相机的光圈及快门速度调成手动模式，对焦模式调成自动（因为单反相机普遍都有对焦锁定按钮）。这样，摄影师可以在水下根据水下的能见度、很好的手动控制被摄物体的曝光指数及对焦距离的对焦锁定。

2、ISO值的设定。ISO800或 者I SO1600比较合适，如果设置的感光度过高，影像的噪点就越明显。

3、白平衡的设定。自动白平衡模式、手动白平衡模式以及闪光灯模式，笔者建议使用闪光灯白平衡模式。

4、外置闪光灯的模式设定。左右闪光灯的输出模式 M档、闪光指数一致，因为在水下没有测光的条件，我们只能按照平时的拍摄经验，根据数码相机显示屏上的影像效果来确定照片的曝光指数是否精准，为了曝光的精确性，我们也可以采用加减曝光的方式。

5、闪光灯的角度调整：闪光灯的灯光照射在整个画面上要保持光照度平均，也就是我们所说的平均光，因为只有采用平均光照方法进行拍摄，才能很好地将照片拼接在一起，才能保证照片较好地过度平滑，照片的连接面才会没有明显的拼接痕迹。这是拍摄水下三维拼接照片的重要环节。

（二）拍摄顺序、水流方向

1、拍摄顺序。摄影师在下水后要观察、估计拍摄物体的大小、面积、潜水深度、被摄体的形状、根据以上观察的情况，对每一潜次的拍摄顺序、范围进行确定。水下拍摄一定要遵循潜水制度，确保潜水安全，摄影师在每一次的水下拍摄时，最好是按照“先深后浅”的拍摄顺序，尽可能避免重复潜水后造成身体上的伤害。我们每一次的潜水时间是有限的，所以摄影师要特别严谨的利用好水下的每一秒钟，保质保量、准确无误的完成水下拍摄任务。一定不能有漏拍的现象，否则会给后期三维立体图像拼接带来无法弥补的影像缺陷，甚至因为照片的缺失、造成软件无法识别的后果。每一次的水下拍摄任务，出水后都要做好文字记录和拍摄范围的示意图记录，为后期的拼接工作提供第一手资料。

2、水流方向。拍摄水下文物各种文物、遗迹、遗址及其周边环境，最好在平潮前后进行拍摄工作，此时的水流强度适中、正好适合水下拍摄要求。摄影师观察好水流方向后，尽可能顶着水流方向进行拍摄，这样能最大程度的控制好中性浮力，减少相机的晃动。

（三）拍摄要求

1、摄影师下水前应将相机及闪光灯调整为所需要的拍摄模式，这样便于摄影师在下水后能很快的进入工作状态。达到拍摄点后应根据当时的水下能见度确定对焦距离，试拍几张样片，凭借 CCD显示屏的照片效果对闪光灯的指数、相机的 ISO、光圈、速度进行微调，从而达到正确曝光。

2、拍摄同一个遗迹、遗址及其周边环境也许需要几个潜次的水下拍摄，所以摄影师在拍摄同一个被摄体时，照相机的曝光参数应该保持一致，这样可以保证被摄体通过三维重建软件拼接后的整体曝光效果一致。

3、拍摄三维重建素材要按照严格的三维照片拍摄要求执行，被摄体的形状没有一定的规律性，不可能人为的放置太多的参考线供摄影师参考，所以摄影师要根据被摄体本身的特性，分块或者分条拍摄，拍摄角度尽量保持 90度（相机与被摄体的角度），避免照片变形。

4、如果是平面状的被摄体，每张照片的重叠面积应为 1/3，也就是说每张照片的上下、左右都要保证有 1/3的重叠关系。

5、如果是不规则被摄体，比如是转角、凹凸位置明显，摄影师要根据物体的形状尽可能多角度拍摄，做到被摄体的每个面都能被照片覆盖，没有盲区。

根据我国家沿海地区海域的水下考古实际情况，发现的古代沉船遗址大部分都是在距离海岸线不远的海域沉没，水下能见度一般在 0.2-1.5米的范围，甚至也有水下能见度为零的时候， 3米的能见度很少见到，根据多年的水下摄影经验与水下考古工作的亲身体验，可以说中国近海的水下考古沉船遗址以及内陆湖泊发现的水下文化遗产、大部分区域都是无法利用布置水下灯阵的方式拍摄大面积全景照片，并且水下布置灯阵的费用相当高，移动起来也不太方便，为了解决这一难题，我们也在工作中不断的尝试新的拍摄及照片处理方法，比如将水下遗迹用 N张照片拍摄下来，然后使用 Photoshop图像处理软件进行拼接，也能完成相对简单的拼接任务，但是精准度不够，而且拼接所浪费的时间不计其数。

五、三维摄影举例：湖北丹江口库区水下考古调查项目之沧浪亭

2014至2015年期间笔者有幸参加了由国家文物局国家水下中心周春水副研究员负责的湖北丹江口库区水下考古调查项目，并负责沧浪亭的水下考古摄影工作，为了证实水下摄影三维立体建模的方法，将沧浪亭水下建筑基础与水下题刻之间相对位置按照三维立体建模的拍摄要求进行分批次的素材采集，然后利用三维立体建模处理软件（Agisoft Photoscan）进行数据处理，合成大面积的水下三维图像。潜水方面采用了高氧技术潜水、分站式减压方式潜水，在保证绝对安全的情况下，提高潜水工作效率，以下是相关过程的说明。

（一）工作环境

湖北省丹江口库区（沧浪亭）水下遗址，位于均州古城附近，是古均州八大景之一，随着 1967年丹江口大坝下闸蓄水，最终沉入水中。后来由于南水北调工程项目，其水位在不断的上升，因为丹江口库区禁止人工养殖，当时的天气较好，没有大雨造成的水涝现象，水质保持清澈，特别是在23-42m深度范围，由于水温比较低，水中几乎没有悬浮物，水下能见度为 2米以上、水面温度16°、水底温度 4-6°、水深 42米，没有水流，特别适合潜水作业。

（二）潜水、拍摄方式

潜水方式我们按照技术潜水的要求，利用 21%的压缩空气、双瓶进行潜水，水底工作时间大概在 25分 钟左右，然后在 18米以上高度、使用 40%左右的配氧、按照潜水计划进行免减压停留，延长潜水员水下工作时间和缩短出水过程中的免减压停留时间，达到减轻、缓解潜水员的工作疲劳。

拍摄方式因为工作地点位于石质的峭壁面，所以采取从深到浅的拍摄方式，首先笔者分配了 3潜次的拍摄时间完成 23-25米高度范围（沧浪亭的建筑墙基）的三维素材照片拍摄。然后分配 3潜次完成深度为 25-42米高度范围的三维素材照片拍摄任务，每次的拍摄宽度为 1.5米左右，遵循大深度潜水的基本规则，采取由深到浅的拍摄顺序。大约完成了 4米左右宽度的拍摄任务，共计拍摄照片5000多 张，拍摄面积大约 100平方米，然后运用三维重建图像处理软件将宋明时期 2处题刻与沧浪亭墙基的采集索材通过（Agisoft Photoscan）“工作流程”菜单中的“对齐照片”“建立密集点云”“生成网格”“生成纹理”进行运算，最后导出通用格式的模型、正射影像等数字影像图2。如图 6。

注释：

1 孟 庆然.潜水摄影技巧[J] . 中国摄影家，2015（07）.

2 刘建国.考古遗址超低空拍摄与数据处理[J] .考古，2015（11）.