可移动文物数字化工作中“多图像重建技术”的应用研究

刘 磊 冯 磊 于 淼

（保定学院 文物与博物馆学院，河北 保定071000）

一、引言

目前随着我国数字化转型速度加快，在文物保护与利用相关行业数字化工作中，针对小型可移动文物从数据采集到三维重建主流做法主要是通过激光三维扫描仪、光栅式三维扫描仪或多图像三维重建等技术开展文物三维信息获取与保存，经过调整后可在电脑端或移动端进行三维自由视角查看和3D 打印复制，并进一步支持实景重建、文化创意等领域。

2018年4月19日国家文物局办公室印发了《国家文物局办公室关于加强可移动文物预防性保护和数字化保护利用工作的通知》（办博函〔2018〕348 号）（下文简称《通知》）。《通知》中明确指出：为了“切实改善可移动文物保存环境，维护文物安全和健康，实现文物和信息资源的科学管理、传播和利用，更好地促进文物‘活’起来”，有必要“加强可移动文物预防性保护和数字化保护利用有关工作”。《通知》还同时要求：将“数字化保护”作为可移动文物数字化保护利用工作的内容之一。而多图像三维重建技术作为文物高清三维数字化复原及辅助修复技术中的重要应用手段，在未来可移动文物数字化保护利用工作中具有广阔的发展前景，将会发挥不可替代的重要作用。

二、概况

本次测试文物为唐代红陶男俑，主要为红陶材质，无高反光，高度23.4cm，身宽5.2cm，头宽2.8cm。主要为人物造像，器物特征明显。

三、数据采集规划

主要以单反相机尼康D5300 进行数据采集，按照6000x4000 分辨率、焦距85mm、摄距1.5-2m、拍摄幅间角横向角11.25 度、竖向角15 度拍摄，因器物为非对称形制，设计平躺后拍摄一组用于顶面、底面采集，共拍摄5 组。

四、应用设备及布光方案

1.所需设备及相关设置。除需使用尼康D5300 单反相机外，还须使用旋转拍摄座、摄影三脚支架、遥控快门、摄影床、背景纸、柔光灯箱。其中因需顾及景深及后期模型合成，单反相机设置为手动对焦、光圈优先模式、光圈f20、快门1/2 秒、ISO100 并关闭图片自动翻转。旋转拍摄座设置为每圈停止32 次，每次停留3 秒，慢速，一圈后停止。遥控快门设置为每5 秒拍摄一次，共拍摄32 张后停止。使用柔光灯箱2 只，分主光灯、辅光灯。

2.布光设计。因被摄器物为红陶吸光材质，采用主辅布光设计，主要以侧光突出文物表面细节。

3.图像采集过程：（1）机位调整。因采用旋转拍摄台及无线快门，每一圈拍摄较少人为参与，但每圈后需调整相机高度，第五组需将文物平躺拍摄。（2）检查数据图片。拍摄过程中保证各项数据设置的准确性且文物在拍摄过程中不被移动，以保证图片数据间匹配的准确性。

五、拍摄实施

1.人员投入。图像数据采集人员1 人，后期编辑合成人员1人。

2.设备型号。本次采用尼康D5300 进行数据采集，利用多组照片完成三维数据合成。

表1 设备情况表

3.文物三维建模软硬件。通过处理软件进行图像数据处理，生产文物三维模型。以下为模型合成所用计算机硬件配置表：

表2 硬件环境配置表

由于文物为不对称形制，图像数据重叠率要求高，密集云点数量多，在处理过程中，计算机的工作压力较大。如果能把内存提高至32GB 或更高，提高计算机整体硬件配置，模型精度和处理速度将大幅提高。

刘雁衡睁开眼，说了一句令石警官很不满的话。刘雁衡把冻僵的左手手指蜷起来，和右手一起把箫抱到胸前，淡淡对四小姐说：“对不起，你挡了我的风。”

4.取得成果。文物三维模型一套，数据格式为OBJ 格式，后期针对不同应用环境可转换为多种格式。

六、实施技术解析

项目实施分为数据采集、数据处理和后期整理三个阶段，并对成果进行应用环境检测。

图1 实施过程路线图

七、详细的实施情况

1.图像数据采集情况。

表3 图片数据采集总体情况一览表

2.数据整理。仔细检查所拍摄图像，剔除不合规范如失焦、欠曝、过曝照片，保留照片数据共160 张，用以导入处理软件中进行照片对齐。

3.文物三维模型合成。将照片采集成果导入软件中的工作组，经过图像对齐、建立密集点云、生成网格、生成纹理、模型导出等流程，生成文物的三维模型成果，OBJ 格式，贴图材质8192x8192 像素。本次测试文物较小，仅有23.4 厘米，由于需要避免出现浅景深等因素，器物所占画面比例受限，且由于相机、镜头、计算机等硬件所限，要达到较高以上精度，需要大量图片数据弥补细节，建模时间较长。

4.精修文物模型。在后期处理软件中对所生成的模型进行补洞处理,删除无用部分，并精细调整模型长、宽、高等数值。

5.文物模型格式转换。针对成果应用环境，如需进一步编辑调整，模型与贴图须保持分离，推荐使用OBJ 格式，模型文件、贴图文件分别独立方便操作，且该格式可在主流三维编辑软件下直接导入。若是电脑端或移动端进行三维自由视角查看，则推荐使用FBX 格式或3MF 格式，桌面操作系统无需安装第三方软件即可进行查看，优点是该格式模型文件、贴图文件均合并为一个文件，方便保存与管理。且均支持最新AR、VR 环境如HoloLens、VIVE 的使用及3D 打印技术，方便后期运用在文物复制、文化创意等领域。且通过WebGL 技术更可让所获得文物三维成果以网页形式在电脑端和移动端进行展示。

6.3D打印测试。首先通过切片软件对文物模型进行切片，因所用打印机成型尺寸最大为长200mm、宽200mm、高200mm，故只能将文物模型进行拆分打印，之后在进行粘合。

3D打印机详细设置如表4：

表4 3D 打印机设置情况一览表

打印时间约10 小时，获得目标文物复制品一件，基本还原文物原貌。如图2 所示：

图2 3D 打印复制品与文物真品对比图

本次测试采用三维建模领域最新的多图像三维重建技术，充分利用图像合成软件的自动化建模优势，在较短的时间内生产出了可运用、可复制的模型成果，并在此基础上进行了3D 打印等验证，技术实现可行，模型精度可满足传播展示、3D 打印等相关应用要求，产生模型体积小，查看便捷，可应用于课堂教学、文创设计、传播考证等相关领域。且所使用设备属于常规设备，可有效减少资金投入，实现了文物三维模型从无到有、从采集到运用的全环节验证。通过本次基于多图像三维重建技术进行测试，技术路线清晰可行，所获成果可以满足使用要求，可应用于课堂教学、传播展示、文物保护等相关科研领域。