基于Context Capture多视角影像三维重建技术在藏品数字化中的应用

邓旭帅

摘 要：藏品是博物馆全部活动的物质基础。在博物馆数字化的浪潮中，藏品数字化是核心，而三维建模是藏品数字化的关键手段。多视角三维重建技术因其设备要求低、灵活性强、操作简单等优点成为藏品建模的重要手段。在考古领域，虽然Context Capture在空三精度、纹理映射质量、模型精度等方面具有优势，但由于其不能直接用于可移动文物建模，因此该软件应用较少。通过对采集到的影像预处理或对模型成果后期处理，使之能够用于文物藏品的建模，并对两种方式的优缺点进行比较。

关键词：藏品数字化；Context Capture；可移动文物建模

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.05.033

藏品是博物馆全部活动的物质基础，博物馆在保管、研究的基础上，通过系统化、主题性的陈列展示，对广大民众进行知识、技能、和人文精神的教育。当今世界以信息技术为代表的新兴科技，不仅为传统产业注入了新的活力，也为博物馆发展带来了机遇。20世纪90年代，数字化博物馆建设开始。在博物馆数字化的浪潮中，藏品数字化是核心，而三维建模是藏品数字化的重要手段。因此，对文物藏品建模平台的研究十分重要。

在考古领域，中国社会科学研究院考古研究所的刘建国老师以PhotoScan为平台探讨了该技术在可移动文物和不可移动文物建模中的应用；张蕾进行了动物骨骼的三维重建探索、多视角拍摄方法研究；马欢欢、赵清坡研究了基于PhotoScan的多视角三维重建技术在考古中的应用；付仲杨探讨了PhotoScan和Adobe Illustrator两款软件在考古绘图中的应用；赵海龙、仝广、闫晓蒙探讨了PhotoScan在石器三维建模中的应用。在可移动文物的多视角三维重建领域，应用最多的软件是俄罗斯Agisoft公司的PhotoScan。然而在地信测绘行业得到大量应用的Context Capture，虽然在空三运算准确度、纹理映射质量、模型精度等方面具有明显优势，但由于软件没有点云编辑功能，不能直接用于可移动文物建模，因此在考古领域应用较少。

本文拟以纸盒为例，尝试探索将Context Capture应用到可移动文物建模领域，使其充分发挥优势，为文博工作服务。

1 Context Capture简介

Context Capture，原名Smart 3D，后被Bentley公司收购，成为该公司旗下的一款三维实景建模软件。该软件的主要模块是Context Capture Master和Context Capture Engine。它们遵循主模块—工作线程模块模式。Context Capture Master主模块，操作人员可以通过该图形用户界面进行任务提交、数据输入、任务监控等。但该模块不执行处理任务，而是将任务分组成若干基本任务，然后提交到任务序列。Context Capture Engine是Context Capture的工作线程模块，一般在后台自动运行，不与用户进行交互。

2 Context Capture多视角三维重建的影像拍摄

2.1 相机参数

①相机型号。Context Capture需要获取相机的型号信息。本研究使用的相机型号为佳能（Canon）5D Mark Ⅲ。

②拍摄模式。选择手动挡（M档），快门速度不高于1/30秒，光圈值10左右。注意：光圈值不能太小，使用小光圈值获取的影像景深小，协助运算的背景少，会降低成果准确性和精度。

③白平衡。根据实际情况进行设置，但不要使用自动白平衡，自动白平衡会因为光线角度不同导致同一影像的色调产生变化。

④焦距。最好使用定焦镜头，如果使用变焦镜头，拍摄时要采用统一的焦距。如果受实际情况限制，必须变焦拍摄，则需要将不同焦距的影像分组。

⑤对焦方式。中心位置单点、单次自动对焦。

⑥感光度。感光度根据现场光线调节，尽可能使用较小的感光度。感光度越大，噪点越多，所获取的影像质量就低。

2.2 影像拍摄

①拍摄场景。最好在阴天环境下的室外拍摄。在室外拍摄时要注意拍摄速度，避免自然光线的变化对前后影像的亮度、反差、阴影位置产生影响。室内拍摄要布置好灯光，固定光的效果好于闪光灯。

②拍摄方法。根据是否需要后期处理，拍摄方法可以分为两种：一次拍摄法、二次拍摄法。一次拍摄法包括悬挂拍摄法、支垫拍摄法。这种拍摄方法具有一定的安全风险，且只适合质量较轻、体积较小的文物藏品。二次拍摄法又称拼合拍摄法，即分别拍摄文物藏品顶部和底部的影像，再通过后期处理进行模型生产，其优点在于适用对象范围广，但相比于一次拍摄法耗时耗力。本文以二次拍摄法为例。

③重叠度。对于大件文物藏品的拍摄，横向重叠度80%左右，纵向重叠度70%左右。对于小件文物藏品的拍摄，每隔15度左右拍摄一张影像。

2.3 模型分辨率的影响因素

生成的三维模型的分辨率和精度与物体上的投影像素大小直接相关。具体关系如下列公式：

投影像素大小（米/像素）×焦距（毫米）×影像的最大尺寸（像素）＝传感器宽度（毫米）×拍摄距离（米）

2.4 控制点与检查点设置

多视角三维重建技术生成的三维模型没有真实的空间关系信息，不能直接量取模型上空间点位之间的距离等数据，所以在进行多视角影像拍摄时必须设立三个以上的控制点。软件会将各控制点的坐标信息带入生成的三维模型中，因此最终的模型成果会有相应的空间位置信息。通过Context Capture View軟件，可以进行坐标、长度、面积、体积测量。以激光雕刻有网格坐标的金属板作为控制板，用游标卡尺测量数据，并换算成相应的空间坐标输入软件。检查点的作用是分析模型成果的精度，设置方法同控制点。

3 Context Capture工作流程

3.1 新建工程

工程是该软件进行运算的基本单元，通常将一个文物的数据放同一个工程进行处理。注意：工程名称和工程目录最好不要出现中文字符。

3.2 导入影像

将前期采集到的影像数据导入。导入影像时，可以直接导入影像，也可以导入影像所在的文件夹，还可以通过导入视频的方式建模，将采集到的视频导入到区块中，设置起止时间及提取影像的视频间隔，单位为秒。注意：提取影像的视频间隔要确保足够的重叠率。在这种模式下系统将根据设置从视频文件中提取相应的帧用于建模。

3.3 添加控制点

在多张照片上找到同一个控制点，进行人工标记，并将测量好的控制点坐标信息输入。推荐同一个点在四张以上照片中进行标记，其中三个点用来确定位置，一个点用来平差。

3.4 空三运算

空三运算是整个建模过程的关键。空三即空中三角测量，是在立体摄影测量中，根据少量的控制点进行控制点加密解算，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。注意：在进行模型生产时，一般先导入位置再进行空三运算。但也可以先进行空三运算，再输入位置信息，然后再次进行空三运算。这么做的好处是第一次空三运算后，软件将控制点和可能的每张照片关联起来，方便人工标记，减少人工工作量。当然，由于跑了两次空三，项目生产时间会相应增加。

3.5 新建重建项目

根据不同的目的，生产输出不同的文件类型和格式。该软件可以生成三维网格、三维点云、正射影像、DSM/DEM等类型的文件，格式有OBJ、OSBJ、3SM、S3C等。注意：在格式/选项栏里，可以根据需要选择纹理贴图的相关参数，如压缩纹理可以选择JPEG质量的50%、70%、90%以100%。这一选项直接影响模型成果的纹理贴图质量。注意：在生产前要编辑生产范围，将生产范围的底面抬升到文物藏品的本体下限以上，确保放置文物藏品的台面、控制板等无关物品不在生产范围。

4 数据处理

由于Context Capture没有点云编辑功能，无法直接利用获取到的影像，因此需要对数据进行处理才能生成所需的成果。本文拟通过影像预处理、模型配准两种途径探索解决这一问题的方法，并探讨这两种方法的优缺点。

4.1 影像预处理

将使用拼合拍摄法获取到的文物藏品影像导入Photoshop中，添加蒙板，遮住除文物主体外的背景（图1）。有效的蒙板是一个与影像具有相同尺寸的黑白TIFF图像。并将蒙板与对应的影像放置于相同目录。将处理过的影像导入同一个工程内，按照Context Capture的工作流程进行运算，就能得到符合要求的模型成果。在这种方法里，由于遮住了一切和文物无关的背景，只有文物本体参与运算，因此模型的生产速度会提高很多。但也有以下缺点：①影像预处理的工作量很大，需要耗费大量时间、精力；②在遮住无关背景的同时，也会删去控制点（需要在文物本体上添加比例约束点才能生成具有真实空间关系的模型成果）；③协助参与运算的背景被遮住，空三的准确性会下降。

4.2 模型配准

分别采集文物上半部分影像和下半部分影像，并按照Context Capture的工作流程生成独立的两个模型（图2、图3）。然后将两个模型导入修模软件中，如Geomagic Wrap。利用对齐功能，根据模型中的共同点对上、下部分的两个模型进行配准，生成完整的文物模型（图4）。该方法的优点在于为解决Context Capture不能直接用于可移动文物建模提供了一种思路。缺点是：需要掌握一定的修模软件操作技能。

5 成果应用

以云计算、互联网、大数据和人工智能为代表的新技术，改变了人类的思维观念、价值取向和生活方式，同时也为人们提供了新的思维选择。在博物馆领域，藏品数字化的成果可以为藏品管理、数字化研究、保护利用等提供全新的途径，极大提高博物馆科研成果转化效率和社会教育服务水平。

5.1 文物藏品的信息化管理

对文物藏品进行三维建模后就完成了将文物本体转化为电子数据的过程，再完善一些其他必要信息就完成了藏品的数字化。数字化以后，管理者能够借助计算机管理系统开展登记编目、出入库管理、统计、查询等一系列业务工作。其主要优点有：①提高文物管理工作效率；②提高藏品安全系数；③减轻藏品管理工作者劳动量。但是藏品的信息化管理也面临着一些问题：①文物藏品的数据安全性问题；②信息录入的统一性和规范性问题；③藏品数字化的版权问题。

5.2 文物藏品的数字化研究

文物藏品数字化后，学者对文物藏品的研究将突破时空限制，研究对象不再局限于二維图像，而是基于真实文物的三维模型，将会极大提高研究效率和研究质量。如战世佳、周振宇等人分别探讨了多视角三维重建技术在石器研究中的应用。当然，藏品的三维建模只重建了外形，难以完全满足学者的研究需求。未来联合5G、云计算、大数据等科技，藏品的重建将是包括重量、质感、材质等在内的“完全”重建。

5.3 文物藏品的修复与复制

文物保护修复需遵循少干预原则，即对文物进行保护、修复时，要是可以通过控制环境解决的最好不干预文物本体，不得已非得干预时也要少干预。藏品数字化后，可以仅对文物进行一些必要性的保护，而修复过程可以根据藏品的数字化模型在计算机上虚拟进行。西北大学周明全教授在文物的虚拟修复方面开展了一系列研究。藏品数字化成果也可以为藏品复制提供基础数据，且多视角影像三维重建采用了一种非接触性信息获取方式，在信息采集过程中可以有效避免传统复制手段对藏品带来损害的风险。

5.4 文物藏品的数字化展示

实体博物馆的展示方式存在文物藏品保护和利用之间的矛盾，而数字博物馆的展示方式可以有效缓解这一矛盾。基于三维模型的数字化展示是无损的，大量脆弱的珍贵文物可以借助这一手段得到很好的保护。同时，现代社会的参观者已经不满足于隔着玻璃柜参观文物，而是希望可以全方位地观察文物。藏品数字化后，通过VR、AR技术就可以“近距离”观察文物。相比于传统博物馆，基于三维模型的虚拟展览可以给观众展示更加真实、全面的藏品面貌。

6 结语

在博物馆数字化建设的浪潮中，开展对藏品建模平台的研究很重要。相比于在考古领域使用广泛的PhotoScan，Context Capture软件在空三准确性、纹理映射质量、模型精度具有优势。以小纸盒为例，通过影像预处理、模型配准的方法探索了将Context Capture用于可移动文物建模的途径。

诚然该软件在可移动文物三维重建的使用需要额外学习如PS、Geomagic Wrap等影像处理以及模型修改软件的基本使用方法，但这些软件的基本使用方法不难学习，工作人员经过一两天的培训就能掌握基本技巧，独立开展工作。

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