矩陣接片與物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)

王光偉 （南京郵電大學(xué) 江蘇南京 210000）

矩陣接片與物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)

王光偉 （南京郵電大學(xué) 江蘇南京 210000）

華夏民族擁有著五千多年的文明史，在這漫漫的歷史長(zhǎng)河中，遺留下的文化隗寶可以說數(shù)不勝數(shù)，如古建筑、古村落、古城墻、古雕塑、繪畫、青銅器等等。但是，隨著旅游業(yè)的發(fā)展，人們正有意識(shí)或無意識(shí)的對(duì)文化遺產(chǎn)造成損害。你可能會(huì)在八達(dá)嶺長(zhǎng)城看到“某某到此一游的字樣”；你也可能會(huì)在明孝陵中看到某些石像被摸圓了棱角；甚至就連故宮博物院里的國寶也會(huì)因?yàn)楣芾砣藛T的疏忽而遭到損失。文化遺產(chǎn)具有唯一性和不可復(fù)制性，它承載著太多中華民族的文明發(fā)展史，它的價(jià)值是不可估量的。所以如何更好的保護(hù)文化遺產(chǎn)已經(jīng)成為了當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的課題。本文是一篇關(guān)于文物信息采集的文章，旨在將文化遺產(chǎn)數(shù)字化，以高清晰的畫面還原出遺產(chǎn)的現(xiàn)狀，通過各種媒體的傳播實(shí)現(xiàn)文化保護(hù)的目的，而數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，也為此提供了手段和可能。

一、什么是矩陣接片

所謂矩陣接片就是人為的將被攝對(duì)象在拍攝時(shí)進(jìn)行有計(jì)劃的分割，并且把被攝對(duì)象劃分為互有疊加的n個(gè)，每次只拍攝其中一個(gè)，在完成對(duì)被攝對(duì)象的全部拍攝之后，后期借助圖像軟件，對(duì)被攝對(duì)象進(jìn)行拼接復(fù)原，從而得到一張完整的、超大畫幅的照片，如圖1是將被攝對(duì)象劃分為互有疊加的N個(gè)?，F(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)的像素從500萬像素到2000萬像素不等，但是利用矩陣接片接出來的照片可以達(dá)到幾億甚至幾十億像素。在文物保護(hù)中運(yùn)用矩陣接片技術(shù)，我們不僅可以看到文物的總體形象而且可以通過放大圖像看到文物表面的紋理，甚至連肉眼無法看到的細(xì)節(jié)也能一覽無遺。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到極致的便屬google的“博物館計(jì)劃”了。

谷歌利用先進(jìn)的GigaPixel相機(jī)對(duì)大部分藝術(shù)珍品都做了單獨(dú)的高清晰解析圖像展示，某些圖像的像素甚至高達(dá)70億，如梵高名作《星空》、波提切利名作《維納斯的誕生》等。在如此高像素的圖片上，我們不僅可以清晰的看清楚繪畫的每一處細(xì)節(jié)，甚至連畫面留白處的畫布紋路都清晰可見。

什么是Giga Pixel相機(jī)呢？如圖2，Giga Pixel相機(jī)也是由多張照片拼接而成的。Giga Pixel相機(jī)的技術(shù)原理與矩陣接片是一樣的，也是由大量的照片拼貼而成。但是它與傳統(tǒng)的矩陣接片又有所不同，Giga Pixel相機(jī)擁有98個(gè)微距鏡頭，鑲嵌在一個(gè)球面透鏡中，它可以一次性的完成對(duì)指定場(chǎng)景的拍攝，并且一次拍攝拼接出來的照片容量可達(dá)到1G多。但這種設(shè)備昂貴且笨重，與傳統(tǒng)接片相比Giga Pixel雖然有速度優(yōu)勢(shì)，但卻犧牲了靈活性，而且攜帶不方便。它類屬于旋轉(zhuǎn)接片卻不能應(yīng)用于移位接片，在對(duì)壁畫或長(zhǎng)卷畫廊等大面積拍攝時(shí)，Giga Pixel相機(jī)是不適用的。

二、矩陣接片分類

（一）旋轉(zhuǎn)位置接片

保持相機(jī)水平且穩(wěn)定，利用全景云臺(tái)圍繞著鏡頭節(jié)點(diǎn)，以一個(gè)預(yù)定角度作水平或垂直旋轉(zhuǎn)進(jìn)行拍攝，最終甚至可以把720度的全景畫面拍攝下來（包括天空和地面，也稱為球面全景）。需要注意的是，這種方式只適合拍攝有一定距離或者是環(huán)狀排列分布的景物，而不適合拍攝受狹窄空間限制的或是延伸過長(zhǎng)的景物。

（二）平行移位接片

在狹窄的環(huán)境中拍攝像大型壁畫或長(zhǎng)卷畫廊這種類型的接片時(shí)，就適宜采用平行接片的方法，因?yàn)殡S著鏡頭的旋轉(zhuǎn)，鏡頭與被攝物的對(duì)焦距離也會(huì)越來越長(zhǎng)，這樣就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的透視變形并最終導(dǎo)致照片無法拼接到一起。所以必須采取另一種接片技術(shù)——平行移位接片。所謂平行移位接片就是借助架設(shè)的橫移導(dǎo)軌將相機(jī)架設(shè)在軌道車上，“逐格移動(dòng)，逐格拍攝”。拍攝期間必須始終保持相機(jī)鏡頭與壁面的距離不變，并且在拍攝前期做好詳細(xì)的計(jì)劃，如計(jì)算好拍攝的張數(shù)、確定橫豎重疊的百分比、運(yùn)用何種照明工具等等。

（三）矩陣接片的應(yīng)用

物質(zhì)文化遺產(chǎn)包括古遺址、古建筑、石刻、壁畫、藝術(shù)品、繪畫、手稿以及歷史文化名城（街區(qū)、村鎮(zhèn)）等等。傳統(tǒng)的對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)的信息保存方式往往只是局部的、零散的圖像資料，不能很好的展現(xiàn)遺產(chǎn)的風(fēng)貌。而利用矩陣接片技術(shù)，在一覽遺產(chǎn)整體面貌的同時(shí)還可以展現(xiàn)它們細(xì)微的表面紋理資料，這樣就能夠更完整、更全面的保存文化遺產(chǎn)的圖像信息。所以，矩陣接片技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的作用是非常大的。

1.矩陣接片在古建筑中的應(yīng)用。在對(duì)建筑物進(jìn)行信息采集的時(shí)候，通常只是以拍攝單張照片來表現(xiàn)整個(gè)建筑物或是建筑物的某個(gè)局部的細(xì)節(jié)，這種信息采集方式在一定程度上限制了觀賞者的視野范圍，加上廣角鏡頭拍攝出來的照片又會(huì)使建筑物的變形加大，使圖像失貞。而矩陣接片技術(shù)則可以很好的解決上述的問題。如圖3，這幅孝陵明樓的照片擁有3.2億像素，是用30張1800萬像素的照片拼接而成，我們?cè)诳傆[明樓的同時(shí)還可以不斷放大圖片來看清磚瓦的紋理。

2.矩陣接片在繪畫作品中的應(yīng)用

典型的例子就是google的博物館計(jì)劃，前面講到google利用giga pixel相機(jī)拍攝了一些像素高達(dá)70億的繪畫作品，其展現(xiàn)的細(xì)節(jié)，有些連肉眼都無法捕捉的到。如圖4是google博物館展示的名作《The Merchant Georg Gisze》，以及70億像素放大100%的效果。

3.矩陣接片在大場(chǎng)景文化名城中的應(yīng)用。矩陣接片技術(shù)可以更好地表現(xiàn)出文化名城的風(fēng)采，利用航拍技術(shù)或是站在高處對(duì)文化名城進(jìn)行俯拍接片，人們?cè)诳v覽名城的同時(shí)還可以通過放大圖片觀察到某個(gè)建筑物的細(xì)節(jié)部分（比如某古老寺院屋檐上的鈴鐺、某建筑大門的門牌號(hào)等），這樣能更加形象、生動(dòng)、具體的將文化名城的風(fēng)貌展現(xiàn)到人們面前。如圖5，這幅照片是在紫金山山頂上拍攝完成的，由1百多張照片拼接成20億像素的長(zhǎng)畫幅照片，在俯覽南京城的同時(shí)還能通過放大照片清晰的看到建筑物。

4.矩陣接片在考古遺址中的應(yīng)用。出于文物保護(hù)的目的，有些考古遺跡是被禁止對(duì)外開放的。即便允許游客參觀，但光線和空間等因素的限制也會(huì)影響游客觀賞性，這樣就失去了文物本身的宣傳教育的功能。利用移動(dòng)接片技術(shù)，在充足光照的條件下對(duì)遺跡進(jìn)行信息采集，然后將采集到的圖像資料發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)或是終端機(jī)設(shè)備上，人們只要輕輕的點(diǎn)下鼠標(biāo)就能觀察到遺跡的風(fēng)貌，這樣在達(dá)到文物保護(hù)目的同時(shí)也克服了人們因空間和光線的限制帶來的瀏覽不便。而且人們可以在足不出戶的情況下“近距離”的觀察遺跡，為文化研究提供了便利，也更好地實(shí)現(xiàn)了文物的宣傳教育功能。

三、拍攝

（一）器材選擇

1.數(shù)碼相機(jī)。相機(jī)必須要有手動(dòng)檔功能，能調(diào)整光圈、感光度等。

2.鏡頭。在對(duì)繪畫、壁畫、手稿等進(jìn)行信息采集時(shí)，微距鏡頭是必不可少的。在對(duì)大場(chǎng)景以及摩崖雕刻等遠(yuǎn)距離進(jìn)行信息采集時(shí)，長(zhǎng)焦鏡頭也是必須的。而對(duì)建筑物進(jìn)行采集時(shí)，一般采用中長(zhǎng)焦鏡頭。根據(jù)拍攝物體的特征大小來選擇鏡頭，一幫選用28MM—200MM焦段的定焦鏡頭。

3.快門線。減少手抖造成照片質(zhì)量下降

4.存儲(chǔ)卡。在拍攝時(shí)一般都是以RAW格式拍攝，一張RAW圖片的容量通常在22M左右，所以在拍攝期間應(yīng)多備幾張大容量的存儲(chǔ)卡。

5.三腳架和全景云臺(tái)。腳架起到相機(jī)的水平以及穩(wěn)固的作用。云臺(tái)，可以保證相機(jī)以預(yù)定的角度進(jìn)行左右上下的旋轉(zhuǎn)。

6.軌道和臺(tái)架。用于水平面橫向和垂直面縱向移動(dòng)以及作為照相機(jī)的水平平臺(tái)。

7.偏振鏡。在拍攝壁畫等紙類繪畫作品時(shí)，可以消除反光。

8.水平尺、水平珠。用于衡量相機(jī)是否水平。

9.色溫記錄器。記錄當(dāng)時(shí)環(huán)境色溫。

10.燈光。主要分兩種：一種是無色差冷光源，避免熱光源產(chǎn)生的熱量對(duì)拍攝文物造成影響。一種是閃光燈，但要通過反光板反射使用，避免其直接的、瞬間的照射到文物上。

11.電腦。用于最終圖像的拼接合成。

（二）拍攝注意事項(xiàng)

1.選對(duì)鏡頭節(jié)點(diǎn)。所謂鏡頭節(jié)點(diǎn)也就是鏡頭的光學(xué)中心，穿過此點(diǎn)的光線不會(huì)發(fā)生折射。在進(jìn)行矩陣接片的拍攝時(shí)就要以鏡頭節(jié)點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，這樣在拍攝的多張照片中的物體就不會(huì)產(chǎn)生位移，后期照片拼接也不會(huì)出現(xiàn)拼接不上的情況。一般來說廣角鏡頭的鏡頭節(jié)點(diǎn)在靠近鏡片的位置，隨著焦段的不斷升高，節(jié)點(diǎn)位置會(huì)相應(yīng)的往后移動(dòng)。

2.在進(jìn)行接片的時(shí)候，必須始終保持腳架的穩(wěn)定，與位置不變。

3.在拍攝過程中不能隨便更改鏡頭焦段

4.拍攝時(shí)應(yīng)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)一次性的完成拍攝，避免在不同時(shí)間段內(nèi)拍攝一組接片時(shí)因?yàn)楣庹盏葪l件不一致導(dǎo)致照片無法合成。

5.關(guān)閉相機(jī)的自動(dòng)白平衡、自動(dòng)ISO感光度，禁止使用自動(dòng)曝光模式。

6.利用色溫表記錄當(dāng)時(shí)環(huán)境的色溫以便后期色溫還原。

7.以RAW文件格式拍攝可以還原出當(dāng)時(shí)的色溫。

（三）工作步驟

矩陣接片是一項(xiàng)前后銜接非常緊密的技術(shù)，它涉及到攝影、采光、測(cè)量、記錄以及后期計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用等。如果其中有一項(xiàng)工作做的不夠好，都有可能影響整體的出片效果，所以只有在各方面共同努力下，才可以順利的完成對(duì)被攝對(duì)象的信息采集。

1.前期計(jì)劃。該階段主要是對(duì)遺產(chǎn)現(xiàn)狀的分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，然后根據(jù)調(diào)研結(jié)果制定拍攝計(jì)劃，包括器材的選擇、選擇拍攝的時(shí)間和地點(diǎn)、采光方式以及拍攝的張數(shù)等等。以明孝陵為例，對(duì)陵墓的現(xiàn)狀分析之后，我們以神道中的石像為主要信息采集對(duì)象，而根據(jù)石像的大小、表面紋理以及周圍空間距離，我們決定采用85MM的定焦鏡頭，在石像的側(cè)面方向以4*4（4行4列）矩陣進(jìn)行拍攝。拍攝時(shí)間定在周一至周五的清晨或傍晚，避開游客的高峰時(shí)期，在早晨、傍晚進(jìn)行拍攝可以避免陽光的直射造成石像局部的反差過大。如圖6是明孝陵神道的麒麟，其采用4*4列的拍攝方式，最終拼接成1億像素的圖片，可以看清楚麒麟表面的紋理。

2.拍攝階段。該階段主要是以制定的拍攝計(jì)劃為依據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況（光照等）進(jìn)行有放失的拍攝（參見上述的拍攝注意事項(xiàng)）。

3.后期拼接發(fā)布。拍攝和拼接的聯(lián)系是相當(dāng)緊密的，拍攝的精準(zhǔn)性決定了后期拼接的難易程度，在拍攝過程中，腳架的不小心移位、某張照片曝光不準(zhǔn)確或是虛焦等現(xiàn)象都會(huì)給拼接帶來相當(dāng)大的麻煩，有時(shí)候甚至是致命的，所以拍攝和后期是相輔相成的兩個(gè)階段。

（1）整理、色溫還原。將拍攝的圖片分門別類，并用圖像處理工具還原出照片的真實(shí)色溫。數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片，在受光線以及環(huán)境的制約下，其照片的色溫值會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)所呈現(xiàn)的有很大出入，所以必須根據(jù)當(dāng)時(shí)色溫表記錄的環(huán)境色溫?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)軟件（如photoshop raw）將拍攝的文物的色溫進(jìn)行還原，以求能更真實(shí)的還原文物的風(fēng)貌。（根據(jù)色溫記錄器的值）。

（2）拼接?，F(xiàn)在用于照片拼接的軟件非常多，主要的有photoshop、PTGUI、Panorama Maker 5 Pro 、 Canon PhotoStitch 等。這里以PTGUI為例將拍攝的一組接片導(dǎo)入到PTGUI中，點(diǎn)擊對(duì)準(zhǔn)圖像，這時(shí)PTGUI會(huì)根據(jù)照片重合度自動(dòng)建立參考控制點(diǎn)，如果因部分照片的相似度太高、或是虛焦等原因造成軟件不能自動(dòng)識(shí)別控制點(diǎn)，也可以手動(dòng)建立參考控制點(diǎn)。當(dāng)所有控制點(diǎn)都匹配以后，點(diǎn)擊運(yùn)行優(yōu)化器后，最后再進(jìn)行全景圖片的輸出。

（3）發(fā)布。PTGUI軟件可以將拼接的照片生成JPG、TIF、PSD等圖片格式，但是這些圖片容量一般較大，而且必須用專門的查看器瀏覽，不易于傳播和推廣。利用PANO2VR等軟件可以將PTGUI生成的圖片進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成FLASH、HTML、quicktime等格式，并能有效壓縮容量，而這種格式的文件可以比較容易的上載到網(wǎng)站服務(wù)器，也可以與360全景漫游系統(tǒng)相結(jié)合結(jié)合，移植到多媒體支撐平臺(tái)上，更方便用戶的瀏覽體驗(yàn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、終端設(shè)備的發(fā)展普及，“隨時(shí)隨地”查看遺產(chǎn)信息、“身臨其境”的在線虛擬瀏覽文化遺址即將成為現(xiàn)實(shí)。