基于Remake的三維建模技術(shù)在摩崖石刻數(shù)字化重建中的應用

孫保燕，翁裕育，周賢君

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西桂林 541000)

0 引 言

摩崖石刻是中國古代的一種石刻藝術(shù)，指在山崖石壁上所刻的書法、造像或者巖畫。許多摩崖石刻為政治或文化名人所題，書法精美，所具有的歷史價值、藝術(shù)價值是不可取代的[1]。然而由于其長期暴露于自然環(huán)境中，摩崖石刻在日曬雨淋、風沙磨蝕等多種因素作用下不斷風化，前景堪憂。因此當務之急是采取有效的措施保護和保存這類珍貴的文化遺產(chǎn)。數(shù)字化三維重建技術(shù)能夠完整地保存石刻現(xiàn)狀，為日后的維護、修復和學術(shù)研究提供真實、詳盡的科學依據(jù)。

近年來，隨著三維掃描技術(shù)迅速發(fā)展，在三維模型重建領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應用。文物掃描由于精度要求較高，目前普遍采用光柵式結(jié)構(gòu)光三維掃描，能夠快速獲取被測目標的點云圖[2-3]。處理后的點云數(shù)據(jù)進行三維建模，最終得到高精度的模型數(shù)據(jù)。但由于三維掃描儀器架設高度的限制，無法掃描到較高位置的石刻，且點云數(shù)據(jù)的完整性易受掃描角度的影響。儀器成本高且架設繁瑣，這些因素對利用該方法對摩崖石刻進行數(shù)字化重建產(chǎn)生一定的局限性。

Autodesk公司于2016年5月發(fā)布了利用數(shù)字影像創(chuàng)建三維模型的軟件Remake。其主要功能是將一系列影像轉(zhuǎn)化為高分辨率的三維網(wǎng)格模型，且利用其提供的智能工具箱對模型進行清理、修復和優(yōu)化，成果可用于設計開發(fā)、數(shù)字保存、虛擬現(xiàn)實以及工業(yè)制造等。本研究基于Remake軟件進行摩崖石刻高精度數(shù)字化建模，并與同一石刻的三維掃描建立的三維模型進行對比分析。

1 基于Remake三維建模方法概述

基于Remake的三維建模是根據(jù)所拍攝的物體多視角影像在Remake中進行處理，獲取影像中被攝物體表面帶有空間信息和色彩信息的三維點云數(shù)據(jù)，重構(gòu)三維數(shù)字模型，是一種對三維物體進行快速逆向建模的技術(shù)。與傳統(tǒng)的利用建模軟件或三維掃描儀得到立體模型的方法相比，基于影像建模的方法成本低廉，真實感強，簡單快速，具有廣泛的應用前景[4]。

本研究利用數(shù)字相機對全國重點文物保護單位桂林市“桂海碑林”內(nèi)的摩崖石刻進行數(shù)字影像拍攝，并將篩選后的數(shù)字影像導入Remake軟件中，選取需要導出的精度和格式，經(jīng)過影像匹配處理后導出點云數(shù)據(jù)并進行三維建模，最終得到重建的摩崖石刻高精度三維模型。圖1為該方法的主要技術(shù)流程。

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technology flow chart

2 數(shù)據(jù)獲取

為保證重建模型的精度，本研究采用專業(yè)級的尼康D800E數(shù)字單反相機，對試驗所選摩崖石刻進行實地勘察后選擇最佳拍攝地點，根據(jù)摩崖石刻的外觀形狀進行多角度拍攝。影像的拍攝是后期實現(xiàn)摩崖石刻三維數(shù)字化重建的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，每次拍攝的位置、光的條件、被攝物體表面的反射及任何相機傳感器的數(shù)據(jù)，直接影響采集到的影像質(zhì)量，因此拍攝時需注意：1)相鄰影像要有一定程度的重疊，通過前期試驗得出相鄰影像繞目標石刻旋轉(zhuǎn)10°～15°能夠很好地還原物體的三維模型，且在光學變焦下將精細拍攝的細部與整體結(jié)合進行建?？商岣吣Ｐ偷木?；2)對于拍攝環(huán)境光源的控制，優(yōu)選是人工持續(xù)光源，其次是自然光源，不可在陽光直射光下或閃光燈下拍攝，且光源必須是穩(wěn)定的漫射光，避免在石刻表面產(chǎn)生光斑；3)相機的參數(shù)應保持恒定，特別是光圈和快門參數(shù)，拍攝時注意將被攝物體置于影像中心，以減小透視畸變；4)為了防止拍攝時鏡頭抖動造成影像模糊，應使用三腳架和快門線進行拍攝。圖2為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.2 Sketch map of data acquisition

3 數(shù)據(jù)處理

3．1 數(shù)字化重建

將外業(yè)拍攝的影像進行篩選，去掉對焦模糊的不合格影像，調(diào)整曝光不準確的影像，將整理后的影像導入Autodesk Remake軟件，設置要創(chuàng)建的點云或模型的質(zhì)量、是否進行紋理映射等參數(shù)，進行自動化影像匹配和影像處理。Remake軟件本地模式下對計算機硬件配置要求較高，為提高效率使用圖形工作站進行處理；同時該軟件具備在線服務模式，將影像傳輸?shù)皆贫朔掌鬟M行計算，通過計算機網(wǎng)絡共享數(shù)據(jù)處理后把成果返回給用戶。這種通過云服務計算的方法優(yōu)點是節(jié)約時間和不受計算機硬件配置的限制[5]。在本次試驗中，對摩崖石刻分別從下往上依次進行三組180度的拍攝，，篩選后共有54張數(shù)字影像用于重構(gòu)建模，生成的點云數(shù)據(jù)除了具有空間屬性外，還具有與影像像素對應的色彩屬性(紅/綠/藍，RGB值)。

3．2 模型修整

由Remake導出的文件分為兩種格式，一種是帶有色彩、空間信息的三維點云數(shù)據(jù)文件，一種是帶有紋理的網(wǎng)格模型(圖3)。將導出的模型或點云數(shù)據(jù)文件通過Remake的編輯模式進行修整：1)對于模型文件，首先仔細檢查模型的完整度，記錄下缺漏或不清晰的位置進行局部補充拍攝，若局部拍攝不能消除該缺陷，為保證模型的精確性，應全部重新拍攝；再通過編輯工具去除目標石刻之外的其他物體，裁切出所需逆向的石刻部分；最后通過標識點等比例縮放到實際尺寸后進行保存。2)對于點云文件，同樣應進行完整度檢查和刪除目標石刻外的其他物體，再導入到Geomagic Studio軟件進行點云數(shù)據(jù)的去噪、采樣、封裝，得到修整后的模型[6](圖4)。通過以上兩種方式均可導出帶有紋理的摩崖石刻數(shù)字化模型數(shù)據(jù)文件。

圖3 帶紋理信息的石刻三維模型Fig.3 3D model of cliff carving with texture information

圖4 Geomagic Studio封裝的三維網(wǎng)格模型Fig.4 3D mesh model created by Geomagic Studio

4 數(shù)據(jù)精度分析

數(shù)據(jù)精度是評價數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要標準，本研究將基于Remake的三維建模技術(shù)得出的點云數(shù)據(jù)與用結(jié)構(gòu)光三維掃描同一石刻的點云數(shù)據(jù)進行對比，利用兩類點云之間的垂直偏差評估本研究方法獲得數(shù)據(jù)的精度。

參考試驗組的儀器采用EaScan-Q結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，主要技術(shù)指標為：點距0.08～0.31mm，精度為0.02～0.05mm。該精度遠超出摩崖石刻模型精度要求，作為參考對象誤差可忽略不計。圖5為該儀器獲得的點云數(shù)據(jù)。

圖5 三維掃描點云數(shù)據(jù)Fig.5 Point cloud data of 3D scanning

兩類點云數(shù)據(jù)都是離散的點，很難找到具有相同平面坐標的點計算垂直偏差。使用Geomagic Studio軟件使點云進行對齊，將結(jié)構(gòu)光三維掃描的點云設定為參考點云，基于Remake三維建模獲得的點云設定為比較點云。然后以比較點云中選取的特征點為圓心，不斷擴大搜索半徑，直到在參考點云中尋找到距離最近的參考點(圖6箭頭所示)，然后計算點對之間的垂直分量(圖6中的v1，v2，…)，以最近點對之間的垂直分量作為數(shù)據(jù)的垂直偏差[7]。為了保證偏差最小化，數(shù)據(jù)掃描時參考點云密度應高于比較點云。利用上述方法計算得到抽樣選取的42個特征點的對比結(jié)果(表1)，分析可知兩組數(shù)據(jù)的特征點之間平均偏差為0．93mm，說明平均擬合精度高， 93．7%的偏差小于1．4mm，小偏差范圍分布面大。在此試驗基礎(chǔ)上，還可添加大量的細部影像以提高三維模型的精度。依據(jù)此擬合分析說明基于Remake三維建模技術(shù)生成的點云在單點及整體精度上都達到了較高的水準，完全可以滿足大型摩崖石刻數(shù)字化重建要求。

圖6 計算數(shù)據(jù)垂直偏差示意圖Fig.6 Schematic diagram of calculating vertical deviation表1 特征點精度對比Table 1 Accuracy comparison of feature points (mm)

5 結(jié)果與討論

本研究基于Remake照片三維建模技術(shù)重建的摩崖石刻三維模型，作為摩崖石刻完整、準確的數(shù)字檔案。通過本試驗可總結(jié)其所具備的優(yōu)勢：

1) 本技術(shù)能夠迅速精確地完成石刻數(shù)字化重建，這對于表面復雜的石刻來說，用傳統(tǒng)測量方法幾乎是無法完成的。非接觸式測量能夠最大限度地防止測量時對石刻等文物的干預；數(shù)據(jù)采集過程簡單，降低了外業(yè)工作強度，且設備成本低，能夠大規(guī)模推廣應用；基于Remake軟件的自動影像匹配技術(shù)解決了以往照片建模需要通過復雜標定等后期處理的技術(shù)難關(guān)。

2) 本技術(shù)解決了三維掃描儀等測量設備受到地面作業(yè)限制無法獲取摩崖石刻立面上半部分細部的問題。為三維掃描儀角度受限的問題提供了解決的方法，對于石刻頂部高度較低(不大于6m)的目標，可以將相機安裝在帶有四軸遠程操控云臺的可伸縮腳架上進行拍攝。對于離地面高度較高的目標，可以采用帶有高清攝影的微型無人航拍器在空中獲取高角度的影像，與地面拍攝數(shù)據(jù)合成使數(shù)字化成果更加完善。

3) 利用本方法進行逆向建模能夠構(gòu)造出具有真實紋理的三維模型，在視覺上與目標石刻沒有明顯的差異，滿足真實感視覺的要求。因此，除作為文物數(shù)字檔案庫儲存外，還可直接運用于沉浸式的虛擬現(xiàn)實中。成果可通過Remake云服務器在網(wǎng)絡平臺上提供摩崖石刻三維模型的平移與放縮，多角度自由場景漫游等可視化展示，加入石刻相關(guān)屬性信息，為摩崖石刻的保護性修繕及旅游宣傳提供了新途徑。

6 結(jié) 論

本研究利用基于Remake三維建模技術(shù)與實際應用的實例，對摩崖石刻的數(shù)字化重建進行了研究，提出了一種迅速精確對石刻逆向建模的方法。較傳統(tǒng)的三維掃描方法具有速度快、外業(yè)強度低、細部效果完善、成本低廉、真實感強等優(yōu)勢。試驗對比分析顯示，本研究采用的技術(shù)方法具有良好的可行性，為復雜的摩崖石刻數(shù)字化重建工作提供了新的便捷通道，具有很好的推廣應用前景。