淺談多圖像三維數(shù)字化技術(shù)在文物保護方面的應(yīng)用

王興鑫 汪斌 祝蘭蘭

摘要：多圖像三維數(shù)字化技術(shù)可用于加工處理相關(guān)文物的數(shù)字化信息數(shù)據(jù)，建成數(shù)字化檔案。文物數(shù)字化已成為文物保護方面的發(fā)展趨勢，為文物的研究、虛擬修復(fù)、及人類歷史文化的傳承和傳播等，提供了一種方便、快捷、安全的方式。

關(guān)鍵詞：多圖像三維數(shù)字化 文物保護

引言

三維數(shù)字化模型運用在文物方面，對文物保護研究、鑒賞與展示等方面具有重要的意義。目前文物三維重建的方法包括攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光掃描等技術(shù)。攝影測量技術(shù)基于交匯測量原理，具有方便快捷、成本低廉等優(yōu)點，適用于大場景模型重建，但是攝影測量產(chǎn)生的點云冗余度較高，不利于后期修理模型;三維激光掃描技術(shù)，是目前應(yīng)用在數(shù)字化考古比較前沿的技術(shù)，其重建的靈活性、掃描的快速性，在大范圍場景的三維重建領(lǐng)域得到廣泛的認可，與攝影測量相同，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)冗余度較高;線結(jié)構(gòu)光的掃描技術(shù)在小物件的模型重建領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，浙江大學(xué)的任卿利用投影編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)完成了對金沙玉鑿和良渚文物黑陶鼎的三維模型重建，但有時文物表面存在鏡面反射和遮擋問題，需要進一步優(yōu)化設(shè)計。

寺廟等不可移動文物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受于地形限制，傳統(tǒng)考古很難對其進行詳細的記錄。隨著時代的發(fā)展，各種新技術(shù)應(yīng)用在田野考古中，可以輕松獲取建筑物的三維點云數(shù)據(jù)及無畸變的表面紋理圖像，實現(xiàn)了建筑物的數(shù)字化掃描重建，同時，采用模塊化設(shè)計方法，配套一系列易裝便攜式測量設(shè)備以及攝影設(shè)備，可滿足各種復(fù)雜建筑物的三維數(shù)字化需求。

2 技術(shù)優(yōu)勢： 多圖像三維數(shù)字化技術(shù)主要分成兩部分，一是相機的標定技術(shù)，二是多視圖立體匹配技術(shù)。

該技術(shù)應(yīng)用在文物保護上主要是有三個方面的優(yōu)勢：1.可以給瀏覽者一個全新的觀察體驗;2.對一些不能進行翻模的文物進行三維復(fù)制;3.用于一些殘缺文物的虛擬復(fù)原修復(fù)。文物經(jīng)歷經(jīng)過長年累月的洗禮，不可控地出現(xiàn)了不同程度的破損，用圖片的方式做記錄還是有所缺陷，所提供的信息不夠全面，不能夠完整的表達文物信息，而通過三維的技術(shù)手段就能夠詳實的記錄這些信息。

多圖像三維數(shù)字化技術(shù)在可用于小型可移動文物數(shù)字化采集，也同樣適用于大型遺址等不可移動文物的三維信息采集，并且具有顯著的優(yōu)勢，其影像數(shù)據(jù)作為基本的三維重建信息信息載體，是后續(xù)三維建模處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于文物的色彩還原方面通過采集色卡的方式進行約束，在后期自動計算軟件建模過程中，可生成自帶紋理貼圖的三維模型，且紋理細節(jié)表現(xiàn)較好?；诙鄨D像三維數(shù)字化技術(shù)的一般基本流程為：

3 技術(shù)應(yīng)用：

3.1 數(shù)據(jù)前期采集

在理想狀態(tài)下，基于多圖像的三維重構(gòu)數(shù)據(jù)宜圍繞整個需要采集的對象均勻的拍攝若干照片使整個采集對象的相關(guān)內(nèi)容能多角度、全方位的在圖像上予以采集，確保數(shù)據(jù)除了客觀因素的影響外，能盡可能重建整個對象的三維模型，所拍攝畫面需內(nèi)容清晰完整，無暗角陰影，一般一組多圖像數(shù)據(jù)采集照片張數(shù)為200張。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1.原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

將所拍攝的石質(zhì)構(gòu)件RAW格式的原始圖像數(shù)據(jù)通過AdobePhotoshop的CameraRaw插件，對原始圖像白平衡、亮度、對比度等進行統(tǒng)一調(diào)整。調(diào)整過程中，以色溫表記錄、色卡照片作為基礎(chǔ)素材，進行Raw格式照片的光照、色溫調(diào)節(jié)，輸出色彩保真的高質(zhì)量文物照片數(shù)據(jù)。

3.2.2.三維計算處理

將Photoshop處理完成輸出的色彩保真的高質(zhì)量文物照片數(shù)據(jù)通過自主開發(fā)的計算軟件進行計算。

3.2.3.數(shù)據(jù)后期處理

將計算完成的三維點云數(shù)據(jù)（.ply格式）通過逆向工程軟件進行處理，常用的軟件Rapidform及Geomagic等。處理完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出.ply或.obj等三維通用格式方便后期數(shù)據(jù)的運用。原始數(shù)據(jù)后期處理基本作業(yè)流程為：

4 小結(jié)

針對寺廟類建筑型等可移動文物，本文提出了一種非接觸式三維數(shù)字化的方法，采用自主開發(fā)的計算軟件進行計算，完成了對筑于復(fù)雜地形建筑文物的整體三維模型重建。進一步對模型數(shù)據(jù)進行尋找交錯面、法線旋轉(zhuǎn)、空洞修補、重新三角化等數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，對多組掃描構(gòu)成的多組數(shù)據(jù)進行拼接再次優(yōu)化，完成了對重建文物模型的數(shù)據(jù)分析。可滿足對文物進行現(xiàn)場三維數(shù)字化的需求，對進一步完善文物整體保護的科學(xué)基礎(chǔ)，健全客觀的文物信息檔案，保證保護研究工作的可持續(xù)性。

參考文獻

[1]Wang R S，Ren H E，Qiu Z W.A survey on the technologyon cultural relic 3Dreconstruction LJl. Science and TechnologyInformation：Scientific research，2007 （34）： 66.王若蘇，任洪娥，邱兆文.文物三維重建技術(shù)綜述[J].科技信息：科學(xué)教研，2007 （34）：6- 6.

[2] Ren Q， Diao C Y， Lu D M， et al. Threedimensionalreconstruction of cultural relicsbased on structural light EJl.Dunhuang Research。2005（5）：102 106.任卿，刁常宇，魯東明，等.基于結(jié)構(gòu)光的文物三維重建[J].敦煌研究，2005（5）：102-106.

[3]Zhu W Q. Continuous Depth Maps Merging based 3DReconstructionLDl.朱文嶠.基于連續(xù)深度融合的多視圖三維重建研究[D]。2013.04

[4]Wang Z，Sun S.Tang Z M.

The Three DimensionalReconstruction of Meridian Gate Site in the Middle Capital of theMing Dynasty Based on Oblique PhotogrammetryEJl，王志孫升唐仲明，梁建忠，基于傾斜攝影測量技術(shù)的明中都城午門遺址三維重建[J]，安徽建筑大學(xué)學(xué)報，2017，（Ol），pp.34-37