多視角影像三維重建技術(shù)與考古遺物繪圖

摘要：多視角影像三維重建技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識(shí)，在考古遺物繪圖領(lǐng)域多有應(yīng)用，并根據(jù)人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，機(jī)器本身學(xué)習(xí)大量相關(guān)圖片的同時(shí)，內(nèi)部通過匹配對(duì)應(yīng)圖像算法方式，在科考人員拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片后，即可通過調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部圖片庫(kù)形式，將文物的關(guān)鍵點(diǎn)用坐標(biāo)識(shí)別形式，有效提升匹配正確率，繪圖結(jié)果也將有效還原文物真實(shí)形態(tài)。

關(guān)鍵詞：多視角影像;三維重建技術(shù);考古遺物繪圖

伴隨三維影像技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)出土文物繪圖難度大、文物保存不完整等現(xiàn)狀特點(diǎn)，使用三維圖像采集法，利用拍攝設(shè)備實(shí)現(xiàn)高分辨率規(guī)格影像制作，還可根據(jù)圖像匹配結(jié)果完成幾何矢量圖形實(shí)時(shí)遙感測(cè)繪、計(jì)算機(jī)本身實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析圖像特性目標(biāo)的同時(shí)，快速完成對(duì)圖像關(guān)鍵點(diǎn)的搜尋，進(jìn)而構(gòu)建出合理的三維模型。也可使用重建技術(shù)讓拍攝結(jié)果還原性有效提升，對(duì)測(cè)繪人員與考古分析人員的技術(shù)水平要求將在高度集成自動(dòng)化背景下有所下調(diào)，為生成具有仿生還原性的圖像提供便利。本文對(duì)多視角影像三維重建技術(shù)的應(yīng)用路徑與考古遺物繪圖方法做論述。

多視角影像三維重建技術(shù)的應(yīng)用

作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)，多視角影像三維重建技術(shù)可根據(jù)矢量圖形分離特點(diǎn)，將范圍內(nèi)物體用計(jì)算機(jī)圖形建模語言確定對(duì)應(yīng)物體坐標(biāo)，并可根據(jù)采集結(jié)果完成影像實(shí)時(shí)拼接，不但讓景物還原性提升，對(duì)相對(duì)難拼接的圖像而言，還可通過融合坐標(biāo)方式，建立三維立體空間直角坐標(biāo)系，用相對(duì)全面的視角拍攝全方位物體圖像，根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)特點(diǎn)，自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，找到最佳直角坐標(biāo)系，也可在捕獲對(duì)應(yīng)圖片后，在后臺(tái)處理數(shù)據(jù)時(shí)，通過圖像識(shí)別軟件將預(yù)處理過程得以完成，也可利用人機(jī)交互方式，建立全球維度衛(wèi)星坐標(biāo)，對(duì)部分難以拾取的坐標(biāo)點(diǎn)使用三角編程方法，生成對(duì)應(yīng)坐標(biāo)文件，對(duì)部分實(shí)際情況還可使用手動(dòng)測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)預(yù)期坐標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量過程。

無人機(jī)攝影技術(shù)的推廣讓圖像捕捉難度有所下降，并可在一秒內(nèi)連續(xù)拍攝多張對(duì)應(yīng)圖像畫面，在設(shè)置分辨率與圖像拍攝速率時(shí)，都可做到按需進(jìn)行，對(duì)圖像矢量點(diǎn)陣的排列方法也將在系統(tǒng)相對(duì)科學(xué)的規(guī)劃下進(jìn)行，在給定對(duì)應(yīng)搜索范圍后，便可借助攝影器件完成對(duì)應(yīng)圖像的實(shí)時(shí)捕捉，不但讓測(cè)繪質(zhì)量與精度有所提升，還可使用對(duì)應(yīng)特征算法，讓圖像獨(dú)一無二的特點(diǎn)被系統(tǒng)詳細(xì)記錄，匹配對(duì)應(yīng)點(diǎn)位難度將有所降低，即根據(jù)圖像視野內(nèi)空間圖形特點(diǎn)，利用仿生標(biāo)準(zhǔn)圖形方式，對(duì)所有特征點(diǎn)以點(diǎn)集形式記錄，并在搜索窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)疊加，對(duì)同一物體的不同圖像拼接時(shí)，根據(jù)相同集合的拼接結(jié)果，匹配最符合條件的算法，并根據(jù)匹配強(qiáng)度使用迭代或中值累加方式，讓兩個(gè)圖像的共有部分得以形成。

根據(jù)拍攝結(jié)果，使用順序化圖像序列，可根據(jù)拍攝結(jié)果對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使最終測(cè)繪結(jié)果符合人體感知特點(diǎn)，即拍攝圖像處于靜態(tài)模式，通過疊加視覺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型建構(gòu)，并可根據(jù)不同時(shí)間的拍攝結(jié)果，設(shè)置對(duì)應(yīng)矩陣，根據(jù)矩陣內(nèi)計(jì)算結(jié)果不斷累加匹配，匹配算法以用戶設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為主，為得到最佳計(jì)算結(jié)果往往需通過多次匹配步驟得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)測(cè)繪圖像特征與實(shí)物基本一致后，便可確定最終測(cè)繪結(jié)果，即對(duì)數(shù)據(jù)初始化時(shí)，首先通過二維影像匹配與對(duì)應(yīng)圖形還原度高的模型，建立空間直角坐標(biāo)系后，根據(jù)魯棒效應(yīng)建立對(duì)應(yīng)約束與矩陣，在對(duì)矩陣內(nèi)部逐漸分解為預(yù)期達(dá)到陣列后，得出對(duì)應(yīng)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。

在計(jì)算相鄰圖像坐標(biāo)與數(shù)據(jù)時(shí)，可通過融合初始數(shù)據(jù)特點(diǎn)方法，搜集相鄰點(diǎn)位坐標(biāo)具有的共同特性，完成層層篩選步驟后得出對(duì)應(yīng)計(jì)算模型，并根據(jù)對(duì)應(yīng)位置關(guān)系計(jì)算最終結(jié)果，在將對(duì)應(yīng)點(diǎn)集坐標(biāo)用魯棒效應(yīng)提取后，可根據(jù)預(yù)期生成圖像特點(diǎn)，使用三維與二維圖像疊加產(chǎn)生的視覺沖擊與傳達(dá)效應(yīng)求解，生成的新圖像不但對(duì)二維與三維圖像基本特點(diǎn)有所保留，還可通過還原度高的方法讓相關(guān)計(jì)算模型具備仿生特點(diǎn)。考慮到拍攝設(shè)備與技術(shù)不斷優(yōu)化，設(shè)備在拍攝期間即可通過聯(lián)網(wǎng)方式與后臺(tái)控制主機(jī)取得聯(lián)系，采樣路徑與影像特點(diǎn)具有可控制性，在有效還原拍攝結(jié)果的同時(shí)，利用相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)的集合特點(diǎn)，讓相關(guān)流程自動(dòng)化水平得以提高，并可通過機(jī)器學(xué)習(xí)方式，進(jìn)一步提升算法與預(yù)期計(jì)算方式，實(shí)時(shí)傳輸?shù)漠嬅娌坏子谔幚恚€因相關(guān)操作具有便捷特點(diǎn)而讓應(yīng)用范圍得以進(jìn)一步延伸。

考古遺物繪圖方法探究

拍攝符合研究標(biāo)準(zhǔn)的圖像是提升繪圖與圖像處理效率的根本，不但需在硬件設(shè)備上得到技術(shù)支持，還需在人工處理圖像和分析軟件上進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，方可達(dá)到預(yù)期效果。為進(jìn)一步提升拍攝質(zhì)量，可根據(jù)實(shí)際預(yù)算情況，使用支持拍攝高清晰圖像的移動(dòng)拍攝設(shè)備，如無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)高清攝影機(jī)都可被文物測(cè)繪工作者選擇。與傳統(tǒng)手持拍攝相比，設(shè)備在惡劣的天氣條件下也可充分適應(yīng)，不但具有良好防水性與防雷達(dá)屏蔽信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)備本身帶有的定位系統(tǒng)也將具有實(shí)時(shí)定位功能，在后臺(tái)追蹤設(shè)備運(yùn)行時(shí)，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)路徑與鏡頭朝向都可被操作者輕松控制。另外拍攝時(shí)存在的抖動(dòng)幅度過大問題也在對(duì)應(yīng)設(shè)備技術(shù)升級(jí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)固件不但支持防抖特性，還可通過調(diào)節(jié)ISO方法，提升拍攝效率與質(zhì)量，人工控制噪點(diǎn)能力得到迅速提升，影像獲取難度也將有所下降。

在使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行文物拍攝時(shí)，使用手動(dòng)模式完成圖像曝光，設(shè)置合理光圈范圍，確保圖像景深與色彩還原度，調(diào)節(jié)光感，并根據(jù)圖像周圍環(huán)境調(diào)節(jié)感光度，對(duì)影像環(huán)境的固有特點(diǎn)完成手動(dòng)調(diào)節(jié)，使用三維影像重建技術(shù)，使圖像方便在不同角度拍攝。并可根據(jù)拍攝需求方便后期處理，減少不必要的返工步驟。另外部分低分辨率圖像難免因抖動(dòng)等原因而導(dǎo)致最終視覺呈現(xiàn)效果不佳現(xiàn)象出現(xiàn)，不但無助于完成對(duì)應(yīng)圖像的拼接，還將加大后期返工成本，為此可考慮在拍攝鏡頭下墊一塊遮光板，部分圖像偏黯淡的視覺呈現(xiàn)效果可通過后期圖像處理軟件進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。在完成飛行拍攝時(shí)，對(duì)照片拍攝角度的選取需具備合理特點(diǎn)，為有效提升拍攝質(zhì)量還可考慮在拍攝前對(duì)文物質(zhì)量與方位地理坐標(biāo)做全方位了解，為有效提升拍攝效率，需在拍攝前對(duì)設(shè)備預(yù)期運(yùn)行路線與一分鐘內(nèi)拍攝張數(shù)做手動(dòng)調(diào)節(jié)，不但需具備良好拍攝能力與應(yīng)變能力，還應(yīng)根據(jù)不同文物特點(diǎn)設(shè)置個(gè)性化拍攝方案，以滿足對(duì)應(yīng)需求。

一秒內(nèi)連續(xù)拍攝多張圖像，后續(xù)進(jìn)行拼接也將有助于提升圖像拍攝質(zhì)量，使用三維建模法匹配對(duì)應(yīng)空間直角坐標(biāo)，后通過機(jī)器學(xué)習(xí)方式與系統(tǒng)內(nèi)已知圖像完成高精匹配，將讓身處不同位置的圖形具有相似的圖像處理方式，考慮到不規(guī)則形態(tài)的出土文物占比較大，為此在進(jìn)行對(duì)應(yīng)算法匹配編程時(shí)，還需注意對(duì)相關(guān)變量的合理預(yù)估，并找尋最佳觀賞角度，即相同物體在不同視角觀賞時(shí)，可能呈現(xiàn)相對(duì)差異較大的視覺呈現(xiàn)效果，另外對(duì)背景顏色的選擇也將間接決定圖像拍攝結(jié)果。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)圖像的精準(zhǔn)測(cè)量，提升拍攝質(zhì)量，還可考慮根據(jù)差異化較大的圖像特點(diǎn)，設(shè)置對(duì)應(yīng)拍攝方案形式，降低圖像返修率，也可根據(jù)需要對(duì)圖像進(jìn)行全方位、全維度拍攝。因相關(guān)定位系統(tǒng)在拍攝設(shè)備內(nèi)部即有安裝，在設(shè)置為垂直或懸空模式進(jìn)行拍攝步驟時(shí)，還可考慮添加沙箱完成拍攝，對(duì)部分單一畫面不易裝下的物體而言，調(diào)節(jié)拍攝角度與鏡頭廣角可有效解決不易拍攝的問題。另外，周圍環(huán)境的不可替代也讓相關(guān)拍攝難度有所加大，進(jìn)行全視角拍攝離不開相關(guān)繪圖軟件的配合，進(jìn)行三維空間匹配算法時(shí)，也需充分考慮對(duì)應(yīng)圖像與光線的疊加效應(yīng)，為此在拍攝前還可查閱當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，并根據(jù)攝影知識(shí)，選擇光線最佳的拍攝時(shí)間，也將顯著提升拍攝效果。

在對(duì)部分不規(guī)則文物進(jìn)行拍攝時(shí)，一般使用俯視拍攝形式完成相關(guān)測(cè)繪工作，在到達(dá)對(duì)應(yīng)位置后，定位系統(tǒng)即可精準(zhǔn)確定文物位置，后可通過單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備方式，讓拍攝設(shè)備在單一點(diǎn)位內(nèi)完成多次旋轉(zhuǎn)，因圖像在矢量疊加處理時(shí)具有重復(fù)特點(diǎn)，可根據(jù)給定的廣角與光圈大小確定對(duì)應(yīng)參數(shù)，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度知識(shí)，對(duì)同一點(diǎn)位拍攝20—30張不同圖像以滿足使用。不但讓圖像通過多角度旋轉(zhuǎn)拍攝形式得以完整記錄，還可將圖像顏色還原度有效提升，文物的旋轉(zhuǎn)也可通過相關(guān)三維建模軟件得以清晰還原，并根據(jù)三維重建技術(shù)，生成對(duì)應(yīng)圖像模型，并在系統(tǒng)中予以記錄，實(shí)現(xiàn)測(cè)繪者的目的。

多視角影像三維技術(shù)不但在考古遺物繪圖領(lǐng)域有所應(yīng)用，近年來在地理信息測(cè)繪上也有所涉及，伴隨相關(guān)技術(shù)的不斷完善與硬件設(shè)備的迭代更新，未來將無需過多人工參與，即可拍攝、還原高精度文物圖像，滿足研究需求。

（作者王芳，學(xué)歷：大學(xué)本科，館員，單位：許昌市文物考古研究管理所，研究方向：考古發(fā)掘、考古勘探）

參考文獻(xiàn)

（1）李碩明、陳越，基于聯(lián)合特征匹配的多視角三維重建方法[J]，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2016，25（10）：205—208;

（2）楊寶，高平羊頭山石窟多視角三維重建拍攝方法探索[J]，文物鑒定與鑒賞（下半月刊），2019（2）：61—63;

（3）王云龍、李昕迪、高鳳嬌等，基于多視角圖像的三維人臉重建[J]，自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（4）：124—127;

（4）劉建國(guó)，可移動(dòng)文物的多視角影像三維重建[J]，考古，2016（1）：97—103;

（5）張蕾，可移動(dòng)文物多視角三維重建的拍攝方法探索[J]，華夏考古，2018（1）：123—128。