遺址保護(hù)中的多視角三維重建技術(shù)應(yīng)用

白云峰

我國(guó)歷史悠久，文化遺產(chǎn)眾多，目前，野外大多數(shù)遺址瀕臨著多種自然威脅和人為擾動(dòng)危害，保護(hù)工作刻不容緩?？辈鞙y(cè)繪是野外遺址保護(hù)的前提，也是保存現(xiàn)狀評(píng)估、病害程度評(píng)價(jià)的主要依據(jù)，同時(shí)也是保護(hù)方案設(shè)計(jì)、保護(hù)工程實(shí)施的基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)測(cè)繪手段和方法，多視角三維重建技術(shù)可以通過(guò)照片建立遺址三維實(shí)景矢量模型，能夠滿足遺址勘察測(cè)繪的要求。在“文旅+科技”融合的大背景下，使用多視角三維重建技術(shù)為1∶1復(fù)原文物提供了可能，讓古人的智慧在現(xiàn)代社會(huì)中顯現(xiàn)光芒。當(dāng)下，在國(guó)與國(guó)之間交往愈發(fā)密切的帶動(dòng)下，文物已經(jīng)成為彰顯民族歷史和文明的有效載體，基于技術(shù)的進(jìn)步，文物保護(hù)工作也更加系統(tǒng)、全面、多視角三維重建技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)字化修繕文物、展現(xiàn)文物原貌、提升文物保護(hù)的價(jià)值成為新的技術(shù)手段。

多視角三維重建技術(shù)

多視角三維重建（Multi-view 3d Reconstruction）是指通過(guò)照相機(jī)在不同角度對(duì)某個(gè)場(chǎng)景及對(duì)象進(jìn)行拍攝，獲取被攝物體的形狀、位置、大小、特性及其相互關(guān)系的影像，然后利用拍攝到的多視圖序列來(lái)恢復(fù)重構(gòu)場(chǎng)景及場(chǎng)景中對(duì)象的三維模型，為文物建筑保護(hù)工作提供支持。結(jié)合多視角三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)文物建筑全面數(shù)字化的分析與建檔，此種工作方法，相比于三維激光掃描技術(shù)，具有外業(yè)操作效率高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理快，模型效果更加真實(shí)等優(yōu)勢(shì)，適合在文物建筑保護(hù)工作中推廣使用，這項(xiàng)技術(shù)在文物保護(hù)學(xué)已有一些應(yīng)用及研究，社科院考古所的劉建國(guó)在遼寧建昌縣東大杖子墓地進(jìn)行的三維建模與探索、在新疆室外考古遺址的超低空拍攝與數(shù)據(jù)處理、可移動(dòng)文物的多視角影像三維重建等方面不僅給出了拍攝照片方面的流程與參數(shù)，對(duì)于數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面從文物保護(hù)的角度提出了一些相應(yīng)的方法。

尤其在古建筑、古村落、古墓葬等復(fù)雜的野外文物古跡勘察保護(hù)中，可以利用多視角三維重建技術(shù)提升其精確性。同時(shí)，多視角三維重建技術(shù)采用非接觸測(cè)量方法，不會(huì)對(duì)被掃描的文物產(chǎn)生損傷，加強(qiáng)了對(duì)文物的安全保護(hù)，避免了在測(cè)量過(guò)程中對(duì)文物產(chǎn)生的損害，實(shí)踐證明，該技術(shù)對(duì)于文物保護(hù)適用且可靠。

多視角三維重建技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

多視角三維重建技術(shù)具有高度的智能化，不用過(guò)多人為參與，拍攝遺址不同角度的照片，獲得目標(biāo)物表面的三維坐標(biāo)信息，通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模。

多視角三維重建技術(shù)通過(guò)軟件自動(dòng)化過(guò)程，能夠快速、準(zhǔn)確地建立遺址的三維模型，建模測(cè)繪效率要比常規(guī)測(cè)繪技術(shù)更快。在遺址的測(cè)繪中，多視角三維重建技術(shù)能夠詳細(xì)地保留物體的基本特征，且非常的快速高效。

與三維激光掃描相比，獲取被拍攝對(duì)象特征點(diǎn)的數(shù)目較少，點(diǎn)云與照片紋理可以嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，通過(guò)模型可以導(dǎo)出所需的正射影像、數(shù)字高程模型等，并可應(yīng)用于其他的繪圖軟件繪制平面圖、等高線圖，以及量取三維坐標(biāo)、獲取空間形態(tài)信息等。

多視角三維重建技術(shù)是一種非接觸式的測(cè)量方法，通過(guò)照片采集物體表面的三維數(shù)據(jù)信息，能夠有效避免一些異形文物在測(cè)繪中的二次損壞。

多視角三維重建技術(shù)在文物保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用

多視角三維重建技術(shù)具有高度的模擬價(jià)值，也具有高識(shí)別性。通過(guò)三維建模能夠獲得云數(shù)據(jù)圖，進(jìn)行文物古跡的安全評(píng)估和預(yù)防監(jiān)測(cè)。比如一些古建筑文物容易出現(xiàn)坍塌的問(wèn)題，利用多視角三維重建技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，能夠分析該建筑在近期是否有坍塌的趨勢(shì)，從而保證古建筑的安全性。通過(guò)兩次精準(zhǔn)測(cè)量對(duì)比，分析古建筑在測(cè)量中的變形值或者破壞面積比，從而監(jiān)測(cè)該文物的建筑結(jié)構(gòu)安全，避免了坍塌的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

因?yàn)槎嘁暯侨S重建技術(shù)能夠記錄文物的空間信息、色彩信息，所以說(shuō)它能夠在電腦中還原成其本來(lái)面貌，并且保留其顏色特征。所以說(shuō)運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)能夠在電腦中重現(xiàn)該文物且避免了游客長(zhǎng)時(shí)間觀摩對(duì)文物造成的損害。例如，故宮博物院和敦煌研究院利用三維數(shù)字化掃描技術(shù)、數(shù)字360°全景技術(shù)和VR技術(shù)做好了重要文物的電子化呈現(xiàn)，將古代文化遺產(chǎn)全方位保存，內(nèi)蒙古博物院的流動(dòng)數(shù)字博物館展車?yán)肁R掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化趣味展示，很多景點(diǎn)也通過(guò)三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了VR展示，比如浙江舜王廟采用了線上360度數(shù)字導(dǎo)覽，方便了游客也降低了工作人員引導(dǎo)壓力;首都博物館和甘肅省博物館也將部分展示文物以三維數(shù)字模型的方式投放到線上端口，方便了文物與公眾的展示和交流。

文物的生命只有一次，加強(qiáng)文物的保護(hù)，做好文物的修復(fù)是非常關(guān)鍵的。而當(dāng)下多視角三維重建技術(shù)已經(jīng)成為文物保護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)。在2019年，法國(guó)巴黎圣母院在一場(chǎng)大火中受損嚴(yán)重，無(wú)疑是全世界文化遺產(chǎn)的損失，而這場(chǎng)大火更為文物保護(hù)者敲響警鐘。好在2015年，美國(guó)建筑學(xué)家安德魯為巴黎圣母院進(jìn)行了三維掃描，并獲取了建筑整體的三維模型，三維模型對(duì)了解圣母院內(nèi)部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的意義，且實(shí)際的精度非常高，誤差大約只有五毫米。而正是這份三維模型存檔，將成為法國(guó)巴黎圣母院重建的關(guān)鍵。在近些年多視角三維重建技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用到文物保護(hù)中，也取得了非常好的成果，如果能夠用好該技術(shù)，能夠促進(jìn)文物保護(hù)工作的順利進(jìn)行。

多視角三維重建技術(shù)的基本流程

利用多視角三維重建技術(shù)輔助文物的數(shù)字化和文物的保護(hù)與復(fù)原已經(jīng)成為主流的發(fā)展趨勢(shì)。為了方便論述，以呼和浩特市萬(wàn)部華嚴(yán)經(jīng)塔的多視角三維重建技術(shù)流程為例闡述其工藝流程。

要做好文物保護(hù)的前期調(diào)研，因?yàn)槲奈镉绕涫枪沤ㄖ浅Ｈ菀资艿綋p害，做好現(xiàn)場(chǎng)勘查非常有必要。在獲取文物整體結(jié)構(gòu)信息之后，才可以進(jìn)行后續(xù)的測(cè)繪和掃描工作。

制作顏色明顯的標(biāo)靶，將標(biāo)靶布控在塔底四周的明顯的位置，布置至少4個(gè)控制點(diǎn)，保證在采集的影像中能明確看到標(biāo)靶中心，使用電子全站儀瞄準(zhǔn)控制點(diǎn)中心進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)y(cè)量精度控制在誤差3至5毫米。

無(wú)人機(jī)在距離萬(wàn)部華嚴(yán)經(jīng)塔塔身5米處沿塔的每個(gè)角自上而下垂直飛行，保持鏡頭與垂直方向呈5°的傾角，逐個(gè)拍完8個(gè)角，對(duì)塔基拍攝時(shí)，鏡頭要與垂直方向呈40°傾角，與塔身的距離約10米，這樣就能完整地拍攝到塔身周邊的地面和預(yù)先布設(shè)的控制點(diǎn)標(biāo)靶。采集照片完成后，現(xiàn)場(chǎng)檢查采集的影像照片，如果有沒(méi)有拍到的部分，例如塔檐下方，可再用相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)拍，確保整體塔身沒(méi)有漏拍的位置。

數(shù)據(jù)獲取之后，還需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。內(nèi)業(yè)處理主要是將得到的照片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合和色彩優(yōu)化，最終形成完整的三維模型數(shù)據(jù)，同時(shí)利用數(shù)據(jù)還能生成塔體軸測(cè)圖、建筑平面圖、剖面圖、仰視圖等點(diǎn)云數(shù)據(jù)，整體圖紙可以達(dá)到幾十張，以滿足各種情況下的使用需求。

利用生成的三維實(shí)景矢量模型，可以多角度對(duì)塔身的殘損情況進(jìn)行調(diào)查，不再需要在現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)腳手架，大大節(jié)省了人力物力，提高了工作效率。三維實(shí)景矢量模型上可對(duì)塔身各個(gè)部位的尺寸進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪，也可以對(duì)塔身傾斜角度進(jìn)行測(cè)量。也可切割模型，可分別繪制塔身每一層的平面圖和剖面圖，同時(shí)，也建立了完整的文物本體數(shù)字化檔案。

多視角三維重建技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用前景

運(yùn)用快速、便捷、人工干預(yù)小的多視角三維建模技術(shù)對(duì)文物建立三維模型，從文物病害圖的繪制及病害的統(tǒng)計(jì)均可達(dá)到病害調(diào)查預(yù)期的效果，對(duì)于文物的安全影響甚小，大大地提高了病害調(diào)查的時(shí)效性，免去了傳統(tǒng)方式拼接照片環(huán)節(jié)，避免了拼接照片出現(xiàn)的誤差，所以病害圖的精度較傳統(tǒng)方式有了很大的提升，這些顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)對(duì)于后續(xù)的病害工程量計(jì)算及病害研究有了很好的促進(jìn)作用。

多視角三維重建技術(shù)能夠擺脫時(shí)間和空間的限制，運(yùn)用數(shù)字化和信息化模擬，加強(qiáng)了高新技術(shù)下的文物保護(hù)工作，提升了文物保護(hù)的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和藝術(shù)審美價(jià)值。利用多視角三維重建技術(shù)建模，能夠?qū)⒃練埲钡奈奈飶?fù)原，讓現(xiàn)代人領(lǐng)略千百年前祖先的智慧成果。多視角三維重建技術(shù)在未來(lái)有更廣泛的展示和傳播的可能性，提前布局?jǐn)?shù)字化的文物保護(hù)工作和文化遺產(chǎn)展示工作，能夠順應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略，同時(shí)也是傳承中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，履行文物工作者歷史使命的要求。

作者單位：呼和浩特市文物保護(hù)與考古研究中心