多視角三維重建在田野考古繪圖中的應(yīng)用

文 圖/何凱

（作者為中國(guó)社會(huì)科學(xué)院考古研究所安陽工作站助理館員）

田野考古發(fā)掘中，會(huì)發(fā)掘出許多不同類型的遺跡現(xiàn)象。因遺跡具有不可再生性，因此必須對(duì)其進(jìn)行記錄以方便后續(xù)研究。田野考古繪圖便是記錄遺跡的重要手段之一。傳統(tǒng)田野考古繪圖基本采用卷尺、垂球等工具進(jìn)行測(cè)量和繪制，繪制效果及精確度受環(huán)境和人為因素影響較大。尤其是面對(duì)復(fù)雜的遺跡現(xiàn)象，對(duì)繪圖員技術(shù)要求更高。

近幾年，隨著三維重建技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的普及，利用Agisoft PhotoScan 對(duì)復(fù)雜遺跡進(jìn)行三維重建，獲得具有不變形、可設(shè)置比例尺等優(yōu)點(diǎn)的正射影像，再對(duì)正射影像描繪，獲取遺跡平、剖面圖成為田野考古繪圖的新方法。Agisoft PhotoScan 軟件還可以導(dǎo)出數(shù)字高程模型，結(jié)合GlobalMapper 軟件，可生成遺跡等高線圖。通過這些方法，不僅可以提高田野繪圖的效率和精度，而且可以獲取遺跡三維數(shù)據(jù)信息和數(shù)字圖像，為后續(xù)遺跡復(fù)原和展示做好準(zhǔn)備。

三維重建技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

20 世紀(jì)90 年代，田野考古中便嘗試使用3ds Max、Maya 等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)遺跡進(jìn)行三維數(shù)字虛擬建模。這些軟件根據(jù)遺跡測(cè)量的實(shí)際尺寸，建立立體幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行裁剪、拉伸、布爾運(yùn)算等還原遺跡外貌。其主要用途是還原和展示遺跡現(xiàn)象。由于此方法不利于田野考古現(xiàn)場(chǎng)操作，因此不適合在田野考古建模中應(yīng)用。

多視角三維重建中相機(jī)拍攝位置

21 世紀(jì)初，三維激光掃描儀在考古三維重建中得到應(yīng)用。其原理是通過激光投射至物體測(cè)量其反射時(shí)間，計(jì)算出光束和反射光束的相位差，并在短時(shí)間內(nèi)，獲得物體的三維點(diǎn)云，根據(jù)三維點(diǎn)云生成物體的三維模型。相較于3ds Max 等計(jì)算機(jī)軟件，三維激光掃描儀具有實(shí)時(shí)性和真實(shí)性，能很好地反映遺跡現(xiàn)象的真實(shí)形狀。但三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，對(duì)掃描環(huán)境要求較高，要求操作人員具有專業(yè)技術(shù)，且自動(dòng)化建模程度較低，故未能在田野考古三維重建中廣泛應(yīng)用。

近年來，多視角三維重建技術(shù)在田野考古中得到推廣應(yīng)用。使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)遺跡進(jìn)行多視角拍攝，獲取遺跡完整數(shù)字影像，之后利用Agisoft PhotoScan 軟件生成遺跡三維模型。原理是將多個(gè)不同位置拍攝的遺跡數(shù)字影像，在計(jì)算機(jī)軟件中測(cè)量左右影像上同名點(diǎn)的影像坐標(biāo)，交匯得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前，基于該技術(shù)開發(fā)的相關(guān)軟件較多，如Context Capture、Pix4D 等，這些軟件的原理基本相同，僅具體操作過程有所差別。綜合考慮，Agisoft Photoscan 操作簡(jiǎn)單而具有較高的可用性，因此更適合在田野考古工作中使用。

相關(guān)軟件的優(yōu)點(diǎn)

相較于3ds Max、三維激光掃描儀等三維重建方法，使用Agisoft PhotoScan 對(duì)遺跡進(jìn)行多視角三維重建，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣。從考古遺址到發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)、出土文物等都可以通過多視角影像進(jìn)行三維重建。影像拍攝和軟件操作都非常簡(jiǎn)便，考古人員只需經(jīng)過簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)便能完成遺址、出土文物的三維重建工作，其效果堪比專業(yè)建模。

建模環(huán)境要求低，利于田野考古發(fā)掘。使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)遺跡拍攝，然后使用全站儀對(duì)遺跡控制點(diǎn)測(cè)量，剩余建模和繪圖工作均可以在室內(nèi)完成，減少因繪制復(fù)雜遺跡圖而影響田野考古發(fā)掘工期。

成本低，自動(dòng)化、精度高。與昂貴的三維激光掃描儀相比，多視角三維重建技術(shù)使用數(shù)碼相機(jī)便可以完成圖像數(shù)據(jù)采集工作。Agisoft PhotoScan 只需簡(jiǎn)單幾步操作，便可以生成遺跡的三維模型，其精度可達(dá)毫米級(jí)。

可以導(dǎo)出多種格式的數(shù)字影像，包括JPG和TIFF 等常用計(jì)算機(jī)圖片格式，極大地方便了后期圖形處理。

田野考古繪圖軟件

為了更直觀介紹三維重建技術(shù)在田野考古繪圖中的應(yīng)用，這里以2021 年安陽殷墟遺址博物館考古工地唐代磚室墓葬M455 繪制方法為例，進(jìn)行說明。

該墓葬由墓道，墓門和墓室組成，墓室四壁有仿木磚雕裝飾。傳統(tǒng)繪圖方法難度大，繪制繁瑣，繪圖時(shí)間長(zhǎng)。因此采用多視角三維重建技術(shù)進(jìn)行建模，并繪制其平、剖、墓門及墓室四壁圖。

采集數(shù)字影像信息

多視角三維重建，需要使用數(shù)碼相機(jī)根據(jù)遺跡實(shí)際形狀，規(guī)劃拍攝順序，獲取遺跡完整數(shù)字影像信息。

數(shù)碼相機(jī)最好選用輕便并帶有取景器的微單相機(jī)，可旋轉(zhuǎn)的電子取景器利于拍攝不同角度的遺跡現(xiàn)象。采集遺跡數(shù)字影像時(shí)，相機(jī)選擇“光圈優(yōu)先”模式。光圈數(shù)值設(shè)置在F6—10之間。光圈數(shù)值設(shè)置越小，背景虛化越模糊，反之則越清晰。白平衡范圍設(shè)置在4500—5500內(nèi)，白平衡設(shè)置數(shù)值過低，拍攝顏色效果偏冷，反之顏色偏暖。拍攝時(shí)，最好選擇陰天或光線對(duì)比反差較小的時(shí)段，確保拍攝遺跡顏色與實(shí)際相符，且陰影面積小。

拍攝遺跡時(shí)，相機(jī)與遺跡應(yīng)保持垂直角度。同時(shí)為了保證建模效果，可以傾斜角度補(bǔ)拍，傾斜角度范圍在45°—60°。照片與照片的重疊率應(yīng)保持在50%以上，這樣既能保證采集數(shù)據(jù)的完整性，也不會(huì)因?yàn)閿?shù)字影像過多增加三維重建時(shí)間。

遺跡范圍四周，放置四個(gè)顏色醒目的控制坐標(biāo)牌。拍攝時(shí)，控制坐標(biāo)牌不能移動(dòng)。拍攝完畢后，使用全站儀或RTK 對(duì)控制坐標(biāo)牌測(cè)量，獲取三維數(shù)據(jù)。記錄三維數(shù)據(jù)時(shí)，可以拍照存檔，這樣既能快速保存數(shù)據(jù)，又可以防止手動(dòng)記錄造成誤差。

Agisoft PhotoScan 軟件三維模型

Agisoft PhotoScan 是由俄羅斯Agisoft 公司研發(fā)的一款多視角三維重建軟件。

打開Agisoft PhotoScan，最上面為“菜單欄”，下面為“工具欄”，左側(cè)可以切換“工作”區(qū)和“參考”區(qū)，右側(cè)為“模型”區(qū)，右下為“照片”區(qū)。

將數(shù)字影像導(dǎo)入Agisoft PhotoScan，在“工作流程”中依次運(yùn)行“對(duì)齊照片”、“建立密集點(diǎn)云”、“生成網(wǎng)格”和“生成紋理”四個(gè)步驟，遺跡三維模型則建立完成。然后創(chuàng)建遺跡控制點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置遺跡坐標(biāo)系統(tǒng)，最后導(dǎo)出正射影像。

計(jì)算機(jī)配置越高，三維重建速度越快。故計(jì)算機(jī)處理器選擇多核心且高主頻的CPU。內(nèi)存選擇64GB 以上，顯卡選擇2080Ti 或者更高。

對(duì)齊照片：正常情況對(duì)齊率達(dá)98%以上即可。如果對(duì)齊照片數(shù)量較低，則表示拍攝影像角度有問題，需重新補(bǔ)拍無法對(duì)齊的部分。然后設(shè)置三維重建范圍，建議將范圍設(shè)置大于遺跡，以保證遺跡三維建模的完整性。

建立密集點(diǎn)云：“質(zhì)量”選項(xiàng)選擇“中”或“低”，不建議設(shè)置“高”或“極高”，參數(shù)設(shè)置過高，會(huì)增加運(yùn)算時(shí)間。將遺跡周圍無關(guān)的密集點(diǎn)云刪除，以提高模型的精細(xì)度。

生成網(wǎng)格：“表面類型”選擇“任意”，“源數(shù)據(jù)”選擇“密集點(diǎn)云”，“面數(shù)”選擇“高”。

生成紋理：“映射模式”選擇“通用”，“混合模式”選擇“馬賽克”，“紋理大小/數(shù)”設(shè)置范圍為2 萬—3.5 萬。該參數(shù)范圍根據(jù)電腦實(shí)際性能，適當(dāng)提高或降低。

制作完成的三維模型與原數(shù)字影像儲(chǔ)存路徑具有關(guān)聯(lián)性。如果數(shù)字影像儲(chǔ)存位置發(fā)生改變，導(dǎo)出正投影時(shí)會(huì)提示“丟失的圖像”，無法導(dǎo)出。解決該問題的方法是在“照片”區(qū)，全選照片，右鍵選擇“更改路徑”，將模型與照片存儲(chǔ)新路徑重新建立關(guān)聯(lián)性。

繪制遺跡剖面圖，可以使用“矩形選擇”工具，對(duì)遺跡進(jìn)行“解剖”，然后導(dǎo)出遺跡剖面正射影像圖。

殷墟遺址唐代M455 三維模型重建完成

殷墟遺址唐代M455封門磚及北、東、南墓壁正射影像

殷墟遺址唐代M455封門磚及北、東、南墓壁線圖

殷墟遺址唐代M455平、剖面

選擇“導(dǎo)出數(shù)字高程模型”，將三維模型導(dǎo)出TIF 格式，使用GlobalMapper 軟件打開，便可以自動(dòng)生成遺跡數(shù)字高程模型與地形等高線。

將遺跡正射影像導(dǎo)入Adobe Photoshop 中，選擇“矩形框選工具”，“樣式”選擇“固定大小”，“寬度”輸入“1000px”，“高度”輸入“20px”。填充為黑色，則1000 像素對(duì)應(yīng)比例尺長(zhǎng)度便繪制完成。

CorelDRAW 軟件繪制遺跡圖

CorelDRAW 軟件為加拿大Corel 公司開發(fā)的一款矢量圖形平面設(shè)計(jì)軟件。

將正射影像導(dǎo)入軟件，使用工具箱中的“三點(diǎn)曲線工具”或“貝塞爾工具”對(duì)遺跡圖像進(jìn)行墨線描繪，建議將曲線更改為鮮亮的顏色，方便對(duì)遺跡描繪。若繪制有誤，使用“形狀工具”對(duì)線條進(jìn)行修改。在屬性菜單欄“輪廓寬度”和“輪廓樣式選擇器”中，可以對(duì)線條粗細(xì)和線條虛實(shí)線進(jìn)行修改。為方便后期編輯，在“對(duì)象管理器”內(nèi)新建圖層，新建圖層可依據(jù)圖層性質(zhì)為其命名，例如：線圖圖層、文字圖層等。導(dǎo)出圖像時(shí)將圖層前“打印機(jī)”圖標(biāo)關(guān)閉，則該圖層內(nèi)容不會(huì)被導(dǎo)出。CorelDRAW 為矢量圖形軟件，可以導(dǎo)出多種格式的數(shù)字圖像，如JPG、AI 等，方便后期編輯及使用。

無人機(jī)的應(yīng)用

面對(duì)大型遺跡現(xiàn)象，使用無人機(jī)可以較為方便地獲取遺跡完整數(shù)字影像。但無人機(jī)處于高空之中，會(huì)造成地面遺跡現(xiàn)象細(xì)節(jié)精度不夠。因此需要數(shù)碼相機(jī)對(duì)遺跡細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)拍，將無人機(jī)與相機(jī)獲取的數(shù)字影像共同進(jìn)行三維重建。

以2020 年洹北商城考古工地T0446—T0448三維重建為例，進(jìn)行說明：

無人機(jī)和相機(jī)拍攝位置

洹北商城T0446—T0448東、西壁正射影像

洹北商城T0446—T0448東、西壁剖面

洹北商城T0446—T0448數(shù)字高程模型和遺跡等高線

本次三維重建主要目的是為了繪制探方東、西壁剖面圖。該剖面南北長(zhǎng)30 米，高7.6 米，最深處已發(fā)掘至水位。傳統(tǒng)繪圖方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精準(zhǔn)度也難以保證，因此使用多視角三維重建技術(shù)對(duì)其剖面進(jìn)行繪制。

首先測(cè)量四個(gè)坐標(biāo)牌三維數(shù)據(jù)，然后使用無人機(jī)進(jìn)行高空拍攝，無人機(jī)拍攝高度為4 米，最后使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)遺跡細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)拍。

影像獲取完畢后，將無人機(jī)和相機(jī)數(shù)字影像一并導(dǎo)入Agisoft PhotoScan，運(yùn)行建模步驟。建模完成后，使用“矩形選擇”工具對(duì)遺跡剖面進(jìn)行裁剪，并導(dǎo)出遺跡東、西壁正射影像。用Adobe Photoshop 軟件繪制比例尺，導(dǎo)入CorelDRAW 軟件進(jìn)行遺跡線圖描繪。用GlobalMapper 軟件也可以制作遺跡的數(shù)字高程模型和地形等高線。

結(jié)語

面對(duì)復(fù)雜或大型遺跡現(xiàn)象，使用多視角三維重建技術(shù)進(jìn)行田野考古繪圖，可以提高田野考古繪圖效率，保證田野考古繪圖精確度，豐富田野考古繪圖方法。同時(shí)也能促進(jìn)田野考古繪圖數(shù)字化和科學(xué)化的發(fā)展，有助于對(duì)遺跡現(xiàn)象進(jìn)行后續(xù)研究和展示。但該技術(shù)也具有局限性，三維重建需要遺跡的數(shù)字影像，否則無法重建。面對(duì)大多數(shù)田野考古遺跡現(xiàn)象，該方法可以完全適用。通過不斷的探索和實(shí)踐，多視角三維重建技術(shù)將會(huì)在田野考古繪圖中發(fā)揮越來越重要的作用。