基于Context Capture多視角影像三維重建技術(shù)在藏品數(shù)字化中的應(yīng)用

鄧旭帥

摘 要：藏品是博物館全部活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。在博物館數(shù)字化的浪潮中，藏品數(shù)字化是核心，而三維建模是藏品數(shù)字化的關(guān)鍵手段。多視角三維重建技術(shù)因其設(shè)備要求低、靈活性強、操作簡單等優(yōu)點成為藏品建模的重要手段。在考古領(lǐng)域，雖然Context Capture在空三精度、紋理映射質(zhì)量、模型精度等方面具有優(yōu)勢，但由于其不能直接用于可移動文物建模，因此該軟件應(yīng)用較少。通過對采集到的影像預(yù)處理或?qū)δＰ统晒笃谔幚?，使之能夠用于文物藏品的建模，并對兩種方式的優(yōu)缺點進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：藏品數(shù)字化；Context Capture；可移動文物建模

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.05.033

藏品是博物館全部活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，博物館在保管、研究的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)化、主題性的陳列展示，對廣大民眾進(jìn)行知識、技能、和人文精神的教育。當(dāng)今世界以信息技術(shù)為代表的新興科技，不僅為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入了新的活力，也為博物館發(fā)展帶來了機遇。20世紀(jì)90年代，數(shù)字化博物館建設(shè)開始。在博物館數(shù)字化的浪潮中，藏品數(shù)字化是核心，而三維建模是藏品數(shù)字化的重要手段。因此，對文物藏品建模平臺的研究十分重要。

在考古領(lǐng)域，中國社會科學(xué)研究院考古研究所的劉建國老師以PhotoScan為平臺探討了該技術(shù)在可移動文物和不可移動文物建模中的應(yīng)用；張蕾進(jìn)行了動物骨骼的三維重建探索、多視角拍攝方法研究；馬歡歡、趙清坡研究了基于PhotoScan的多視角三維重建技術(shù)在考古中的應(yīng)用；付仲楊探討了PhotoScan和Adobe Illustrator兩款軟件在考古繪圖中的應(yīng)用；趙海龍、仝廣、閆曉蒙探討了PhotoScan在石器三維建模中的應(yīng)用。在可移動文物的多視角三維重建領(lǐng)域，應(yīng)用最多的軟件是俄羅斯Agisoft公司的PhotoScan。然而在地信測繪行業(yè)得到大量應(yīng)用的Context Capture，雖然在空三運算準(zhǔn)確度、紋理映射質(zhì)量、模型精度等方面具有明顯優(yōu)勢，但由于軟件沒有點云編輯功能，不能直接用于可移動文物建模，因此在考古領(lǐng)域應(yīng)用較少。

本文擬以紙盒為例，嘗試探索將Context Capture應(yīng)用到可移動文物建模領(lǐng)域，使其充分發(fā)揮優(yōu)勢，為文博工作服務(wù)。

1 Context Capture簡介

Context Capture，原名Smart 3D，后被Bentley公司收購，成為該公司旗下的一款三維實景建模軟件。該軟件的主要模塊是Context Capture Master和Context Capture Engine。它們遵循主模塊—工作線程模塊模式。Context Capture Master主模塊，操作人員可以通過該圖形用戶界面進(jìn)行任務(wù)提交、數(shù)據(jù)輸入、任務(wù)監(jiān)控等。但該模塊不執(zhí)行處理任務(wù)，而是將任務(wù)分組成若干基本任務(wù)，然后提交到任務(wù)序列。Context Capture Engine是Context Capture的工作線程模塊，一般在后臺自動運行，不與用戶進(jìn)行交互。

2 Context Capture多視角三維重建的影像拍攝

2.1 相機參數(shù)

①相機型號。Context Capture需要獲取相機的型號信息。本研究使用的相機型號為佳能（Canon）5D Mark Ⅲ。

②拍攝模式。選擇手動擋（M檔），快門速度不高于1/30秒，光圈值10左右。注意：光圈值不能太小，使用小光圈值獲取的影像景深小，協(xié)助運算的背景少，會降低成果準(zhǔn)確性和精度。

③白平衡。根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置，但不要使用自動白平衡，自動白平衡會因為光線角度不同導(dǎo)致同一影像的色調(diào)產(chǎn)生變化。

④焦距。最好使用定焦鏡頭，如果使用變焦鏡頭，拍攝時要采用統(tǒng)一的焦距。如果受實際情況限制，必須變焦拍攝，則需要將不同焦距的影像分組。

⑤對焦方式。中心位置單點、單次自動對焦。

⑥感光度。感光度根據(jù)現(xiàn)場光線調(diào)節(jié)，盡可能使用較小的感光度。感光度越大，噪點越多，所獲取的影像質(zhì)量就低。

2.2 影像拍攝

①拍攝場景。最好在陰天環(huán)境下的室外拍攝。在室外拍攝時要注意拍攝速度，避免自然光線的變化對前后影像的亮度、反差、陰影位置產(chǎn)生影響。室內(nèi)拍攝要布置好燈光，固定光的效果好于閃光燈。

②拍攝方法。根據(jù)是否需要后期處理，拍攝方法可以分為兩種：一次拍攝法、二次拍攝法。一次拍攝法包括懸掛拍攝法、支墊拍攝法。這種拍攝方法具有一定的安全風(fēng)險，且只適合質(zhì)量較輕、體積較小的文物藏品。二次拍攝法又稱拼合拍攝法，即分別拍攝文物藏品頂部和底部的影像，再通過后期處理進(jìn)行模型生產(chǎn)，其優(yōu)點在于適用對象范圍廣，但相比于一次拍攝法耗時耗力。本文以二次拍攝法為例。

③重疊度。對于大件文物藏品的拍攝，橫向重疊度80%左右，縱向重疊度70%左右。對于小件文物藏品的拍攝，每隔15度左右拍攝一張影像。

2.3 模型分辨率的影響因素

生成的三維模型的分辨率和精度與物體上的投影像素大小直接相關(guān)。具體關(guān)系如下列公式：

投影像素大?。?像素）×焦距（毫米）×影像的最大尺寸（像素）＝傳感器寬度（毫米）×拍攝距離（米）

2.4 控制點與檢查點設(shè)置

多視角三維重建技術(shù)生成的三維模型沒有真實的空間關(guān)系信息，不能直接量取模型上空間點位之間的距離等數(shù)據(jù)，所以在進(jìn)行多視角影像拍攝時必須設(shè)立三個以上的控制點。軟件會將各控制點的坐標(biāo)信息帶入生成的三維模型中，因此最終的模型成果會有相應(yīng)的空間位置信息。通過Context Capture View軟件，可以進(jìn)行坐標(biāo)、長度、面積、體積測量。以激光雕刻有網(wǎng)格坐標(biāo)的金屬板作為控制板，用游標(biāo)卡尺測量數(shù)據(jù)，并換算成相應(yīng)的空間坐標(biāo)輸入軟件。檢查點的作用是分析模型成果的精度，設(shè)置方法同控制點。

3 Context Capture工作流程

3.1 新建工程

工程是該軟件進(jìn)行運算的基本單元，通常將一個文物的數(shù)據(jù)放同一個工程進(jìn)行處理。注意：工程名稱和工程目錄最好不要出現(xiàn)中文字符。

3.2 導(dǎo)入影像

將前期采集到的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入。導(dǎo)入影像時，可以直接導(dǎo)入影像，也可以導(dǎo)入影像所在的文件夾，還可以通過導(dǎo)入視頻的方式建模，將采集到的視頻導(dǎo)入到區(qū)塊中，設(shè)置起止時間及提取影像的視頻間隔，單位為秒。注意：提取影像的視頻間隔要確保足夠的重疊率。在這種模式下系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置從視頻文件中提取相應(yīng)的幀用于建模。

3.3 添加控制點

在多張照片上找到同一個控制點，進(jìn)行人工標(biāo)記，并將測量好的控制點坐標(biāo)信息輸入。推薦同一個點在四張以上照片中進(jìn)行標(biāo)記，其中三個點用來確定位置，一個點用來平差。

3.4 空三運算

空三運算是整個建模過程的關(guān)鍵?？杖纯罩腥菧y量，是在立體攝影測量中，根據(jù)少量的控制點進(jìn)行控制點加密解算，求得加密點的高程和平面位置的測量方法。注意：在進(jìn)行模型生產(chǎn)時，一般先導(dǎo)入位置再進(jìn)行空三運算。但也可以先進(jìn)行空三運算，再輸入位置信息，然后再次進(jìn)行空三運算。這么做的好處是第一次空三運算后，軟件將控制點和可能的每張照片關(guān)聯(lián)起來，方便人工標(biāo)記，減少人工工作量。當(dāng)然，由于跑了兩次空三，項目生產(chǎn)時間會相應(yīng)增加。

3.5 新建重建項目

根據(jù)不同的目的，生產(chǎn)輸出不同的文件類型和格式。該軟件可以生成三維網(wǎng)格、三維點云、正射影像、DSM/DEM等類型的文件，格式有OBJ、OSBJ、3SM、S3C等。注意：在格式/選項欄里，可以根據(jù)需要選擇紋理貼圖的相關(guān)參數(shù)，如壓縮紋理可以選擇JPEG質(zhì)量的50%、70%、90%以100%。這一選項直接影響模型成果的紋理貼圖質(zhì)量。注意：在生產(chǎn)前要編輯生產(chǎn)范圍，將生產(chǎn)范圍的底面抬升到文物藏品的本體下限以上，確保放置文物藏品的臺面、控制板等無關(guān)物品不在生產(chǎn)范圍。

4 數(shù)據(jù)處理

由于Context Capture沒有點云編輯功能，無法直接利用獲取到的影像，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能生成所需的成果。本文擬通過影像預(yù)處理、模型配準(zhǔn)兩種途徑探索解決這一問題的方法，并探討這兩種方法的優(yōu)缺點。

4.1 影像預(yù)處理

將使用拼合拍攝法獲取到的文物藏品影像導(dǎo)入Photoshop中，添加蒙板，遮住除文物主體外的背景（圖1）。有效的蒙板是一個與影像具有相同尺寸的黑白TIFF圖像。并將蒙板與對應(yīng)的影像放置于相同目錄。將處理過的影像導(dǎo)入同一個工程內(nèi)，按照Context Capture的工作流程進(jìn)行運算，就能得到符合要求的模型成果。在這種方法里，由于遮住了一切和文物無關(guān)的背景，只有文物本體參與運算，因此模型的生產(chǎn)速度會提高很多。但也有以下缺點：①影像預(yù)處理的工作量很大，需要耗費大量時間、精力；②在遮住無關(guān)背景的同時，也會刪去控制點（需要在文物本體上添加比例約束點才能生成具有真實空間關(guān)系的模型成果）；③協(xié)助參與運算的背景被遮住，空三的準(zhǔn)確性會下降。

4.2 模型配準(zhǔn)

分別采集文物上半部分影像和下半部分影像，并按照Context Capture的工作流程生成獨立的兩個模型（圖2、圖3）。然后將兩個模型導(dǎo)入修模軟件中，如Geomagic Wrap。利用對齊功能，根據(jù)模型中的共同點對上、下部分的兩個模型進(jìn)行配準(zhǔn)，生成完整的文物模型（圖4）。該方法的優(yōu)點在于為解決Context Capture不能直接用于可移動文物建模提供了一種思路。缺點是：需要掌握一定的修模軟件操作技能。

5 成果應(yīng)用

以云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新技術(shù)，改變了人類的思維觀念、價值取向和生活方式，同時也為人們提供了新的思維選擇。在博物館領(lǐng)域，藏品數(shù)字化的成果可以為藏品管理、數(shù)字化研究、保護(hù)利用等提供全新的途徑，極大提高博物館科研成果轉(zhuǎn)化效率和社會教育服務(wù)水平。

5.1 文物藏品的信息化管理

對文物藏品進(jìn)行三維建模后就完成了將文物本體轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)的過程，再完善一些其他必要信息就完成了藏品的數(shù)字化。數(shù)字化以后，管理者能夠借助計算機管理系統(tǒng)開展登記編目、出入庫管理、統(tǒng)計、查詢等一系列業(yè)務(wù)工作。其主要優(yōu)點有：①提高文物管理工作效率；②提高藏品安全系數(shù)；③減輕藏品管理工作者勞動量。但是藏品的信息化管理也面臨著一些問題：①文物藏品的數(shù)據(jù)安全性問題；②信息錄入的統(tǒng)一性和規(guī)范性問題；③藏品數(shù)字化的版權(quán)問題。

5.2 文物藏品的數(shù)字化研究

文物藏品數(shù)字化后，學(xué)者對文物藏品的研究將突破時空限制，研究對象不再局限于二維圖像，而是基于真實文物的三維模型，將會極大提高研究效率和研究質(zhì)量。如戰(zhàn)世佳、周振宇等人分別探討了多視角三維重建技術(shù)在石器研究中的應(yīng)用。當(dāng)然，藏品的三維建模只重建了外形，難以完全滿足學(xué)者的研究需求。未來聯(lián)合5G、云計算、大數(shù)據(jù)等科技，藏品的重建將是包括重量、質(zhì)感、材質(zhì)等在內(nèi)的“完全”重建。

5.3 文物藏品的修復(fù)與復(fù)制

文物保護(hù)修復(fù)需遵循少干預(yù)原則，即對文物進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)時，要是可以通過控制環(huán)境解決的最好不干預(yù)文物本體，不得已非得干預(yù)時也要少干預(yù)。藏品數(shù)字化后，可以僅對文物進(jìn)行一些必要性的保護(hù)，而修復(fù)過程可以根據(jù)藏品的數(shù)字化模型在計算機上虛擬進(jìn)行。西北大學(xué)周明全教授在文物的虛擬修復(fù)方面開展了一系列研究。藏品數(shù)字化成果也可以為藏品復(fù)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且多視角影像三維重建采用了一種非接觸性信息獲取方式，在信息采集過程中可以有效避免傳統(tǒng)復(fù)制手段對藏品帶來損害的風(fēng)險。

5.4 文物藏品的數(shù)字化展示

實體博物館的展示方式存在文物藏品保護(hù)和利用之間的矛盾，而數(shù)字博物館的展示方式可以有效緩解這一矛盾。基于三維模型的數(shù)字化展示是無損的，大量脆弱的珍貴文物可以借助這一手段得到很好的保護(hù)。同時，現(xiàn)代社會的參觀者已經(jīng)不滿足于隔著玻璃柜參觀文物，而是希望可以全方位地觀察文物。藏品數(shù)字化后，通過VR、AR技術(shù)就可以“近距離”觀察文物。相比于傳統(tǒng)博物館，基于三維模型的虛擬展覽可以給觀眾展示更加真實、全面的藏品面貌。

6 結(jié)語

在博物館數(shù)字化建設(shè)的浪潮中，開展對藏品建模平臺的研究很重要。相比于在考古領(lǐng)域使用廣泛的PhotoScan，Context Capture軟件在空三準(zhǔn)確性、紋理映射質(zhì)量、模型精度具有優(yōu)勢。以小紙盒為例，通過影像預(yù)處理、模型配準(zhǔn)的方法探索了將Context Capture用于可移動文物建模的途徑。

誠然該軟件在可移動文物三維重建的使用需要額外學(xué)習(xí)如PS、Geomagic Wrap等影像處理以及模型修改軟件的基本使用方法，但這些軟件的基本使用方法不難學(xué)習(xí)，工作人員經(jīng)過一兩天的培訓(xùn)就能掌握基本技巧，獨立開展工作。

參考文獻(xiàn)

[1]單霽翔.加強博物館藏品保護(hù)的思考[J].文物春秋，2013（2）：24-29，36.

[2]《博物館學(xué)概論》編寫組.博物館學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，2019.

[3]劉建國.考古遺址的超低空拍攝與數(shù)據(jù)處理[J].考古，2015（11）：98-104.

[4]劉建國.可移動文物的多視角影像三維重建[J].考古，2016（12）：97-103.

[5]張蕾.動物骨骼三維重建的探索[J].四川文物，2014（6）：81-83.

[6]張蕾.可移動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.

[7]馬歡歡，趙清坡.Agisoft Photoscan照片建模技術(shù)在考古中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2016（4）：144-149.

[8]付仲楊.Agisoft Photoscan和Adobe Illustrator軟件在田野考古繪圖中的綜合應(yīng)用[J].四川文物，2016（4）：88-96.

[9]趙海龍，仝廣，閆曉蒙.基于Agisoft PhotoScan的石器三維建模與應(yīng)用[J].人類學(xué)學(xué)報，2021（1）：40-48.

[10]楊云峰，魏天宇，郝晶晶.基于傾斜攝影技術(shù)的三種建模軟件比較研究：以南京佘村為例[J].園林，2020（4）：16-23.

[11]耿利川，張備，秦永志，等.三種無人機影像處理軟件在生成大面積正射影像中的對比[J].許昌學(xué)院學(xué)報，2020（2）：29-33.

[12]鄭楚涵.淺談民族博物館數(shù)字化建設(shè)的信息安全[C]//中國博物館協(xié)會民族博物館專業(yè)委員會，民族文化宮.中國民族文博（第五輯）：中國博物館協(xié)會民族博物館專業(yè)委員會2013年年會暨學(xué)術(shù)研討會.沈陽：遼寧民族出版社：2013.

[13]黃海鳳.數(shù)字博物館的信息安全威脅及防護(hù)機制研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2020（11）：148-149.

[14]劉遠(yuǎn)洋.數(shù)字博物館信息安全保護(hù)機制[C]//北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會，北京市文物局，北京市經(jīng)濟和信息化委員會.2009年北京數(shù)字博物館研討會.北京：中國傳媒大學(xué)出版社，2010.

[15]樊亞春.數(shù)字水印技術(shù)及其在數(shù)字博物館中的應(yīng)用研究[D].西安：西北大學(xué)，2003.

[16]戴彥秀.博物館藏品的數(shù)字化管理[J].文物鑒定與鑒賞，2018（2）：86-87.

[17]潘郁生，潘潁.博物館藏品數(shù)據(jù)庫管理若干問題的思考[C]//廣西壯族自治區(qū)博物館.博物館與旅游：廣西壯族自治區(qū)博物館第二屆學(xué)術(shù)研討會.南寧：廣西科學(xué)技術(shù)出版社：2009.

[18]張曼.我國博物館數(shù)字化建設(shè)中的版權(quán)困境與對策[J].西北大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2019（4）：58-65.

[19]易玲，肖樟琪.博物館藏品數(shù)字化著作權(quán)問題研究[J].商學(xué)研究，2019（2）：123-128.

[20]戰(zhàn)世佳，董哲，林雪川.多重影像建模技術(shù)在打制石器制圖及分析中的應(yīng)用[J].東南文化，2017（5）：12-20.

[21]周振宇，關(guān)瑩.多視角三維重建技術(shù)在石制品研究中的應(yīng)用[J].人類學(xué)學(xué)報，2017（1）：38-48.

[22]李春龍，周明全，成欣，等.軸對稱破碎文物的虛擬復(fù)原方法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2006（5）：620-624.

[23]李姬俊男，耿國華，周明全，等.文物碎塊虛擬拼接中的表面特征優(yōu)化[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2014（12）：2149-2154.

[24]周繼來，周明全，耿國華，等.基于形狀指數(shù)的文物表面局部幾何特征提取與匹配算法[J].計算機工程，2016（10）：261-265，270.

[25]趙夫群，周明全.文物點云模型的優(yōu)化配準(zhǔn)算法[J].計算機應(yīng)用研究，2017（12）：3885-3888.