近景攝影測量在古陶瓷數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用

摘 要：數(shù)字化保護(hù)是解決古陶瓷文物保護(hù)挑戰(zhàn)的有效途徑。本文旨在探討基于近景攝影測量技術(shù)的數(shù)字化方法在古陶瓷保護(hù)中的應(yīng)用。通過系統(tǒng)介紹近景攝影測量的基本原理和方法，分析了古陶瓷的特點和常見破損情況，并闡述數(shù)字化保護(hù)的優(yōu)勢。研究結(jié)果表明，該技術(shù)能夠準(zhǔn)確重建古陶瓷的三維形態(tài)，并高保真提取微觀紋理特征，為構(gòu)建規(guī)范的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫提供支持，還可以在虛擬環(huán)境中模擬修復(fù)操作，避免直接接觸帶來的損傷，并記錄修復(fù)前后狀態(tài)。近景攝影測量技術(shù)為古陶瓷數(shù)字化保護(hù)提供了全新思路和有力武器，推動古陶瓷文物數(shù)字化保護(hù)工作邁上了新的臺階。

關(guān)鍵詞：古陶瓷；數(shù)字化保護(hù)；近景攝影測量；三維重建

1前 言

古陶瓷作為一種獨特的文物類型，承載著豐富的歷史信息、藝術(shù)價值和文化內(nèi)涵。由于其脆弱的物質(zhì)性質(zhì)，在長期保存和人為損壞的影響下，許多古陶瓷文物都遭受到不同程度的破損和年代久遠(yuǎn)的自然磨損。如何有效保護(hù)這些珍貴的文化遺產(chǎn)，既不損害文物本身，又能充分展現(xiàn)其原有風(fēng)貌，一直是文物保護(hù)領(lǐng)域所面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，基于近景攝影測量的數(shù)字化保護(hù)方法為解決這一問題提供了新的思路。與傳統(tǒng)的二維照片記錄相比，這種方法不但保留了文物的全部信息，而且在不直接接觸文物的情況下，即可完成全方位的數(shù)字化保護(hù)工作。

2 近景攝影測量的基本原理與方法

近景攝影測量技術(shù)是以高分辨率數(shù)碼相機為基本手段，通過拍攝多視角圖像并結(jié)合精密的幾何模型，從而獲取被測物體三維幾何信息和表面紋理細(xì)節(jié)的一種測量方法[1]。該技術(shù)的基本原理是基于三視幾何和光線投影理論，利用相機成像過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系重構(gòu)三維空間信息。具體而言，通過在特定的射線環(huán)境下采集物體的多視角圖像，借助計算機視覺算法和結(jié)構(gòu)從運動原理，可將拍攝角度不同的圖像序列重建為三維點云或網(wǎng)格數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確描述被測物體的形狀、大小、比例等幾何信息，精度可達(dá)0.1mm甚至更高。同時，光線投影技術(shù)使得相鄰點之間的連續(xù)性良好，能生成平滑的表面，并利用圖像的顏色信息還原物體表面的真實紋理，達(dá)到毫米級甚至更細(xì)的分辨率[2]。在實際應(yīng)用中，首先需要通過標(biāo)定相機內(nèi)外參數(shù)，然后利用已知的標(biāo)定模型在被測物體周圍布置空間參照，以獲取相機位置信息。接下來在恒定光照環(huán)境下對物體進(jìn)行多角度全方位拍攝，一般需要20-50張有效重疊圖像。為保證精度，需控制像素大小、景深、對比度等影響因素，所拍攝圖像需要進(jìn)行預(yù)處理。最后，通過先進(jìn)的三維重建算法，如基于特征點的密集匹配、基于光線束的多視角幾何求解等，可以生成高密度的三維點云或網(wǎng)格模型，真實再現(xiàn)被測物的幾何形態(tài)和細(xì)微紋理特征。技術(shù)流程如圖1所示。

3 古陶瓷數(shù)字化保護(hù)的需求與優(yōu)勢分析

3.1 古陶瓷的特點與破損狀況分析

古陶瓷是一種脆弱的無機非金屬材料，主要由黏土燒制而成。古陶瓷材質(zhì)較為脆弱，在人為使用和運輸過程中很容易遭到機械撞擊導(dǎo)致?lián)p壞破碎。更有甚者，一些文物原始資料缺失，保護(hù)者對其年代、制作工藝等背景信息了解不足，難以確定針對性的修復(fù)方案。因此，如何有效應(yīng)對古陶瓷文物的多種破損現(xiàn)象，是當(dāng)前文物保護(hù)工作亟待解決的重點難題之一。與金屬、木質(zhì)等其他類型文物相比，古陶瓷的保護(hù)面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要更加精細(xì)和科學(xué)的方法論和技術(shù)手段。這為數(shù)字化保護(hù)提供了重要契機和廣闊應(yīng)用空間。

3.2 傳統(tǒng)保護(hù)手段的局限性與數(shù)字化保護(hù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的古陶瓷保護(hù)手段主要包括人工修復(fù)、化學(xué)物理處理等，雖在一定程度上延緩了古陶瓷的自然風(fēng)化，但由于自身的局限性，無法從根本上解決古陶瓷保護(hù)所面臨的挑戰(zhàn)[3]。其次，化學(xué)物理處理雖然可以改善古陶瓷的基本物理性質(zhì)，但往往僅關(guān)注微觀層面的單一技術(shù)問題，難以從整體上有效解決古陶瓷保護(hù)的復(fù)雜需求。相比之下，數(shù)字化保護(hù)可以有效克服傳統(tǒng)保護(hù)手段的局限性。數(shù)字化方法利用先進(jìn)的計算機技術(shù)對古陶瓷進(jìn)行高保真的數(shù)字復(fù)原，不需直接接觸文物，可以完整記錄陶瓷的幾何形態(tài)和表面紋理細(xì)節(jié)，具有極高的精確性和可重復(fù)性。同時，基于數(shù)字模型可以開展大量的虛擬修復(fù)和仿真分析，分析預(yù)測文物變化趨勢，為制定科學(xué)的保護(hù)方案提供有力依據(jù)。

4 近景攝影測量在古陶瓷數(shù)字化保護(hù)中的具體應(yīng)用

4.1 古陶瓷三維形態(tài)重建

基于近景攝影測量技術(shù)實現(xiàn)古陶瓷的三維形態(tài)重建，需要從系統(tǒng)搭建、高精度校正與配準(zhǔn)，到碎片集成與虛擬拼接等多個環(huán)節(jié)精心設(shè)計和優(yōu)化[4]。第一，合理布局近景攝影測量系統(tǒng)。需要搭建可控的拍攝環(huán)境，選用24-36兆像素的高分辨率數(shù)碼相機，并配備定焦鏡頭以獲得合適的景深。光源的數(shù)量、功率、角度和顏色溫度也需要精心調(diào)節(jié)，確保均勻分布的無色差光照。同時，需要設(shè)置合適的光圈、曝光等相機參數(shù)，避免過度曝光或欠曝。第二，進(jìn)行高精度的幾何校正與圖像配準(zhǔn)。需要在標(biāo)定場景中采集包含坐標(biāo)標(biāo)記的圖像，計算相機的內(nèi)參數(shù)和鏡頭畸變系數(shù)，從而校正鏡頭引起的幾何畸變。然后，借助場景中設(shè)置的特殊標(biāo)識或編碼目標(biāo)，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，使得所有圖像都能精確對準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下，誤差控制在0.1像素范圍內(nèi)。第三，高精度重建碎片模型并進(jìn)行虛擬拼接。針對已損壞的文物，先對每個碎片分別進(jìn)行三維建模，獲得高密度的點云或網(wǎng)格數(shù)據(jù)。接下來，利用特征點檢測與匹配算法，結(jié)合已知的幾何約束，求解碎片之間的相對位移，實現(xiàn)精密的虛擬拼接?？梢圆捎眯螤钐卣?、紋理特征、顏色特征等多種方法互相約束，提高拼接的魯棒性。同時還需要進(jìn)行網(wǎng)格修補、平滑等處理，生成完整連續(xù)的表面模型。這一過程要充分利用文物的先驗知識，如尺寸、造型等幾何形狀信息，以及文物材質(zhì)及裝飾特征。古陶瓷三維模型及三維實景模型如圖2、圖3所示。

4.2 微觀紋理特征提取與分析

微觀紋理分析是近景攝影測量技術(shù)在古陶瓷數(shù)字化保護(hù)中的另一重要應(yīng)用。古陶瓷的表面紋理不僅反映了其獨特的制作工藝和歷史信息，也是評判質(zhì)量的關(guān)鍵依據(jù)。因此，高精度地提取和分析古陶瓷紋理，對于彰顯其文化價值和進(jìn)行科學(xué)修復(fù)至關(guān)重要。在三維重建過程中，除了獲取精準(zhǔn)的幾何信息外，還要同步記錄顏色和灰度信息[5]。通過光線投射和顏色插值算法，可以生成高保真的紋理圖像，保留了陶瓷釉面上細(xì)微的顏色變化和紋路起伏。接下來，借助圖像處理和計算機視覺的相關(guān)算法，可以從紋理圖像中高效提取各種紋理特征。針對陶瓷表面的平整程度可以提取粗糙度特征，如粗糙度曲線、粗糙度分布圖等。針對花紋和裝飾圖案可提取形狀特征，包括邊緣、角點、輪廓等幾何屬性。紋理的顏色、灰度分布以及其頻域變換也是可以獲取的重要特征。提取效果如圖4所示，表1列出了一些常用的古陶瓷紋理特征及其相關(guān)分析方法：

這些特征可用于識別圖紋的類型、成因，還原陶瓷的燒制溫度、施釉工藝等重要信息。利用紋理形狀特征和粗糙度分析，可以有效區(qū)分不同燒制溫度下的陶瓷，鑒別施釉工藝，為陶瓷科學(xué)保護(hù)注入新的活力。

4.3 基于攝影測量的古陶瓷數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

基于近景攝影測量技術(shù)，可以構(gòu)建科學(xué)規(guī)范的古陶瓷數(shù)字化數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫不僅可以全面記錄古陶瓷的基本三維形態(tài)和微觀紋理特征，還能對文物的歷史年代、類型、產(chǎn)地等豐富的屬性信息進(jìn)行系統(tǒng)整理和管理，為古陶瓷的深入研究和文化傳承提供重要支撐。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計方面，需要兼顧幾何數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)三個基本要素。其中，幾何數(shù)據(jù)主要包括三維點云和網(wǎng)格模型，分辨率可達(dá)0.02mm，用以記錄陶瓷的整體形態(tài)特征。紋理數(shù)據(jù)則主要為24位真彩色紋理圖像，分辨率高達(dá)4K，記錄陶瓷釉面的細(xì)微顏色和質(zhì)地變化。為了保證數(shù)據(jù)的一致性與可靠性，各數(shù)據(jù)源應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，并附上準(zhǔn)確的采集參數(shù)說明，如點密度、幾何精度、拍攝參數(shù)等。此外，還需要建立基于屬性信息的索引系統(tǒng)，方便檢索與管理。在數(shù)據(jù)采集和存儲方面，需要建立完整的數(shù)據(jù)流程管理機制。從拍攝2億像素以上的原始圖像，到圖像預(yù)處理、基于SIFT等算法的特征提取、基于光線束法的三維重建，到最后的編碼管理等，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)規(guī)范化操作，保證數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)存儲要依托可靠的存儲硬件和管理平臺，如基于分布式架構(gòu)的云存儲系統(tǒng)，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和完整性檢查，防止數(shù)據(jù)損壞和丟失。在應(yīng)用層面，搭建合理的查詢檢索系統(tǒng)可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫的價值?？梢愿鶕?jù)文物的基本屬性和幾何特征進(jìn)行多維度檢索，如根據(jù)年代、窯口篩選符合條件的文物；也可以依據(jù)紋理特征，如粗糙度、顏色分布等進(jìn)行模糊查詢。

4.4 古陶瓷修復(fù)過程的數(shù)字化輔助

近景攝影測量技術(shù)不僅可以為古陶瓷文物數(shù)字化保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，而且還可以為修復(fù)過程提供有力的輔助手段。通過對已損壞文物的高精度三維建模，修復(fù)人員可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行修復(fù)模擬和方案優(yōu)化，避免直接接觸文物帶來的二次損傷風(fēng)險。同時，利用數(shù)字技術(shù)，還可以實現(xiàn)文物修復(fù)前后狀態(tài)的對比分析和完整記錄，為科學(xué)修復(fù)提供更多支持?；跀z影測量的修復(fù)輔助過程包括三維損傷評估與修復(fù)方案設(shè)計、虛擬修復(fù)模擬與仿真分析、修復(fù)結(jié)果評估與決策支持，以及修復(fù)過程與結(jié)果記錄等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，通過三維掃描建模，生成高精度的數(shù)字三維形態(tài)，對文物的各類損傷問題進(jìn)行細(xì)致評估，模擬分析不同修復(fù)方案，預(yù)測修復(fù)效果并優(yōu)化修復(fù)方案。其次，利用三維幾何數(shù)據(jù)，在計算機中復(fù)原文物的原始完整狀態(tài)，利用虛擬工具模擬修復(fù)操作，分析修復(fù)材料與文物之間的適應(yīng)性，優(yōu)化參數(shù)。表2列出了一些常用的虛擬修復(fù)操作及其實現(xiàn)方法：

接下來，修復(fù)人員可以通過虛擬仿真，直觀地比較修復(fù)前后的模型形態(tài)，評估修復(fù)效果。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還可以將修復(fù)模型在1：1比例下呈現(xiàn)給專家，模擬不同光照和視角，助力最終修復(fù)方案的決策。最后，通過攝影測量可以獲得文物修復(fù)前后的高精度三維模型，利用差分比較算法，精確對比修復(fù)前后文物的變化情況。

5 結(jié)語

近景攝影測量技術(shù)為古陶瓷數(shù)字化保護(hù)提供了全新的解決方案。它能夠高精度地重建古陶瓷的三維形態(tài)和細(xì)微紋理特征，構(gòu)建科學(xué)規(guī)范的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫，為深入研究和文化傳承奠定堅實基礎(chǔ)。利用這一技術(shù)，還可以在虛擬環(huán)境中輔助古陶瓷的修復(fù)工作，避免直接接觸文物帶來的損傷風(fēng)險，同時實現(xiàn)修復(fù)前后狀態(tài)的完整記錄，為科學(xué)修復(fù)提供更多支持。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化保護(hù)的手段和方法必將日臻完善。未來，基于人工智能、機器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，相信能夠進(jìn)一步提高文物保護(hù)的自動化和智能化水平，實現(xiàn)紋理自動識別、基于知識庫的智能修復(fù)等更智能的功能，推動古陶瓷及其他類型文物數(shù)字化保護(hù)工作邁上新的臺階。

參考文獻(xiàn)

[1]安曉瞳.基于預(yù)防性保護(hù)的石刻文物數(shù)字化方法初探[J].藝術(shù)市場，2023，（03）： 66-68.

[2]羅旭，駱希娟，郭夏瓊等.近景攝影測量在文物三維模型重建中的應(yīng)用 [J].文物鑒定與鑒賞，2022，（17）：136-139.

[3]劉玉琪，韓亞芝.文物三維重建方法研究綜述 [J].信息與電腦（理論版），2022，34 （17）： 4-6.

[4]王巍，陳玉彬，吳雨珩.基于近景攝影測量法的非遺三維數(shù)字模型生成與優(yōu)化研究——以石市竹木雕為例 [J].創(chuàng)意設(shè)計源，2022，（03）： 68-75.

[5]王炳新.多種近景測量方法在石窟寺調(diào)查中的應(yīng)用[J].北京測繪，2022， 36 （01）： 28-33.