文化遺產(chǎn)地全景采集技術(shù)研究

摘 要：全景技術(shù)作為目前文化遺產(chǎn)領(lǐng)域重要的數(shù)字化方式之一，以其采集效率高與影像逼真的優(yōu)勢被廣泛采用，但全景采集技術(shù)仍缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)備與方法的選擇上也存在良莠不齊的現(xiàn)象。故宮博物院自2015年起大量使用全景采集技術(shù)對古建筑進(jìn)行數(shù)字化，在全景采集方面形成了相對規(guī)范的流程。文章以故宮古建筑的全景采集為例，就采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與難點(diǎn)展開探討，對故宮古建筑兼顧效率與質(zhì)量的全景采集技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：故宮全景；全景攝影；全景技術(shù)；全景采集規(guī)范；全景圖像

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.11.029

作為目前重要的數(shù)字化手段之一，360度全景技術(shù)在文博、房產(chǎn)、旅游和汽車等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，主要用于對實(shí)景空間位置關(guān)系的直觀呈現(xiàn)，在完整性和真實(shí)性上的要求不高，例如在房產(chǎn)領(lǐng)域，全景側(cè)重記錄房屋布局，多使用全景相機(jī)采集柱形全景圖，地面、天空部分有信息缺失，并不影響其空間展現(xiàn)，而在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域，全景影像除承擔(dān)展示功能外，還兼具空間檔案影像的屬性，這就要求遺產(chǎn)地的全景采集應(yīng)以真實(shí)性和完整性為前提，在采集上具備更高標(biāo)準(zhǔn)。

故宮博物院于2015年開始采用全景技術(shù)，經(jīng)過近十年積累，結(jié)合故宮數(shù)字化保護(hù)需求，形成了一套高標(biāo)準(zhǔn)的全景采集流程，對故宮這一文化遺產(chǎn)地進(jìn)行了全面的全景記錄，尤其在前期采集階段和后期制作階段都有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，旨在充分發(fā)揮全景優(yōu)勢，為故宮這一文化遺產(chǎn)地留存更多有歷史價值的空間影像。

1 文化遺產(chǎn)地全景采集技術(shù)應(yīng)用分析

1.1 文化遺產(chǎn)地全景采集技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著技術(shù)發(fā)展，世界各國已通過數(shù)字化方式開展文化遺產(chǎn)的保護(hù)與利用。文化遺產(chǎn)數(shù)字化的核心在于以數(shù)字化形式，將現(xiàn)實(shí)存在的文化遺產(chǎn)轉(zhuǎn)化為虛擬世界的數(shù)據(jù)資源，目前主流的數(shù)字化方式有三維激光掃描、攝影測量、全景攝影等。

360度全景采集技術(shù)是將某一空間下水平視角360度的影像進(jìn)行采集，再拼合為全景影像的技術(shù)，與傳統(tǒng)影像不同，全景突破了取景框限制，能覆蓋拍攝機(jī)位視點(diǎn)下的全視角空間，被廣泛用于對空間真實(shí)影像有記錄需求的領(lǐng)域。目前依采集設(shè)備不同，可分為專業(yè)相機(jī)、全景一體機(jī)及無人機(jī)航拍三種。全景以采集效率高、影像質(zhì)量好及制作成本低等優(yōu)勢，成為文博領(lǐng)域重要的數(shù)字化方式之一。

1.2 故宮全景采集技術(shù)概述

故宮作為我國重要文化遺產(chǎn)地，集博物館、旅游景區(qū)、古建筑群于一體，為緩解實(shí)地游覽壓力，故宮于2015年啟動“全景故宮”項(xiàng)目，提供基于全景影像的沉浸式漫游，為更好還原古建筑群樣貌，在采集對象選擇上，以古建筑外景和原狀陳列內(nèi)景為主，截至2024年，已完成全景影像采集2414張，覆蓋全部開放區(qū)域及部分非開放區(qū)域。

全景影像作為沉浸式漫游的基礎(chǔ)，其采集技術(shù)決定了影像品質(zhì)的高低，為平衡采集效率和質(zhì)量，在目前主流設(shè)備中，全景相機(jī)的采集效率最高，但其獲取的全景多為地面天空缺失的柱形全景圖，且畫質(zhì)較專業(yè)相機(jī)略差，故宮不具備無人機(jī)采集條件，所以故宮全景采集主要以專業(yè)相機(jī)配合全景云臺進(jìn)行。

早期采集以展示為主，在質(zhì)量上考慮較少，隨著技術(shù)發(fā)展和全景功能的擴(kuò)展，“全景故宮”已不僅僅是虛擬漫游的展示媒介，更是數(shù)字化保護(hù)古建的載體，因此對故宮的全景采集有更高標(biāo)準(zhǔn)，追求全景的高精度、高質(zhì)量，從空間維度和時間維度為故宮留存具備檔案價值的空間影像。

2 故宮全景采集技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與難點(diǎn)

2.1 故宮全景采集制作標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 故宮全景在采集時遵循完整性真實(shí)性原則

全景影像可對遺產(chǎn)地中某一視角下的空間影像永久留存，理想的全景應(yīng)為球形全景圖。故宮的古建環(huán)境，不僅要求還原古建筑間的位置關(guān)系，更要求影像的完整性真實(shí)性。如太和殿內(nèi)景中的天花和地磚作為重要信息應(yīng)被真實(shí)完整采集，且原則上不應(yīng)對畫面元素進(jìn)行后期修改。

2.1.2 采集制作階段應(yīng)避免基本技術(shù)問題

全景采集依靠專業(yè)相機(jī)完成，合格的全景應(yīng)結(jié)像清晰、曝光正常、焦點(diǎn)準(zhǔn)確、節(jié)點(diǎn)正確、拼接無瑕、影調(diào)自然、色彩還原，不合格影像會影響全景的檔案價值。

2.1.3 在兼顧效率前提下追求影像精度

高標(biāo)準(zhǔn)的全景應(yīng)追求影像精度，矩陣攝影能獲取超百億像素全景，但該方式效率極低，故宮多為外景，受光線變化影響大，過低的采集效率會導(dǎo)致同一全景存在不同光線，并不利于全景展示，因此需在兼顧效率的同時追求最大精度。

2.1.4 在視覺效果上應(yīng)展現(xiàn)故宮古建筑的藝術(shù)美

故宮古建筑極具藝術(shù)價值，全景不僅要真實(shí)還原古建筑外形，更要在視覺效果上充分展現(xiàn)故宮古建筑的藝術(shù)美及其蘊(yùn)含的文化底蘊(yùn)，要格外注意時間與光線選擇，追求畫面美感，避免干擾古建筑呈現(xiàn)的元素。

2.2 全景采集技術(shù)的難點(diǎn)

2.2.1 故宮大光比環(huán)境曝光問題

故宮存在許多大光比環(huán)境，這對曝光是一個很大挑戰(zhàn)。全景是對水平方向360度的拍攝，經(jīng)常出現(xiàn)順光與逆光并存的局面，且高光與陰影光比遠(yuǎn)超普通照片，需采用包圍曝光方式獲取高動態(tài)范圍影像，但過多的拍攝張數(shù)會導(dǎo)致出現(xiàn)偽影從而降低畫質(zhì)，故而在大光比環(huán)境獲取高質(zhì)量全景是全景采集的一個難點(diǎn)。

2.2.2 采集地面時的“節(jié)點(diǎn)”偏差問題

為追求全景的真實(shí)完整，對被采集設(shè)備遮擋的底部，應(yīng)移動相機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拍，但移動后的相機(jī)“節(jié)點(diǎn)”會偏離初始旋轉(zhuǎn)“節(jié)點(diǎn)”，導(dǎo)致影像間出現(xiàn)視差而造成拼接失敗，在平整的地面，通過后期校正方式可以彌補(bǔ)視差，但故宮存在許多有高低落差的地面，如礓礤等有起伏的地面，需無限接近初始“節(jié)點(diǎn)”以獲取正確的地面視角，給無縫拼接帶來困難。

2.2.3 采集制作過程中的還原問題

故宮氣勢恢宏，在布局上南北取直，左右對稱，為準(zhǔn)確還原古建筑樣貌，不僅要求機(jī)位要符合故宮特點(diǎn)，做到橫平豎直，在色彩上也要準(zhǔn)確還原古建色彩，尤其彩畫還原需要精準(zhǔn)的色彩控制，這些都加劇了故宮全景采集的復(fù)雜度。

3 故宮高質(zhì)量全景采集的前期規(guī)范流程

為實(shí)現(xiàn)故宮全景的高質(zhì)量采集，應(yīng)對從設(shè)備選擇與設(shè)置到拍攝各個環(huán)節(jié)精準(zhǔn)控制，這是獲取高質(zhì)量全景影像的前提。

3.1 設(shè)備的確定

作為全景采集的核心部件，相機(jī)和鏡頭直接決定了全景的采集效率與質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)遺產(chǎn)地特點(diǎn)選擇，對空間狹小、光源穩(wěn)定的室內(nèi)，如沒有自然光的洞窟，可采用矩陣攝影以獲取超高精度影像，但對于受環(huán)境光影響較大的室外，需在保證效率前提下追求高精度。在對不同設(shè)備比對后，故宮選擇的是全畫幅相機(jī)搭配12毫米超廣角鏡頭，2億像素足以滿足目前精度需要，但對于重要機(jī)位，則采用中畫幅配合等效18毫米的超廣角實(shí)現(xiàn)7.6億像素的全景采集，均可在保持高效率前提下實(shí)現(xiàn)極高精度。

三腳架和全景云臺是開展采集的必要附件，三腳架腳釘應(yīng)避免金屬材質(zhì)，以防止對地面造成損壞。色卡是后期校色的依據(jù)，24色色卡足以滿足遺產(chǎn)地的色彩還原；為保證影像水平，需攜帶水平儀保證相機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中的水平。

3.2 設(shè)備的設(shè)置

3.2.1 確定旋轉(zhuǎn)軸心

正確的相機(jī)設(shè)置是高質(zhì)量拍攝的基礎(chǔ)，在全景采集中，最重要的是要圍繞“無視差點(diǎn)”進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該點(diǎn)通常被稱作“節(jié)點(diǎn)”，有觀點(diǎn)認(rèn)為圍繞物方節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)理論上不產(chǎn)生視差，也有觀點(diǎn)認(rèn)為該點(diǎn)應(yīng)為入射光瞳，雖叫法不一，但采集前提便是找到該點(diǎn)，并以此為旋轉(zhuǎn)軸心，一旦該點(diǎn)發(fā)生偏差，便會造成相鄰影像的重疊部分出現(xiàn)視差而導(dǎo)致拼接失敗，拍攝遠(yuǎn)景該誤差不會造成太大影響，一旦涉及近景，節(jié)點(diǎn)一定要精準(zhǔn)，這是決定全景拼接成功與否的關(guān)鍵。

3.2.2 相機(jī)設(shè)置

對于相機(jī)的具體設(shè)置主要是圖片格式和拍攝模式的設(shè)置。目前全景采集以JPEG格式為主，但想獲取高品質(zhì)的全景采集，應(yīng)使用RAW格式拍攝。JPEG是一種有損壓縮格式，而RAW作為相機(jī)原始數(shù)據(jù)，具有豐富的后期空間，特別是對顏色有較高要求的場景，需依據(jù)RAW生成ICC文件來實(shí)現(xiàn)校色，這也是同場景下不同全景間顏色匹配的依據(jù)。

在拍攝模式上應(yīng)使用包圍曝光模式，盡管RAW的寬容度更高，但在超出相機(jī)自身寬容度的大光比環(huán)境中，單張拍攝容易過曝或欠曝，而包圍曝光可完美覆蓋大光比環(huán)境，但具體張數(shù)還是要根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)置，盡可能涵蓋空間內(nèi)最亮及最暗處，為后期融合打好基礎(chǔ)。

3.2.3 確定景深范圍

為盡可能清晰地記錄全景影像，應(yīng)在保證畫質(zhì)前提下追求最大景深，在光圈、焦距與被攝物距離上做好平衡。光圈可在f8～f11進(jìn)行選擇，光線較暗時，可優(yōu)先降低快門速度或補(bǔ)光，除非條件不允許否則最好不要使用大光圈；焦點(diǎn)決定影像清晰度，應(yīng)手動調(diào)至鏡頭超焦距，可獲取最大的景深范圍，滿足大部分場景?？傊诰吧羁刂粕?，應(yīng)保證主要被射物處于景深范圍，如遇特殊情況，可考慮景深融合等方式。

3.3 拍攝流程

3.3.1 曝光控制

全景采集不是簡單的光圈、快門和感光度的組合，而是保證景深范圍的前提下，通過包圍曝光的方式，以最優(yōu)感光度和快門速度追求全角度的正確曝光。應(yīng)在具體場景使用測光表對能拍到的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)測光，得到需要保留細(xì)節(jié)的最亮處與最暗處的曝光值，以此推算需要拍攝的包圍曝光張數(shù)，但要注意更多的張數(shù)意味著后期更大的工作量和更低的容錯率。

快門速度應(yīng)結(jié)合具體拍攝內(nèi)容，在大靜止場景中依據(jù)測光所得即可。如想記錄運(yùn)動物體：搖晃的樹、降落的雪、動物等，則要提高快門速度保證結(jié)像清晰；如需避開一些運(yùn)動物體如行人，也可通過慢門虛化處理。感光度不宜過高，對于光線極暗或?qū)扉T速度有要求的場景可適當(dāng)增加，以目前相機(jī)的高感能力，ISO1600以下都能夠提供全景可用的畫質(zhì)。

3.3.2 拍攝色卡

色卡是后期校色的依據(jù)，在同一光線下拍攝一張即可，最好以全景中主要拍攝對象所在區(qū)域拍攝色卡，當(dāng)光線發(fā)生變化時，應(yīng)補(bǔ)拍色卡。

3.3.3 拍攝前的檢查

在正式拍攝前，應(yīng)檢查相機(jī)水平，圍繞水平方向旋轉(zhuǎn)360度，通過取景器確定各方向水平均已調(diào)平，并對每個角度進(jìn)行曝光檢查，確保所設(shè)定的包圍曝光范圍能覆蓋全部場景，還需注意入射光源導(dǎo)致的雜光問題，尤其是逆光部分，如有雜光，可對光線進(jìn)行遮擋以避免；檢查焦點(diǎn)并確保拍攝過程中準(zhǔn)確合焦。

3.3.4 根據(jù)鏡頭焦段進(jìn)行全覆蓋拍攝

焦段決定了拍攝張數(shù)，應(yīng)注意相鄰部分重疊面積，一般以30%的重疊為宜。以12毫米焦段為例，水平方向拍攝6張足以完成覆蓋，對天空地面各拍攝1張后只需補(bǔ)拍被設(shè)備遮住的地方，即可保證全部采集。更長的焦段會帶來更好的畫質(zhì)，但也意味著更復(fù)雜的拍攝，具體焦段依需求確定。

3.3.5 移動相機(jī)補(bǔ)拍地面

在移動相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)拍地面前，應(yīng)仔細(xì)檢查無遺漏項(xiàng)。整個流程中補(bǔ)拍地面是最難的一個環(huán)節(jié)，其好壞直接關(guān)系到球形全景圖的完整性，大多數(shù)采集流程中省略了這一步，文化遺產(chǎn)地的全景一定要對地面進(jìn)行補(bǔ)拍。

補(bǔ)拍地面的機(jī)位以接近“節(jié)點(diǎn)”為原則。地面平整時，即使遠(yuǎn)離“節(jié)點(diǎn)”也可通過后期完成融合；地面存在高度差時，如有在臺階拍攝時，應(yīng)盡可能在“節(jié)點(diǎn)”位置對地面進(jìn)行翻拍，能夠最大程度減小視差，提高地面融合成功率。

至此，便完成了全景采集所需的全部影像。

4 故宮全景影像的后期制作規(guī)范

4.1 影像調(diào)整部分

影像調(diào)整主要是對RAW文件進(jìn)行調(diào)整，對前期拍攝的素材進(jìn)行包圍曝光融合，并調(diào)整影調(diào)和色調(diào)，好的調(diào)色能夠極大增加影像質(zhì)感。一般常用的調(diào)色軟件為Lightroom、capture one、photoshop等。

首先是對同位置的多張HDR照片融合，獲取到一張高動態(tài)范圍的DNG格式影像，隨后根據(jù)該環(huán)境的色卡文件生成ICC文件，以此為基準(zhǔn)對該環(huán)境的所有影像進(jìn)行統(tǒng)一校色，在該色彩配置環(huán)節(jié)下，完成對所有影像白平衡、色調(diào)的校準(zhǔn)。

對校準(zhǔn)后的影像進(jìn)行影調(diào)、反差的修整，正確的影調(diào)是還原顏色的前提，基礎(chǔ)的校色步驟是完成顏色和影調(diào)的還原，在完成后也可進(jìn)行一定程度的色彩調(diào)整，但不應(yīng)對文化遺產(chǎn)本身進(jìn)行色相改動，可對天空等不涉及遺產(chǎn)地本身的元素做有限調(diào)整，以增強(qiáng)影像氛圍。

全景是多張影像的融合，需有整體意識，應(yīng)對所有影像進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，不能突出某一角度影像?？蛇x擇覆蓋遺產(chǎn)地面積較大的影像作為調(diào)色依據(jù)對其他方向進(jìn)行微調(diào)，相鄰兩張的重疊區(qū)域盡量保持色調(diào)一致，尤其注意逆光方向，其飽和度和反差不如其他方向，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)足，還需矯正暗角和畸變，以上處理能極大程度避免拼接出現(xiàn)的亮度、色彩不均問題。

影像中的臟點(diǎn)、雜光可根據(jù)情況處理，但需做好修改記錄，尤其涉及文化遺產(chǎn)元素的增改，修改記錄應(yīng)作為重要檔案記錄與影像一并保存。至此，完成了對影像的調(diào)整，應(yīng)輸出為無損的TIFF格式文件。

4.2 全景制作部分

全景制作部分主要是對調(diào)整好的影像進(jìn)行拼接，如前期采集沒有問題，全景制作相對容易。全景拼接依靠專業(yè)拼接軟件，如PT Gui、AUTOpanorama等，比較難處理的部分是補(bǔ)拍地面的影像拼接。

4.2.1 全景拼接

如前期采集環(huán)節(jié)能夠找準(zhǔn)“節(jié)點(diǎn)”，重疊部分足夠大，則拼接較為簡單，多數(shù)情況下軟件自動處理即可。對于一些重復(fù)性高且紋理相似的部分，往往會發(fā)生拼接錯誤的情況，此時需要人工介入，通過增加“控制點(diǎn)”，運(yùn)行優(yōu)化即可修復(fù)。

4.2.2 地面補(bǔ)全

地面補(bǔ)齊是整個全景制作中最難的部分，因?yàn)檫@是唯一一張不在“節(jié)點(diǎn)”拍攝的影像，若前期能貼近“節(jié)點(diǎn)”拍攝，則拼接相對容易，若相差較遠(yuǎn)，拍攝的照片視差也會更大，只能通過手動添加“控制點(diǎn)”的方式完成拼接。

4.2.3 檢查與修復(fù)

拼接完成后需進(jìn)行復(fù)核，尤其注意接縫處是否有拼接失敗的情況。此外在檢查時應(yīng)該注意場景中的雜物、雜光以及缺失部分，對于不涉及文化遺產(chǎn)本體的元素進(jìn)行修補(bǔ)，確認(rèn)沒有其他問題后即可導(dǎo)出，盡量保存為無壓縮的TIFF格式。

至此，即完成了高質(zhì)量全景影像的采集與處理全流程。

5 結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的文化遺產(chǎn)地轉(zhuǎn)向使用實(shí)景三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，僅將全景視為相對初級的展示游覽方式，全景高效記錄真實(shí)影像空間的優(yōu)勢被人忽視，這一成熟技術(shù)留存的空間影像數(shù)據(jù)在未來仍舊具備檔案價值。本文僅以故宮古建筑全景采集為例，論述全景采集和制作的規(guī)范化流程，全景技術(shù)的核心還是在減少視差與拼接無暇這兩處，所有影像品質(zhì)的提升都以這兩項(xiàng)為目標(biāo)，但實(shí)際的采集制作中還有許多無法實(shí)現(xiàn)的地方，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對性調(diào)整，限于篇幅僅對關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了論述，對全景影像美學(xué)方面還有許多未提及之處。也期冀在文化遺產(chǎn)采集領(lǐng)域，能有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)予以指導(dǎo)，形成一套高質(zhì)量采集的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

參考文獻(xiàn)

[1]劉明真，李元旭.數(shù)字文化戰(zhàn)略視域下文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承：機(jī)理、挑戰(zhàn)與路徑[J].檔案學(xué)研究，2024（5）：107-116.

[2]羅安琪，劉佳靜，鄭建明.2023年國內(nèi)外文化遺產(chǎn)數(shù)字化研究述評[J].圖書館論壇，2024，44（10）：72-82.

[3]鄭春暉，張佳，朱佳樂.穿越時空的“對話”：文化遺產(chǎn)數(shù)字化展示中的想象激發(fā)與實(shí)地旅游意愿[J].旅游學(xué)刊，2024，39（10）：127-140.

[4]王玉玨，王倩媛.從“檔案文獻(xiàn)遺產(chǎn)”到“數(shù)字遺產(chǎn)”：《世界記憶名錄》首個數(shù)字遺產(chǎn)“荷蘭數(shù)字城市”研究[J].中國檔案，2023（9）：64-66.

[5]梅文勝，胡帥朋，李謀思，等.基于普通數(shù)碼相機(jī)的旋轉(zhuǎn)全景攝影測量方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2017，42（2）：243-249.

[6]艾達(dá)，白巖松，于可欣.全景圖像質(zhì)量評價方法最新進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2022，58（24）：1-11.

[7]劉崧印，朱學(xué)芳，李川.基于VR技術(shù)的虛擬圖書館全景漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].圖書館學(xué)研究，2022（11）：47-56.