矩陣接片與物質文化遺產保護

王光偉 （南京郵電大學 江蘇南京 210000）

矩陣接片與物質文化遺產保護

王光偉 （南京郵電大學 江蘇南京 210000）

華夏民族擁有著五千多年的文明史，在這漫漫的歷史長河中，遺留下的文化隗寶可以說數不勝數，如古建筑、古村落、古城墻、古雕塑、繪畫、青銅器等等。但是，隨著旅游業的發展，人們正有意識或無意識的對文化遺產造成損害。你可能會在八達嶺長城看到“某某到此一游的字樣”；你也可能會在明孝陵中看到某些石像被摸圓了棱角；甚至就連故宮博物院里的國寶也會因為管理人員的疏忽而遭到損失。文化遺產具有唯一性和不可復制性，它承載著太多中華民族的文明發展史，它的價值是不可估量的。所以如何更好的保護文化遺產已經成為了當今時代發展的課題。本文是一篇關于文物信息采集的文章，旨在將文化遺產數字化，以高清晰的畫面還原出遺產的現狀，通過各種媒體的傳播實現文化保護的目的，而數字技術的發展，也為此提供了手段和可能。

一、什么是矩陣接片

所謂矩陣接片就是人為的將被攝對象在拍攝時進行有計劃的分割，并且把被攝對象劃分為互有疊加的n個，每次只拍攝其中一個，在完成對被攝對象的全部拍攝之后，后期借助圖像軟件，對被攝對象進行拼接復原，從而得到一張完整的、超大畫幅的照片，如圖1是將被攝對象劃分為互有疊加的N個。現在的數碼相機的像素從500萬像素到2000萬像素不等，但是利用矩陣接片接出來的照片可以達到幾億甚至幾十億像素。在文物保護中運用矩陣接片技術，我們不僅可以看到文物的總體形象而且可以通過放大圖像看到文物表面的紋理，甚至連肉眼無法看到的細節也能一覽無遺。將這項技術應用到極致的便屬google的“博物館計劃”了。

谷歌利用先進的GigaPixel相機對大部分藝術珍品都做了單獨的高清晰解析圖像展示，某些圖像的像素甚至高達70億，如梵高名作《星空》、波提切利名作《維納斯的誕生》等。在如此高像素的圖片上，我們不僅可以清晰的看清楚繪畫的每一處細節，甚至連畫面留白處的畫布紋路都清晰可見。

什么是Giga Pixel相機呢？如圖2，Giga Pixel相機也是由多張照片拼接而成的。Giga Pixel相機的技術原理與矩陣接片是一樣的，也是由大量的照片拼貼而成。但是它與傳統的矩陣接片又有所不同，Giga Pixel相機擁有98個微距鏡頭，鑲嵌在一個球面透鏡中，它可以一次性的完成對指定場景的拍攝，并且一次拍攝拼接出來的照片容量可達到1G多。但這種設備昂貴且笨重，與傳統接片相比Giga Pixel雖然有速度優勢，但卻犧牲了靈活性，而且攜帶不方便。它類屬于旋轉接片卻不能應用于移位接片，在對壁畫或長卷畫廊等大面積拍攝時，Giga Pixel相機是不適用的。

二、矩陣接片分類

（一）旋轉位置接片

保持相機水平且穩定，利用全景云臺圍繞著鏡頭節點，以一個預定角度作水平或垂直旋轉進行拍攝，最終甚至可以把720度的全景畫面拍攝下來（包括天空和地面，也稱為球面全景）。需要注意的是，這種方式只適合拍攝有一定距離或者是環狀排列分布的景物，而不適合拍攝受狹窄空間限制的或是延伸過長的景物。

（二）平行移位接片

在狹窄的環境中拍攝像大型壁畫或長卷畫廊這種類型的接片時，就適宜采用平行接片的方法，因為隨著鏡頭的旋轉，鏡頭與被攝物的對焦距離也會越來越長，這樣就會產生嚴重的透視變形并最終導致照片無法拼接到一起。所以必須采取另一種接片技術——平行移位接片。所謂平行移位接片就是借助架設的橫移導軌將相機架設在軌道車上，“逐格移動，逐格拍攝”。拍攝期間必須始終保持相機鏡頭與壁面的距離不變，并且在拍攝前期做好詳細的計劃，如計算好拍攝的張數、確定橫豎重疊的百分比、運用何種照明工具等等。

（三）矩陣接片的應用

物質文化遺產包括古遺址、古建筑、石刻、壁畫、藝術品、繪畫、手稿以及歷史文化名城（街區、村鎮）等等。傳統的對物質文化遺產的信息保存方式往往只是局部的、零散的圖像資料，不能很好的展現遺產的風貌。而利用矩陣接片技術，在一覽遺產整體面貌的同時還可以展現它們細微的表面紋理資料，這樣就能夠更完整、更全面的保存文化遺產的圖像信息。所以，矩陣接片技術在文化遺產保護中的作用是非常大的。

1.矩陣接片在古建筑中的應用。在對建筑物進行信息采集的時候，通常只是以拍攝單張照片來表現整個建筑物或是建筑物的某個局部的細節，這種信息采集方式在一定程度上限制了觀賞者的視野范圍，加上廣角鏡頭拍攝出來的照片又會使建筑物的變形加大，使圖像失貞。而矩陣接片技術則可以很好的解決上述的問題。如圖3，這幅孝陵明樓的照片擁有3.2億像素，是用30張1800萬像素的照片拼接而成，我們在總覽明樓的同時還可以不斷放大圖片來看清磚瓦的紋理。

2.矩陣接片在繪畫作品中的應用

典型的例子就是google的博物館計劃，前面講到google利用giga pixel相機拍攝了一些像素高達70億的繪畫作品，其展現的細節，有些連肉眼都無法捕捉的到。如圖4是google博物館展示的名作《The Merchant Georg Gisze》，以及70億像素放大100%的效果。

3.矩陣接片在大場景文化名城中的應用。矩陣接片技術可以更好地表現出文化名城的風采，利用航拍技術或是站在高處對文化名城進行俯拍接片，人們在縱覽名城的同時還可以通過放大圖片觀察到某個建筑物的細節部分（比如某古老寺院屋檐上的鈴鐺、某建筑大門的門牌號等），這樣能更加形象、生動、具體的將文化名城的風貌展現到人們面前。如圖5，這幅照片是在紫金山山頂上拍攝完成的，由1百多張照片拼接成20億像素的長畫幅照片，在俯覽南京城的同時還能通過放大照片清晰的看到建筑物。

4.矩陣接片在考古遺址中的應用。出于文物保護的目的，有些考古遺跡是被禁止對外開放的。即便允許游客參觀，但光線和空間等因素的限制也會影響游客觀賞性，這樣就失去了文物本身的宣傳教育的功能。利用移動接片技術，在充足光照的條件下對遺跡進行信息采集，然后將采集到的圖像資料發布到互聯網或是終端機設備上，人們只要輕輕的點下鼠標就能觀察到遺跡的風貌，這樣在達到文物保護目的同時也克服了人們因空間和光線的限制帶來的瀏覽不便。而且人們可以在足不出戶的情況下“近距離”的觀察遺跡，為文化研究提供了便利，也更好地實現了文物的宣傳教育功能。

三、拍攝

（一）器材選擇

1.數碼相機。相機必須要有手動檔功能，能調整光圈、感光度等。

2.鏡頭。在對繪畫、壁畫、手稿等進行信息采集時，微距鏡頭是必不可少的。在對大場景以及摩崖雕刻等遠距離進行信息采集時，長焦鏡頭也是必須的。而對建筑物進行采集時，一般采用中長焦鏡頭。根據拍攝物體的特征大小來選擇鏡頭，一幫選用28MM—200MM焦段的定焦鏡頭。

3.快門線。減少手抖造成照片質量下降

4.存儲卡。在拍攝時一般都是以RAW格式拍攝，一張RAW圖片的容量通常在22M左右，所以在拍攝期間應多備幾張大容量的存儲卡。

5.三腳架和全景云臺。腳架起到相機的水平以及穩固的作用。云臺，可以保證相機以預定的角度進行左右上下的旋轉。

6.軌道和臺架。用于水平面橫向和垂直面縱向移動以及作為照相機的水平平臺。

7.偏振鏡。在拍攝壁畫等紙類繪畫作品時，可以消除反光。

8.水平尺、水平珠。用于衡量相機是否水平。

9.色溫記錄器。記錄當時環境色溫。

10.燈光。主要分兩種：一種是無色差冷光源，避免熱光源產生的熱量對拍攝文物造成影響。一種是閃光燈，但要通過反光板反射使用，避免其直接的、瞬間的照射到文物上。

11.電腦。用于最終圖像的拼接合成。

（二）拍攝注意事項

1.選對鏡頭節點。所謂鏡頭節點也就是鏡頭的光學中心，穿過此點的光線不會發生折射。在進行矩陣接片的拍攝時就要以鏡頭節點為旋轉中心，這樣在拍攝的多張照片中的物體就不會產生位移，后期照片拼接也不會出現拼接不上的情況。一般來說廣角鏡頭的鏡頭節點在靠近鏡片的位置，隨著焦段的不斷升高，節點位置會相應的往后移動。

2.在進行接片的時候，必須始終保持腳架的穩定，與位置不變。

3.在拍攝過程中不能隨便更改鏡頭焦段

4.拍攝時應在一個時間段內一次性的完成拍攝，避免在不同時間段內拍攝一組接片時因為光照等條件不一致導致照片無法合成。

5.關閉相機的自動白平衡、自動ISO感光度，禁止使用自動曝光模式。

6.利用色溫表記錄當時環境的色溫以便后期色溫還原。

7.以RAW文件格式拍攝可以還原出當時的色溫。

（三）工作步驟

矩陣接片是一項前后銜接非常緊密的技術，它涉及到攝影、采光、測量、記錄以及后期計算機軟件應用等。如果其中有一項工作做的不夠好，都有可能影響整體的出片效果，所以只有在各方面共同努力下，才可以順利的完成對被攝對象的信息采集。

1.前期計劃。該階段主要是對遺產現狀的分析和現場調研，然后根據調研結果制定拍攝計劃，包括器材的選擇、選擇拍攝的時間和地點、采光方式以及拍攝的張數等等。以明孝陵為例，對陵墓的現狀分析之后，我們以神道中的石像為主要信息采集對象，而根據石像的大小、表面紋理以及周圍空間距離，我們決定采用85MM的定焦鏡頭，在石像的側面方向以4*4（4行4列）矩陣進行拍攝。拍攝時間定在周一至周五的清晨或傍晚，避開游客的高峰時期，在早晨、傍晚進行拍攝可以避免陽光的直射造成石像局部的反差過大。如圖6是明孝陵神道的麒麟，其采用4*4列的拍攝方式，最終拼接成1億像素的圖片，可以看清楚麒麟表面的紋理。

2.拍攝階段。該階段主要是以制定的拍攝計劃為依據，根據現場的情況（光照等）進行有放失的拍攝（參見上述的拍攝注意事項）。

3.后期拼接發布。拍攝和拼接的聯系是相當緊密的，拍攝的精準性決定了后期拼接的難易程度，在拍攝過程中，腳架的不小心移位、某張照片曝光不準確或是虛焦等現象都會給拼接帶來相當大的麻煩，有時候甚至是致命的，所以拍攝和后期是相輔相成的兩個階段。

（1）整理、色溫還原。將拍攝的圖片分門別類，并用圖像處理工具還原出照片的真實色溫。數碼相機拍攝的照片，在受光線以及環境的制約下，其照片的色溫值會與現場所呈現的有很大出入，所以必須根據當時色溫表記錄的環境色溫數據，運用相關軟件（如photoshop raw）將拍攝的文物的色溫進行還原，以求能更真實的還原文物的風貌。（根據色溫記錄器的值）。

（2）拼接。現在用于照片拼接的軟件非常多，主要的有photoshop、PTGUI、Panorama Maker 5 Pro 、 Canon PhotoStitch 等。這里以PTGUI為例將拍攝的一組接片導入到PTGUI中，點擊對準圖像，這時PTGUI會根據照片重合度自動建立參考控制點，如果因部分照片的相似度太高、或是虛焦等原因造成軟件不能自動識別控制點，也可以手動建立參考控制點。當所有控制點都匹配以后，點擊運行優化器后，最后再進行全景圖片的輸出。

（3）發布。PTGUI軟件可以將拼接的照片生成JPG、TIF、PSD等圖片格式，但是這些圖片容量一般較大，而且必須用專門的查看器瀏覽，不易于傳播和推廣。利用PANO2VR等軟件可以將PTGUI生成的圖片進一步轉換成FLASH、HTML、quicktime等格式，并能有效壓縮容量，而這種格式的文件可以比較容易的上載到網站服務器，也可以與360全景漫游系統相結合結合，移植到多媒體支撐平臺上，更方便用戶的瀏覽體驗。隨著互聯網、終端設備的發展普及，“隨時隨地”查看遺產信息、“身臨其境”的在線虛擬瀏覽文化遺址即將成為現實。