高平羊頭山石窟多視角三維重建拍攝方法探索

楊寶

摘 要：文章以羊頭山石窟為例，綜合運用數(shù)碼相機和智能無人機探索三維建模前期拍攝方法，主要介紹了多視角三維重建技術(shù)的設(shè)備、原理、依托軟件、拍攝方法、注意事項以及對拍攝素材的預(yù)處理，為后期建模奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：羊頭山石窟;多視角三維重建技術(shù);無人機;拍攝方法

多視角影像三維重建技術(shù)作為文物數(shù)字化的最新技術(shù)之一，在文物保護中的作用越來越大。目前國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)在文博領(lǐng)域的應(yīng)用研究逐漸豐富，其中以中國社會科學(xué)院考古研究所劉建國先生為代表，成果頗豐。此外，我國學(xué)者同國外學(xué)者就該技術(shù)在文物研究保護領(lǐng)域的應(yīng)用也進行了交流。2017年3月28日，在中國社會科學(xué)院考古研究所報告廳召開的“中俄考古現(xiàn)場三維重建技術(shù)研討會”上，中俄雙方分享了在該領(lǐng)域研究的經(jīng)驗。

石窟寺遺產(chǎn)的保護是國內(nèi)外共同面臨的難題，探索多視角影像三維重建技術(shù)在該類型文化遺產(chǎn)中的應(yīng)用意義重大，有望推進其數(shù)字化保護進程。在對石窟寺進行多視角影像三維建模的過程中，由于石窟寺所處環(huán)境復(fù)雜、體量巨大以及開窟造像所形成的特殊空間形態(tài)等因素，建模前期素材獲取難度較大，對拍攝技術(shù)要求較高。本文針對這一問題，以高平羊頭山石窟為例，探討石窟寺三維重建過程中的拍攝方法。

羊頭山石窟位于山西省高平市神農(nóng)鎮(zhèn)羊頭山，石窟、石塔、造像碑等散落分布于山坡上，其中石窟共有10處，主要石窟開鑿于北魏時期。羊頭山石窟是佛教藝術(shù)由洛陽向北傳播到太原這一路線的中轉(zhuǎn)站，具有重要的價值[1]。

1 多視角影像三維重建技術(shù)的原理、設(shè)備及依托軟件

1.1 技術(shù)原理

多視角影像三維重建技術(shù)是以普通數(shù)碼相機作為影像獲取工具，使用一臺或多臺攝像設(shè)備對真實場景采樣，從不同角度圍繞被拍攝的遺址、文物等獲取多幅數(shù)字影像，然后根據(jù)計算機視覺原理，對獲取的全部數(shù)字影像進行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點云，自動加載影像紋理后得到的真實三維模型。整個建模流程基本自動化，無需復(fù)雜的計算機操作[2]。

1.2 設(shè)備

1.2.1 影像素材采集設(shè)備

多視角影像三維重建技術(shù)實現(xiàn)的前提是獲取多幅多角度的數(shù)字影像，獲取影像素材的設(shè)備主要包括數(shù)碼單反照相機和智能無人機。

數(shù)碼單反照相機具有真實圖傳、準確抓拍、操控便捷的特點，適用于石窟寺的造像細節(jié)拍攝、近地面連接處拍攝以及狹小窟內(nèi)空間的拍攝。高度1.5米以下使用數(shù)碼單反相機拍攝，無需借助無人機拍攝。拍攝較高壁面時，可以借助三腳架等輔助拍攝工具完成拍攝。

智能無人機航拍屬于超低空影像拍攝方式的一種，其優(yōu)點是能夠拍攝石窟寺上空范圍或者是人工拍攝不便到達的位置，可對石窟寺的壁面上部、頂部及整體環(huán)境進行拍攝。本課題采用的是大疆公司生產(chǎn)的Phantom 4 Pro智能無人機。該無人機是目前同類型機種中較為先進的機型，具有專業(yè)級航拍設(shè)備和航拍測繪功能，符合野外石窟寺調(diào)查的航拍要求。

1.2.2 三維模型處理設(shè)備

三維建模最基本的硬件設(shè)備是計算機，模型運算過程需要處理圖形色彩等信息，圖像處理工作量大，需要配置運算速度快、整體性能高的計算機，尤其應(yīng)從CPU、GPU、內(nèi)存、硬盤等方面綜合考慮。多核處理器和高速固態(tài)硬盤作為優(yōu)先首選，顯卡與顯示器的選擇應(yīng)遵循色彩還原度高、色差小的原則。

1.3 依托軟件

主要依托的軟件是Agisoft PhotoScan，此軟件是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款三維重建軟件，基于計算機視覺系統(tǒng)，運用多視角影像三維重建技術(shù)自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件。該軟件將具有一定重疊的二維影像資料進行處理，通過添加控制點，最終生成帶有真實坐標(biāo)數(shù)據(jù)的三維模型。此軟件建立三維模型的過程完全自動化，建立模型效果良好，精度較高，處理得到的影像結(jié)果為具有地理坐標(biāo)信息的可測量模型。

此外，在三維重建過程中，還需用到Computer Aided Design、Adobe Lightroom、Adobe Photoshop等軟件。

2 影像素材的獲取

2.1 拍攝方法

運用數(shù)碼相機或智能無人機拍攝的影像是多視角三維重建的基本素材，基于計算機視覺運行功能和數(shù)字攝影測量原理建立三維模型，因此，必須提供一定數(shù)量和質(zhì)量的影像資料，Agisoft PhotoScan軟件才能進行完整的三維模型重建。故所獲取的影像素材質(zhì)量的高低至關(guān)重要。

石窟寺的外部和內(nèi)部具有復(fù)雜多樣的形態(tài)，其影像素材需要通過數(shù)碼單反相機和智能無人機航拍兩種拍攝方式來獲取，具體根據(jù)石窟寺的規(guī)模、形態(tài)、分布等情況進行選擇。拍攝效果在一定程度上決定了建模成型的效果，故不同類型的石窟在獲取影像時需采用不同的拍攝方法。

單面石窟的拍攝，主要針對僅露出外立壁的石窟類型的影像獲取。此類石窟拍攝相對簡單，只有一個正壁，且內(nèi)凹不明顯。拍攝時，拍攝軌跡呈S形的橫向走位，或呈W形的縱向走位，避免沒有規(guī)律的拍攝軌跡。既要注意相鄰照片之間應(yīng)保持一定的重疊范圍，也要注意垂直壁面拍攝（圖1）。

半立體石窟的拍攝，主要針對背靠山體或巖體的石窟類型的影像獲取。主要拍攝方法可參考單面石窟的拍攝，需要注意的是對其頂部的拍攝。當(dāng)相機拍攝無法獲得完整影像時，可采用無人機補拍，頂部與各側(cè)面的連接處要增大拍攝覆蓋的范圍，盡可能多地獲取影像以保證此類石窟影像的完整性（圖2）。

立體石窟的拍攝，主要針對獨立形態(tài)的石窟類型的影像獲取。主要拍攝方法是對其環(huán)繞式拍攝，按環(huán)形拍攝軌跡取像一圈后，自下而上呈螺旋上升式軌跡取像，由此達到對石窟的全方位多視角拍攝。下部、中部位置用相機環(huán)繞拍攝，較高的上部、頂部位置采用無人機環(huán)繞航拍。注意保證拍攝角度的完整性和相鄰照片的重合度，最大程度地獲取充足的影像素材（圖3）。

石窟內(nèi)部的拍攝，主要針對石窟內(nèi)部各壁面和頂部的封閉空間的影像獲取。石窟內(nèi)部采用數(shù)碼單反相機拍攝，拍攝者置身于窟內(nèi)地面中心，向石窟各壁面及頂部呈放射式拍攝。注意在對窟內(nèi)頂部和底部拍攝時，可使用米字形拍攝軌跡，利用交叉的走位把頂部和底部全部覆蓋（圖4）。

2.2 拍攝注意事項

在對石窟寺進行影像素材采集的過程中難免遇到諸多問題，這些問題的產(chǎn)生往往是由不同因素造成的。

2.2.1 注意氣象、環(huán)境等外部因素

石窟寺拍攝作為野外工作，天氣狀況對工作效果有著直接的影響。在光線條件上，晴天在早、中、晚三個時段的光線比陰霾、雨雪天都要充足，較大程度滿足拍攝時的光線需求，但要注意中午陽光強烈時易產(chǎn)生過度曝光。在天氣條件上，雨雪天相比于陰晴天，降水和降雪不利于對石窟寺的拍攝取景。在風(fēng)力條件上，無風(fēng)或微風(fēng)的天氣最適合無人機的航空拍攝，大于5級的風(fēng)力則會嚴重影響無人機的航行。若強行航拍不僅無法穩(wěn)定滯空拍攝，而且有可能造成無人機設(shè)備的損壞和人員的傷害。

石窟寺的周圍環(huán)境一般較復(fù)雜，無論是崎嶇不平的地形還是枝繁葉茂的植被，都是影響拍攝影像完整性的重要因素。例如，羊頭山石窟五號窟的左右兩邊樹木的枝葉延伸覆蓋于其正壁上方，使用數(shù)碼相機拍攝該窟頂部高度不夠，而使用無人機拍攝則受到植被的遮擋，無法獲取頂部的細節(jié)影像，最終造成建立的五號窟三維模型頂部的混亂，故需要對石窟周邊植物進行必要的清除。

2.2.2 注意技術(shù)訓(xùn)練、設(shè)備準備等內(nèi)部因素

拍攝者的技術(shù)決定了所獲取影像的質(zhì)量，拍攝者不僅需要熟練掌握數(shù)碼相機、無人機等設(shè)備的操作技巧，而且需要了解石窟寺的特點。在復(fù)雜的環(huán)境下，對拍攝的角度、方向、參數(shù)設(shè)置以及操作技巧等要求很高，因此要提前訓(xùn)練熟練。在設(shè)備準備方面，要備足數(shù)碼相機和無人機的電池，尤其是無人機電池，一塊電池最多飛行20多分鐘，航拍獲取的影像數(shù)量有限。若同時使用多臺相機拍攝，最好是相同型號的相機，以免造成所獲取的影像素材效果不一，影響后期建模生成。此外，盡量使用三腳架等輔助工具，以拍攝更高質(zhì)量的照片。最后，要提前確定所調(diào)查地區(qū)是否在無人機禁飛區(qū)范圍內(nèi)，若在禁飛區(qū)，需要提前到公安部門備案。

3 影像素材預(yù)處理

影像素材預(yù)處理是指在前期拍攝過程中，由于各種因素造成獲取的影像質(zhì)量欠佳，無法滿足建模的要求，對所獲取影像素材進行優(yōu)化，使其達到最佳的狀態(tài)以滿足建模需要的過程。此過程包括對影像素材的收集整理和軟件預(yù)處理兩個階段。

3.1 收集整理

首先將獲取的影像素材進行分類歸檔，主要分為兩類：一類是石窟寺本體的素材影像，一類是調(diào)查現(xiàn)場的工作影像。課題組前后進行了兩次現(xiàn)場取材，先將石窟的影像根據(jù)取材的時間先后順序分類，再根據(jù)石窟的編號和內(nèi)外窟順序分類，然后將分類歸檔好的影像素材根據(jù)拍攝的角度、方向、軌跡排列編號，這樣就能清楚地辨識出所獲取的影像素材中是否有模糊、缺漏、重復(fù)的照片。結(jié)合前后兩次的取材，對獲取的影像進行挑選刪減，保留質(zhì)量相對較好的影像，以確保后期建模流程中對齊照片的合理性和密集點云生成的完整性。最后將已分類整理好的前后兩次影像資料整合存檔，方便后期建模提取使用。

3.2 軟件預(yù)處理

本課題主要依托專業(yè)級圖片編輯軟件Lightroom對影像素材進行預(yù)處理，由于所獲取的石窟影像素材數(shù)量較多，使用Photoshop批量化處理圖片會造成預(yù)處理的效率低下，而Lightroom的圖片批量處理功能更符合這一技術(shù)要求。

首先把整理好的影像素材以文件夾的形式直接拖入Lightroom操作界面，然后選中全部文件并點擊修改照片。在修改照片的界面調(diào)整參數(shù)選項工具欄，主要調(diào)整以下參數(shù)：

①曝光度，調(diào)整照片整體的光線影響程度。

②對比度，增強照片中色域的差值，使顏色細節(jié)更加明顯。

③陰影，對照片的陰影與暗部進行局部增光，使其細節(jié)得以體現(xiàn)。

④清晰度，提高照片整體的清晰程度，還原照片真實性。

為了保證準確高效的預(yù)處理，在Lightroom自動調(diào)整的基礎(chǔ)上，微調(diào)以上參數(shù)設(shè)置達到最佳效果，通過觀察照片整體與細節(jié)的協(xié)調(diào)性和修改前后的差異性來確定最終的修改程度。最后設(shè)置影像導(dǎo)出的參數(shù)，“格式”選擇“JPEG”，“品質(zhì)”設(shè)置“最優(yōu)”，導(dǎo)出路徑設(shè)置為新的整合分區(qū)，以方便區(qū)分原始影像素材和處理后影像素材的位置。

這樣的預(yù)處理方式能使影像素材在盡量不改變其真實性的基礎(chǔ)上，滿足三維建模所需要的質(zhì)量要求。

4 結(jié)語

在石窟寺多視角影像三維重建過程中，影像素材的質(zhì)量是影響三維模型生成效果的重要因素，需要注意影像素材的清晰度、重合度以及拍攝軌跡。在深入分析石窟寺特點的基礎(chǔ)上，綜合考慮氣象、石窟微環(huán)境、設(shè)備特點、技術(shù)水平等多方面因素，以獲取高質(zhì)量的影像素材，并對其進行預(yù)處理，便于后期三維建模的順利實施，進而達到石窟寺數(shù)字化保護與利用的目的。

（附記：參與羊頭山石窟多視角三維重建拍攝的同學(xué)有歷史15級學(xué)生梁凡僖、陳飛宏、張旭、賈洋。）

參考文獻

[1]張慶捷，李裕群，郭一峰.山西高平羊頭山石窟調(diào)查報告[J].考古學(xué)報，2000（1）.

[2]劉建國.三維重建在文物考古工作中的應(yīng)用[J].中國文化遺產(chǎn)，2015（5）.