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的設備、原理、依托軟件、拍攝方法、注意事項以及對拍攝素材的預處理，為后期建模奠定基礎。

關鍵詞：羊頭山石窟;多視角三維重建技術;無人機;拍攝方法

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

石窟寺遺產的保護是國內外共同面臨的難題，探索多視角影像三維重建技術在該類型文化遺產中的應用意義重大，有望推進其數字化保護進程。在對石窟寺進行多視角影像三維建模的過程中，由于石窟寺所處環境復雜、體量巨大以及開窟造像所形成的特殊空間形態等因素，建模前期素材獲取難度較大，對拍攝技術要求較高。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鎮羊頭山，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由洛陽向北傳播到太原這一路線的中轉站，具有重要的價值[1]。

1 多視角影像三維重建技術的原理、設備及依托軟件

1.1 技術原理

多視角影像三維重建技術是以普通數碼相機作為影像獲取工具，使用一臺或多臺攝像設備對真實場景采樣，從不同角度圍繞被拍攝的遺址、文物等獲取多幅數字影像，然后根據計算機視覺原理，對獲取的全部數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，無需復雜的計算機操作[2]。

1.2 設備

1.2.1 影像素材采集設備

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

數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拍攝、近地面連接處拍攝以及狹小窟內空間的拍攝。高度1.5米以下使用數碼單反相機拍攝，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、頂部及整體環境進行拍攝。本課題采用的是大疆公司生產的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，具有專業級航拍設備和航拍測繪功能，符合野外石窟寺調查的航拍要求。

1.2.2 三維模型處理設備

三維建模最基本的硬件設備是計算機，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，尤其應從CPU、GPU、內存、硬盤等方面綜合考慮。多核處理器和高速固態硬盤作為優先首選，顯卡與顯示器的選擇應遵循色彩還原度高、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公司研發的一款三維重建軟件，基于計算機視覺系統，運用多視角影像三維重建技術自動生成高質量三維模型的軟件。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數據的三維模型。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，處理得到的影像結果為具有地理坐標信息的可測量模型。

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字攝影測量原理建立三維模型，因此，必須提供一定數量和質量的影像資料，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量的高低至關重要。

石窟寺的外部和內部具有復雜多樣的形態，其影像素材需要通過數碼單反相機和智能無人機航拍兩種拍攝方式來獲取，具體根據石窟寺的規模、形態、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，避免沒有規律的拍攝軌跡。既要注意相鄰照片之間應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，主要針對獨立形態的石窟類型的影像獲取。主要拍攝方法是對其環繞式拍攝，按環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、中部位置用相機環繞拍攝，較高的上部、頂部位置采用無人機環繞航拍。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）。

石窟內部的拍攝，主要針對石窟內部各壁面和頂部的封閉空間的影像獲取。石窟內部采用數碼單反相機拍攝，拍攝者置身于窟內地面中心，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，這些問題的產生往往是由不同因素造成的。

2.2.1 注意氣象、環境等外部因素

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。在風力條件上，無風或微風的天氣最適合無人機的航空拍攝，大于5級的風力則會嚴重影響無人機的航行。若強行航拍不僅無法穩定滯空拍攝，而且有可能造成無人機設備的損壞和人員的傷害。

石窟寺的周圍環境一般較復雜，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 注意技術訓練、設備準備等內部因素

拍攝者的技術決定了所獲取影像的質量，拍攝者不僅需要熟練掌握數碼相機、無人機等設備的操作技巧，而且需要了解石窟寺的特點。在復雜的環境下，對拍攝的角度、方向、參數設置以及操作技巧等要求很高，因此要提前訓練熟練。在設備準備方面，要備足數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，以拍攝更高質量的照片。最后，要提前確定所調查地區是否在無人機禁飛區范圍內，若在禁飛區，需要提前到公安部門備案。

3 影像素材預處理

影像素材預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量欠佳，無法滿足建模的要求，對所獲取影像素材進行優化，使其達到最佳的狀態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，一類是調查現場的工作影像。課題組前后進行了兩次現場取材，先將石窟的影像根據取材的時間先后順序分類，再根據石窟的編號和內外窟順序分類，然后將分類歸檔好的影像素材根據拍攝的角度、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、重復的照片。結合前后兩次的取材，對獲取的影像進行挑選刪減，保留質量相對較好的影像，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 軟件預處理

本課題主要依托專業級圖片編輯軟件Lightroom對影像素材進行預處理，由于所獲取的石窟影像素材數量較多，使用Photoshop批量化處理圖片會造成預處理的效率低下，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整參數選項工具欄，主要調整以下參數：

①曝光度，調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，使其細節得以體現。

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處理，在Lightroom自動調整的基礎上，微調以上參數設置達到最佳效果，通過觀察照片整體與細節的協調性和修改前后的差異性來確定最終的修改程度。最后設置影像導出的參數，“格式”選擇“JPEG”，“品質”設置“最優”，導出路徑設置為新的整合分區，以方便區分原始影像素材和處理后影像素材的位置。

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

4 結語

在石窟寺多視角影像三維重建過程中，影像素材的質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上，綜合考慮氣象、石窟微環境、設備特點、技術水平等多方面因素，以獲取高質量的影像素材，并對其進行預處理，便于后期三維建模的順利實施，進而達到石窟寺數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有歷史15級學生梁凡僖、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查報告[J].考古學報，2000（1）.

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