可移動(dòng)文物數(shù)字化工作中“多圖像重建技術(shù)”的應(yīng)用研究

劉 磊 馮 磊 于 淼

（保定學(xué)院 文物與博物館學(xué)院，河北 保定071000）

一、引言

目前隨著我國數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度加快，在文物保護(hù)與利用相關(guān)行業(yè)數(shù)字化工作中，針對(duì)小型可移動(dòng)文物從數(shù)據(jù)采集到三維重建主流做法主要是通過激光三維掃描儀、光柵式三維掃描儀或多圖像三維重建等技術(shù)開展文物三維信息獲取與保存，經(jīng)過調(diào)整后可在電腦端或移動(dòng)端進(jìn)行三維自由視角查看和3D 打印復(fù)制，并進(jìn)一步支持實(shí)景重建、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。

2018年4月19日國家文物局辦公室印發(fā)了《國家文物局辦公室關(guān)于加強(qiáng)可移動(dòng)文物預(yù)防性保護(hù)和數(shù)字化保護(hù)利用工作的通知》（辦博函〔2018〕348 號(hào)）（下文簡稱《通知》）。《通知》中明確指出：為了“切實(shí)改善可移動(dòng)文物保存環(huán)境，維護(hù)文物安全和健康，實(shí)現(xiàn)文物和信息資源的科學(xué)管理、傳播和利用，更好地促進(jìn)文物‘活’起來”，有必要“加強(qiáng)可移動(dòng)文物預(yù)防性保護(hù)和數(shù)字化保護(hù)利用有關(guān)工作”。《通知》還同時(shí)要求：將“數(shù)字化保護(hù)”作為可移動(dòng)文物數(shù)字化保護(hù)利用工作的內(nèi)容之一。而多圖像三維重建技術(shù)作為文物高清三維數(shù)字化復(fù)原及輔助修復(fù)技術(shù)中的重要應(yīng)用手段，在未來可移動(dòng)文物數(shù)字化保護(hù)利用工作中具有廣闊的發(fā)展前景，將會(huì)發(fā)揮不可替代的重要作用。

二、概況

本次測試文物為唐代紅陶男俑，主要為紅陶材質(zhì)，無高反光，高度23.4cm，身寬5.2cm，頭寬2.8cm。主要為人物造像，器物特征明顯。

三、數(shù)據(jù)采集規(guī)劃

主要以單反相機(jī)尼康D5300 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照6000x4000 分辨率、焦距85mm、攝距1.5-2m、拍攝幅間角橫向角11.25 度、豎向角15 度拍攝，因器物為非對(duì)稱形制，設(shè)計(jì)平躺后拍攝一組用于頂面、底面采集，共拍攝5 組。

四、應(yīng)用設(shè)備及布光方案

1.所需設(shè)備及相關(guān)設(shè)置。除需使用尼康D5300 單反相機(jī)外，還須使用旋轉(zhuǎn)拍攝座、攝影三腳支架、遙控快門、攝影床、背景紙、柔光燈箱。其中因需顧及景深及后期模型合成，單反相機(jī)設(shè)置為手動(dòng)對(duì)焦、光圈優(yōu)先模式、光圈f20、快門1/2 秒、ISO100 并關(guān)閉圖片自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)拍攝座設(shè)置為每圈停止32 次，每次停留3 秒，慢速，一圈后停止。遙控快門設(shè)置為每5 秒拍攝一次，共拍攝32 張后停止。使用柔光燈箱2 只，分主光燈、輔光燈。

2.布光設(shè)計(jì)。因被攝器物為紅陶吸光材質(zhì)，采用主輔布光設(shè)計(jì)，主要以側(cè)光突出文物表面細(xì)節(jié)。

3.圖像采集過程：（1）機(jī)位調(diào)整。因采用旋轉(zhuǎn)拍攝臺(tái)及無線快門，每一圈拍攝較少人為參與，但每圈后需調(diào)整相機(jī)高度，第五組需將文物平躺拍攝。（2）檢查數(shù)據(jù)圖片。拍攝過程中保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)設(shè)置的準(zhǔn)確性且文物在拍攝過程中不被移動(dòng)，以保證圖片數(shù)據(jù)間匹配的準(zhǔn)確性。

五、拍攝實(shí)施

1.人員投入。圖像數(shù)據(jù)采集人員1 人，后期編輯合成人員1人。

2.設(shè)備型號(hào)。本次采用尼康D5300 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用多組照片完成三維數(shù)據(jù)合成。

表1 設(shè)備情況表

3.文物三維建模軟硬件。通過處理軟件進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)文物三維模型。以下為模型合成所用計(jì)算機(jī)硬件配置表：

表2 硬件環(huán)境配置表

由于文物為不對(duì)稱形制，圖像數(shù)據(jù)重疊率要求高，密集云點(diǎn)數(shù)量多，在處理過程中，計(jì)算機(jī)的工作壓力較大。如果能把內(nèi)存提高至32GB 或更高，提高計(jì)算機(jī)整體硬件配置，模型精度和處理速度將大幅提高。

劉雁衡睜開眼，說了一句令石警官很不滿的話。劉雁衡把凍僵的左手手指蜷起來，和右手一起把簫抱到胸前，淡淡對(duì)四小姐說：“對(duì)不起，你擋了我的風(fēng)。”

4.取得成果。文物三維模型一套，數(shù)據(jù)格式為OBJ 格式，后期針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境可轉(zhuǎn)換為多種格式。

六、實(shí)施技術(shù)解析

項(xiàng)目實(shí)施分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和后期整理三個(gè)階段，并對(duì)成果進(jìn)行應(yīng)用環(huán)境檢測。

圖1 實(shí)施過程路線圖

七、詳細(xì)的實(shí)施情況

1.圖像數(shù)據(jù)采集情況。

表3 圖片數(shù)據(jù)采集總體情況一覽表

2.數(shù)據(jù)整理。仔細(xì)檢查所拍攝圖像，剔除不合規(guī)范如失焦、欠曝、過曝照片，保留照片數(shù)據(jù)共160 張，用以導(dǎo)入處理軟件中進(jìn)行照片對(duì)齊。

3.文物三維模型合成。將照片采集成果導(dǎo)入軟件中的工作組，經(jīng)過圖像對(duì)齊、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理、模型導(dǎo)出等流程，生成文物的三維模型成果，OBJ 格式，貼圖材質(zhì)8192x8192 像素。本次測試文物較小，僅有23.4 厘米，由于需要避免出現(xiàn)淺景深等因素，器物所占畫面比例受限，且由于相機(jī)、鏡頭、計(jì)算機(jī)等硬件所限，要達(dá)到較高以上精度，需要大量圖片數(shù)據(jù)彌補(bǔ)細(xì)節(jié)，建模時(shí)間較長。

4.精修文物模型。在后期處理軟件中對(duì)所生成的模型進(jìn)行補(bǔ)洞處理,刪除無用部分，并精細(xì)調(diào)整模型長、寬、高等數(shù)值。

5.文物模型格式轉(zhuǎn)換。針對(duì)成果應(yīng)用環(huán)境，如需進(jìn)一步編輯調(diào)整，模型與貼圖須保持分離，推薦使用OBJ 格式，模型文件、貼圖文件分別獨(dú)立方便操作，且該格式可在主流三維編輯軟件下直接導(dǎo)入。若是電腦端或移動(dòng)端進(jìn)行三維自由視角查看，則推薦使用FBX 格式或3MF 格式，桌面操作系統(tǒng)無需安裝第三方軟件即可進(jìn)行查看，優(yōu)點(diǎn)是該格式模型文件、貼圖文件均合并為一個(gè)文件，方便保存與管理。且均支持最新AR、VR 環(huán)境如HoloLens、VIVE 的使用及3D 打印技術(shù)，方便后期運(yùn)用在文物復(fù)制、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。且通過WebGL 技術(shù)更可讓所獲得文物三維成果以網(wǎng)頁形式在電腦端和移動(dòng)端進(jìn)行展示。

6.3D打印測試。首先通過切片軟件對(duì)文物模型進(jìn)行切片，因所用打印機(jī)成型尺寸最大為長200mm、寬200mm、高200mm，故只能將文物模型進(jìn)行拆分打印，之后在進(jìn)行粘合。

3D打印機(jī)詳細(xì)設(shè)置如表4：

表4 3D 打印機(jī)設(shè)置情況一覽表

打印時(shí)間約10 小時(shí)，獲得目標(biāo)文物復(fù)制品一件，基本還原文物原貌。如圖2 所示：

圖2 3D 打印復(fù)制品與文物真品對(duì)比圖

本次測試采用三維建模領(lǐng)域最新的多圖像三維重建技術(shù)，充分利用圖像合成軟件的自動(dòng)化建模優(yōu)勢，在較短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出了可運(yùn)用、可復(fù)制的模型成果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了3D 打印等驗(yàn)證，技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行，模型精度可滿足傳播展示、3D 打印等相關(guān)應(yīng)用要求，產(chǎn)生模型體積小，查看便捷，可應(yīng)用于課堂教學(xué)、文創(chuàng)設(shè)計(jì)、傳播考證等相關(guān)領(lǐng)域。且所使用設(shè)備屬于常規(guī)設(shè)備，可有效減少資金投入，實(shí)現(xiàn)了文物三維模型從無到有、從采集到運(yùn)用的全環(huán)節(jié)驗(yàn)證。通過本次基于多圖像三維重建技術(shù)進(jìn)行測試，技術(shù)路線清晰可行，所獲成果可以滿足使用要求，可應(yīng)用于課堂教學(xué)、傳播展示、文物保護(hù)等相關(guān)科研領(lǐng)域。