遺址保護中的多視角三維重建技術應用

白云峰

我國歷史悠久，文化遺產眾多，目前，野外大多數遺址瀕臨著多種自然威脅和人為擾動危害，保護工作刻不容緩。勘察測繪是野外遺址保護的前提，也是保存現狀評估、病害程度評價的主要依據，同時也是保護方案設計、保護工程實施的基礎。相比于傳統測繪手段和方法，多視角三維重建技術可以通過照片建立遺址三維實景矢量模型，能夠滿足遺址勘察測繪的要求。在“文旅+科技”融合的大背景下，使用多視角三維重建技術為1∶1復原文物提供了可能，讓古人的智慧在現代社會中顯現光芒。當下，在國與國之間交往愈發密切的帶動下，文物已經成為彰顯民族歷史和文明的有效載體，基于技術的進步，文物保護工作也更加系統、全面、多視角三維重建技術的應用，使得數字化修繕文物、展現文物原貌、提升文物保護的價值成為新的技術手段。

多視角三維重建技術

多視角三維重建（Multi-view 3d Reconstruction）是指通過照相機在不同角度對某個場景及對象進行拍攝，獲取被攝物體的形狀、位置、大小、特性及其相互關系的影像，然后利用拍攝到的多視圖序列來恢復重構場景及場景中對象的三維模型，為文物建筑保護工作提供支持。結合多視角三維重建技術，實現文物建筑全面數字化的分析與建檔，此種工作方法，相比于三維激光掃描技術，具有外業操作效率高，內業數據處理快，模型效果更加真實等優勢，適合在文物建筑保護工作中推廣使用，這項技術在文物保護學已有一些應用及研究，社科院考古所的劉建國在遼寧建昌縣東大杖子墓地進行的三維建模與探索、在新疆室外考古遺址的超低空拍攝與數據處理、可移動文物的多視角影像三維重建等方面不僅給出了拍攝照片方面的流程與參數，對于數據的應用方面從文物保護的角度提出了一些相應的方法。

尤其在古建筑、古村落、古墓葬等復雜的野外文物古跡勘察保護中，可以利用多視角三維重建技術提升其精確性。同時，多視角三維重建技術采用非接觸測量方法，不會對被掃描的文物產生損傷，加強了對文物的安全保護，避免了在測量過程中對文物產生的損害，實踐證明，該技術對于文物保護適用且可靠。

多視角三維重建技術的優點

多視角三維重建技術具有高度的智能化，不用過多人為參與，拍攝遺址不同角度的照片，獲得目標物表面的三維坐標信息，通過軟件可以實現自動建模。

多視角三維重建技術通過軟件自動化過程，能夠快速、準確地建立遺址的三維模型，建模測繪效率要比常規測繪技術更快。在遺址的測繪中，多視角三維重建技術能夠詳細地保留物體的基本特征，且非常的快速高效。

與三維激光掃描相比，獲取被拍攝對象特征點的數目較少，點云與照片紋理可以嚴格對應，通過模型可以導出所需的正射影像、數字高程模型等，并可應用于其他的繪圖軟件繪制平面圖、等高線圖，以及量取三維坐標、獲取空間形態信息等。

多視角三維重建技術是一種非接觸式的測量方法，通過照片采集物體表面的三維數據信息，能夠有效避免一些異形文物在測繪中的二次損壞。

多視角三維重建技術在文物保護中的實際應用

多視角三維重建技術具有高度的模擬價值，也具有高識別性。通過三維建模能夠獲得云數據圖，進行文物古跡的安全評估和預防監測。比如一些古建筑文物容易出現坍塌的問題，利用多視角三維重建技術進行測試，能夠分析該建筑在近期是否有坍塌的趨勢，從而保證古建筑的安全性。通過兩次精準測量對比，分析古建筑在測量中的變形值或者破壞面積比，從而監測該文物的建筑結構安全，避免了坍塌的風險和隱患。

因為多視角三維重建技術能夠記錄文物的空間信息、色彩信息，所以說它能夠在電腦中還原成其本來面貌，并且保留其顏色特征。所以說運用多視角三維重建技術能夠在電腦中重現該文物且避免了游客長時間觀摩對文物造成的損害。例如，故宮博物院和敦煌研究院利用三維數字化掃描技術、數字360°全景技術和VR技術做好了重要文物的電子化呈現，將古代文化遺產全方位保存，內蒙古博物院的流動數字博物館展車利用AR掃描技術實現了數字化趣味展示，很多景點也通過三維激光掃描技術實現了VR展示，比如浙江舜王廟采用了線上360度數字導覽，方便了游客也降低了工作人員引導壓力;首都博物館和甘肅省博物館也將部分展示文物以三維數字模型的方式投放到線上端口，方便了文物與公眾的展示和交流。

文物的生命只有一次，加強文物的保護，做好文物的修復是非常關鍵的。而當下多視角三維重建技術已經成為文物保護中的關鍵技術。在2019年，法國巴黎圣母院在一場大火中受損嚴重，無疑是全世界文化遺產的損失，而這場大火更為文物保護者敲響警鐘。好在2015年，美國建筑學家安德魯為巴黎圣母院進行了三維掃描，并獲取了建筑整體的三維模型，三維模型對了解圣母院內部的結構產生了深遠的意義，且實際的精度非常高，誤差大約只有五毫米。而正是這份三維模型存檔，將成為法國巴黎圣母院重建的關鍵。在近些年多視角三維重建技術越來越多的應用到文物保護中，也取得了非常好的成果，如果能夠用好該技術，能夠促進文物保護工作的順利進行。

多視角三維重建技術的基本流程

利用多視角三維重建技術輔助文物的數字化和文物的保護與復原已經成為主流的發展趨勢。為了方便論述，以呼和浩特市萬部華嚴經塔的多視角三維重建技術流程為例闡述其工藝流程。

要做好文物保護的前期調研，因為文物尤其是古建筑非常容易受到損害，做好現場勘查非常有必要。在獲取文物整體結構信息之后，才可以進行后續的測繪和掃描工作。

制作顏色明顯的標靶，將標靶布控在塔底四周的明顯的位置，布置至少4個控制點，保證在采集的影像中能明確看到標靶中心，使用電子全站儀瞄準控制點中心進行測量，能夠將測量精度控制在誤差3至5毫米。

無人機在距離萬部華嚴經塔塔身5米處沿塔的每個角自上而下垂直飛行，保持鏡頭與垂直方向呈5°的傾角，逐個拍完8個角，對塔基拍攝時，鏡頭要與垂直方向呈40°傾角，與塔身的距離約10米，這樣就能完整地拍攝到塔身周邊的地面和預先布設的控制點標靶。采集照片完成后，現場檢查采集的影像照片，如果有沒有拍到的部分，例如塔檐下方，可再用相機進行補拍，確保整體塔身沒有漏拍的位置。

數據獲取之后，還需要進行內業處理。內業處理主要是將得到的照片數據進行拼合和色彩優化，最終形成完整的三維模型數據，同時利用數據還能生成塔體軸測圖、建筑平面圖、剖面圖、仰視圖等點云數據，整體圖紙可以達到幾十張，以滿足各種情況下的使用需求。

利用生成的三維實景矢量模型，可以多角度對塔身的殘損情況進行調查，不再需要在現場搭設腳手架，大大節省了人力物力，提高了工作效率。三維實景矢量模型上可對塔身各個部位的尺寸進行精細測繪，也可以對塔身傾斜角度進行測量。也可切割模型，可分別繪制塔身每一層的平面圖和剖面圖，同時，也建立了完整的文物本體數字化檔案。

多視角三維重建技術在文物保護中的應用前景

運用快速、便捷、人工干預小的多視角三維建模技術對文物建立三維模型，從文物病害圖的繪制及病害的統計均可達到病害調查預期的效果，對于文物的安全影響甚小，大大地提高了病害調查的時效性，免去了傳統方式拼接照片環節，避免了拼接照片出現的誤差，所以病害圖的精度較傳統方式有了很大的提升，這些顯而易見的優勢對于后續的病害工程量計算及病害研究有了很好的促進作用。

多視角三維重建技術能夠擺脫時間和空間的限制，運用數字化和信息化模擬，加強了高新技術下的文物保護工作，提升了文物保護的學術研究價值和藝術審美價值。利用多視角三維重建技術建模，能夠將原本殘缺的文物復原，讓現代人領略千百年前祖先的智慧成果。多視角三維重建技術在未來有更廣泛的展示和傳播的可能性，提前布局數字化的文物保護工作和文化遺產展示工作，能夠順應國家戰略，同時也是傳承中國優秀傳統文化，履行文物工作者歷史使命的要求。

作者單位：呼和浩特市文物保護與考古研究中心