Agisoft Photoscan及Photoshop、Adobe Illustrator軟件技術在考古中的應用
——以宗家塘遺址為例

豆艷霞，李明華，黃督軍

（1.赤峰學院 歷史文化學院，內蒙古 赤峰 024000；2.常州市考古研究所，江蘇 常州 213000）

我國開啟考古工作的百年來，隨著科技水平的顯著提高，考古繪圖所用的工具日久革新，從傳統現場手繪常使用的小平板、大平板、水準儀等光學儀器，到全站儀、RTK等電子儀器測繪，再到完全正交攝影裝置、數碼相機、無人機、三維激光掃描儀、數位板，逐步地科學化、精確化、數字化，我國的考古繪圖工作也相應地經歷了一個從傳統手繪、攝影測繪到三維測繪的歷程。

中國考古學誕生之初，大平板儀首先應用于仰韶遺址地形圖[1]、新疆北庭古城遺址[2]的測繪。到上世紀50年代，相繼出版了一些考古測繪著作，如《考古測量》[3]《考古工作手冊》[4]《考古測量的要點》[5]等。20世紀80年代，近景攝影測量技術逐漸趨于成熟，開始使用攝影經緯儀、立體測圖儀等設備，對唐代順陵[6]、四川樂山大佛[7]等進行了實地測繪。2000年左右，我國購買了電子全站儀、GPS等設備，將三維點坐標通過計算機軟件標繪、成圖[8]。2010年左右，三維激光掃描技術應用于石窟寺、古建筑等文化遺產保護中，但設備成本昂貴、操作難度高。2013年，具有成本低、操作難度小特點的多視角三維建模技術開始推廣，并且在可移動文物及石窟寺、佛塔、遺址等的應用中取得了不錯的成果。

多視角三維建模測繪作為最新的、較為成熟的繪圖方法，生成三維模型得到的正射影像準確性較高，并且生成的三維模型與正射影像的精度應該優于0.1毫米，能夠滿足考古繪圖的要求[9]。通過地面和無人機拍攝目標圖像，利用Agisoft Photoscan軟件合成的多視角三維模型，可以輸出俯視平面圖和多個立面的剖面正射影像圖，能夠全面保存遺存所蘊含的信息，其精確性可以滿足考古現場繪圖的需求，有效提高了繪圖精度和速度，據此也可以直接出版發表[10]。本文以宗家塘遺址為例，介紹這種高精度的繪圖方法，即通過Agisoft PhotoScan軟件生成高質量的三維模型正射影像圖，結合Adobe Illustrator或Photoshop軟件進行線條的編輯處理并生成高精度線圖。

1 Agisoft Photoscan軟件

Photoscan是俄羅斯公司Agisoft開發的一款基于影像在佛那個生成高質量三維模型的軟件，它根據最新的多視角三維重建技術，可對任意照片進行處理，通過控制點可以生成真實坐標的三維模型[11]。在考古工作中，主要用以制作三維模型并獲取正射影像圖。

1.1 軟件的操作流程

使用Agisoft Photoscan軟件需要用到的硬件設備包括相機、RTK、無人機、地面控制點標志板、硬盤、以及一個能夠滿足運行要求的電腦。對數碼相機的要求是像素至少要達到1千萬。該軟件對計算機的處理器、內存、系統等配置要求比較高。

下文以宗家塘遺址M85為例，詳細介紹Agisot Photoscan三維建模技術在考古應用中的具體步驟與方法。

1.1.1 采集照片

遺址照片信息的采集，一般需要拍攝多張正投影照片和多視角傾斜攝影照片。

首先需要設置控制點，選擇合適規格的控制點標志板。控制點標志板的規格一般有10*10、20*20、30*30幾種。無人機飛行相對高度低于30米，可使用10*10規格；相對高度在30-60米之間，使用20*20，相對高度在60-100之間，可以使用30*30控制點標志。控制點標志的獲取可以自制，將下圖調整規格（圖1），打印四份及以上的銅版紙控制點標記板。將控制點設置在遺跡四角，用RTK測量各點，獲取高程信息。正投影圖像的獲取，可使用無人機拍攝。將拍攝的遺跡對象放在相機畫幅的中間，調節曝光度等以使畫面清晰即可。

圖1 控制點標志

采集的照片要求畫面清晰，應當通過設置相機參數，來盡可能避免光影對遺跡信息的影響。在進行M85圖片采集時，使用光圈優先（A檔）拍攝，設置光圈值8-10，感光度200-400之間，全畫幅。全面采集拍攝對象圖像信息，拍攝影像應滿足攝影測量規定的重疊度，一般規定航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%[12]。為保證每幅照片的亮度、對比度、陰影情況一致，須在盡可能短的時間內拍攝完成。對M85的拍攝選在陰天，避免了太陽光照射產生陰影的影響。

無人機低空拍攝正投影圖像，以補充俯視角度下整個平面的照片。飛行高度可根據遺址的大小決定，拍攝照片清晰即可。

1.1.2 數據處理

首先，導入拍攝的M85照片。調整拍攝照片的順序與方向，保證均為豎排方向或橫拍方向。將所有照片存儲在新的文件夾。打開Agisoft Photoscan軟件，該軟件有八種界面語言，包括德語、英語、西班牙語、法語、日語、葡萄牙語、俄語、漢語。根據語言需求，在工具中進行偏好設置，將Agisoft Photoscan軟件語言改為中文。在工作流程中添加照片。

第二步，對齊照片。對齊照片的過程主要是進行相機的標定并進行稀疏重建[13]，此步驟生成稀疏的點云，有五個精度參數，可以根據計算機配置和遺跡精度要求進行選擇。照片大小和數量的多少是影響對齊照片所需時間的重要因素。照片數量越多、質量越高，完成重建所耗費的時間也就越長。M85拍攝所得19張照片共256M，該步驟所需時間大約兩分鐘。對齊后在界面中生成的點云可基本展現重建對象的形態。此時，檢查照片重疊情況，觀察是否存在結構空缺，從而判斷是否需要補拍照片。使用矩形選擇工具將周邊多余的點云刪除，可以節省后續過程中的計算時間。

第三步，建立高質量密集點云，生成密集點云網格化，清晰呈現物體表面的結構信息。生成密集點云質量同樣也有五種選擇，選擇質量“高”。質量的高低將會決定生成密集點云的時間，質量越高，計算時間越久。考慮到生成模型的清晰度要求，照片質量選擇“中”或“高”比較適宜。通過此步驟，已經能夠基本展現墓葬M85的結構特征。

第四步，生成網格。生成網格的數據來源為上一步驟建立的高質量密集點云。表面類型有任意和高度場兩種選擇。高度場通常用于航空圖像，可根據輸出質量要求進行選擇。數量和質量要求是影響計算時間的主要因素，數量越多、要求質量越高，所需時間越長。并在高級中選擇插值推斷。這一步已經完成了對M85形狀結構的重建。

第五步，生成紋理。不同地物之間的區別是通過表面紋理來反映和區分的。生成紋理主要是對遺跡內部的色調進行填補和矯正。完成此操作，可使M85模型具備色彩。

第六步，矯正。創建標記，在工作區參考中輸入用RTK所測得的控制點高程值。如果三維模型不夠理想，可補拍、增加照片，重復上述操作，生成符合預期的三維模型影像。M85模型結構完備、細部特征清晰，無需補拍。直接創建標記，輸入在戶外準備工作中測得的高程坐標。

第七步，截取平剖面圖。根據生成的M85三維模型，可以導出平面正射影像，橫剖、側剖等多角度剖視圖。該軟件視圖提供有頂、底部、左側、右側、正面多個角度預定義視圖可以選擇。視圖下拉菜單，將預定義視圖設置為頂視圖，旋轉對象調整至合適的位置，即可得到M85的平面圖（圖2，a）。若需要左視圖，使用矩形選擇工具截取左側部分，將預視圖設置為左視圖，點擊旋轉對象，再使用導航調整至合適位置，即得到M85的左剖視圖（圖2，b）。其他視圖的操作方法同上，這樣即可獲取多角度正射影像，截取不同角度的剖面圖。

圖2 M85三維模型正射影像圖

第八步，輸出文件。保存模型，根據需要的文件格式對正射影模型圖片進行導出。Agisoft Photoscan軟件可導出JPEG、TIFF、PNG等多種格式的文件以及數字表面模型，可根據需求進行選擇。

1.1.3 線圖化處理

將M85三維建模導出的正射影像圖進行線圖化處理，有兩種方法，一是直接用計算機矢量繪圖軟件進行描繪，二是將所截得的正剖面影像打印出來，使用透圖板描圖，完成紙質繪圖記錄，紙質存檔。

1.2 Agisoft Photoscan軟件的優勢

三維建模技術以普通數字相機作為影像獲取工具，從不同角度圍繞被拍攝物體以最佳成像焦距拍攝多幅數字影像，然后根據計算機視覺原理，使用三維建模軟件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，加載影像信息后實現被拍攝物體三維模型的重建[14]。

三維建模技術應用于考古繪圖工作中，具有縮短繪圖人員戶外工作時間，并提高考古繪圖精確度的優勢。利用三維建模獲取的正剖面模型，為正投影圖像，其誤差很小，符合考古繪圖的要求，較手工測量繪制的精確度更高。利用這種方法不僅可以呈現文物的立體圖像，也可以展現文物多個角度的正投影視圖和任意部位的剖面圖，能夠完整儲存遺存出土時的狀態。它還具備操作簡單、容易上手的優點。再者，成本相對低，具有易于推廣的優勢。現階段，我國許多考古單位很難普遍配置較為昂貴的三維掃描設備，而且掌握軟件使用方法的人有限，三維掃描設備的使用需要投入時間、成本進行培訓。而利用電子全站儀、PTK這一類成本較低、技術成熟、使用廣泛的設備、技術，可以有效地降低人工成本，提升考古效率，縮短工期[15]。

2 繪圖軟件在考古工作中的應用

在田野考古發掘工作中，要做好發掘記錄，包括文字、測繪、影像三種方式[16]。田野考古繪圖工作是其中非常重要的一項工作，與傳統紙質圖像相比，數字化圖像具有易保存的優勢。當前普遍使用電腦軟件進行數字化轉化，通常會使用繪圖軟件進行圖像描繪工作。下面將對Adobe Illustrator、Photoshop軟件在考古繪圖中的應用情況作一介紹。

2.1 Adobe Illustrator軟件繪圖

2.1.1 軟件介紹

Adobe Illustrator是一款功能強大的矢量繪圖軟件，廣泛應用于印刷出版、海報書籍排版、專業插畫、多媒體圖像處理和互聯網頁面制作。該軟件產生的圖像與分辨率無關，處理的文件不管以何種倍率輸出，都能保持原來的高品質[17]。Adobe Illustrator軟件對考古圖稿的再次加工，實際上就是利用它強大的繪圖功能，進行重描工作。

2.1.2 操作方法

首先，調整圖片或手繪線圖。打開Adobe Illustrator軟件，編輯下拉菜單，設置首選項單位為毫米。設置網格間隔為10毫米，次分割線為10。設置后“視圖”下拉菜單中的“顯示網格”和“顯示標尺”，顯示網格，每一小格為1毫米，10個小格為一大格，代表1厘米的長度。

首先將M85三維模型的平剖面圖導入，調整畫板大小，按田野考古繪圖要求，平面圖放置在整個畫板的中部，橫剖面放置在正下方，縱剖圖放置在左或者右側，墓葬方向在右上方，圖例放置在正下方。按照實際測量長度，調整大小，以1:20的比例繪制[18]。設置視圖顯示標尺，使用直線工具畫一條水平方向直線，直線長度為M85一墓壙側邊實際長度的二十分之一。再使用“Ctrl+T”選擇圖片，之后調整圖片大小，直至上述側邊與該直線重合。再對照網格、標尺畫出比例尺和指北針。

第二步，建立圖層。圖層的主要作用是控制線圖層次或不同時期遺跡的關鍵[19]。按預設的不同線條粗細的需求，建立不同的圖層，方便后期的修改。設置不同的線條粗細與寬度配置，可以達到表現器物邊緣薄厚不均、紋飾深淺不一、增強線圖立體性的效果。此時，需要建立多個圖層，方便后期修改。將圖層命名為底圖層、輪廓圖層、磚塊圖層、磚縫圖層等。

第三步，使用鋼筆或畫筆工具描繪。顏色窗口，可以設置描邊顏色和填充顏色。開始繪制前，將填充色設置為無，描邊顏色為黑色。在描邊窗口中調整線條粗細。繪制時，使用鋼筆工具描邊。通過快捷鍵“ALT+滑動滾輪”，使用放大功能仔細描繪出M85磚室墓的砌筑方式和細節。繪制好線條后，按住Ctrl，點擊鼠標左鍵，釋放鋼筆工具。按住空格鍵箭頭變成抓手，自由移動畫面，繼續描繪。需要注意的是，紋飾可以使用畫筆工具描繪，可以達到線條更加順滑的效果。在使用畫筆工具時，需要結合畫筆工具控制面板中的描邊顏色、粗細、畫筆定義等來使用[20]。畫筆工具有多種樣式，如wacom 6D藝術畫筆、圖像畫筆、毛刷畫筆、矢量包、箭頭、藝術效果、裝飾、邊框等。在考古發掘出土的部分陶瓷器常裝飾有書法字、彩繪紋飾等，在繪制線圖時即可使用筆刷、書法等藝術效果繪制。最后，繪制比例尺及指北針。

第四步，文字輸入。Adobe Illustrator具備輸入文字的功能，在已繪制M85線圖下方輸入名稱、編號、長寬等基本信息。

第五步，儲存文件。導出文件格式有DWG、DXF、JPG、PNG等多種形式，調整畫板大小，導出文件。顏色模型有三種，RGB、CMYK、灰度。設置顏色，模型為RGB，品質選擇高，圖片的清晰度更好。壓縮方式選擇“基線（標準）”。分辨率也是影響圖片清晰度的要素，分辨率有屏幕（72ppi）、中（150ppi）、高（300ppi）和其他（可自定義）。將M85保存為JPG格式，選擇品質較高，分辨率高（300ppi）導出（圖3）。

圖3 M85平剖面圖

2.2 Photoshop軟件繪圖

2.2.1 軟件

Photoshop是一種基于屏幕上的像素點來進行繪圖的軟件，它受圖像分辨率的影響并產生位圖圖像，分辨率越高，在單位面積內像素就越多，圖像就越清晰。Photoshop作為一款優秀的圖像處理和編輯軟件，在考古制圖中，Photoshop主要用于圖版拼合、照片二次加工和線圖描繪工作[21]。

2.2.2 操作方法

打開Photoshop軟件，編輯首選項單位為毫米。設置網格線間隔為10毫米，次分割線為10。設置后“視圖”下拉菜單中的“顯示網格”和“顯示標尺”，顯示網格，子網格為1毫米。將圖片或手繪線圖導入，按照實際測量長度，換算比例，調整大小。再針對不同工作環境，選擇數字化繪制的過程中的不同辦法。

宗家塘遺址發掘的M46為一座磚室墓，整體用磚壘砌，上部由六塊石板覆蓋，葬具不存。筆者選擇用Photoshop軟件對M46信息線圖化進行處理，具體方法如下。

第一種調整掃描手繪線圖參數。調整M46（圖4，a）圖像紅色飽和度，設置明度100，色相色譜條拉動調整為120、33、57、64。在亮度、對比度中調整亮度為16，將對比度設置為100，將色彩指數值設置陰影滑塊值為0，中間調滑塊為0.24，高光滑塊241。后續使用修補工具，對仍然殘留的網格處理。使用修補工具選區，然后在選區中間點擊并移向白色背景區域，即可將背景色全部修補成白色。筆者對宗家塘遺址M46石板未揭取前的線稿圖片進行PS處理，效果如圖4所示。

圖4 M46墓線圖

第二種直接描繪圖，使用鋼筆工具進行描邊。調整前景色為黑色，背景色無。使用鋼筆工具或鉛筆進行描邊，描邊路徑的釋放常用按住“Ctrl”再點擊鼠標左鍵或“ese”鍵。若有條件，可以配合數位板使用，使線條更加流暢、準確表達遺存特征。最后，按照所繪線稿記錄的比例，繪制比例尺，并將圖例放置在正下方。對于模型正射影像的繪制，可參照Adobe Illustrator的描繪方法，使用鋼筆工具進行描繪。

線圖能夠精確地表示遺跡、遺物的各部位尺寸和結構關系，體現的特征信息。線圖在考古報告和研究性文章說明問題時是必不可少的。PS作為一款計算圖像處理軟件，優勢在于可以完成對照片的預處理工作，如調整對比度、剪裁、去除污點、拼接圖稿等。Adobe Illustrator為矢量繪圖軟件，能夠支持大多數圖像格式的輸入與輸出，矢量圖形不受分辨率影響，可以將它任意移動、縮放或更改，圖形品質不受影響[22]。Adobe Illustrator繪制的線條，可以進行增刪、修改，并可以使產生的圖像重復使用并隨時進行編輯。當需要重新繪制、增刪圖像內容或者修改圖像時，Adobe Illustrator軟件使用較Photoshop軟件更有優勢。

兩種繪圖軟件，作為目前適合于考古圖形矢量化的軟件，均可以導出適于排版的PDF、JPEG格式文件，繪圖時可以任意縮放，繪圖精度高，便于修改，能夠滿足考古繪圖的需要，擇其一使用即可。

3 結語

綜上所述，考古線圖可直觀展現文物外形特征，是文物必不可少的存檔資料。傳統繪圖方式需要繪圖技工長時間戶外作業，且對技工的繪圖能力有一定的要求，并且需要設置水平基線、系上皮尺，在用鋼卷尺進而垂球測量特征點坐標，費時費力。如，兩名繪圖人員測繪一個磚室墓需要兩天時間。新的科學技術設備運用于考古中，遺存信息保留更完整。三維重建后的模型用途多樣，可以用于考古發掘現場進行遺跡、遺物的記錄工作，達到存儲遺存形制、保存現狀等信息的目的；用于博物館可以為觀眾展示具有三維立體效果的展品以及構建虛擬展廳等；用于考古學研究可以更好地向大眾進行公眾考古，將考古遺存三維模型進行視頻展示，為考古學研究和文化遺產保護事業提供新的切實可行辦法。Agisoft Photoscan三維重建技術應用于考古，推動了考古繪圖的數字化發展。相較于其他測繪方法，Agisot Photoscan三維建模、與Adobe Illustrator、Photoshop軟件配合使用的描圖方法，具有時效性強、安全性高、信息量全等優點，數字化是考古繪圖未來發展的趨勢。當前，三維測繪技術已逐漸在田野考古中使用，但掌握操作技術的人員還是較少，伴隨著考古需求、技術的創新以及方法的普及，三維測繪技術廣泛應用于考古工作是必然趨勢。