攝影測量技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中的應(yīng)用研究

許文廣 章立

摘要：數(shù)字化傳播是文化遺產(chǎn)精神側(cè)面的保護(hù)，面對眾多的文化遺產(chǎn)，高效的文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播方法是關(guān)鍵。文章對比與分析文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案，總結(jié)各方案的優(yōu)劣，提出以低成本、適用性強(qiáng)、帶紋理的攝影測量技術(shù)作為文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播的技術(shù)方案，并以無錫市惠山寺金蓮橋數(shù)字化傳播構(gòu)建為例，總結(jié)數(shù)字化傳播構(gòu)建與優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：攝影測量;三維重建;文化遺產(chǎn);數(shù)字化傳播

中圖分類號：G206;G127 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）18-0-04

人類的許多璀璨文明之所以能留存至今，與人類尚古、崇古的心理密不可分，在還沒有“文化遺產(chǎn)保護(hù)”這種觀念性指導(dǎo)行動前，人類就已經(jīng)會不自覺地保存或維護(hù)先人們遺留下來的有價值的物件，這種行為更多的是出自對文化的認(rèn)同感與歸屬感，更像是一種以傳遞與傳承文化符號信息為目的的有意識的行為。直到20世紀(jì)60年代才逐漸出現(xiàn)《威尼斯憲章》《世界遺產(chǎn)保護(hù)公約》《奈良文件》等一系列指導(dǎo)世界各地區(qū)文化遺產(chǎn)保護(hù)的綱領(lǐng)性文件，這些文件中共同認(rèn)可的真實性與完整性保護(hù)原則，正是在以完整真實地傳承和延續(xù)人類文化遺產(chǎn)為目的的情況下所提出的要求與準(zhǔn)則。

20世紀(jì)90年代，隨著計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化傳播逐漸成為文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要內(nèi)容和手段。文化遺產(chǎn)的數(shù)字化傳播主要是面向大眾的傳播，與專家學(xué)者的數(shù)字化記錄不同，具有非精英性、同質(zhì)性和學(xué)習(xí)性的特點，即文物的數(shù)據(jù)信息應(yīng)當(dāng)盡量概括提煉、通俗易懂，區(qū)別于專家學(xué)者之間的數(shù)據(jù)傳播。根據(jù)《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》定義的文化遺產(chǎn)類型，各種文化遺產(chǎn)在傳播中的形式與渠道，應(yīng)能在相同的類別中相互借鑒和應(yīng)用。再者，文化遺產(chǎn)所傳播的不僅是自身的歷史、藝術(shù)或科學(xué)角度突出的普遍價值，還包括傳播后對人審美能力、價值觀的提升等多方面影響。因此，如何快速準(zhǔn)確地對文化遺產(chǎn)進(jìn)行三維數(shù)字化處理和加工，搭建傳播渠道，讓大眾深刻地感受到文化遺產(chǎn)的魅力，是文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中主要考慮的問題。

1 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案及對比分析

文化遺產(chǎn)的三維數(shù)字化必須在保證不損壞且不對文物構(gòu)成威脅的前提下進(jìn)行，是完整記錄文物的一個多維過程，要考慮文物的尺寸和形狀的復(fù)雜性、文物原材料的多樣性以及獲取數(shù)據(jù)形態(tài)學(xué)上的復(fù)雜程度。目前普遍運用在文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化采集中的技術(shù)手段主要是激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)，有時還會將兩者相結(jié)合，通過異源模型匹配獲得“檔案級”的高精度紋理模型[1]。

1.1 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案原理

激光掃描技術(shù)是一種運用激光技術(shù)采樣或掃描物體表面，進(jìn)而生成物體表面三維點云數(shù)據(jù)的數(shù)字化測量方法，其優(yōu)點是可以在較短時間內(nèi)高精度地采集物體表面的三維信息，按照測量原理，主要分為光學(xué)三角測量和飛行時間測量兩種測量方式。其中基于光學(xué)三角測量的激光掃描技術(shù)方案采集的精度最高，主要是將激光投射至測量物體表面，并利用掃描透鏡搜尋激光投射到測量對象表面產(chǎn)生的投影位置，從而計算生成點的三維數(shù)據(jù)。這種方法一般適用于近距離的中小型的文化遺產(chǎn)對象，如文物藏品、碑雕、碑文等。而以飛行時間測量的激光掃描儀能夠通過發(fā)射特定激光脈沖，通過遠(yuǎn)程傳感器接收返回的激光，利用時間差計算出物體表面頂點的距離與三維空間，從而獲得較高精度的點云數(shù)據(jù)，并且測量精度不受目標(biāo)距離的影響，適合對遠(yuǎn)距離大型的文化遺址、古建筑、石窟寺等進(jìn)行測量。

結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)作為激光掃描技術(shù)的一個變種，也是利用三角測量法，其原理是將特定不同形狀的光圖案投射到被測物體表面，如點、條紋或者是帶有色彩編碼的圖案，再利用光感器件捕獲受物體結(jié)構(gòu)影響所產(chǎn)生的光圖像，并從圖像的變形中推導(dǎo)出物體的幾何形狀。由于其結(jié)合了相對簡單的儀器，并且精度甚至高于激光三角測量系統(tǒng)，因此在國內(nèi)外文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)中成為一種重要的技術(shù)方案。

攝影測量技術(shù)是一種基于二維影像數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)軟件的圖像處理和計算，從至少兩張照片圖像中分析代表同一對象點的像素點信息來計算出對象點在空間中的三維位置坐標(biāo)，從而生成三維重建數(shù)據(jù)。這一測量技術(shù)的應(yīng)用無須專業(yè)設(shè)備，僅需相機(jī)或手機(jī)對物體進(jìn)行多角度拍攝即可完成采集工作。作為一種低成本、非接觸式、操作簡單便捷的三維數(shù)字化方案，以及采集的三維數(shù)據(jù)帶有色彩紋理屬性，受到專家學(xué)者們的青睞，被廣泛運用于場地環(huán)境復(fù)雜的考古記錄、古建筑以及自然環(huán)境測量中[2]。

1.2 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案對比分析

從采集精度來看，通常情況下，激光掃描生成的模型精度要比攝影測量生成的模型精度高，并且在采集越復(fù)雜的幾何形狀物體時，如物體有前后遮擋關(guān)系、與背景顏色紋理區(qū)別不明顯等，這種差別越明顯。

從采集過程來看，激光掃描儀自動化程度高，設(shè)置好參數(shù)后，即可自動完成采集生成點云，并傳輸保存至計算機(jī)中，能夠在一定程度上減少攝影測量中為了提高精度而不得不增加照片拍攝數(shù)量和處理數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的勞動力成本，但其采集時間長，并且隨設(shè)置的采集精度提高而增加[3]。此外，激光掃描設(shè)備由三維激光掃描儀、計算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架等配套設(shè)備組成，便攜性差，且價格昂貴。攝影測量技術(shù)方案相較于其他數(shù)字化測量儀器，則成本更低，操作簡單便捷，環(huán)境適用性更強(qiáng)。

在生成數(shù)據(jù)和體量上，激光掃描所獲得的數(shù)據(jù)是直接生成云點，且設(shè)置的質(zhì)量參數(shù)越高，數(shù)據(jù)越龐大，處理速度越慢;攝影測量采集獲得的初始數(shù)據(jù)是照片圖像的形式，再通過特定軟件生成點云數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量小、便于存儲，且可編輯性更強(qiáng)，但它多了一步由照片生成點云的計算和處理過程，照片越多，耗時越長。此外，攝影測量最大的優(yōu)勢是采集的模型帶有高精度的紋理信息，激光掃描儀即使內(nèi)置或外置配備了數(shù)碼相機(jī)，但是受到距離和尺寸的因素，紋理信息的精度并不高。

通過對比不難發(fā)現(xiàn)，以成本較低，且能快速全方位地采集對象的三維數(shù)據(jù)以及顏色信息的攝影測量數(shù)字化方案針對面向大眾的文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播的應(yīng)用具有更強(qiáng)的適用性。

2 攝影測量技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)勢

2.1 攝影測量技術(shù)的三維構(gòu)建方法

攝影測量技術(shù)的三維構(gòu)建主要分為照片拍攝、圖像處理、生成稀疏點云、生成密集點云、生成模型和貼圖這五個步驟。在采集對象上，由于攝影測量是基于物體圖像的表面和形狀特征點生成點云，因此要避免沒有紋理、有光澤、高反射或透明這一類特征點不清晰的物體。

清晰高質(zhì)量的圖像采集是文化遺產(chǎn)數(shù)字化構(gòu)建的基礎(chǔ)。攝影測量技術(shù)中三維重建的依據(jù)主要源于圖片的像素點，因此生成的模型和貼圖質(zhì)量的決定因素是采集時照片圖像的質(zhì)量，理論上圖像數(shù)量越多，像素越高，重建的效果也就越好。因此，在有條件的情況下，專業(yè)單反相機(jī)是最優(yōu)的選擇，其次是普通相機(jī)或手機(jī)，相機(jī)圖片格式應(yīng)設(shè)置為源文件處理程度最小格式。在使用條件允許的情況下，平衡相機(jī)設(shè)置之間的參數(shù)，以保證最佳曝光。

拍攝采集時，應(yīng)保證每張圖像基本一致。盡量選擇光照充足均勻的環(huán)境，并且盡可能在較短的時間內(nèi)完成采集工作，避免環(huán)境變化使采集的圖像不一致。此外，要想保證圖像照片質(zhì)量的清晰與一致，應(yīng)該預(yù)設(shè)好相機(jī)參數(shù)與鏡頭焦距，并盡可能將這一設(shè)置維持到照片采集結(jié)束。在數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)保證每一個數(shù)據(jù)完整輸入與輸出，圖像導(dǎo)入生成稀疏點云前，盡量避免使用壓縮程度較大的處理方法與格式。

2.2 攝影測量技術(shù)運用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中的優(yōu)勢

2.2.1 低成本

攝影測量技術(shù)由于其自身原理構(gòu)成，在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中擁有更低的設(shè)備、人力以及技術(shù)成本的優(yōu)勢，可適用于不同程度預(yù)算的個人或機(jī)構(gòu)。在關(guān)注點不是模型精度的應(yīng)用時，如快速記錄、教育傳播，或為旅游目的地推廣文化遺產(chǎn)，甚至利用可攝像手機(jī)就能完成記錄采集工作。

2.2.2 適用性強(qiáng)

因自身的便捷性，攝影測量結(jié)合其他輔助設(shè)備，如三腳架、轉(zhuǎn)盤、搖桿、無人機(jī)等，可完成不同大小尺度、不同環(huán)境下的文化遺產(chǎn)分類。對于小型可移動文物，可采用懸掛拍攝、拼合拍攝、轉(zhuǎn)盤拍攝構(gòu)建模型[4]。攝影測量技術(shù)還可搭載無人機(jī)對大型的戶外遺址街道進(jìn)行三維數(shù)字化構(gòu)建，同時可作為激光掃描技術(shù)的輔助工具，用于采集與烘焙紋理。

2.2.3 具有高精度紋理信息

帶有顏色信息的三維數(shù)據(jù)是攝影測量技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中不可或缺的信息傳播內(nèi)容。顏色信息的采集對文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播來說是至關(guān)重要的，大眾接收其信息內(nèi)容最主要的途徑是通過視覺，其中物體的色彩占據(jù)主要部分。在文物展品中，帶有清晰細(xì)膩的顏色的物品更容易吸引大眾的注意，進(jìn)而才能傳遞更多的信息。

3 金蓮橋三維數(shù)字化傳播構(gòu)建

通過對比不同文化遺產(chǎn)測量技術(shù)的優(yōu)劣，分析攝影測量技術(shù)本身的應(yīng)用優(yōu)勢。針對文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化傳播構(gòu)建，本文提出一種基于攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的三維數(shù)字化傳播構(gòu)建方法（見圖1），并運用于VR（虛擬現(xiàn)實）和web（網(wǎng)絡(luò)）平臺傳播的實際案例中。

3.1 案例

金蓮橋地處惠山東麓惠山寺內(nèi)，東西向架于金蓮池上，前連惠山古剎大殿，背靠明洪武古銀杏，是無錫市現(xiàn)存最古老的石梁橋。其獨特的地理位置和功用，百年來未受河流侵蝕和交通建設(shè)的沖擊，加上維修和保護(hù)古橋是歷代水鄉(xiāng)人共同的使命[5]，使金蓮橋有著良好的生存環(huán)境，保存得較為完整，至今橋上還存有宋代紫褐色武康石構(gòu)件，十足珍貴。

3.2 金蓮橋模型生成

此次對象的攝影測量采集選擇在游客流量較小的中午12時，沒有陽光直射的多云天氣，且光照充足。使用設(shè)備為數(shù)碼單反相機(jī)，共拍攝562張照片，其中以金蓮橋為中心，圍繞金蓮池四周共拍攝346張照片，橋上橋面拍攝216張。

3.2.1 照片預(yù)處理

拍攝采集完畢后，檢查拍攝的照片，刪除不必要和模糊的圖像，避免質(zhì)量較差的圖像影響數(shù)據(jù)生成的準(zhǔn)確性，并對照片進(jìn)行無損格式轉(zhuǎn)換。

3.2.2 照片對齊

將處理過的照片導(dǎo)入圖像建模軟件，通過照片對齊生成稀疏點云。精度值設(shè)置越高，生成的稀疏點云越精確，但花費時間越長。在稀疏點云生成后，通過點云編輯工具，刪除金蓮橋周邊多余點云，只保留需要的橋梁主體部分，減少后續(xù)生成的計算量和降低處理模型的復(fù)雜程度，以及避免錯誤或有偏差的點云對最終模型生成質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響。

3.2.3 密集點云生成

將質(zhì)量設(shè)置為“高”，其他選項默認(rèn)，生成密集點云。密集點云的生成是基于使用圖像的深度信息進(jìn)行密集立體匹配計算，將每個攝像機(jī)生成的組合深度圖轉(zhuǎn)換為部分密集點云，然后將其合并為最終的密集點云。

3.2.4 三維網(wǎng)格及紋理生成

以密集點云作為三維網(wǎng)格生成的源數(shù)據(jù)，生成高質(zhì)量的三維網(wǎng)格。將貼圖大小設(shè)置為“8192”的分辨率，生成金蓮橋的顏色貼圖。

3.2.5 文件存檔并導(dǎo)出

保存工程文件，導(dǎo)出金蓮橋密集點云數(shù)據(jù)存檔保留，并以三維通用的格式導(dǎo)出所獲得的模型和貼圖。

3.3 金蓮橋模型優(yōu)化

通過攝影測量數(shù)字化生成的金蓮橋三維模型文件約有18G，網(wǎng)格總面數(shù)約有2000萬。對于這種高面數(shù)的模型，公眾難以訪問，主要用于研究活動和數(shù)字修復(fù)。就文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播角度而言，應(yīng)在文物細(xì)節(jié)的保留和文件占用大小間找到平衡，優(yōu)化模型最理想的狀態(tài)應(yīng)該是用最小的文件展現(xiàn)出文物最全面的內(nèi)容。一般模型優(yōu)化主要采用兩種方法：一是網(wǎng)格拓?fù)?，二是法線紋理映射。通過自動或手動拓?fù)浣档湍Ｐ兔鏀?shù)，將網(wǎng)格面數(shù)降低到可接受范圍的低模。低模雖有了可以接受的面數(shù)范圍，但其細(xì)節(jié)程度也隨之降低，因此還需要采用法線紋理映射制作法線貼圖。法線貼圖可以通過特定數(shù)據(jù)源圖像通道信息記錄高精度模型表面的傾斜變化，將其賦給低模，讓模型在低面數(shù)的網(wǎng)格狀態(tài)下也能擁有高面數(shù)網(wǎng)格的細(xì)節(jié)。

當(dāng)今引擎大多遵循基于PBR（物理渲染）理念的渲染管線，即基于真實物理屬性與光照的渲染技術(shù)，物體的表面屬性接收光照屬性產(chǎn)生更加真實的圖像，因此，需要為攝影測量生成的三維模型制作相應(yīng)的PBR材質(zhì)貼圖。其中，表面屬性中使用的基礎(chǔ)色不帶有任何光照信息和材質(zhì)反射率信息，這樣才能保證模型不會與虛擬場景中燈光屬性產(chǎn)生的陰影發(fā)生沖突造成二次光照，才能讓模型更好地融入虛擬場景中。在采集金蓮橋紋理貼圖信息時選擇陰天，避免直接光照，也是為了減少光照對采集金蓮橋紋理顏色的干擾與影響，但這還不能達(dá)到理想紋理貼圖的標(biāo)準(zhǔn)，需要對攝影測量生成的模型紋理進(jìn)行去光照處理。

3.4 金蓮橋數(shù)字化傳播應(yīng)用開發(fā)

攝影測量生成的三維模型經(jīng)過優(yōu)化處理后，最終的功能與目的是用于文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化的展示與傳播，傳播平臺和方式的選擇將影響傳播時所呈現(xiàn)的形式，但傳播的內(nèi)容依舊取決于文化遺產(chǎn)自身的自然屬性和人文屬性。此方法高效快速地保留了金蓮橋的自然屬性，并可用于不同平臺的開發(fā)與利用。

基于Web平臺的金蓮橋數(shù)字化傳播開發(fā)，具有交互性強(qiáng)、易傳播、范圍廣的特點，但受到網(wǎng)絡(luò)寬帶和自身Web 3D（網(wǎng)絡(luò)三維）技術(shù)的限制，模型面數(shù)和文件大小不一致。將處理后面數(shù)較低的金蓮橋模型用于Web平臺的展示開發(fā)，受眾可通過互聯(lián)網(wǎng)放大局部觀察石梁上的浮雕、介紹，并顯示鼠標(biāo)停留處的橋梁結(jié)構(gòu)、拆解金蓮橋等一系列交互瀏覽功能。

基于VR平臺的金蓮橋數(shù)字化傳播開發(fā)，則具有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性這四個主要特征，其在模型面數(shù)與文件大小上較Web平臺的要求更為寬松。將處理后面數(shù)較高的金蓮橋模型導(dǎo)入游戲引擎中，并結(jié)合金蓮橋周圍的真實環(huán)境，在虛擬場景中高保真地還原金蓮橋及周圍原貌，受眾可通過VR設(shè)備，進(jìn)入虛擬的金蓮橋場景中游玩與探索，通過一系列沉浸式交互體驗了解和感受金蓮橋背后的歷史文化與藝術(shù)價值。

4 結(jié)語

文化遺產(chǎn)數(shù)字化作為一種數(shù)字化記錄，在如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)的時代，其傳播功用正飛速提升，原先關(guān)于文物本身的客觀物質(zhì)記錄正逐步外化，將物質(zhì)所表現(xiàn)和包含的文化價值與內(nèi)涵通過數(shù)字化的新媒介面向大眾進(jìn)行傳播。而攝影測量技術(shù)作為一種低成本、便捷的數(shù)字化手段，在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中將發(fā)揮越來越重要的作用，文物三維數(shù)字化成本也會越來越低，分級化傳播將成為文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中普遍適用的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 歐陽宏.故宮院藏文物的三維數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用[J].數(shù)字圖書館論壇，2019（7）：48-53.

[2] 丁軍，趙明澤，陳祖軍.利用近景攝影測量進(jìn)行安丙家族墓文物考古測繪[J].工程勘察，2002（4）：54-56.

[3] 梁慧琳，張青萍.園林文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化測繪與信息管理研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，44（5）：9-16.

[4] 張蕾.可移動文物多視角三維重建的拍攝方法探索[J].華夏考古，2018（1）：123-128.

[5] 李燕，束有春.遠(yuǎn)離古橋建新橋：江蘇古橋保護(hù)模式[J].東南文化，2006（4）：85-88.

作者簡介：許文廣（1998—），男，湖南衡陽人，碩士在讀，研究方向：虛擬現(xiàn)實。

章立（1971—），男，江蘇無錫人，碩士，副教授，研究方向：虛擬現(xiàn)實、交互設(shè)計。