館藏書(shū)畫(huà)多視角影像三維重建探索

摘 要：文章以館藏書(shū)畫(huà)為研究對(duì)象，以探索分析多視角影像三維重建制作的正射影像為研究目的，基于工作實(shí)踐，從館藏書(shū)畫(huà)入手，對(duì)多視角影像三維重建應(yīng)用于書(shū)畫(huà)的可行性與效果進(jìn)行了研究。通過(guò)上述實(shí)踐，作者得出結(jié)論，多視角影像三維重建生成書(shū)畫(huà)文物的正射影像操作簡(jiǎn)便，圖片質(zhì)量高，易于應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多視角影像三維重建；文物數(shù)字化；博物館

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.18.020

歷代書(shū)法繪畫(huà)是可移動(dòng)文物中一個(gè)重要門(mén)類(lèi)，被各類(lèi)文物管理機(jī)構(gòu)收藏。對(duì)于書(shū)畫(huà)而言，其圖像應(yīng)完整、準(zhǔn)確、清晰地記錄書(shū)畫(huà)的款識(shí)、鈐印等各類(lèi)特征。但由于各類(lèi)書(shū)畫(huà)作品的畫(huà)幅大小不一，文物收藏機(jī)構(gòu)難以為記錄書(shū)畫(huà)圖像而配置專(zhuān)業(yè)且昂貴的掃描設(shè)備，通常使用的照相器材在部分情況下難以滿(mǎn)足相關(guān)的信息收集記錄要求。隨著多視角影像三維重建技術(shù)的成熟與引入，筆者嘗試將多視角影像三維重建運(yùn)用到文物影像信息的采集過(guò)程中，利用其能夠較為準(zhǔn)確地生成點(diǎn)云模型的特點(diǎn)，制作各類(lèi)書(shū)畫(huà)的正射影像圖。

1 研究綜述

多視角影像三維重建技術(shù)在21世紀(jì)10年代逐漸引入考古文博學(xué)科的工作中。2014年，中國(guó)社會(huì)科學(xué)院考古研究所劉建國(guó)研究員在《遼寧建昌縣東大杖子M40的三維建模與探索》①中，利用多視角影像三維重建技術(shù)對(duì)東大杖子M40進(jìn)行了三維建模試驗(yàn)，并驗(yàn)證了其精度。2015年，劉建國(guó)在《三維重建在文物考古工作中的應(yīng)用》②中探討了三維重建在田野考古中的應(yīng)用。2015年，張蕾在《鄴城佛教造像的三維重建探索》③中對(duì)出土于北魏鄴城遺址的可移動(dòng)造像的三維模型制作進(jìn)行了探討。

此外，多視角影像三維重建在考古文博工作中的應(yīng)用逐漸分為了幾個(gè)方面。其一是大型遺址遺跡的三維重建工作，如《山西省萬(wàn)榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建》④《以小型低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行大型考古遺址航測(cè)的新探索—以赤峰遼中京遺址為例》⑤等。其二是可移動(dòng)文物的三維重建，如《可移動(dòng)文物的多視角影像三維重建》⑥《張家界市博物館明代銅佛像的多視角影像三維重建探索》⑦等。其三是三維重建技術(shù)在制作模型的范疇之上與具體考古實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行測(cè)量研究，如《多視角三維重建技術(shù)在石制品研究中的應(yīng)用》⑧、Use of Photogrammetry for Non-Disturbance Underwater Survey：An Analysis of In Situ Stone Anchors⑨、《基于三維重建技術(shù)的云岡石窟砂巖風(fēng)化剝落病害研究》⑩等。

綜上所述，多視角影像三維重建已被大量考古文博機(jī)構(gòu)采用，用于古遺址、古墓葬等不可移動(dòng)文物的三維模型制作。但在館藏書(shū)畫(huà)領(lǐng)域，多視角影像三維重建仍缺少具體應(yīng)用。

2 圖像拍攝與數(shù)據(jù)處理

受拍攝環(huán)境的客觀(guān)條件限制，筆者無(wú)法布置與使用適用于高質(zhì)量三維模型制作的燈光，只能因陋就簡(jiǎn)，在圖片質(zhì)量、拍攝便利性和計(jì)算機(jī)設(shè)備的可操作性上達(dá)到兼顧與平衡。筆者多使用2020萬(wàn)像素的佳能EOS 7D Mark Ⅱ型數(shù)碼單反相機(jī)和佳能EF-S 15-85mm f/3.5-5.6 IS USM鏡頭，鏡頭全程開(kāi)啟防抖模式。拍攝時(shí)，筆者采用光圈優(yōu)先模式，將曝光補(bǔ)償調(diào)為0，自動(dòng)白平衡，中央重點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦，光圈值固定在f5.6，感光度從ISO400開(kāi)始，感光度向上分別設(shè)置在ISO800、ISO1600等拍攝樣片，直至快門(mén)速度提高至1/40秒，畫(huà)面清晰，具備手持拍攝的條件為止。而后盡可能平行拍攝后補(bǔ)充斜向圖片（圖1），完成圖像的采集。

三維模型的制作使用Agisoft PhotoScan軟件，運(yùn)行軟件后，右鍵單擊工作區(qū)域上部的空白部分顯示“添加堆塊”，點(diǎn)擊后自動(dòng)彈出“Chunk1”，再右鍵單擊“Chunk1”，選擇“添加照片”，打開(kāi)存放數(shù)字影像的文件夾，選擇將用于制作該三維模型的影像。需注意，存放數(shù)字影像的文件夾在“添加照片”后不應(yīng)再更改文件名稱(chēng)或文件存儲(chǔ)位置，以免后續(xù)工作中無(wú)法完成紋理和模型的生成與導(dǎo)出。若只制作一個(gè)三維模型，也可直接點(diǎn)擊上方“工作流程”中的“添加照片”后選取照片自動(dòng)建立堆塊。

在Agisoft PhotoScan軟件中建立相應(yīng)的堆塊后，依次進(jìn)行對(duì)齊照片、生成密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格和生成紋理四步操作。在對(duì)齊照片完成之后，對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行調(diào)整；生成密集點(diǎn)云后對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行裁剪；生成網(wǎng)格后再次進(jìn)行裁剪，之后根據(jù)實(shí)際情況選擇“工具”“網(wǎng)格”一欄中的“閉合孔洞”選項(xiàng)；最終自動(dòng)校正顏色生成具有紋理的三維模型（圖2）。

如果被攝物體需要對(duì)此前步驟中無(wú)法拍攝的表面制作模型，則需將物體以其他方式放置，重復(fù)上述步驟生成另一面的模型后，選擇“工作流程”一欄中的“對(duì)齊堆塊”選項(xiàng)，待兩堆塊顯示角標(biāo)“[R]”后，證明兩堆塊已完成對(duì)齊，勾選準(zhǔn)備拼合的模型和拼合密集點(diǎn)云，點(diǎn)擊“確定”后完成密集點(diǎn)云的拼合。之后適當(dāng)修剪點(diǎn)云，重復(fù)“生成網(wǎng)格”和“生成紋理”的操作，完成新拼合模型的制作。

3 具體工作

國(guó)畫(huà)《長(zhǎng)城內(nèi)外春意濃》由白雪石先生于1992年繪制，高99厘米，寬365厘米，現(xiàn)陳設(shè)于釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館（圖3）。在文物藏品信息記錄工作中，受陳設(shè)位置所限，該件藏品無(wú)法使用相機(jī)廣角鏡頭拍攝正視影像。因此，綜合考慮工作進(jìn)度和工作成果，筆者最終選擇以多視角影像三維重建為基礎(chǔ)，制作三維模型并生成正射影像的方法完成該幅作品的影像信息采集。制作三維模型前，筆者以橫向逐行拍攝的方法共拍攝圖片45張，全部可用。

依前述操作完成模型制作與裁切后，因墻面、花綾邊條等不具備設(shè)置定位坐標(biāo)點(diǎn)的條件，筆者只能以國(guó)畫(huà)的四角為控制點(diǎn)，使用鋼卷尺測(cè)量四角之間的距離，并將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。經(jīng)解算后，各點(diǎn)誤差分別為point1點(diǎn)0.002093米、point2點(diǎn)0.004834米、point3點(diǎn)0.004766米、point4點(diǎn)0.001898米，總誤差 0.003676米。制作三維模型后輸出的正射影像分辨率為100像素/厘米，影像完整清晰，不存在一般拍攝時(shí)產(chǎn)生的邊緣暗角、焦外虛化、變形透視等常見(jiàn)問(wèn)題，影像邊角位置方正清晰，生成的正射影像如圖4所示。

國(guó)畫(huà)《黃山松云》由宋文治先生創(chuàng)作，現(xiàn)藏于釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館，陳設(shè)于某房間中，高56厘米，寬31.5厘米。該幅作品因附近房屋裝飾影響較大，正面有固定而厚重的窗簾遮擋，難以正視拍攝，且固定該幅作品的槅扇內(nèi)有增設(shè)的線(xiàn)路穿過(guò)，無(wú)法取下槅扇拍攝。因而，采集的影像多為側(cè)向傾斜拍照的圖片（圖5）。同樣由于窗簾遮擋，即使將該房間內(nèi)全部照明設(shè)備開(kāi)啟，屋內(nèi)也較為昏暗，故筆者在拍攝時(shí)采用光圈優(yōu)先模式，光圈值固定在f5.6，感光度ISO6400，相機(jī)自動(dòng)選擇的快門(mén)速度僅為1/20秒，共拍攝圖片14張，用于模型制作。

依前述操作完成模型制作與裁切后，同樣因附近槅扇與墻面不具備設(shè)置坐標(biāo)點(diǎn)的條件，筆者使用鋼卷尺測(cè)量了槅心欞條四角之間的距離，并將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。經(jīng)解算后，各點(diǎn)誤差分別為point1點(diǎn)0.002849米、point2點(diǎn)0.002982米、point3點(diǎn)0.001516米、point4點(diǎn)0.001225米，總誤差0.002281米。制作三維模型后輸出的正射影像分辨率為100像素/厘米，影像完整清晰，解決了該件藏品無(wú)法正視拍攝的問(wèn)題，也解決了傾斜攝影后畫(huà)作邊角被槅心欞條遮擋的問(wèn)題（圖6）。

國(guó)畫(huà)《惠風(fēng)和暢 草木清華》（高144厘米，寬367厘米）與國(guó)畫(huà)《蜀山積翠圖》（高145厘米，寬368厘米）為釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館2021年新入藏藏品，因畫(huà)幅較大，我館目前使用的佳能EOS-1 Ds MarkⅡ僅有1670萬(wàn)像素，無(wú)法滿(mǎn)足完整準(zhǔn)確清晰記錄書(shū)畫(huà)藏品信息的工作。為此，筆者以多視角影像三維重建為基礎(chǔ)，采用制作三維模型并生成正射影像的方法，試制高清圖片。圖片拍攝使用佳能EOS-1Ds MarkⅡ相機(jī)和佳能EOS 16-35 f2.8 L Ⅱ USM鏡頭，采用光圈優(yōu)先模式，光圈值固定在f8.0，感光度設(shè)置為ISO200，曝光補(bǔ)償設(shè)置為-0.3，使用自動(dòng)白平衡和單點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦進(jìn)行拍攝。國(guó)畫(huà)《惠風(fēng)和暢 草木清華》共拍攝圖片91張用于模型制作，國(guó)畫(huà)《蜀山積翠圖》共拍攝圖片195張用于模型制作。

國(guó)畫(huà)《惠風(fēng)和暢 草木清華》依前述操作完成模型制作與裁切后，以提前設(shè)置好的卡紙為基準(zhǔn)設(shè)置坐標(biāo)，并將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。經(jīng)解算后，各點(diǎn)誤差分別為point1點(diǎn)0.000714米、point2點(diǎn)0.001323米、point3點(diǎn)0.001185米、point4點(diǎn)0.000304米，總誤差0.000969米。國(guó)畫(huà)《蜀山積翠圖》由于圖片數(shù)量較多，計(jì)算機(jī)難以一次性完成模型的制作，因而筆者采取了分組建模、整體拼合的方式進(jìn)行k，將圖片依拍攝時(shí)的順序分為上、下兩組，分組制作后進(jìn)行拼接。完成模型制作與裁切后，以提前設(shè)置好的卡紙為基準(zhǔn)設(shè)置坐標(biāo)，并將其輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。經(jīng)解算后，各點(diǎn)誤差分別為point1點(diǎn)0.000554米、point2點(diǎn)0.000258米、point3點(diǎn)0.000076米、point4點(diǎn)0.000503米，總誤差0.000398米。制作三維模型后輸出的正射影像分辨率為100像素/厘米，影像完整清晰，不存在一般拍攝時(shí)產(chǎn)生的邊緣暗角、焦外虛化、變形透視等常見(jiàn)問(wèn)題，影像邊角位置方正清晰，兩幅作品的正射影像分別如圖7、圖8所示。相較于圖片數(shù)量較少的國(guó)畫(huà)《惠風(fēng)和暢 草木清華》，國(guó)畫(huà)《蜀山積翠圖》放大后的效果更佳，畫(huà)家的筆觸、篆刻的刀法更為清晰。

4 結(jié)果分析與討論

膠片時(shí)代，釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館的書(shū)畫(huà)翻拍多使用Linhof TECHNIKA 45型技術(shù)相機(jī)搭配HORSEMAN 612畫(huà)幅后背與富士Provia 100F（RDP Ⅲ）型為代表的反轉(zhuǎn)片，以612畫(huà)幅的112毫米×56毫米格式進(jìn)行拍攝與沖印。數(shù)碼時(shí)代，隨著數(shù)碼相機(jī)的普及與人們對(duì)數(shù)碼影像的認(rèn)可，數(shù)碼相機(jī)逐漸取代了技術(shù)相機(jī)。但相較于傳統(tǒng)的技術(shù)相機(jī)與彩色反轉(zhuǎn)片，前述兩種型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片在放大后均難以達(dá)到膠片的成像效果。

如圖9所示，筆者使用EPSON F-3200對(duì)612格式的富士Provia 100F型彩色反轉(zhuǎn)片進(jìn)行掃描，掃描分辨率為4800dpi。掃描后的底片經(jīng)放大后畫(huà)質(zhì)雖明顯優(yōu)于佳能EOS 7D Mark Ⅱ型數(shù)碼單反相機(jī)所拍攝的圖片（如圖9所示，上方為120反轉(zhuǎn)片掃描所得，下方為佳能EOS 7D Mark Ⅱ拍攝后裁剪所得）。但如圖10所示，將反轉(zhuǎn)片與由三維模型生成的正射影像放大至與實(shí)物相等時(shí)相比，可見(jiàn)制作所得的正射影像更為清晰。

在最終獲取圖片的圖像質(zhì)量上，膠片與數(shù)碼相機(jī)的拍攝所面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在有限的成像面積中更多更完全地記錄影像信息，成像面積越大就能記錄越多的影像信息，即俗稱(chēng)的“底大一級(jí)壓死人”。但相機(jī)畫(huà)幅或像素的增加終究是有限的，而被攝物尺寸的變化范圍遠(yuǎn)超相機(jī)畫(huà)幅的變化范圍。因此，在面對(duì)大場(chǎng)景與高像素的要求時(shí)，就需要以圖片拼接的方式制作圖片。

用拼合圖片的方式制作全景照片時(shí)，對(duì)每張圖片的拍攝質(zhì)量都有較高的要求，需要盡可能地減少形變，圖片要做到橫平豎直，并統(tǒng)一白平衡與曝光等諸多參數(shù)，此外還需要操作者根據(jù)實(shí)際情況對(duì)圖片進(jìn)行細(xì)致的裁剪與調(diào)整。相較于圖片拼合，三維重建生成正射影像的方式最大限度地將拼合圖片的工作由人轉(zhuǎn)移到了計(jì)算機(jī)上，只需保持圖片清晰準(zhǔn)確、相鄰圖片之間擁有重合部分這些基礎(chǔ)條件即可。甚至可以從視頻中均勻分幀制作l。如圖11所示，筆者分別使用AutoStitch和Photoshop分別生成全景圖與Agisoft PhotoScan制作三維模型后生成的正射影像進(jìn)行對(duì)比，并將“長(zhǎng)城”二字放大后觀(guān)察，Agisoft PhotoScan可以使用更多的圖片參與影像的合成，合成的圖像幾乎無(wú)需手工調(diào)整，并達(dá)到更加優(yōu)秀的圖像拼合效果。

雖然多視角影像三維重建制作的正射影像的圖片質(zhì)量較高，但筆者在實(shí)踐中仍發(fā)現(xiàn)了一些不足。首先，前述所有圖片與影像均未使用標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行顏色校正，Agisoft PhotoScan軟件的顏色自動(dòng)校正在一些情況下與實(shí)際顏色會(huì)存在一定的偏差，應(yīng)在拍攝前校正相機(jī)并在后期處理中予以消除。其次，由三維模型生成的正射影像在邊緣，受模型制作時(shí)影像覆蓋不足的影響，會(huì)出現(xiàn)涂抹與變形的問(wèn)題（圖12），在拍攝時(shí)可以通過(guò)擴(kuò)大拍攝范圍和增加計(jì)劃制作模型的邊緣影像密度來(lái)解決。最后是正射影像中不同區(qū)域的影像質(zhì)量問(wèn)題。如在拍攝照片時(shí)，左側(cè)的圖片密度大，右側(cè)的圖片密度小，這樣雖然可以完成模型的制作并輸出正射影像，但將正射影像放大后觀(guān)察，可清晰地發(fā)現(xiàn)不同圖片密度下正射影像質(zhì)量的差別（圖13），應(yīng)在拍攝圖片時(shí)盡可能保證各部位的圖片密度相同，以確保最終生成的正射影像質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

《中共中央關(guān)于黨的百年奮斗重大成就和歷史經(jīng)驗(yàn)的決議》中強(qiáng)調(diào)：“我們實(shí)施中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承發(fā)展工程……增強(qiáng)全社會(huì)文物保護(hù)意識(shí)，加大文化遺產(chǎn)保護(hù)力度?！眒文物數(shù)字化無(wú)疑是記錄與保護(hù)文物并使其活化利用的重要路徑。多視角影像三維重建除在實(shí)景三維模型的制作上擁有簡(jiǎn)便、快速、耗費(fèi)低的優(yōu)勢(shì)外，還可將其應(yīng)用于書(shū)畫(huà)的影像信息采集與高清圖像制作上，不僅可行，同樣具有簡(jiǎn)便、快速、圖片質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)。

與其他掃描與翻拍方式相比，利用多視角影像三維重建制作書(shū)畫(huà)類(lèi)文物的高清圖片，既可以壓縮成本，也可以在一定程度上解決硬件設(shè)備能力不足的問(wèn)題。即僅使用照相機(jī)和計(jì)算機(jī)完成高清影像的制作，適用于狹窄空間和大幅作品的影像信息采集與處理。這一方法與實(shí)踐為廣大不具備專(zhuān)業(yè)書(shū)畫(huà)翻拍或高清掃描設(shè)備的單位節(jié)省了經(jīng)費(fèi)的開(kāi)支，提供一種新的解決方案，讓收藏在博物館里的文物真正地活起來(lái)。

注釋

①劉建國(guó).遼寧建昌縣東大杖子M40的三維建模與探索[J].考古，2014（12）：94-98.

②劉建國(guó).三維重建在文物考古工作中的應(yīng)用[J].中國(guó)文化遺產(chǎn)，2015（5）：43-47.

③張蕾.鄴城佛教造像的三維重建探索[J].南方文物，2015（4）：241-245.

④劉建國(guó).山西省萬(wàn)榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2017，29（5）：48-51.

⑤李松陽(yáng)，王藏博，徐怡濤.以小型低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行大型考古遺址航測(cè)的新探索：以赤峰遼中京遺址為例[J].遺產(chǎn)與保護(hù)研究，2018，3（11）：124-132.

⑥劉建國(guó).可移動(dòng)文物的多視角影像三維重建[J].考古，2016（12）：97-103.

⑦趙紫軒，范花寧，馬贊峰，等.張家界市博物館明代銅佛像的多視角影像三維重建探索[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2018，30（2）：133-139.

⑧周振宇，關(guān)瑩.多視角三維重建技術(shù)在石制品研究中的應(yīng)用[J].人類(lèi)學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（1）：38-48.

⑨FULTON C，VIDUKA A，HUTCHISON A，et al.Use of photogrammetry for non-Disturbance underwater survey：an analysis of in situ stone anchors[J].Advances in Archaeological Practice，2016（2）：17-30.

⑩王煥君.基于三維重建技術(shù)的云岡石窟砂巖風(fēng)化剝落病害研究[D].北京：中央民族大學(xué)，2017.

k閆可恒.多視角影像三維重建技術(shù)對(duì)云岡石窟風(fēng)化病害的量化研究[D].北京：中央民族大學(xué)，2020.

l孫保燕，覃禹程，韋龍華，等.三相位環(huán)繞視頻勻分幀建模技術(shù)在文物逆向三維模型重建中的應(yīng)用[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)：2023，43（2）：289-295.

m中共中央關(guān)于黨的百年奮斗重大成就和歷史經(jīng)驗(yàn)的決議[M].北京：人民出版社，2021：46.