三維重建技術在考古中的應用分析

穆金鋒

摘要：在考古工作領域之中，三維重建技術有著舉足輕重的地位，根源在于其有助于生動形象地展現考古遺址、遺跡還有出土文物，全面性地記錄和整理相關的空間信息，為日后考古鉆研、文化遺產保護和展覽等，提供合理性的指導依據。由此，本文將在強調三維重建技術在考古領域中的應用要點前提下，結合實際分析考古中妥善沿用三維重建技術的措施。

關鍵詞：三維重建;考古;要點;應用措施

在我國考古學研究持續深入的同時，有關空間信息的全面性收集整理和生動呈現等，引起業界強烈的關注。好比說在田野考古活動中，發掘出的三維信息可以深入性呈現出各個文化層的精神風貌，加上考古發掘存在不可逆轉性，所以說，針對考古遺跡、遺存當中的空間信息進行及時性挖掘記錄，顯得十分關鍵。至于如何在考古活動中科學有效地使用三維重建技術，具體細節會在后續有機延展。

一、三維重建技術在考古中應用的要點

三維重建技術擁有回溯歷史、恢復古環境等神奇的功能，而隨著相關科技的不斷進步，如今已然衍生出傳統幾何體、三維激光掃描、攝影測量原理三類常見的建模方式。至于考古中沿用這類技術時要注意哪些細節，則表現為：

（一）充分運用立體幾何原理

歸根結底，就是在大力融入立方體、球體等傳統的幾何元素前提下，配合平移、旋轉、拉伸、布爾運算等多元化的操作方式，來實現一些煩瑣類幾何場景的構建目標。通過建模方式構建三維模型主要包括幾何建模、物理建模、行為建模、對象特性建模等等，這些模型的創建和描述，可以說是虛擬場景造型呈現的重心所在。經過對比，應用頻率相對高一些的是透過表面還有實體結構模型完成建模任務，其對于規則實體建模工作比較適用，尤其是在工業生產的模具加工之前，習慣于配合傳統幾何建模技巧來進行精細化設計。而考古中的幾何建模模式傾向于利用計算機進行輔助制圖，用來復原關注的文物并予以細致性地測量，不過該類方式在面對一些實體結構相對煩瑣的物件時，建模難度會急速飆升，對應的數據量還有計算處理時長也會同步增加。歸納來說，該類方式還是比較符合小件規則文物的建模標準，對于野外考古發掘活動來說則實用性不強。

（二）推廣使用三維激光掃描方式

三維激光掃描，顧名思義，就是借助三維掃描測量技術來分別識別出物體實際的空間坐標、結構尺寸、紋理影響等重要數據，對應的儀器設備是三維數字化儀，工作原理就是在進行脈沖式激光發射和接受的同時，產生批量化且精度較高的點云，隨后透過自動化組合來再現被測物體的立體化形態，適用范疇相對寬闊一些。其和我們常見的攝像機、圖形采集卡等有著明顯的差異性。表現為掃描圖形是立體實物、可以獲取物體表層所有采樣點的三維坐標和色彩，甚至是三維數據;再就是輸出的為覆蓋所有采樣點、立體坐標且擁有色彩的數字模型文件，特別是經過非接觸式的光學掃描過后，還可以及時明確物體表層的三維數據，同時盡量避免對物體造成過多的損傷。需要引起注意的是，其在進行透明物體三維信息采集時，由于激光特征影響，不能針對目標提供有效的反射光路，如若說外界輔助條件不達標，便不能實現對透明物體收集三維數據的目標。

（三）適當借鑒數字攝影測量原理

數字攝影測量，實際上就是基于人眼雙目視覺原理來建模。對應的方法表現為：先借用兩個已知位置的兩張數字影像還有特殊的計算機程序進行同名點的坐標重疊交匯，在獲取空間點的三維坐標并生成相應的點云之后，構建起三維數字表面模型，還有不規則的三角網，再然后則將影像的紋理有序地映射于基于點云構建的空間三角網之上，形成和調研空間物體比較貼近的真實三維模型。

二、考古中妥善沿用三維重建技術的措施

在此主要以俄羅斯Agisoft公司研發的AgisoflPhotoscan軟件為媒介來展開文物模型的三維重建活動，該類程序融合了數字影像自動生成還有多視角影像三維重建等高新技術，可以靈活處理各個視角拍攝的影像，衍生出真實坐標的三維模型。包括航拍、地面拍攝的任何角度影像，還有考古出土的陶片以及大型的考古遺址等等，都可以快速地完成三維建模。

（一）多視角影像的三維重建

多視角影像三維重建技術具備豐富的特征，表現為適用范疇廣泛、獲取的數據質量高超、建模完成度和效率高等等。縱觀遺址考古、現場發掘、文物出土等諸多供需，都能夠透過多視角影像拍攝途徑來實現三維重建目標，而這期間沿用的拍攝工具和軟件操作原理都十分簡易，只要保證相關考古人員之前接受過相關培訓，就可以高效率地進行三維重建;再就是借助多視角影像三維重建的模型精度很高、紋理擬合效果理想、沒有太多的誤差，可以全面迎合數據存檔、考古鉆研、文物保護等多元化的工作標準;還有則是多視角三維重建技術在拍攝影像和處理數據時，不會耗費太多的時間精力，使用的設備原理比較簡單，也不會造成過多的經費投入。

因此，在完成對建模主體場景的捕捉任務過后，要嚴格對照相關的質量參數、遺址結構的完整性，并結合特定的坐標系統來進行深入性的測量并有序地輸入到軟件之中，這樣既可以用來測量建模主體中隨意兩點的距離，又方便日后準確評估模型的精度。需要注意的是，模型控制測量中的控制點數量要多于三個，并且要保證在整個場景內予以均勻分布。如若說預處理環節中發現影像相對暗淡一些，還可以借助PS圖像處理程序進行亮度增強，其間切忌隨意裁剪或是拉伸、平移圖像;再就是禁用那些單位質量值沒有0.5的影像，否則會限制建模的準確度。待預處理過后，則可以利用合格影像來生成三維點云和編輯，一旦說發現當中數據存在粗差過大或是偏離實體位置等問題，要盡快予以刪除，之后就可以進行實體構建和自動生成了。

（二）等值線圖的及時生成

等值線的衍生，對于青銅鼎制作工藝鉆研認證大有裨益。須知大部分青銅鼎在鑄造期間幾乎不存在完全對稱的特征，而在相關文物修復時，技術人員則可以考慮針對前后相關的三維模型予以存檔，并創建專門的文物數字檔案，旨在為后續修復和研究工作順利進行提供豐富的借鑒素材。特別是在對青銅鼎等文物進行模型三維重建過后，還需要及時測量當中的特征點，以獲取更為精準的點位信息，更好地進行線劃圖繪制。當影像數目超出兩百幅時，要借助高效的圖形工作站進行批量化處理，要不就是考慮降低全部影像的像素，這樣才可以促進三維重建工作愈加順利地進行，方便及時生成考古研究所需的等值線圖。

需要關注的是，透過三維模型導出的數字高程模型，雖然可以在短時間內生成相對精準的等圖，不過適用范疇還是一些體積較小的文物，如若說要針對大規模遺址還有墓葬地進行三維重建時，還需要額外使用全站儀、RTK等專業化儀器設備，生成急需的等高線圖。

（三）模型進程報告的順利導出

經過對三維模型的進程報告導出之后，還可以從中發現和模型精度相關的誤差分析結果。結合我國社科院考古研究所劉建國研究院的講座內容分析，Agisoft Photoscan程序在針對小型器物進行建模時，精度通常穩定在0.1毫米上下;而面對一些規模較大的發掘現場時，建模的最高精度則維持在3毫米范疇內，還需要額外搭配多視角影像的三維重建模型，才可以更好地迎合考古學研究中對于精度的規范標準。

三、結語

綜上所述，相比傳統的激光掃描技術，多視角影像的三維重建方式具備操作便捷簡單、消耗經費不多、獲取的模型精度較高等優勢，不管是對于細小的文物還有大規模的遺址等等，都比較適用。希望日后相關考古人員能夠加大對該類技術的推廣力度，兼顧對其的學習、實踐、探討，對各類文物和遺址進行包括平面、立面、剖面、斷面的影像圖生成，高效率地完成模型的三維重建任務，進一步為我國考古事業繁榮性和突破性發展，做出更多的支持服務貢獻。

參考文獻：

[1]倪海明.基于多重分形頻譜理論的野生東北虎頭骨三維重建研究[D].東北林業大學，2015.