可移動文物數字化工作中“多圖像重建技術”的應用研究

劉 磊 馮 磊 于 淼

（保定學院 文物與博物館學院，河北 保定071000）

一、引言

目前隨著我國數字化轉型速度加快，在文物保護與利用相關行業數字化工作中，針對小型可移動文物從數據采集到三維重建主流做法主要是通過激光三維掃描儀、光柵式三維掃描儀或多圖像三維重建等技術開展文物三維信息獲取與保存，經過調整后可在電腦端或移動端進行三維自由視角查看和3D 打印復制，并進一步支持實景重建、文化創意等領域。

2018年4月19日國家文物局辦公室印發了《國家文物局辦公室關于加強可移動文物預防性保護和數字化保護利用工作的通知》（辦博函〔2018〕348 號）（下文簡稱《通知》）。《通知》中明確指出：為了“切實改善可移動文物保存環境，維護文物安全和健康，實現文物和信息資源的科學管理、傳播和利用，更好地促進文物‘活’起來”，有必要“加強可移動文物預防性保護和數字化保護利用有關工作”。《通知》還同時要求：將“數字化保護”作為可移動文物數字化保護利用工作的內容之一。而多圖像三維重建技術作為文物高清三維數字化復原及輔助修復技術中的重要應用手段，在未來可移動文物數字化保護利用工作中具有廣闊的發展前景，將會發揮不可替代的重要作用。

二、概況

本次測試文物為唐代紅陶男俑，主要為紅陶材質，無高反光，高度23.4cm，身寬5.2cm，頭寬2.8cm。主要為人物造像，器物特征明顯。

三、數據采集規劃

主要以單反相機尼康D5300 進行數據采集，按照6000x4000 分辨率、焦距85mm、攝距1.5-2m、拍攝幅間角橫向角11.25 度、豎向角15 度拍攝，因器物為非對稱形制，設計平躺后拍攝一組用于頂面、底面采集，共拍攝5 組。

四、應用設備及布光方案

1.所需設備及相關設置。除需使用尼康D5300 單反相機外，還須使用旋轉拍攝座、攝影三腳支架、遙控快門、攝影床、背景紙、柔光燈箱。其中因需顧及景深及后期模型合成，單反相機設置為手動對焦、光圈優先模式、光圈f20、快門1/2 秒、ISO100 并關閉圖片自動翻轉。旋轉拍攝座設置為每圈停止32 次，每次停留3 秒，慢速，一圈后停止。遙控快門設置為每5 秒拍攝一次，共拍攝32 張后停止。使用柔光燈箱2 只，分主光燈、輔光燈。

2.布光設計。因被攝器物為紅陶吸光材質，采用主輔布光設計，主要以側光突出文物表面細節。

3.圖像采集過程：（1）機位調整。因采用旋轉拍攝臺及無線快門，每一圈拍攝較少人為參與，但每圈后需調整相機高度，第五組需將文物平躺拍攝。（2）檢查數據圖片。拍攝過程中保證各項數據設置的準確性且文物在拍攝過程中不被移動，以保證圖片數據間匹配的準確性。

五、拍攝實施

1.人員投入。圖像數據采集人員1 人，后期編輯合成人員1人。

2.設備型號。本次采用尼康D5300 進行數據采集，利用多組照片完成三維數據合成。

表1 設備情況表

3.文物三維建模軟硬件。通過處理軟件進行圖像數據處理，生產文物三維模型。以下為模型合成所用計算機硬件配置表：

表2 硬件環境配置表

由于文物為不對稱形制，圖像數據重疊率要求高，密集云點數量多，在處理過程中，計算機的工作壓力較大。如果能把內存提高至32GB 或更高，提高計算機整體硬件配置，模型精度和處理速度將大幅提高。

劉雁衡睜開眼，說了一句令石警官很不滿的話。劉雁衡把凍僵的左手手指蜷起來，和右手一起把簫抱到胸前，淡淡對四小姐說：“對不起，你擋了我的風。”

4.取得成果。文物三維模型一套，數據格式為OBJ 格式，后期針對不同應用環境可轉換為多種格式。

六、實施技術解析

項目實施分為數據采集、數據處理和后期整理三個階段，并對成果進行應用環境檢測。

圖1 實施過程路線圖

七、詳細的實施情況

1.圖像數據采集情況。

表3 圖片數據采集總體情況一覽表

2.數據整理。仔細檢查所拍攝圖像，剔除不合規范如失焦、欠曝、過曝照片，保留照片數據共160 張，用以導入處理軟件中進行照片對齊。

3.文物三維模型合成。將照片采集成果導入軟件中的工作組，經過圖像對齊、建立密集點云、生成網格、生成紋理、模型導出等流程，生成文物的三維模型成果，OBJ 格式，貼圖材質8192x8192 像素。本次測試文物較小，僅有23.4 厘米，由于需要避免出現淺景深等因素，器物所占畫面比例受限，且由于相機、鏡頭、計算機等硬件所限，要達到較高以上精度，需要大量圖片數據彌補細節，建模時間較長。

4.精修文物模型。在后期處理軟件中對所生成的模型進行補洞處理,刪除無用部分，并精細調整模型長、寬、高等數值。

5.文物模型格式轉換。針對成果應用環境，如需進一步編輯調整，模型與貼圖須保持分離，推薦使用OBJ 格式，模型文件、貼圖文件分別獨立方便操作，且該格式可在主流三維編輯軟件下直接導入。若是電腦端或移動端進行三維自由視角查看，則推薦使用FBX 格式或3MF 格式，桌面操作系統無需安裝第三方軟件即可進行查看，優點是該格式模型文件、貼圖文件均合并為一個文件，方便保存與管理。且均支持最新AR、VR 環境如HoloLens、VIVE 的使用及3D 打印技術，方便后期運用在文物復制、文化創意等領域。且通過WebGL 技術更可讓所獲得文物三維成果以網頁形式在電腦端和移動端進行展示。

6.3D打印測試。首先通過切片軟件對文物模型進行切片，因所用打印機成型尺寸最大為長200mm、寬200mm、高200mm，故只能將文物模型進行拆分打印，之后在進行粘合。

3D打印機詳細設置如表4：

表4 3D 打印機設置情況一覽表

打印時間約10 小時，獲得目標文物復制品一件，基本還原文物原貌。如圖2 所示：

圖2 3D 打印復制品與文物真品對比圖

本次測試采用三維建模領域最新的多圖像三維重建技術，充分利用圖像合成軟件的自動化建模優勢，在較短的時間內生產出了可運用、可復制的模型成果，并在此基礎上進行了3D 打印等驗證，技術實現可行，模型精度可滿足傳播展示、3D 打印等相關應用要求，產生模型體積小，查看便捷，可應用于課堂教學、文創設計、傳播考證等相關領域。且所使用設備屬于常規設備，可有效減少資金投入，實現了文物三維模型從無到有、從采集到運用的全環節驗證。通過本次基于多圖像三維重建技術進行測試，技術路線清晰可行，所獲成果可以滿足使用要求，可應用于課堂教學、傳播展示、文物保護等相關科研領域。