基于視覺的明清古家具數字文化檔案高精度三維重建

顧珈靜，劉 春，周驍騰，湯 焱

(同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

0 引 言

文物是人類在社會活動中遺留的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡[1]。優秀物質文化遺產的體系龐大、內容繁雜，往往需要承受時間的考驗，為此當代人需要傳承和不斷了解。而數字化三維重建是保存、管理文物的一種切實可行的方案，也是目前文物保護與考古學界研究的熱點之一[2]，對文化傳承意義深遠。

由于一些文化遺產紋飾復雜、輪廓不規則，許多學者提出采用掃描傳感器進行數據采集。趙煦等[3]基于激光點云將球體標靶作為點云配準的約束條件，對大型文物景觀進行三維重建。通過三維激光掃描儀采集得到的點坐標能夠獲取高精度的幾何尺寸信息，并且掃描速度快，但其成本較高，更適用于建筑外形、工業檢測等大場景建模[4]，后期需進行點云處理與紋理疊加，耗時費力，此外布設靶標會對文物產生影響。鄭順義等[5]基于結構光掃描系統結合普通高分辨率單反數碼相機進行紋理重建，但尚未實現全自動，需人工選定匹配影像和增加匹配點。李欣等[6]基于激光經緯儀，利用帶有角度限制的結構光攝影測量方法獲得目標點的三維坐標進行重建，但結構光易受到光滑平面反光的影響。可見，開展文化遺產的采集和數字建模研究是當前文物保護的研究重點，但這些方法在成本和效率上都有提升的需求。

同時，三維模型真實紋理的重建已成為攝影測量一大重要任務。攝影測量技術是對攝影機攝取的二維影像進行量測，測定物體在三維空間的位置、形狀、大小[7]。數字近景攝影測量在確保低成本、高效率的同時，能夠滿足數據的精度要求和詳細程度[8]。當下其在工業、科研領域應用較多，但在文化領域的應用相對較少，并且其應用具有一定局限性，如精度受傳感器分辨率限制，人工進行數據采集效率低，模型精度受光照條件影響大，需要花大量時間調試相機至合適的位置姿態等。可見，如何解決上述問題，應用攝影測量技術對文物進行高效三維重建，實現紋理、部件、結構的精細化描述，并綜合管理文物以便線上欣賞、未來修復與輔助斷代，對優秀物質文化遺產的保護與傳承至關重要。

1 明清家具三維數字文化檔案構建流程

本研究分為明清家具分層管理體系構建、高效率數據采集與精細化三維重建、高精度三維數字文化檔案建設三步進行。圖1是研究的總體架構圖。

圖1 研究總體架構圖Fig.1 Flow chart of our method

在三維模型中，空間信息以點、線、面等幾何要素形式存儲在數據文件里[9]，無法體現明清家具的文化層次、紋飾特征與部件結構等。為此，首先針對明清家具的文化特點，從類別、紋飾、部件出發進行分層管理；其次基于數字近景攝影測量技術，提出了對明清家具進行非接觸數據采集的低成本高效率方法，進行高精度三維重建；此外對明清家具實現精細化數字建模以便于通過三維信息，提取家具紋飾、部件、結構特征，以此為依據建立索引，為三維數字文化檔案的建設提供信息基礎；最后設計分層索引結構，對三維模型信息進行多層次組織與管理，建設高精度數字文化檔案，并搭建互聯網共享平臺進行展示。

2 高精度視覺測量算法

明清家具三維重建采用數字近景攝影測量方法。在數據采集中，需重點考慮光照條件與儀器布設，采集方案的合理設計對模型精度與工作效率至關重要。將目標物置于暗室，光線與鏡頭同向照射目標物。選用定焦數碼相機進行數據采集，拍攝時以文物為圓心，相機置于環形移動軌道上，如圖2所示，拍攝點從上至下命名為A、B、C，與家具水平距離為R，相機置于上、中、下軌道上旋轉三圈進行拍攝。為便于計算，量測家具虛擬外接球半徑r。

圖2 拍攝正視示意圖Fig.2 Diagram of front view

如圖3所示，像片1與像片2的關系為同一個相機在某一圈上拍攝的相鄰兩張像片，像片1和像片3為相鄰兩圈豎直方向上相機拍攝的像片。相機水平視場角與垂直視場角的計算公式為：

圖3 像片重疊度示意圖Fig.3 Forward overlap and side overlap

(1)

(2)

式中，fovx為水平視場角；fovy為垂直視場角；f為定焦相機的鏡頭焦距；x(單位：mm)為像片長；y(單位：mm)為像片寬。

依據圖2：

(3)

像片縱向重疊度Px%和旁向重疊度Py%[10]，通常縱向重疊度Px%≥60%，旁向重疊度Py%≥30%，由此計算出相鄰像片的縱向間隔Dx，如圖4所示，縱向間隔為：

圖4 相機相鄰間隔計算示意圖Fig.4 Calculation diagram of adjacent intervals

(4)

式中，θ為相機環繞目標物一周每次轉動的角度。

如圖2所示，選取拍攝點A與拍攝點B相對于家具的垂直距離為d，設相機在A處與水平方向夾角為α。

(5)

拍攝點C與拍攝點A沿水平面呈軸對稱分布，相機在C處與水平方向夾角為α。

由于在確保建模可行性的情況下，像片數量越少，建模軟件效率越高。相機環繞目標物一周共拍攝n張像片，參照圖4。

(6)

完成一次數據采集至少需采集3n張像片，將像片導入ContextCapture軟件，進行三維建模。

3 古家具核心部件索引結構設計

3．1 明清家具編碼體系構建

精細化三維重建不僅要得到精確的家具形態，更要保留其細部特征，如圖5所示。

圖5 明清家具分層管理體系圖Fig.5 Hierarchical management of Ming and Qing furniture

類別架構中，第1層為家具一級類別：椅凳類、桌案類、柜櫥類、床榻類、屏架類、套件類。第2層為家具二級類別，例如椅凳類包含凳、杌、墩、椅。第3層為家具名稱，例如椅類包含小圈椅、雕花寶座等。類別編碼以家具“一級類別+二級類別+家具拼音首字母”的方式構建。以雕花寶座編碼“A4dhbz”為例，“A”代表其一級類別“椅凳類”，“4”代表其二級類別 “椅”，“dhbz”為雕花寶座的拼音首字母。

紋飾架構中，第1層為紋飾類別：神獸、植物、花紋、神話故事、成語與吉祥語。第2層為紋飾名稱，例如神獸類包含龍紋，植物類包含蓮花等。紋飾編碼以“WS+紋飾類別+序號+紋飾拼音首字母”的方式構建。以龍紋編碼“WSA1lw”為例，“A”代表其紋飾類別“神獸”，“1”代表龍紋為神獸類下第1種紋飾，“lw”為龍紋的拼音首字母。

部件架構直接以名稱進行分類，有牙子、束腰、椅圈、腿足等。部件編碼以“BJ+部件序號+部件拼音首字母”的方式構建。以牙子編碼“BJ1yz”為例，“1”代表部件序號，“yz”為牙子的拼音首字母。

通過家具類別、紋飾、部件編碼的連接，可以實現屬性表的查詢，便于進行元素組合，生成個性化定制家具。

3．2 明清家具屬性信息管理

對明清家具屬性信息管理的優點在于直觀化復雜的屬性信息，深化三維模型的內涵，優化屬性信息的管理[11]。將明清家具的屬性信息分為4類，如表1所示。

表1 明清家具屬性信息表Table 1 Attribute information of Ming and Qing furniture

第1類為明清家具主體信息，該層包含家具的編碼、名稱、圖片、模型路徑等。其中家具編碼是用于區分家具的唯一信息。

第2類為部件子類的屬性信息，該層包含每種部件子類的編碼、名稱、圖片等。

第3類為紋飾子類的屬性信息，該層包含每種紋飾子類的編碼、名稱、圖片等。

第4類為結構子類的屬性信息，該層包含每種結構子類的編碼、名稱、圖片等。

部件、紋飾、結構子類通過家具編碼與明清家具主體表進行連接，便于檢索查詢。

3．3 新型索引結構設計

索引結構是建設、組織與管理三維數字文化檔案的信息基礎。本研究利用圖像分割與識別技術，提取家具的紋飾與部件。依據上文提出的明清家具分層管理體系與屬性信息表，從特定某件明清家具出發，逐級分層。

如圖6所示，以鑲花楊大屏風為例，搭建索引結構。索引結構的合理設計有助于全方位了解明清家具，掌握其設計、構造與歷史人文信息，為高精度三維數字文化檔案的建設提供支撐。

圖6 明清家具索引結構示意圖Fig.6 Index structure diagram of Ming and Qing furniture

4 明清古家具數字文化檔案建設實例

4．1 家具分層管理體系搭建

為了實現傳統文化的數字化表達，選擇同濟大學博物館館藏的100套明清家具袖珍模型為實例開展研究，模型的最小外接球半徑不超過0.5 m。對故宮博物院、上海博物館家具館進行調研，參考館藏家具以及王世襄著作《明式家具珍賞》[12]與《明式家具研究》[13]，以此為依據對明清家具類別、紋飾與部件構建編碼體系，如圖7所示，實施多層次文化管理。

圖7 明清家具模型Fig.7 Models of Ming and Qing furniture

本方法應用過程以圖8所示的亭臺樓閣插屏為實例進行介紹。亭臺樓閣插屏為獨扇座屏，編碼為E3ttlgcp，由絳環板、站牙、屏心構成，部件編碼分別為E3ttlgcp-BJ106、E3ttlgcp-BJ108、E3ttlgcp-WS100。雙面皆有刻畫，正面雕有亭臺樓閣風景圖，背面刻有以“福”字為主的吉祥文字，底座為鏤空設計。

圖8 亭臺樓閣插屏Fig.8 Pavilion screen

4．2 精細化數字建模

4．2．1數據采集 使用焦距為50 mm的定焦鏡頭搭配SonyA9全畫幅機身進行數據采集，其影像傳感器尺寸為36 mm×24 mm。為確保像片間的重疊度滿足建模需求，取縱向重疊度Px%=60%，相機環繞亭臺樓閣插屏一周每次轉動的角度為30°，家具模型虛擬外接球半徑r=0.1 m，拍攝點A與拍攝點B相對于家具的垂直距離d=0.5 m。依據上文公式進行計算，近似取拍攝點距目標物水平距離R=0.5 m，計算得n=12，最上方相機俯角和最下方相機鏡頭仰角α=45°，保證像片間重疊滿足建模需求，從上中下三圈環繞采集共36張像片，采集得到的系列像片如圖9所示。

圖9 亭臺樓閣插屏系列像片Fig.9 Photos of the pavilion screen

4．2．2高精度三維重建 將對于亭臺樓閣插屏采集得到的像片導入ContextCapture軟件后，對生成的點云數據切割處理并進行建模，后期利用Geomagic、Blender等軟件進行編輯加工，修復模型空洞和多余外部信息(圖10)。

圖10 3D視圖Fig.10 3D views

圖11a中標出的紋理在圖11b中全部清晰還原，說明本方法的紋理精度有助于古家具紋飾信息的管理與研究，滿足紋飾信息的歷史文化保護需求。

圖11 紋理精度比較圖Fig.11 Accuracy of patterns

4．2．3精度評定 為檢驗模型尺寸精度，從100套家具中隨機選20套，在實物與建模軟件中分別量測家具尺寸，實際量測長度R(單位：mm)，模型量測長度M(單位：mm)，計算|R-M|作為衡量尺寸精度的指標，|R-M|的最大值為1.50 mm，最小值為0 mm，平均值為0.68 mm，差值中誤差為0.42 mm。如圖12所示，模型尺寸精度均控制在毫米級別。

圖12 家具實物與模型量測尺寸差值Fig.12 Differences between furniture and model measurement

4．3 明清家具數字文化檔案建設

依據提出的明清家具屬性信息表與索引架構，設計明清家具三維數字文化檔案。設計三維可視化平臺，確保系統具有良好的魯棒性、容錯率和較好的結構，完善用戶交互頁面，體現適合明清家具的UI風格。如圖13所示，明清家具三維數字文化檔案既能簡潔明了地展現家具各層次多角度信息，幫助用戶快速找到目標內容，又能展現精細化數字模型與相關歷史人文信息，共享數據的尺寸精度為毫米級別，考慮到文物的珍貴性以及防止被復刻制作贗品，網站使用者僅能瀏覽文物外觀，而無法獲得文物的高精度尺寸信息。

圖13 明清家具三維數字文化檔案圖Fig.13 Digital cultural archive of Ming and Qing furniture

5 結 論

基于數字近景攝影測量技術，以100套明清古家具袖珍模型為實例進行精細化數字建模，將模型精度控制在毫米級別，完成了文物要素提取、分類體系搭建、屬性信息管理與索引結構設計，構建了歷史文化和三維模型融合的數字文化檔案。研究結果表明，基于視覺的非接觸視覺處理算法能夠實現高精度三維重建，提出的技術方案能夠保留模型的細節程度，并且降低了成本、提升了效率，對文物類別、部件、紋飾的屬性管理與索引架構能有效管理文化信息，數字文化檔案兼具科技、人文與傳統美學，滿足文物保護需求。此方法適用于小型文物，實際應用中文物最小外接球半徑建議不超過實驗中的最大值0．5 m，該范圍內三維重建精度較高，能夠用于文物造型、結構、線條、紋飾等的研究。明清家具三維數字文化檔案可用于古家具的管理和研究，有利于中國古代家具工藝的傳承，而其中對于家具的歷史年代的介紹鑒別能夠輔助斷代。下一步將考慮運用人工智能對家具紋飾和部件進行元素組合，生成個性化定制家具。同時將完善技術方案，應用范圍拓展至小型文物，支撐數字博物館建設。