基于近景攝影測量法的非遺三維數字模型生成與優化研究
——以石市竹木雕為例

王巍，陳玉彬，吳雨珩

石市竹木雕工藝是湖南省級非物質文化遺產（以下簡稱非遺）。石市位于湖南省衡陽市衡陽縣的東北部，曾被授予“中國民間文化藝術之鄉”的稱號。早在秦漢之前，石市便開始了竹木雕的制作，至漢代時，已經具有相當的規模和水平，在長沙馬王堆漢墓中就發現了石市竹木雕工藝品。明清時期，石市竹木雕工藝的發展走向頂峰。石市竹木雕工藝距今已有 2 000 多年的歷史，如今正逐步走向凋敝，搶救和保護石市竹木雕刻不容緩。筆者認為，通過數字技術手段保護石市竹木雕工藝的傳承與發展，是當下非常重要的研究課題。

一、石市竹木雕數字化的研究背景

（一）石市竹木雕工藝概況

竹木雕以楠竹竹根和黃楊木為主要原材料，以雕、刻、銼、磨等方式對其進行藝術加工。竹木雕的題材以《山海經》中的神話故事、佛教人物等內容為主。根據雕刻工藝的不同，竹木雕可以分為一體成型竹木雕、鏤空雕刻竹木雕、組合式竹木雕，以及異形式竹木雕四類（見圖 1）。一體成型竹木雕由一整塊竹根雕刻而成，雕刻的人物大部分為半身像且竹根直接連至底部，身上無鏤空雕刻；鏤空雕刻型竹木雕會在作品底部單獨刻出一個底座，上方雕刻人物或動物，其腿部與底座一體相連，腿的部分通常作挖空雕刻處理；組合式竹木雕通常會用一塊竹根打造一個帶有凹槽的底座，在另一塊竹根上雕刻圖案的內容，然后將兩塊竹根進行組合展示；異形式竹木雕是以生長過程中變形的竹體部分為原材料進行雕刻，異形竹根是一種比較稀有的原材料，雕刻圖案時需要適應竹根的形狀。因此，制作出的成品根雕藝術價值最高。

圖1 石市竹木雕工藝的分類①

筆者通過實地走訪調研發現，對于石市竹木雕工藝而言，其傳承與發展存在資源開發不夠、發展道路單一以及同行交流過少等問題[1]。而本文所討論的近景攝影測量法能為以梁豐助為代表的石市竹木雕非遺傳承人所做的工藝品，打造一個完整的三維數據庫和面向全球觀眾的線上三維數字化平臺。通過三維數據庫和線上三維數字化平臺，不僅可以弘揚與傳播石市竹木雕，而且可以為與石市竹木雕研究相關的高校教師與非遺科研工作者提供豐富的學術資料。

（二）國內外三維數字化應用的現狀

互聯網時代下的數字化技術飛速發展，出現了三維數字化、虛擬現實、增強現實、混合現實等新型媒體展示技術，這些新技術不但可以對石市竹木雕等非遺工藝進行詳盡的記錄，而且能對這些非遺進行廣泛的傳播。

近景攝影測量法是實現非遺三維數字化記錄與保存的重要手段之一，國內外對近景攝影測量法的理論研究均較為完善。國外研究中，Leitch L.R等[2]將近景攝影測量法用于測量非接觸型的大型建筑，通過采集常規操作下較難收集到的數據，實現大型建筑的三維數字化重現。Miles H.C[3]及其團隊采用近景攝影測量法，采集英國威爾士巨石紀念碑的三維數據并對其進行三維數字模型重建，旨在開發共同文化遺產（Heritage Together）保護項目。Hanan H等[4]將近景攝影測量法運用在傳統房屋的三維數據采集中，通過創建傳統房屋的三維數字模型，實現文化遺產的保護計劃[4]。國內研究中，廖無雙[5]系統地研究了傳統多邊形建模的局限性，對比了近景攝影測量法與三維激光掃描的優缺點，并以Agisoft Metashape和Trnio兩款基于近景攝影測量法的三維數字模型重建軟件為例，闡述了這兩款軟件的基本工作流程。陳浩智等[6]利用近景攝影測量法實現了油畫的三維數字化。

通過對比國內外對近景攝影測量法的研究發現，國外偏向于利用近景攝影測量法保護建筑等大型文化遺產，這些建筑的細節紋理較為簡單，如需還原建筑內部的結構，則需要通過人工進行后期的三維制作，需要大量的專業后期制作人員。而國內的研究大多是綜合利用多種三維數字化采集方法制作較為精細的模型，或者直接利用攝影平面貼圖的方式來還原文物，但這些方法在日常的實踐和精細的三維數字模型制作中，仍然存在很多缺陷。

對于非遺的弘揚與傳播，三維數字化平臺起到了至關重要的作用，通過利用三維數字化平臺，國內外對非遺保護的探索有了進一步的發展。例如，蘇州博物館推出的線上三維數字展廳收錄了近 50 件館藏文物[7]，觀眾可以在線查看這些文物的三維數字模型（見圖 2）。故宮博物院近幾年推出的“數據文物庫”公開了故宮 52 558件（套）文物影像資料，另一個“數字多寶閣”項目存儲了故宮 180 余件器物的三維數據[8]。“Malopolska虛擬博物館”項目對波蘭博物館的 1 000 多件歷史文物進行了三維掃描與線上展示，同時該項目致力于公共領域的收藏，展示的三維數字模型涵蓋了雕塑、建筑、家具、裝飾、服裝、照相機、儀器、機械，甚至還有動物標本等非常廣泛的主題。“東盟文化遺產數字檔案”項目將馬來西亞、印度尼西亞、泰國三個國家的博物館精選藏品進行了三維數字化，并將其展示給公眾（見圖 3）。

圖2 蘇州博物館的線上三維數字展廳與故宮博物院的“數字多寶閣”項目

圖3 “東盟文化遺產數字檔案”項目的三維數字化展示

上述博物館運用了三維數字化展示其館藏文物，實現了線上宣傳和教育的目的。但就目前三維數字化的發展現狀來看，仍然存在一些問題。例如，蘇州博物館的線上三維數字展廳展示的文物并非真實的三維數字模型，而是由多張圖片序列合成的HTML5網頁，這導致線上數字三維展廳存在文物展示頁面的載入時間長、交互性能低、觀感不流暢等問題。故宮博物院的“數字多寶閣”項目無論是在電腦端觀看還是在手機移動端觀看，均有良好的展示效果，但唯一的缺點是其網頁三維窗口中的攝像機交互為線性，線性的動畫略顯生硬，使得觀感的流暢度降低。“Malopolska虛擬博物館”項目與“東盟文化遺產數字檔案”項目的三維數字模型展示精度較高，三維數字模型的制作以人工建模為主，以攝影測量與激光掃描的方法為輔，成本較高。

為了讓石市竹木雕工藝得到更好的傳承與發展，使石市竹木雕的三維數字化保真度更高、網絡展示交互性更好、制作成本更少，筆者提出了基于近景攝影測量法的低成本、高保真的三維數字模型重建與PBR貼圖的制作方法。通過改善數據采集的方法，得到高精度的高動態范圍圖像，用于石市竹木雕的三維數字模型重建。通過Reality Capture圖像三維建模軟件進行點云計算，得到石市竹木雕的高細節模型和高細節基礎色貼圖，然后進行紋理化和規則渲染，得到不同精度規格的 PBR 貼圖，最終實現低成本、高質量的石市竹木雕三維數字模型，并用于多維度的互聯網傳播。

二、基于近景攝影測量法的三維數字模型生成

（一）近景攝影測量法

攝影測量是一種通過測量和分析文物的二維照片來確定其三維幾何形狀的技術[9]。攝影測量法屬于三維掃描技術中的一種，而三維掃描技術主要指集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要是對文物的外形和結構進行掃描，以獲得文物表面的空間坐標[10]，掃描后的數據能用于文物的三維數字模型重建。

國內外現有的三維掃描技術主要分為結構光三維掃描技術、激光掃描技術、CT掃描技術和近景攝影測量法四類（見圖 4）。結構光三維掃描技術一般配備體積較小的手持設備，難以捕捉尺寸過大的文物[11]，并且結構光三維掃描設備的市場價格較為昂貴。激光掃描儀的價格也較為昂貴，且市面上大多數激光掃描儀都是單色激光，所形成的文物模型缺少色彩紋理[12]，不能較好地還原文物本身，同時，激光很有可能會對文物表面產生不可逆的損傷。CT掃描設備的體量與重量都較大，不易攜帶且成本較高[13]，不能滿足小型文物的三維數字模型重建。近景攝影測量法是一種低成本且便攜的技術，也可用于制作紀念碑、遺址等大型文化遺產的三維數字模型[14]。近景攝影測量法從微觀模型到城市景觀都可以捕捉，適用于石市竹木雕等非遺手工藝品的掃描與三維數字模型重建。

圖4 三維掃描技術成本預算對比

非遺是中華優秀傳統文化的重要組成部分，非遺的保護與傳承對延續歷史文脈具有重要意義。對于非遺手工藝品而言，利用近景攝影測量法可以對其進行毫米級的精度記錄，并且能完整地記錄非遺手工藝品表面的肌理和材質的特點，同時能在最低成本的情況下完成非遺手工藝品的三維數字模型重建。近景攝影測量法采用的是面光技術，其應用的光源主要是白光，工作過程類似于照相，掃描文物時能夠快速掃描一個測量面，一般在幾秒內便可以獲取百萬個測量點，通過多視角的測量數據拼接，可以完成對文物的 360°掃描和數據采集。同時，近景攝影測量法采用的是像素對比技術，依據三角函數原理向文物投射一系列的光線組合，然后通過檢測光線的邊緣來測量文物細節之間的距離。像素對比技術需要運用高分辨率相機，利用立體相機的測量原理，在極短的時間內獲得物體表面高密度的三維數據，再利用參考點拼接技術，將不同位置和角度的三維數據自動對齊，進而獲得完整的掃描結果，實現三維數字模型的重建。

（二）圖像信息收集

在近景攝影測量法重建三維數字模型的工作流程中，第一步就是收集圖像的信息，這需要對被掃描的文物進行數字圖像的采集，采集的是二維數據，這是生成三維數字模型的基礎。筆者使用的是索尼A-6500無反相機，采用等效全畫幅 50 mm的光學鏡頭，以保證采集的圖像不會出現廣角畸變、桶形或枕形畸變等問題。由于被掃描文物的尺寸較小，因此需要放入室內攝影棚進行圖像收集工作。室內攝影棚的尺寸為80 cm×80 cm×80 cm，其外殼是帆布材質，內襯為反光板材質，可以較好地反射光線，使被掃描文物的四周都有均勻的光照條件。在拍攝的過程中，應確保圖片對拍攝對象有足夠的覆蓋范圍，并且拍攝的圖片之間有足夠的重疊。對于石市竹木雕來說，其細節非常豐富，因此需要拍攝大量的圖片來補充細節，以保證圖片的重疊。筆者以橫向每 15°為一個單位，對作品進行 360°的拍攝，縱向拍攝為俯拍、平拍、仰拍三個方向，并且還額外增加了一些特寫細節的拍攝，以保證在三維數字模型重建的時候，能夠準確還原物體鏤空處的幾何細節與紋理細節。

本研究以石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》為例，對其進行近景攝影測量的數據采集實驗（見圖 5）。筆者在對這件工藝品進行拍攝的過程中，根據竹木雕的自身特點和細節分布，對其三個縱向角度和每 15°的橫向角度進行了拍攝，共拍攝了 128 張圖片，確保能覆蓋其每個角度的細節。在實際操作過程中，每個被采集的文物都各有特點。因此，對不同的文物要有不同的采集角度和補拍細節，細節越多的地方，拍攝的角度也要越小，拍攝的圖片越豐富，重建的三維數字模型才越逼真。相反，文物細節少的地方可以適當放大角度，減少拍攝圖片的數量，這樣也能加快后期計算機運算的速度，提高工作效率。

圖5 石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》的攝影測量數據采集實驗

（三）圖像對齊

近景攝影測量法，通過三維數字模型重建軟件對已知內參數的相機拍攝的具有一定重疊度的影像序列進行處理，計算出文物表面點在空間中的三維坐標，實現文物三維數字模型的重建[15]。因此，在完成文物信息采集工作之后，需要將圖片放入三維數字模型重建軟件中進行處理和重建。筆者使用的是Reality Capture圖像三維建模軟件，可以對全部圖片進行選擇處理，但同時需要刪除一些因為抖動而產生的模糊、虛焦、暗部噪點過高與白平衡偏移的圖片，避免生成冗余點云。在確保所有圖片都是清晰準確的之后，再進行圖像對齊，在這一步驟中，Reality Capture圖像三維建模軟件會將每一張圖片與前后圖片的細節進行重疊和像素對比，結合相機傳感器數據與鏡頭數據等參數，自動反求出拍攝時相機的相對位置，并根據對齊結果計算出被攝場景的三維點云數據。三維點云數據是生成多邊形模型的必要前提，可以將其看成是幾何多邊形的頂點，將這些頂點連起來就會構成完整的多邊形模型。在獲取了足夠多的三維點云數據之后，需要對三維點云數據進行進一步的處理，具體步驟為手動選擇生成區域和重建的文物，然后刪除多余的三維點云數據，便于后續的三維數字模型重建工作。

圖6 為石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》的三維點云數據與運算報告。三維點云數據形成了石市竹木雕工藝品最原始的模型，觀察模型點云的大概輪廓和細節點云是否呈規律排列，可以判斷出數據采集是否準確，或者是否需要增加拍攝來完善細節點云。運算數據報告的生成也便于我們進行后續的三維模型重建，報告顯示，在生成石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》時，可以得到 444 562 個頂點數，生成的三角面數量為 1 288 657 個，通過這些數據能幫助我們在后期重建三維數字模型時進行較快的優化。

圖6 石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》的三維點云數據與運算報告

（四）幾何模型重建

在幾何模型重建這個步驟中，我們需要設定重建模型的細節等級，此處筆者選擇Reality Capture 圖像三維 建模軟件中的高細節重建，這樣可以最大化利用點云數據，生成盡可能多的頂點，也會讓模型細節更加真實地還原文物本來的樣子。經過電腦運算之后，便可以得到一個精度極高的幾何模型（見圖 7），從高級模型中能清楚地看到模型的細節與棱角，且在光滑的地方沒有凸起和冗余。通過點云的計算所解算出的模型結構非常接近現實模型。

圖7 石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》的高級模型

三、基于近景攝影測量法的三維數字模型優化

高精度模型生成之后，其表面并沒有紋理貼圖，且所占的內存較大，不便于網絡在線加載與傳播。因此，需要對三維數字模型進行進一步優化，優化后的三維數字模型所占內存小且更為精細，保真度也更高。三維數字模型優化的主要步驟包括紋理化模型、模型重拓撲處理和基于 PBR 工作流的模型貼圖制作。

（一）紋理化模型

三維數字模型重建生成了高精度模型，但其完整的表面紋理信息也是三維數字模型的關鍵部分，不僅可以作為資料，用于文物顏色、材料的研究，而且可以作為數據測量的依據[16]。所以三維數字模型優化的第一步就是紋理化模型。在紋理化模型之前需要兩個前置步驟，即簡化與拆分UV貼圖。在前置步驟中，目標模型的面數需要手動設置。在本案例中，筆者設置的目標面數為 200萬面，這個數值既能很好地保留絕大部分三維數字模型的幾何細節，又能大大加快運算速度與體積壓縮，便于網絡傳播。在簡化完三維數字模型之后，需要進一步對模型進行 UV 貼圖的拆分，這樣可以在三維空間內定義二維貼圖的位置。完成前置的簡化與拆分UV貼圖的步驟之后，便可進行紋理化處理，此時Reality Capture圖像三維建模軟件會將之前高精度照片上的紋理信息一一對應到拆分好的UV貼圖上，并且最終輸出一張 16K像素的完整基礎色貼圖。

圖8 為石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》紋理化前后對比圖。本案例中，筆者結合實際情況，選擇輸出 8K 分辨率的貼圖，像素高達 6 400 萬，輸出紋理化后的模型比原模型增加了文物的真實材料屬性。高清的紋理化模型可以顯示出逼真的竹子材料，如細微的竹紋和蟲洞等，很有質感。

圖8 石市竹木雕工藝品《劉海戲金蟾》紋理化前后對比圖

（二）模型重拓撲處理

紋理化模型之后，高精度模型與高精度貼圖都已經完成，可以對三維數字模型進行存檔保留，但是對于石市竹木雕工藝品的傳播與活用來說還遠遠不夠。為了適應電腦端、手機移動端的傳播，以及虛擬現實、混合現實的支持，需進一步將模型的面數減少，同時需要對模型進行重拓撲處理。未重拓撲處理的模型表面結構線排布毫無規律，一般有著龐大的頂點數量與三角形數量。如此龐大的數據會導致模型在互聯網端的傳播非常緩慢，而且沒有經過優化的原始模型對計算機的性能會有較高的要求。因此，有必要對此狀態下的模型與貼圖進行進一步的優化。

為了進一步優化紋理化后的模型，需要將模型導入三維軟件中進行重拓撲處理。筆者選擇的三維軟件為Blender，將紋理化后的模型與貼圖導入Blender軟件中進行操作。具體方式為打開軟件的頂點或者表面捕捉選項，使用多邊形畫筆在模型的表面重新繪制一個低面體的模型，處理后的模型要達到結構規整且全為四角面結構線排布。

本案例中，對模型進行重拓撲處理后，得到一個 75 000 面的低級模型，相比重拓撲前的模型，重拓撲后的模型棱角和起伏的結構細節都已經消失。因為此時的模型結構線排布規整，所占內存也大大減小，更適合網絡傳播，以及后續模型貼圖的優化制作，同時還能節省計算機的計算空間，提高單個模型的制作效率。

（三）基于PBR工作流的模型貼圖制作

1. PBR工作流

模型貼圖的制作階段，需要采用PBR工作流（見圖 9）。PBR是一種基于真實世界光的物理特性渲染算法[17]，是計算機圖形學發展到一定程度，為解決傳統三維渲染工作流中不真實的問題，而產生的一種新型渲染工作流。簡單來說，PBR 工作流的特點是具有兩種屬性，即燈光屬性和表面屬性，通過加強這兩種屬性，可以使三維數字模型更加接近文物本來的樣貌。

2. 模型貼圖制作

為了高質量還原模型本身的材質特點與顏色信息，使模型更為精細且真實，一般需要制作四類貼圖，即基礎色貼圖、法線貼圖、粗糙度貼圖與環境光遮蔽貼圖。基礎色貼圖主要是還原物體的顏色與圖案；法線貼圖能更好地還原物體的細節，如微小的面部輪廓與細小的裂縫；粗糙度貼圖能還原物體的材質，如竹木雕上清漆的光澤度還原；環境光遮蔽貼圖不僅可以改善模型漏光和陰影不實等問題，也可以改善場景中縫隙、褶皺、墻角、角線以及細小文物表現不清晰的問題，還可以綜合改善細節尤其是暗部陰影細節的問題。

具體的模型貼圖制作步驟為：在重拓撲之后，還需手動拆分 UV 貼圖。因為模型在重拓撲之后，會破壞原有的UV貼圖結構，此時的原始模型貼圖已經不適用于新模型，所以有必要對重拓撲過的模型進行 UV 貼圖的拆分，以便適應之后的模型貼圖制作。在拆分UV貼圖的過程中，要注意縫合線盡量選在物體的轉折處，這樣可以避免模型貼圖制作時出現接縫等問題。得到UV貼圖的信息后，還需要將高級模型與低級模型完全對齊，然后將高級模型上的基礎色信息烘焙到低級模型上，烘焙后就得到了基礎色貼圖。除此之外，由于低級模型損失了大量的幾何結構細節，因此，需要烘焙一張法線貼圖，以還原高級模型的幾何細節。可以使用之前的最高細節模型進行烘焙，得到法線貼圖。而粗糙度貼圖需要手動繪制，此步驟可在Photoshop圖像軟件中完成，根據物體表面的粗糙或光滑程度，用基礎色貼圖進行“去色”和“反相”的操作，用繪圖工具將光澤部分加深，直至符合原物體的真實質感，再將處理好的圖像導入三維軟件的模型中，完成粗糙度貼圖的制作。

圖10 為基于 PBR 工作流的模型及其 4 張貼圖。貼圖制作這一步驟雖然借助了強大的PBR工作流，但也考驗模型制作者的審美能力。本案例中，制作者需要調整基礎色貼圖的整體色調來還原竹木雕在自然光線下的真實質感，以及通過處理竹木雕的細節紋理來增強其木質材料的真實性。在粗糙度貼圖的制作中，制作者需要對照真實的模型來繪制竹木雕表面清漆厚薄的程度和清漆自然風干的流動感等。所以貼圖制作是還原模型真實性的關鍵步驟，借助PBR工作流可以大幅度的減少貼圖制作的成本與難度，但也需要借助人力來進一步完善，以制作出符合需要的三維數字模型。

圖10 基于 PBR 工作流的模型及其 4 張貼圖

最后，將完整的 4 張貼圖分別鏈接至三維數字模型上，基礎的PBR渲染流程就完成了，此時的模型既逼真又可以很好適用于網絡傳播。

四、基于近景攝影測量法的三維數字模型的存儲與活用

（一）三維數字模型的存儲

最高細節的模型完成之后，可以將三維數字模型導出并存儲到本地的數據庫中。由于這一模型的數據量過于龐大，一般超過 5GB，因此很難對其進行其他操作，但是由于三維數字模型高精度的特性，可以對其進行 3D打印、照片級渲染、離線展示等操作，也具有一定的研究價值。

（二）三維數字模型的活用

三維展示是一種將原本靜態的物質轉為動態，物質實體轉向非物質實體，從現實轉為虛擬的展示手段，這種展示方式將科技與藝術綜合于一身[18]。對于石市竹木雕來說，網絡的三維展示是一個很好的傳播方式。筆者選擇了世界上最大的三維數字模型眾包平臺Sketchfab，這個平臺可以在線對模型進行觀看、下載、交互等多種操作，并且在模型完成上傳之后，會生成一個鏈接進行對外分享。以數據庫的方式集中遺產數據是文化遺產保護的一貫做法，數字技術的廣泛應用也為非遺數據庫建設的規范化、網絡化提供了技術支持和保障[19]。將石市竹木雕重建之后的所有三維數字模型數據通過 Sketchfab平臺搭建成一個數據庫（見圖 11），并且在累計一定數量的數字資產之后，可以搭建一個線上數字博物館，將所有的非遺數字資產分享到數字博物館中，以達到廣泛傳播的目的。

圖11 Sketchfab平臺上的石市竹木雕三維數據庫展示平臺

五、結語

要想發展非遺事業，必須轉變觀念。只有推動文化與科技的融合，才能有助于打造文化遺產保護的新平臺，拓展文化遺產的開發空間[20]。近景攝影測量法對于非遺的傳承與保護來說，是一種非常重要的技術手段。傳統的手工藝人與非遺傳承人很難負擔起三維數字模型重建工作的費用，目前也很少有專業團隊愿意做這些工作，而近景攝影測量法的普及將改變這一現狀。近景攝影測量法因其低廉的成本和優秀的效果，受到國外很多大學、科研機構以及個人的歡迎，并開始從事該研究工作，這無疑有益于非遺的保護與發展。

注釋

①梁豐助先生是石市竹木雕的代表性傳承人，也是梁氏竹木雕第五代傳人。本文研究所使用的石市竹木雕工藝品均由梁豐助先生提供。