館藏書畫多視角影像三維重建探索

摘 要：文章以館藏書畫為研究對象，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，基于工作實踐，從館藏書畫入手，對多視角影像三維重建應用于書畫的可行性與效果進行了研究。通過上述實踐，作者得出結論，多視角影像三維重建生成書畫文物的正射影像操作簡便，圖片質量高，易于應用。

關鍵詞：多視角影像三維重建；文物數字化；博物館

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

歷代書法繪畫是可移動文物中一個重要門類，被各類文物管理機構收藏。對于書畫而言，其圖像應完整、準確、清晰地記錄書畫的款識、鈐印等各類特征。但由于各類書畫作品的畫幅大小不一，文物收藏機構難以為記錄書畫圖像而配置專業且昂貴的掃描設備，通常使用的照相器材在部分情況下難以滿足相關的信息收集記錄要求。隨著多視角影像三維重建技術的成熟與引入，筆者嘗試將多視角影像三維重建運用到文物影像信息的采集過程中，利用其能夠較為準確地生成點云模型的特點，制作各類書畫的正射影像圖。

1 研究綜述

多視角影像三維重建技術在21世紀10年代逐漸引入考古文博學科的工作中。2014年，中國社會科學院考古研究所劉建國研究員在《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對東大杖子M40進行了三維建模試驗，并驗證了其精度。2015年，劉建國在《三維重建在文物考古工作中的應用》②中探討了三維重建在田野考古中的應用。2015年，張蕾在《鄴城佛教造像的三維重建探索》③中對出土于北魏鄴城遺址的可移動造像的三維模型制作進行了探討。

此外，多視角影像三維重建在考古文博工作中的應用逐漸分為了幾個方面。其一是大型遺址遺跡的三維重建工作，如《山西省萬榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建》④《以小型低成本無人機進行大型考古遺址航測的新探索—以赤峰遼中京遺址為例》⑤等。其二是可移動文物的三維重建，如《可移動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在制作模型的范疇之上與具體考古實踐相結合進行測量研究，如《多視角三維重建技術在石制品研究中的應用》⑧、Use of Photogrammetry for Non-Disturbance Underwater Survey：An Analysis of In Situ Stone Anchors⑨、《基于三維重建技術的云岡石窟砂巖風化剝落病害研究》⑩等。

綜上所述，多視角影像三維重建已被大量考古文博機構采用，用于古遺址、古墓葬等不可移動文物的三維模型制作。但在館藏書畫領域，多視角影像三維重建仍缺少具體應用。

2 圖像拍攝與數據處理

受拍攝環境的客觀條件限制，筆者無法布置與使用適用于高質量三維模型制作的燈光，只能因陋就簡，在圖片質量、拍攝便利性和計算機設備的可操作性上達到兼顧與平衡。筆者多使用2020萬像素的佳能EOS 7D Mark Ⅱ型數碼單反相機和佳能EF-S 15-85mm f/3.5-5.6 IS USM鏡頭，鏡頭全程開啟防抖模式。拍攝時，筆者采用光圈優先模式，將曝光補償調為0，自動白平衡，中央重點自動對焦，光圈值固定在f5.6，感光度從ISO400開始，感光度向上分別設置在ISO800、ISO1600等拍攝樣片，直至快門速度提高至1/40秒，畫面清晰，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，運行軟件后，右鍵單擊工作區域上部的空白部分顯示“添加堆塊”，點擊后自動彈出“Chunk1”，再右鍵單擊“Chunk1”，選擇“添加照片”，打開存放數字影像的文件夾，選擇將用于制作該三維模型的影像。需注意，存放數字影像的文件夾在“添加照片”后不應再更改文件名稱或文件存儲位置，以免后續工作中無法完成紋理和模型的生成與導出。若只制作一個三維模型，也可直接點擊上方“工作流程”中的“添加照片”后選取照片自動建立堆塊。

在Agisoft PhotoScan軟件中建立相應的堆塊后，依次進行對齊照片、生成密集點云、生成網格和生成紋理四步操作。在對齊照片完成之后，對工作區域進行調整；生成密集點云后對密集點云進行裁剪；生成網格后再次進行裁剪，之后根據實際情況選擇“工具”“網格”一欄中的“閉合孔洞”選項；最終自動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此前步驟中無法拍攝的表面制作模型，則需將物體以其他方式放置，重復上述步驟生成另一面的模型后，選擇“工作流程”一欄中的“對齊堆塊”選項，待兩堆塊顯示角標“[R]”后，證明兩堆塊已完成對齊，勾選準備拼合的模型和拼合密集點云，點擊“確定”后完成密集點云的拼合。之后適當修剪點云，重復“生成網格”和“生成紋理”的操作，完成新拼合模型的制作。

3 具體工作

國畫《長城內外春意濃》由白雪石先生于1992年繪制，高99厘米，寬365厘米，現陳設于釣魚臺國賓館（圖3）。在文物藏品信息記錄工作中，受陳設位置所限，該件藏品無法使用相機廣角鏡頭拍攝正視影像。因此，綜合考慮工作進度和工作成果，筆者最終選擇以多視角影像三維重建為基礎，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置定位坐標點的條件，筆者只能以國畫的四角為控制點，使用鋼卷尺測量四角之間的距離，并將其輸入計算機進行解算。經解算后，各點誤差分別為point1點0.002093米、point2點0.004834米、point3點0.004766米、point4點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，不存在一般拍攝時產生的邊緣暗角、焦外虛化、變形透視等常見問題，影像邊角位置方正清晰，生成的正射影像如圖4所示。

國畫《黃山松云》由宋文治先生創作，現藏于釣魚臺國賓館，陳設于某房間中，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有增設的線路穿過，無法取下槅扇拍攝。因而，采集的影像多為側向傾斜拍照的圖片（圖5）。同樣由于窗簾遮擋，即使將該房間內全部照明設備開啟，屋內也較為昏暗，故筆者在拍攝時采用光圈優先模式，光圈值固定在f5.6，感光度ISO6400，相機自動選擇的快門速度僅為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置坐標點的條件，筆者使用鋼卷尺測量了槅心欞條四角之間的距離，并將其輸入計算機進行解算。經解算后，各點誤差分別為point1點0.002849米、point2點0.002982米、point3點0.001516米、point4點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，解決了該件藏品無法正視拍攝的問題，也解決了傾斜攝影后畫作邊角被槅心欞條遮擋的問題（圖6）。

國畫《惠風和暢 草木清華》（高144厘米，寬367厘米）與國畫《蜀山積翠圖》（高145厘米，寬368厘米）為釣魚臺國賓館2021年新入藏藏品，因畫幅較大，我館目前使用的佳能EOS-1 Ds MarkⅡ僅有1670萬像素，無法滿足完整準確清晰記錄書畫藏品信息的工作。為此，筆者以多視角影像三維重建為基礎，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相機和佳能EOS 16-35 f2.8 L Ⅱ USM鏡頭，采用光圈優先模式，光圈值固定在f8.0，感光度設置為ISO200，曝光補償設置為-0.3，使用自動白平衡和單點自動對焦進行拍攝。國畫《惠風和暢 草木清華》共拍攝圖片91張用于模型制作，國畫《蜀山積翠圖》共拍攝圖片195張用于模型制作。

國畫《惠風和暢 草木清華》依前述操作完成模型制作與裁切后，以提前設置好的卡紙為基準設置坐標，并將其輸入計算機進行解算。經解算后，各點誤差分別為point1點0.000714米、point2點0.001323米、point3點0.001185米、point4點0.000304米，總誤差0.000969米。國畫《蜀山積翠圖》由于圖片數量較多，計算機難以一次性完成模型的制作，因而筆者采取了分組建模、整體拼合的方式進行k，將圖片依拍攝時的順序分為上、下兩組，分組制作后進行拼接。完成模型制作與裁切后，以提前設置好的卡紙為基準設置坐標，并將其輸入計算機進行解算。經解算后，各點誤差分別為point1點0.000554米、point2點0.000258米、point3點0.000076米、point4點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，不存在一般拍攝時產生的邊緣暗角、焦外虛化、變形透視等常見問題，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。相較于圖片數量較少的國畫《惠風和暢 草木清華》，國畫《蜀山積翠圖》放大后的效果更佳，畫家的筆觸、篆刻的刀法更為清晰。

4 結果分析與討論

膠片時代，釣魚臺國賓館的書畫翻拍多使用Linhof TECHNIKA 45型技術相機搭配HORSEMAN 612畫幅后背與富士Provia 100F（RDP Ⅲ）型為代表的反轉片，以612畫幅的112毫米×56毫米格式進行拍攝與沖印。數碼時代，隨著數碼相機的普及與人們對數碼影像的認可，數碼相機逐漸取代了技術相機。但相較于傳統的技術相機與彩色反轉片，前述兩種型號的數碼相機拍攝的照片在放大后均難以達到膠片的成像效果。

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

在最終獲取圖片的圖像質量上，膠片與數碼相機的拍攝所面臨的主要挑戰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，即俗稱的“底大一級壓死人”。但相機畫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超相機畫幅的變化范圍。因此，在面對大場景與高像素的要求時，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，對每張圖片的拍攝質量都有較高的要求，需要盡可能地減少形變，圖片要做到橫平豎直，并統一白平衡與曝光等諸多參數，此外還需要操作者根據實際情況對圖片進行細致的裁剪與調整。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移到了計算機上，只需保持圖片清晰準確、相鄰圖片之間擁有重合部分這些基礎條件即可。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行對比，并將“長城”二字放大后觀察，Agisoft PhotoScan可以使用更多的圖片參與影像的合成，合成的圖像幾乎無需手工調整，并達到更加優秀的圖像拼合效果。

雖然多視角影像三維重建制作的正射影像的圖片質量較高，但筆者在實踐中仍發現了一些不足。首先，前述所有圖片與影像均未使用標準色卡進行顏色校正，Agisoft PhotoScan軟件的顏色自動校正在一些情況下與實際顏色會存在一定的偏差，應在拍攝前校正相機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，受模型制作時影像覆蓋不足的影響，會出現涂抹與變形的問題（圖12），在拍攝時可以通過擴大拍攝范圍和增加計劃制作模型的邊緣影像密度來解決。最后是正射影像中不同區域的影像質量問題。如在拍攝照片時，左側的圖片密度大，右側的圖片密度小，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察，可清晰地發現不同圖片密度下正射影像質量的差別（圖13），應在拍攝圖片時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量。

5 結語

《中共中央關于黨的百年奮斗重大成就和歷史經驗的決議》中強調：“我們實施中華優秀傳統文化傳承發展工程……增強全社會文物保護意識，加大文化遺產保護力度。”m文物數字化無疑是記錄與保護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景三維模型的制作上擁有簡便、快速、耗費低的優勢外，還可將其應用于書畫的影像信息采集與高清圖像制作上，不僅可行，同樣具有簡便、快速、圖片質量高的優勢。

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畫類文物的高清圖片，既可以壓縮成本，也可以在一定程度上解決硬件設備能力不足的問題。即僅使用照相機和計算機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。這一方法與實踐為廣大不具備專業書畫翻拍或高清掃描設備的單位節省了經費的開支，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。

注釋

①劉建國.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.三維重建在文物考古工作中的應用[J].中國文化遺產，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.山西省萬榮縣壽圣寺塔的多視角影像三維重建[J].文物保護與考古科學，2017，29（5）：48-51.

⑤李松陽，王藏博，徐怡濤.以小型低成本無人機進行大型考古遺址航測的新探索：以赤峰遼中京遺址為例[J].遺產與保護研究，2018，3（11）：124-132.

⑥劉建國.可移動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].文物保護與考古科學，2018，30（2）：133-139.

⑧周振宇，關瑩.多視角三維重建技術在石制品研究中的應用[J].人類學學報，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.基于三維重建技術的云岡石窟砂巖風化剝落病害研究[D].北京：中央民族大學，2017.

k閆可恒.多視角影像三維重建技術對云岡石窟風化病害的量化研究[D].北京：中央民族大學，2020.

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

m中共中央關于黨的百年奮斗重大成就和歷史經驗的決議[M].北京：人民出版社，2021：46.