3D高清摄影在文物建模及虚拟修复中的应用研究

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【摘 要】利用3d高清摄影完成文物的建模，不需要任何红外或者激光设备，将其技术用于马口窑瓷器3D数据重建项目中，不仅遵循了国际文物保护规定的“最小干预”原则，也可以迅速精确地完成文物数字化建模。

【关键词】3D高清摄影；文物建模；马口窑

中图分类号：G263 文献标志码：A 文章编号：1007-0125（2015）04-0272-03

现阶段的文物建模及虚拟修复领域大多使用3D激光扫描，该技术是应用激光测距的原理，使用三维激光扫描仪发出一条激光射线，激光照射到被测物体的表面，并收集反射信息，得到该物体表面点云空间相对位置的三维数据，进而经过计算机软件处理，快速的复制出点、线、面及实体模型[1]。单独的3D激光扫描只能提供精确的物体空间几何信息，虽然3D激光扫描技术日益成熟，且部分扫描仪已经可以提供带色彩信息的数据，但是在文物建模和虚拟修复中依然存在一定的局限性，对于纹理色彩信息仍有所欠缺，难以实现色彩逼真的还原效果，且多数文物具有复杂的色彩，对于表面图案纹理要求高的工作来说，需要和摄影技术信息采集相结合，二次贴图完成表面纹理建模工作，且激光在测距的时候，激光直接接触于文物的表面，容易对文物造成激光或者红外光污染[2]。

3D高清摄影虚拟建模是指对拍摄物体进行全方位的拍摄获取物体720度全方位的图片信息，将这些图片数据用3D图片计算软件进行数据拼接，一次性完整的重建被摄物体表面的空间信息和颜色信息。利用3D高清摄影完成文物的建模，不需要任何红外或者激光设备，其主要运用于小型文物复制，3D打印建模等等。将其技术用于马口窑瓷器3D数据重建项目中，不仅遵循了国际文物保护规定的“最小干预”原则，也可以迅速精确地完成文物数字化建模。

湖北省利川市马口窑是长江中游地区影响最大，延续时间最久远，有大量存物的古民窑，据《汉川图记证实》记载：“其器较他处为坚，其法得自前明隆庆年间有应山县老人来镇受之，历经五百余年，工日益精。”马口窑盛产坛罐，生产延续至今，久盛不衰，都得益于当地优厚的黄土资源，该地的泥土烧制处理的陶罐坚固耐用，防强酸碱，不仅适用于工业、医学领域，而且也适合用于储存食物和腌制食物，据称，远近闻名的四川榨菜专门用马口窑陶罐腌制。马口窑造型古朴，表面装饰灵巧、随意，尽显当时工匠熟练的陶绘技能，曾获湖北省轻工系统造型设计奖。马口窑表面装饰以自然朴拙的绘制工艺及就地取材的手法著称，在装饰手法上工匠们喜用胡须刀、竹片、钱币等工具，在坛灌面上信手挥刀，用老练而飞快的速度，寥寥数笔，线条潇洒流畅，简单概括，或用钱币为图章重复按制在钱罐表面，形成特殊的钱币肌理，代表作有《八仙坛》、《十八学士坛》、《空雕双层龙坛》、《金钱罐》等[3]，其中以金钱罐最深得当时民间人们的喜爱，该罐造型圆润、肌理丰富、寓意美好，象征着财源滚滚，也代表着当时该地域人民盼望家富国强的美好愿望，马口窑瓷器文物具有较高的研究价值，有助于我们进一步了解湖北地域的民间生活生产方式和传统民俗文化。

但随着城乡现代化的快速建设，大量的马口窑文物都遭到了不可逆转的破坏，3D建模和虚拟修复是保护和传承马口窑瓷器文物的重要手段之一，也是我们义不容辞的职责，湖北第二师范学院摄影实验室决定探索性地采用3D高清摄影技术完成马口窑瓷器的3D建模及虚拟修复。使用3D高清摄影建模方法最大的困难来源于图片的拍摄，而马口窑瓷器的拍摄也是众多文物中难度较高的物品之一。其一，马口窑本身是反光体，且造型偏圆，在光线直接的照射下会产生大量光斑，光斑在后期建模软件中是无法识别的，因此拍摄时候必须绝对杜绝任何光斑。其二，各个角度拍摄的图片不仅要求不能有透视变形，而且必须在景深控制范围内达到相同的高清晰度，这对相机硬件要求很高。其三，马口窑为人工拉坯一次成型，器形并不十分规整，且部分器具还有明显的拉坯痕迹，此类细节的还原是3D数字化重建的难点。为了准确清晰地完成马口窑瓷器的3D信息重建，这里我们将拍摄的工作流程设计成三大步骤：拍摄站点的设置、拍摄图片数据获取和图片数据处理。

一、拍摄站点的设置

（一）旋转平台的固定机位方式

我们首先要获取不同角度的照片，先要设置拍摄站点。在利用相机对马口窑瓷器横向表面信息进行采集时，我们采用的是利用旋转平台的定位方式进行拍摄。将马口窑瓷器放置在AutoQTVR器物旋转拍摄平台上，其拍摄台为透明玻璃平台，且具有高度的稳定性和精密的设计，横向旋转精确达到0.01度，旋转速度为360度/分钟，器物旋转转盘范围0-360度，选择直径50厘米转盘，承重100公斤，可拍器物尺寸边长200厘米的配备，在开始或停止旋转时，马达会缓缓加速，缓缓停止，让器物在旋转时不会产生任何轻微的晃动，彻底保护文物的安全。根据马口窑瓷器实际拍摄经验，在水平面上采集30张图片，即每张照片间隔12度便能较好的还原物体。

（二）稳固的圆形支架系统

结构简单的瓷器纵向具体采样时不需要精确的设定间隔角度，只要图片显示覆盖整个物体即可，虽然马口窑瓷器大部分瓷器灌口都比较简单，只有少数特别复杂的灌口，对于顶部和底部结构复杂，花纹繁复的瓷器则需要使用特殊的圆形支架系统固定相机，确保了相机在采集纵向360度坛灌表面信息时的稳定。

图1光位示意图

（三）拍摄环境和色温的控制

首先是确保拍摄环境，物体的背景呈全黑色，这样后期拼接软件才能够自动识别背景，将主体物分别计算出来；其次拍摄时的光源必须稳定，即色温稳定，曝光准确。我们这里采用的方法是将马口窑瓷器放置于全黑反光90%的环境中，拍摄的光源采用的是较闪光和自然光源更加安全更加稳定的持续光源作为拍摄的光源，最大限度地减少对马口窑的伤害，这对文物保护的基本原则具有重要的意义。在布光上，如何消除马口窑的光斑是布光的重点。如图1所示，将陶瓷物体放置阴影中，并使用反光率50%的黑色反光板。利用反光板原理将光线柔和的反射到瓷器上，避免了光斑，同时要求瓷器在均匀受光的同时避免反光。

二、图片数据获取

（一）器材准备：为了保证所拍摄的图片没有透视变化，并且减少图片获取的中间扫描环节，我们采用的是高精度可以调整透视的专业级别大型数码相机仙娜P2专业8×10座机和利图3300万数码后备，直接输出数码照片，镜头使用施奈德180mm定焦镜头并配备消除高光的CPL滤镜。

（二）拍摄控制：3D高清摄影拍摄最重要的是拍摄的过程中注意透视的还原和景深的控制，必须保证马口窑瓷器的全清晰和无透视变化，这里我们拍摄的时候要求光圈确定为F16或者较之更小的光圈，并保证瓷器平面A、镜头平面B以及座机焦平面C三者一致水平。如图2所示。

（三）色彩管理：器物表面的色彩光泽随时间的不同，呈现出的颜色也会有细微的变化，因此色彩的绝对还原在这里显得尤为重要，因为现在还原的色彩，在几十年或上百年后就具有了研究意义，后人可以借此研究这个器物的色彩变化过程和规律。为了保证后期图片处理色彩的还原，必须对拍摄出来的图片进行正确的色彩还原管理[3]。

图2机位示意图

三、图片数据处理

（一）生成初始模型

初始模型的建立是将图片进行无缝3D对接，如图3。在本次马口窑金钱罐的拍摄实验中，为了得到精确的瓷器3D数据，我们对实验中的马口窑瓷器分别从横向360度和纵向180度对马口窑进行了拍摄取样，总共拍摄了50张高清图片，进行色彩还原管理后一共1.3G，要将这些图片进行模型生成，需要先在Photoshop软件里进一步把图片大小缩小，然后利用3D重建软件对照片进行第一步对齐照片形成初始模型。多张高清照片的3D空间计算对硬件要求非常高，而且非常耗时，因此，后期用于计算的电脑需要有严格的硬件要求，一般建议使用六核心处理器计算机用于后期计算。

（二）修正模型

形成初始模型后，首先要先去掉拍摄主体物之外的域，将域调整为仅包括主体物瓷器，其次对于初始生成的模型我们需要720°核对文物本身进行全方位检查，查漏补缺，发现模型缺陷的地方需要重新定位补拍图片，如若补拍无法对齐的图片，则需要进行再次拍摄完成，力争取得最精确的3D文物重建立，直到对所生成的3D模型满意。

图3图片角度定位对齐照片

（三）点云和网格的生成

点云和网格的生成更加有利于检查瓷器的边缘是否平滑，生成点云和网格是生成纹理的必要步骤，检查完初始模型后，删除瓷器以外所有的三维点，开始建立密集点云，建立密集点云是整个3D模型建立中耗时最长的部分，在耐心的等待的过程中必须保持电脑正常运行。完成密集点云的建立后，进而生成网格。生成网格的源数据使用密集点云，多边形数为高90000，设置好后等待网格的生成。

（四）纹理映射

马口窑的金钱罐表面纹理非常丰富，而且还有不可忽视的凹凸微小结构和色彩细节，这些都是文物遗留下来的珍贵信息，完整真实地重现表面纹理信息是建模最关键部分，因此在生成纹理时的映射时候需要启用颜色校正，纹理大小也要选择最高设置。完成以上三个步骤，利用纹理生成软件最终生成马口窑瓷器的3D模型数据文件，文件的输出格式可以为3DS、DXF、WRL、OBJ等通用的3D模型格式。图4是马口窑的密集点云图，图5是马口窑最终生成的纹理图。

图4马口窑密集点云图 图5马口窑纹理图

信息技术时代的文物数字化的关键问题是文物的3D建模，充分运用3D高清摄影技术对文物实施3D数字化数据保存，遵循了国际上对文物保护的“最小干预”原则，使文物数字化、网络化，实现文物基本信息的共享与交流，不仅能更好地满足相关领域的研究及应用需求，并利用网络平台展示更能宣传和保护文物，使文物全面实现其社会职能。此次的3D高清摄影技术完成对马口窑瓷器的3D数据采集重建的实验，将为马口窑文物的保护起到积极的作用。

参考文献：

[1]张永春，潘思文.结构光扫描技术在文物数字化中的应用分析[J].信息化建设，2012（5）.

[2]胡少兴，查红彬，张爱武等.大型古文物真三维数字化方法[J].系统仿真学报，2006（2）.

[3]胡兰凌.马口窑陶器艺术的多维度欣赏价值[J].湖北经济学院学报，2014（5）.

作者简介：

官 彬（1981-），单位：湖北第二师范学院，职务：讲师，湖北文化产业经济研究中心研究员，研究方向：摄影在文物保护中的应用。

基金项目：本文为2014教育部人文社会科学研究青年基金项目“3D高清摄影在文物保护中的应用研究”（项目批准号：14YJC760014）成果之一；

本文为湖北省文化产业经济研究中心重点项目“湖北文化旅游影像数据库的生成研究”（项目批准号：“HBCIR2014Z002”）成果之一；

本文为湖北省普通高等学校人文社会科学重点研究基地――湖北文化产业经济研究中心资助。