基于Context Capture多視角影像三維重建技術在藏品數字化中的應用

鄧旭帥

摘 要：藏品是博物館全部活動的物質基礎。在博物館數字化的浪潮中，藏品數字化是核心，而三維建模是藏品數字化的關鍵手段。多視角三維重建技術因其設備要求低、靈活性強、操作簡單等優點成為藏品建模的重要手段。在考古領域，雖然Context Capture在空三精度、紋理映射質量、模型精度等方面具有優勢，但由于其不能直接用于可移動文物建模，因此該軟件應用較少。通過對采集到的影像預處理或對模型成果后期處理，使之能夠用于文物藏品的建模，并對兩種方式的優缺點進行比較。

關鍵詞：藏品數字化；Context Capture；可移動文物建模

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.05.033

藏品是博物館全部活動的物質基礎，博物館在保管、研究的基礎上，通過系統化、主題性的陳列展示，對廣大民眾進行知識、技能、和人文精神的教育。當今世界以信息技術為代表的新興科技，不僅為傳統產業注入了新的活力，也為博物館發展帶來了機遇。20世紀90年代，數字化博物館建設開始。在博物館數字化的浪潮中，藏品數字化是核心，而三維建模是藏品數字化的重要手段。因此，對文物藏品建模平臺的研究十分重要。

在考古領域，中國社會科學研究院考古研究所的劉建國老師以PhotoScan為平臺探討了該技術在可移動文物和不可移動文物建模中的應用；張蕾進行了動物骨骼的三維重建探索、多視角拍攝方法研究；馬歡歡、趙清坡研究了基于PhotoScan的多視角三維重建技術在考古中的應用；付仲楊探討了PhotoScan和Adobe Illustrator兩款軟件在考古繪圖中的應用；趙海龍、仝廣、閆曉蒙探討了PhotoScan在石器三維建模中的應用。在可移動文物的多視角三維重建領域，應用最多的軟件是俄羅斯Agisoft公司的PhotoScan。然而在地信測繪行業得到大量應用的Context Capture，雖然在空三運算準確度、紋理映射質量、模型精度等方面具有明顯優勢，但由于軟件沒有點云編輯功能，不能直接用于可移動文物建模，因此在考古領域應用較少。

本文擬以紙盒為例，嘗試探索將Context Capture應用到可移動文物建模領域，使其充分發揮優勢，為文博工作服務。

1 Context Capture簡介

Context Capture，原名Smart 3D，后被Bentley公司收購，成為該公司旗下的一款三維實景建模軟件。該軟件的主要模塊是Context Capture Master和Context Capture Engine。它們遵循主模塊—工作線程模塊模式。Context Capture Master主模塊，操作人員可以通過該圖形用戶界面進行任務提交、數據輸入、任務監控等。但該模塊不執行處理任務，而是將任務分組成若干基本任務，然后提交到任務序列。Context Capture Engine是Context Capture的工作線程模塊，一般在后臺自動運行，不與用戶進行交互。

2 Context Capture多視角三維重建的影像拍攝

2.1 相機參數

①相機型號。Context Capture需要獲取相機的型號信息。本研究使用的相機型號為佳能（Canon）5D Mark Ⅲ。

②拍攝模式。選擇手動擋（M檔），快門速度不高于1/30秒，光圈值10左右。注意：光圈值不能太小，使用小光圈值獲取的影像景深小，協助運算的背景少，會降低成果準確性和精度。

③白平衡。根據實際情況進行設置，但不要使用自動白平衡，自動白平衡會因為光線角度不同導致同一影像的色調產生變化。

④焦距。最好使用定焦鏡頭，如果使用變焦鏡頭，拍攝時要采用統一的焦距。如果受實際情況限制，必須變焦拍攝，則需要將不同焦距的影像分組。

⑤對焦方式。中心位置單點、單次自動對焦。

⑥感光度。感光度根據現場光線調節，盡可能使用較小的感光度。感光度越大，噪點越多，所獲取的影像質量就低。

2.2 影像拍攝

①拍攝場景。最好在陰天環境下的室外拍攝。在室外拍攝時要注意拍攝速度，避免自然光線的變化對前后影像的亮度、反差、陰影位置產生影響。室內拍攝要布置好燈光，固定光的效果好于閃光燈。

②拍攝方法。根據是否需要后期處理，拍攝方法可以分為兩種：一次拍攝法、二次拍攝法。一次拍攝法包括懸掛拍攝法、支墊拍攝法。這種拍攝方法具有一定的安全風險，且只適合質量較輕、體積較小的文物藏品。二次拍攝法又稱拼合拍攝法，即分別拍攝文物藏品頂部和底部的影像，再通過后期處理進行模型生產，其優點在于適用對象范圍廣，但相比于一次拍攝法耗時耗力。本文以二次拍攝法為例。

③重疊度。對于大件文物藏品的拍攝，橫向重疊度80%左右，縱向重疊度70%左右。對于小件文物藏品的拍攝，每隔15度左右拍攝一張影像。

2.3 模型分辨率的影響因素

生成的三維模型的分辨率和精度與物體上的投影像素大小直接相關。具體關系如下列公式：

投影像素大?。?像素）×焦距（毫米）×影像的最大尺寸（像素）＝傳感器寬度（毫米）×拍攝距離（米）

2.4 控制點與檢查點設置

多視角三維重建技術生成的三維模型沒有真實的空間關系信息，不能直接量取模型上空間點位之間的距離等數據，所以在進行多視角影像拍攝時必須設立三個以上的控制點。軟件會將各控制點的坐標信息帶入生成的三維模型中，因此最終的模型成果會有相應的空間位置信息。通過Context Capture View軟件，可以進行坐標、長度、面積、體積測量。以激光雕刻有網格坐標的金屬板作為控制板，用游標卡尺測量數據，并換算成相應的空間坐標輸入軟件。檢查點的作用是分析模型成果的精度，設置方法同控制點。

3 Context Capture工作流程

3.1 新建工程

工程是該軟件進行運算的基本單元，通常將一個文物的數據放同一個工程進行處理。注意：工程名稱和工程目錄最好不要出現中文字符。

3.2 導入影像

將前期采集到的影像數據導入。導入影像時，可以直接導入影像，也可以導入影像所在的文件夾，還可以通過導入視頻的方式建模，將采集到的視頻導入到區塊中，設置起止時間及提取影像的視頻間隔，單位為秒。注意：提取影像的視頻間隔要確保足夠的重疊率。在這種模式下系統將根據設置從視頻文件中提取相應的幀用于建模。

3.3 添加控制點

在多張照片上找到同一個控制點，進行人工標記，并將測量好的控制點坐標信息輸入。推薦同一個點在四張以上照片中進行標記，其中三個點用來確定位置，一個點用來平差。

3.4 空三運算

空三運算是整個建模過程的關鍵?？杖纯罩腥菧y量，是在立體攝影測量中，根據少量的控制點進行控制點加密解算，求得加密點的高程和平面位置的測量方法。注意：在進行模型生產時，一般先導入位置再進行空三運算。但也可以先進行空三運算，再輸入位置信息，然后再次進行空三運算。這么做的好處是第一次空三運算后，軟件將控制點和可能的每張照片關聯起來，方便人工標記，減少人工工作量。當然，由于跑了兩次空三，項目生產時間會相應增加。

3.5 新建重建項目

根據不同的目的，生產輸出不同的文件類型和格式。該軟件可以生成三維網格、三維點云、正射影像、DSM/DEM等類型的文件，格式有OBJ、OSBJ、3SM、S3C等。注意：在格式/選項欄里，可以根據需要選擇紋理貼圖的相關參數，如壓縮紋理可以選擇JPEG質量的50%、70%、90%以100%。這一選項直接影響模型成果的紋理貼圖質量。注意：在生產前要編輯生產范圍，將生產范圍的底面抬升到文物藏品的本體下限以上，確保放置文物藏品的臺面、控制板等無關物品不在生產范圍。

4 數據處理

由于Context Capture沒有點云編輯功能，無法直接利用獲取到的影像，因此需要對數據進行處理才能生成所需的成果。本文擬通過影像預處理、模型配準兩種途徑探索解決這一問題的方法，并探討這兩種方法的優缺點。

4.1 影像預處理

將使用拼合拍攝法獲取到的文物藏品影像導入Photoshop中，添加蒙板，遮住除文物主體外的背景（圖1）。有效的蒙板是一個與影像具有相同尺寸的黑白TIFF圖像。并將蒙板與對應的影像放置于相同目錄。將處理過的影像導入同一個工程內，按照Context Capture的工作流程進行運算，就能得到符合要求的模型成果。在這種方法里，由于遮住了一切和文物無關的背景，只有文物本體參與運算，因此模型的生產速度會提高很多。但也有以下缺點：①影像預處理的工作量很大，需要耗費大量時間、精力；②在遮住無關背景的同時，也會刪去控制點（需要在文物本體上添加比例約束點才能生成具有真實空間關系的模型成果）；③協助參與運算的背景被遮住，空三的準確性會下降。

4.2 模型配準

分別采集文物上半部分影像和下半部分影像，并按照Context Capture的工作流程生成獨立的兩個模型（圖2、圖3）。然后將兩個模型導入修模軟件中，如Geomagic Wrap。利用對齊功能，根據模型中的共同點對上、下部分的兩個模型進行配準，生成完整的文物模型（圖4）。該方法的優點在于為解決Context Capture不能直接用于可移動文物建模提供了一種思路。缺點是：需要掌握一定的修模軟件操作技能。

5 成果應用

以云計算、互聯網、大數據和人工智能為代表的新技術，改變了人類的思維觀念、價值取向和生活方式，同時也為人們提供了新的思維選擇。在博物館領域，藏品數字化的成果可以為藏品管理、數字化研究、保護利用等提供全新的途徑，極大提高博物館科研成果轉化效率和社會教育服務水平。

5.1 文物藏品的信息化管理

對文物藏品進行三維建模后就完成了將文物本體轉化為電子數據的過程，再完善一些其他必要信息就完成了藏品的數字化。數字化以后，管理者能夠借助計算機管理系統開展登記編目、出入庫管理、統計、查詢等一系列業務工作。其主要優點有：①提高文物管理工作效率；②提高藏品安全系數；③減輕藏品管理工作者勞動量。但是藏品的信息化管理也面臨著一些問題：①文物藏品的數據安全性問題；②信息錄入的統一性和規范性問題；③藏品數字化的版權問題。

5.2 文物藏品的數字化研究

文物藏品數字化后，學者對文物藏品的研究將突破時空限制，研究對象不再局限于二維圖像，而是基于真實文物的三維模型，將會極大提高研究效率和研究質量。如戰世佳、周振宇等人分別探討了多視角三維重建技術在石器研究中的應用。當然，藏品的三維建模只重建了外形，難以完全滿足學者的研究需求。未來聯合5G、云計算、大數據等科技，藏品的重建將是包括重量、質感、材質等在內的“完全”重建。

5.3 文物藏品的修復與復制

文物保護修復需遵循少干預原則，即對文物進行保護、修復時，要是可以通過控制環境解決的最好不干預文物本體，不得已非得干預時也要少干預。藏品數字化后，可以僅對文物進行一些必要性的保護，而修復過程可以根據藏品的數字化模型在計算機上虛擬進行。西北大學周明全教授在文物的虛擬修復方面開展了一系列研究。藏品數字化成果也可以為藏品復制提供基礎數據，且多視角影像三維重建采用了一種非接觸性信息獲取方式，在信息采集過程中可以有效避免傳統復制手段對藏品帶來損害的風險。

5.4 文物藏品的數字化展示

實體博物館的展示方式存在文物藏品保護和利用之間的矛盾，而數字博物館的展示方式可以有效緩解這一矛盾?；谌S模型的數字化展示是無損的，大量脆弱的珍貴文物可以借助這一手段得到很好的保護。同時，現代社會的參觀者已經不滿足于隔著玻璃柜參觀文物，而是希望可以全方位地觀察文物。藏品數字化后，通過VR、AR技術就可以“近距離”觀察文物。相比于傳統博物館，基于三維模型的虛擬展覽可以給觀眾展示更加真實、全面的藏品面貌。

6 結語

在博物館數字化建設的浪潮中，開展對藏品建模平臺的研究很重要。相比于在考古領域使用廣泛的PhotoScan，Context Capture軟件在空三準確性、紋理映射質量、模型精度具有優勢。以小紙盒為例，通過影像預處理、模型配準的方法探索了將Context Capture用于可移動文物建模的途徑。

誠然該軟件在可移動文物三維重建的使用需要額外學習如PS、Geomagic Wrap等影像處理以及模型修改軟件的基本使用方法，但這些軟件的基本使用方法不難學習，工作人員經過一兩天的培訓就能掌握基本技巧，獨立開展工作。

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