多视角三维重建在田野考古绘图中的应用

2022-07-07 05:59何凯

大众考古 2022年2期

文图/何凯

（作者为中国社会科学院考古研究所安阳工作站助理馆员）

田野考古发掘中，会发掘出许多不同类型的遗迹现象。因遗迹具有不可再生性，因此必须对其进行记录以方便后续研究。田野考古绘图便是记录遗迹的重要手段之一。传统田野考古绘图基本采用卷尺、垂球等工具进行测量和绘制，绘制效果及精确度受环境和人为因素影响较大。尤其是面对复杂的遗迹现象，对绘图员技术要求更高。

近几年，随着三维重建技术的发展和计算机绘图技术的普及，利用Agisoft PhotoScan 对复杂遗迹进行三维重建，获得具有不变形、可设置比例尺等优点的正射影像，再对正射影像描绘，获取遗迹平、剖面图成为田野考古绘图的新方法。Agisoft PhotoScan 软件还可以导出数字高程模型，结合GlobalMapper 软件，可生成遗迹等高线图。通过这些方法，不仅可以提高田野绘图的效率和精度，而且可以获取遗迹三维数据信息和数字图像，为后续遗迹复原和展示做好准备。

三维重建技术的应用与发展

20 世纪90 年代，田野考古中便尝试使用3ds Max、Maya 等计算机软件对遗迹进行三维数字虚拟建模。这些软件根据遗迹测量的实际尺寸，建立立体几何模型，并对模型进行裁剪、拉伸、布尔运算等还原遗迹外貌。其主要用途是还原和展示遗迹现象。由于此方法不利于田野考古现场操作，因此不适合在田野考古建模中应用。

多视角三维重建中相机拍摄位置

21 世纪初，三维激光扫描仪在考古三维重建中得到应用。其原理是通过激光投射至物体测量其反射时间，计算出光束和反射光束的相位差，并在短时间内，获得物体的三维点云，根据三维点云生成物体的三维模型。相较于3ds Max 等计算机软件，三维激光扫描仪具有实时性和真实性，能很好地反映遗迹现象的真实形状。但三维激光扫描仪价格昂贵，对扫描环境要求较高，要求操作人员具有专业技术，且自动化建模程度较低，故未能在田野考古三维重建中广泛应用。

近年来，多视角三维重建技术在田野考古中得到推广应用。使用数码相机对遗迹进行多视角拍摄，获取遗迹完整数字影像，之后利用Agisoft PhotoScan 软件生成遗迹三维模型。原理是将多个不同位置拍摄的遗迹数字影像，在计算机软件中测量左右影像上同名点的影像坐标，交汇得到空间点的三维坐标。目前，基于该技术开发的相关软件较多，如Context Capture、Pix4D 等，这些软件的原理基本相同，仅具体操作过程有所差别。综合考虑，Agisoft Photoscan 操作简单而具有较高的可用性，因此更适合在田野考古工作中使用。

田野考古绘图软件

为了更直观介绍三维重建技术在田野考古绘图中的应用，这里以2021 年安阳殷墟遗址博物馆考古工地唐代砖室墓葬M455 绘制方法为例，进行说明。

该墓葬由墓道，墓门和墓室组成，墓室四壁有仿木砖雕装饰。传统绘图方法难度大，绘制繁琐，绘图时间长。因此采用多视角三维重建技术进行建模，并绘制其平、剖、墓门及墓室四壁图。

采集数字影像信息

多视角三维重建，需要使用数码相机根据遗迹实际形状，规划拍摄顺序，获取遗迹完整数字影像信息。

数码相机最好选用轻便并带有取景器的微单相机，可旋转的电子取景器利于拍摄不同角度的遗迹现象。采集遗迹数字影像时，相机选择“光圈优先”模式。光圈数值设置在F6—10之间。光圈数值设置越小，背景虚化越模糊，反之则越清晰。白平衡范围设置在4500—5500内，白平衡设置数值过低，拍摄颜色效果偏冷，反之颜色偏暖。拍摄时，最好选择阴天或光线对比反差较小的时段，确保拍摄遗迹颜色与实际相符，且阴影面积小。

拍摄遗迹时，相机与遗迹应保持垂直角度。同时为了保证建模效果，可以倾斜角度补拍，倾斜角度范围在45°—60°。照片与照片的重叠率应保持在50%以上，这样既能保证采集数据的完整性，也不会因为数字影像过多增加三维重建时间。

遗迹范围四周，放置四个颜色醒目的控制坐标牌。拍摄时，控制坐标牌不能移动。拍摄完毕后，使用全站仪或RTK 对控制坐标牌测量，获取三维数据。记录三维数据时，可以拍照存档，这样既能快速保存数据，又可以防止手动记录造成误差。

Agisoft PhotoScan 软件三维模型

Agisoft PhotoScan 是由俄罗斯Agisoft 公司研发的一款多视角三维重建软件。

打开Agisoft PhotoScan，最上面为“菜单栏”，下面为“工具栏”，左侧可以切换“工作”区和“参考”区，右侧为“模型”区，右下为“照片”区。

将数字影像导入Agisoft PhotoScan，在“工作流程”中依次运行“对齐照片”、“建立密集点云”、“生成网格”和“生成纹理”四个步骤，遗迹三维模型则建立完成。然后创建遗迹控制点坐标，设置遗迹坐标系统，最后导出正射影像。

计算机配置越高，三维重建速度越快。故计算机处理器选择多核心且高主频的CPU。内存选择64GB 以上，显卡选择2080Ti 或者更高。

对齐照片：正常情况对齐率达98%以上即可。如果对齐照片数量较低，则表示拍摄影像角度有问题，需重新补拍无法对齐的部分。然后设置三维重建范围，建议将范围设置大于遗迹，以保证遗迹三维建模的完整性。

建立密集点云：“质量”选项选择“中”或“低”，不建议设置“高”或“极高”，参数设置过高，会增加运算时间。将遗迹周围无关的密集点云删除，以提高模型的精细度。

生成网格：“表面类型”选择“任意”，“源数据”选择“密集点云”，“面数”选择“高”。

生成纹理：“映射模式”选择“通用”，“混合模式”选择“马赛克”，“纹理大小/数”设置范围为2 万—3.5 万。该参数范围根据电脑实际性能，适当提高或降低。

制作完成的三维模型与原数字影像储存路径具有关联性。如果数字影像储存位置发生改变，导出正投影时会提示“丢失的图像”，无法导出。解决该问题的方法是在“照片”区，全选照片，右键选择“更改路径”，将模型与照片存储新路径重新建立关联性。

绘制遗迹剖面图，可以使用“矩形选择”工具，对遗迹进行“解剖”，然后导出遗迹剖面正射影像图。

殷墟遗址唐代M455 三维模型重建完成

殷墟遗址唐代M455封门砖及北、东、南墓壁正射影像

殷墟遗址唐代M455封门砖及北、东、南墓壁线图

殷墟遗址唐代M455平、剖面

选择“导出数字高程模型”，将三维模型导出TIF 格式，使用GlobalMapper 软件打开，便可以自动生成遗迹数字高程模型与地形等高线。

将遗迹正射影像导入Adobe Photoshop 中，选择“矩形框选工具”，“样式”选择“固定大小”，“宽度”输入“1000px”，“高度”输入“20px”。填充为黑色，则1000 像素对应比例尺长度便绘制完成。

CorelDRAW 软件绘制遗迹图

CorelDRAW 软件为加拿大Corel 公司开发的一款矢量图形平面设计软件。

将正射影像导入软件，使用工具箱中的“三点曲线工具”或“贝塞尔工具”对遗迹图像进行墨线描绘，建议将曲线更改为鲜亮的颜色，方便对遗迹描绘。若绘制有误，使用“形状工具”对线条进行修改。在属性菜单栏“轮廓宽度”和“轮廓样式选择器”中，可以对线条粗细和线条虚实线进行修改。为方便后期编辑，在“对象管理器”内新建图层，新建图层可依据图层性质为其命名，例如：线图图层、文字图层等。导出图像时将图层前“打印机”图标关闭，则该图层内容不会被导出。CorelDRAW 为矢量图形软件，可以导出多种格式的数字图像，如JPG、AI 等，方便后期编辑及使用。

无人机的应用

面对大型遗迹现象，使用无人机可以较为方便地获取遗迹完整数字影像。但无人机处于高空之中，会造成地面遗迹现象细节精度不够。因此需要数码相机对遗迹细节进行补拍，将无人机与相机获取的数字影像共同进行三维重建。

以2020 年洹北商城考古工地T0446—T0448三维重建为例，进行说明：

无人机和相机拍摄位置

洹北商城T0446—T0448东、西壁正射影像

洹北商城T0446—T0448东、西壁剖面

洹北商城T0446—T0448数字高程模型和遗迹等高线

本次三维重建主要目的是为了绘制探方东、西壁剖面图。该剖面南北长30 米，高7.6 米，最深处已发掘至水位。传统绘图方法费时费力，精准度也难以保证，因此使用多视角三维重建技术对其剖面进行绘制。

首先测量四个坐标牌三维数据，然后使用无人机进行高空拍摄，无人机拍摄高度为4 米，最后使用数码相机对遗迹细节进行补拍。

影像获取完毕后，将无人机和相机数字影像一并导入Agisoft PhotoScan，运行建模步骤。建模完成后，使用“矩形选择”工具对遗迹剖面进行裁剪，并导出遗迹东、西壁正射影像。用Adobe Photoshop 软件绘制比例尺，导入CorelDRAW 软件进行遗迹线图描绘。用GlobalMapper 软件也可以制作遗迹的数字高程模型和地形等高线。

结语

面对复杂或大型遗迹现象，使用多视角三维重建技术进行田野考古绘图，可以提高田野考古绘图效率，保证田野考古绘图精确度，丰富田野考古绘图方法。同时也能促进田野考古绘图数字化和科学化的发展，有助于对遗迹现象进行后续研究和展示。但该技术也具有局限性，三维重建需要遗迹的数字影像，否则无法重建。面对大多数田野考古遗迹现象，该方法可以完全适用。通过不断的探索和实践，多视角三维重建技术将会在田野考古绘图中发挥越来越重要的作用。