張 數(shù)，楊德宏

（昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

0 引言

隨著信息化、數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越意識(shí)利用數(shù)字化對(duì)古代文化遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)，尤其是對(duì)古代文物的保護(hù)[1]。如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維建模軟件的不斷更新，我們可以利用三維建模技術(shù)對(duì)需要保護(hù)的文物進(jìn)行原始的三維信息采集數(shù)字化，可以很好的為文物的后期修善甚至是重新制作出一個(gè)與原始文物一樣的模型提供數(shù)據(jù)，這樣能有效地保護(hù)文物盡可能的受到破壞。但是結(jié)合古文物本身的特點(diǎn)，它的外形比較復(fù)雜、而且為了保護(hù)文物一般是不能觸碰的、同時(shí)它的造型也是豐富多樣[2]，因此如何在不接觸文物的條件下能更好的對(duì)文物提取三維模型進(jìn)行數(shù)字化非常關(guān)鍵[3-5]。由于數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)具有不接觸物體、獲取數(shù)據(jù)快、操作簡(jiǎn)便、處理速度快捷，精度也完全滿足需求。因此，相對(duì)于Autocad，Maya等建模手段來(lái)講，該方法在三維重建方面有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本通過(guò)結(jié)合近景攝影測(cè)量專業(yè)軟件Photomodeler對(duì)文物浮雕的建模來(lái)介紹近景攝影測(cè)量在古文物三維重建的優(yōu)勢(shì)。

1 研究方法

1.1 數(shù)字化影像數(shù)據(jù)提取及處理技術(shù)

文章直接利用CCD（非量數(shù)碼測(cè)相機(jī)）對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行影像提取，然后利用Photomodeler軟件對(duì)相片進(jìn)行相對(duì)定向。具體技術(shù)步驟如下圖1所示。

圖1 影像數(shù)據(jù)處理路線Fig.1 Image data processing route

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 相機(jī)的選擇與校檢

（1）由于CCD（非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)）使用簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、影像清晰度滿足要求等優(yōu)點(diǎn)[6]，而且可以在不接觸被測(cè)物體的條件下，方便簡(jiǎn)潔的獲取被測(cè)物體表面的數(shù)字化信息，也可以對(duì)數(shù)字化的對(duì)象的數(shù)據(jù)在更新等功能。因此文章依據(jù)文物建模的要求及特點(diǎn)，選擇了單反相機(jī)佳能5D Mark 3非量測(cè)相機(jī)如下圖2。表1相機(jī)的部分參數(shù)。

圖2 本次實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)碼相機(jī)Fig.2 The digital camera used in this experiment

表1 5D Mark 3單反相機(jī)部分參數(shù)Tab.1 5D Mark 3 DSLR partial parameters

（2）由于文章使用的是近景攝影測(cè)量專業(yè)軟件Photomodeler scanner軟件具有數(shù)碼相機(jī)校檢功能，我們只需要對(duì) Photomodeler scanner軟件自帶的校檢網(wǎng)格（如下圖 3）進(jìn)行拍照即可，即使相機(jī)的鏡頭的主光軸與校檢網(wǎng)格板保持45度角，保持焦距不變，先進(jìn)行四個(gè)正方向拍攝四幅圖，然后讓鏡頭主光軸為軸旋轉(zhuǎn)90度，在拍攝四幅圖[7]。然后將照片導(dǎo)入到Photomodeler scanner軟件，該軟件就能自動(dòng)解算出佳能5D Mark 3相機(jī)校檢參數(shù)（如下圖4、下表2）。相機(jī)的檢校目的是恢復(fù)每張影像光束的正確形狀，即借助內(nèi)方位元素恢復(fù)攝影中心與像片之間的相對(duì)幾何關(guān)系，如圖5所示[8]。

3 影像數(shù)據(jù)的采集方法

近景攝影測(cè)量包括正直攝影方式和交向攝影方式兩種[9]。

正直攝影方式就是像片對(duì)的像片與主光軸互相平行且與攝影基線垂直，像片要滿足有55%到70%的重疊度。物體表面紋理會(huì)導(dǎo)致正直攝影方式生成的圖像產(chǎn)生變形，因而更適用于模擬近景攝影測(cè)量和解析近景攝影測(cè)量，更多是應(yīng)用在肉眼立體觀測(cè)方面。

交向攝影方式是像片對(duì)與主光軸不平行但接近在同一平面且不垂直與攝影基線，像片的重疊度達(dá)到100%，交向攝影方式生成的影同樣受物體表面紋理的影響以及像片對(duì)的兩像片之間的相對(duì)角度的影響而發(fā)生形變。當(dāng)交會(huì)角較大時(shí)就不再適用于肉眼立體觀測(cè)，多用于解析近景攝影測(cè)量或數(shù)字近景攝影測(cè)量。交向攝影方式又稱為多攝站攝影測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的的多重覆蓋，有效提高了攝影測(cè)量的精度同時(shí)保證像片的可靠性。

對(duì)于一些建模目標(biāo)表面為多為曲面的模型來(lái)講，由于它們的特征點(diǎn)難以分辨，在拍攝照片時(shí)要在曲面模型上用橡皮泥或彩筆等標(biāo)記出來(lái)，以便于尋找每張相片上對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)[10]。

由于文章采用的是photomodeler scanner軟件不需要控制點(diǎn)坐標(biāo)，我們只需要對(duì)物體采集影像數(shù)據(jù)即可。同時(shí)考慮到建模精度的要求，文章采用交向相攝影方式如圖 6所示本次獲取影像數(shù)據(jù)的方式。

依據(jù)被攝物體的大小以及周邊的環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)呐臄z距離和拍攝方位。依據(jù)被測(cè)物體的寬度和相機(jī)的焦距，按攝影基線為攝距的五分之一至十分之一的原則，確定攝站數(shù)、基線長(zhǎng)度和照片數(shù)。保證影像的清晰度和相鄰影像之間80%以上的重疊度，拍攝被測(cè)目標(biāo)的影像[11-12]。

圖3 Photomodeler scanner軟件校檢網(wǎng)格Fig.3 Photomodeler scanner software checking grid

圖4 將拍攝的檢校板照片導(dǎo)入Photomodelerscanner軟件檢校結(jié)果Fig.4 Will shoot the calibration board photos into Photomodelerscanner software calibration results

圖5 恢復(fù)的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)的位置Fig.5 The position of a restored non measurement digital camera at the time of shooting

表2 佳能5D Mark 3相機(jī)的校檢參數(shù)Tab.2 The calibration parameters of the Canon 5D Mark 3 camera

圖6 相機(jī)攝站示意圖Fig.6 A schematic diagram of a camera station

4 影像數(shù)據(jù)處理與三維建模

4.1 影像數(shù)據(jù)處理的基本原理

基于攝影測(cè)量的基本原理構(gòu)建三維模型，其實(shí)就是共線條件方程，共線條件方的本質(zhì)就是來(lái)描述攝影中心、像方坐標(biāo)點(diǎn)、物方坐標(biāo)點(diǎn)三者滿足共線條件。一般來(lái)講，近景攝影測(cè)量中的解算方法都是依據(jù)共線條件方程來(lái)解算的。不管是后方交會(huì)還是前方交會(huì)都是利用共線條件方程解算。共線條件方程如下：

其中上式（1）中， XS、 YS、 ZS是攝影中心物方空間相應(yīng)的坐標(biāo)，X、Y、Z是物方點(diǎn)物方空間相應(yīng)的坐標(biāo)， f 、x0、 y0是相機(jī)的內(nèi)方位元素，ai、bi、ci（i=1、2、3）是相片的三個(gè)外方位元素構(gòu)成的九個(gè)方向余弦值。x、y是像點(diǎn)的像平面相應(yīng)的坐標(biāo)；Δx、 Δy是系統(tǒng)誤差的改正數(shù)。

將我們拍攝的照片導(dǎo)入到Photomodeler scanner軟件中，然后利用相機(jī)檢校得到的檢校參數(shù)和畸變系數(shù)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)相對(duì)定向，恢復(fù)影像與相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系[13-14]。

具體的操作步驟為：

（1）首先要選定一張相片上的某一個(gè)特征點(diǎn)；

（2）然后添加另一張相片上與之相對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)；

（3）利用Photomodeler scanner軟件的快速參考功能將兩個(gè)點(diǎn)在空間中約束成為一個(gè)點(diǎn)。

（4）重復(fù)上述的三個(gè)步驟繼續(xù)添加多個(gè)點(diǎn)。

（5）點(diǎn)擊 Photomodeler scanner軟件的“process”功能，完成兩張相片的定位，確定相機(jī)拍攝的位置；

（6）重復(fù)上述的五個(gè)步驟完成其它相片的定位和確定相機(jī)的位置；

（7）當(dāng)標(biāo)定完所有的點(diǎn)后，點(diǎn)擊“下一步”按鈕，軟件就會(huì)自動(dòng)校檢那些點(diǎn)的位置有誤，當(dāng)確定某一點(diǎn)有差且大于規(guī)定的一個(gè)數(shù)量值時(shí)，軟件就會(huì)告訴我們需要?jiǎng)h除那些點(diǎn)位，然后在進(jìn)行重新的標(biāo)定。

當(dāng)我們完成上述的步驟后，我們就可以在Photomodeler scanner軟件中確定所有拍攝時(shí)相機(jī)的位置和方向，文章得到的校檢點(diǎn)與相機(jī)的空間相對(duì)位置如圖7所示。

4.2 基于photomodeler軟件三維建模

4.2.1 獲取建模對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)

當(dāng)我們確定拍照時(shí)相機(jī)的位置和方向后，對(duì)于每一張相片上的任何一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，只有其空間的深度位置是未知的。在photomodeler scanner軟件的點(diǎn)對(duì)應(yīng)模塊中，當(dāng)在一張相片中標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)后，在另一張相片中將會(huì)出現(xiàn)一條“深度線”，輔助制作人員確定該點(diǎn)的空間位置[15]。

4.2.2 建立三維模型

經(jīng)過(guò)得到文物的數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行密集匹配、構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)、補(bǔ)洞、平滑處理后便可得到文物浮雕的三維白模如圖8，圖9所示。

4.2.3 紋理映射

利用 photomodeler scanner軟件的自動(dòng)貼圖功能，從獲取的影像數(shù)據(jù)中提取建筑物的三維數(shù)字模型紋理，進(jìn)行紋理貼圖，完成三維建模，如圖10所示。

4.2.4 對(duì)photomodeler scanner 軟件的總結(jié)

近景攝影測(cè)量專業(yè)軟件 photomodeler scanner具有相機(jī)的校檢功能，而且它不需要坐標(biāo)控制點(diǎn)，只需要對(duì)建模物體進(jìn)行拍照即可，同時(shí)它可以自動(dòng)快速貼圖，賦予三維模型紋理和模型的顯示。但是photomodeler scanner軟件不能對(duì)無(wú)紋理的物體建模，其通用性方面待進(jìn)一步研究和提高。

圖7 校檢點(diǎn)與相機(jī)的空間相對(duì)位置Fig.7 The relative position of the calibration point and the camera

圖8 文物浮雕的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖Fig.8 Point cloud data map of cultural relic relief

圖9 文物浮雕的三維白模Fig.9 Three dimensional white die of cultural relic relief

圖10 文物浮雕進(jìn)行紋理恢復(fù)后的效果Fig.10 The effect of the restoration of the texture of cultural relics

5 結(jié)論

文章利用非量測(cè)相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)的方法，采用交向相攝影方式結(jié)合近景攝影測(cè)量專業(yè)軟件photomodeler scanner對(duì)文物浮雕的建模方法。與其他建模方法相比該技術(shù)建模具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)，且建模質(zhì)量高，使用簡(jiǎn)單，建模效果較好，能高效快速地實(shí)現(xiàn)建模對(duì)象的數(shù)字化，該建模技術(shù)能更好的服務(wù)于對(duì)古文物的保護(hù)。

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