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        攝影測(cè)量技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中的應(yīng)用研究

        2022-05-30 23:43:12許文廣章立
        藝術(shù)科技 2022年18期

        許文廣 章立

        摘要:數(shù)字化傳播是文化遺產(chǎn)精神側(cè)面的保護(hù),面對(duì)眾多的文化遺產(chǎn),高效的文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播方法是關(guān)鍵。文章對(duì)比與分析文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案,總結(jié)各方案的優(yōu)劣,提出以低成本、適用性強(qiáng)、帶紋理的攝影測(cè)量技術(shù)作為文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播的技術(shù)方案,并以無(wú)錫市惠山寺金蓮橋數(shù)字化傳播構(gòu)建為例,總結(jié)數(shù)字化傳播構(gòu)建與優(yōu)化方法。

        關(guān)鍵詞:攝影測(cè)量;三維重建;文化遺產(chǎn);數(shù)字化傳播

        中圖分類號(hào):G206;G127 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-9436(2022)18-0-04

        人類的許多璀璨文明之所以能留存至今,與人類尚古、崇古的心理密不可分,在還沒(méi)有“文化遺產(chǎn)保護(hù)”這種觀念性指導(dǎo)行動(dòng)前,人類就已經(jīng)會(huì)不自覺(jué)地保存或維護(hù)先人們遺留下來(lái)的有價(jià)值的物件,這種行為更多的是出自對(duì)文化的認(rèn)同感與歸屬感,更像是一種以傳遞與傳承文化符號(hào)信息為目的的有意識(shí)的行為。直到20世紀(jì)60年代才逐漸出現(xiàn)《威尼斯憲章》《世界遺產(chǎn)保護(hù)公約》《奈良文件》等一系列指導(dǎo)世界各地區(qū)文化遺產(chǎn)保護(hù)的綱領(lǐng)性文件,這些文件中共同認(rèn)可的真實(shí)性與完整性保護(hù)原則,正是在以完整真實(shí)地傳承和延續(xù)人類文化遺產(chǎn)為目的的情況下所提出的要求與準(zhǔn)則。

        20世紀(jì)90年代,隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及,文化遺產(chǎn)的數(shù)字化傳播逐漸成為文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要內(nèi)容和手段。文化遺產(chǎn)的數(shù)字化傳播主要是面向大眾的傳播,與專家學(xué)者的數(shù)字化記錄不同,具有非精英性、同質(zhì)性和學(xué)習(xí)性的特點(diǎn),即文物的數(shù)據(jù)信息應(yīng)當(dāng)盡量概括提煉、通俗易懂,區(qū)別于專家學(xué)者之間的數(shù)據(jù)傳播。根據(jù)《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》定義的文化遺產(chǎn)類型,各種文化遺產(chǎn)在傳播中的形式與渠道,應(yīng)能在相同的類別中相互借鑒和應(yīng)用。再者,文化遺產(chǎn)所傳播的不僅是自身的歷史、藝術(shù)或科學(xué)角度突出的普遍價(jià)值,還包括傳播后對(duì)人審美能力、價(jià)值觀的提升等多方面影響。因此,如何快速準(zhǔn)確地對(duì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行三維數(shù)字化處理和加工,搭建傳播渠道,讓大眾深刻地感受到文化遺產(chǎn)的魅力,是文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中主要考慮的問(wèn)題。

        1 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案及對(duì)比分析

        文化遺產(chǎn)的三維數(shù)字化必須在保證不損壞且不對(duì)文物構(gòu)成威脅的前提下進(jìn)行,是完整記錄文物的一個(gè)多維過(guò)程,要考慮文物的尺寸和形狀的復(fù)雜性、文物原材料的多樣性以及獲取數(shù)據(jù)形態(tài)學(xué)上的復(fù)雜程度。目前普遍運(yùn)用在文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化采集中的技術(shù)手段主要是激光掃描技術(shù)和攝影測(cè)量技術(shù),有時(shí)還會(huì)將兩者相結(jié)合,通過(guò)異源模型匹配獲得“檔案級(jí)”的高精度紋理模型[1]。

        1.1 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案原理

        激光掃描技術(shù)是一種運(yùn)用激光技術(shù)采樣或掃描物體表面,進(jìn)而生成物體表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)字化測(cè)量方法,其優(yōu)點(diǎn)是可以在較短時(shí)間內(nèi)高精度地采集物體表面的三維信息,按照測(cè)量原理,主要分為光學(xué)三角測(cè)量和飛行時(shí)間測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式。其中基于光學(xué)三角測(cè)量的激光掃描技術(shù)方案采集的精度最高,主要是將激光投射至測(cè)量物體表面,并利用掃描透鏡搜尋激光投射到測(cè)量對(duì)象表面產(chǎn)生的投影位置,從而計(jì)算生成點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。這種方法一般適用于近距離的中小型的文化遺產(chǎn)對(duì)象,如文物藏品、碑雕、碑文等。而以飛行時(shí)間測(cè)量的激光掃描儀能夠通過(guò)發(fā)射特定激光脈沖,通過(guò)遠(yuǎn)程傳感器接收返回的激光,利用時(shí)間差計(jì)算出物體表面頂點(diǎn)的距離與三維空間,從而獲得較高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并且測(cè)量精度不受目標(biāo)距離的影響,適合對(duì)遠(yuǎn)距離大型的文化遺址、古建筑、石窟寺等進(jìn)行測(cè)量。

        結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)作為激光掃描技術(shù)的一個(gè)變種,也是利用三角測(cè)量法,其原理是將特定不同形狀的光圖案投射到被測(cè)物體表面,如點(diǎn)、條紋或者是帶有色彩編碼的圖案,再利用光感器件捕獲受物體結(jié)構(gòu)影響所產(chǎn)生的光圖像,并從圖像的變形中推導(dǎo)出物體的幾何形狀。由于其結(jié)合了相對(duì)簡(jiǎn)單的儀器,并且精度甚至高于激光三角測(cè)量系統(tǒng),因此在國(guó)內(nèi)外文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)中成為一種重要的技術(shù)方案。

        攝影測(cè)量技術(shù)是一種基于二維影像數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的圖像處理和計(jì)算,從至少兩張照片圖像中分析代表同一對(duì)象點(diǎn)的像素點(diǎn)信息來(lái)計(jì)算出對(duì)象點(diǎn)在空間中的三維位置坐標(biāo),從而生成三維重建數(shù)據(jù)。這一測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用無(wú)須專業(yè)設(shè)備,僅需相機(jī)或手機(jī)對(duì)物體進(jìn)行多角度拍攝即可完成采集工作。作為一種低成本、非接觸式、操作簡(jiǎn)單便捷的三維數(shù)字化方案,以及采集的三維數(shù)據(jù)帶有色彩紋理屬性,受到專家學(xué)者們的青睞,被廣泛運(yùn)用于場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜的考古記錄、古建筑以及自然環(huán)境測(cè)量中[2]。

        1.2 文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)方案對(duì)比分析

        從采集精度來(lái)看,通常情況下,激光掃描生成的模型精度要比攝影測(cè)量生成的模型精度高,并且在采集越復(fù)雜的幾何形狀物體時(shí),如物體有前后遮擋關(guān)系、與背景顏色紋理區(qū)別不明顯等,這種差別越明顯。

        從采集過(guò)程來(lái)看,激光掃描儀自動(dòng)化程度高,設(shè)置好參數(shù)后,即可自動(dòng)完成采集生成點(diǎn)云,并傳輸保存至計(jì)算機(jī)中,能夠在一定程度上減少攝影測(cè)量中為了提高精度而不得不增加照片拍攝數(shù)量和處理數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的勞動(dòng)力成本,但其采集時(shí)間長(zhǎng),并且隨設(shè)置的采集精度提高而增加[3]。此外,激光掃描設(shè)備由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架等配套設(shè)備組成,便攜性差,且價(jià)格昂貴。攝影測(cè)量技術(shù)方案相較于其他數(shù)字化測(cè)量?jī)x器,則成本更低,操作簡(jiǎn)單便捷,環(huán)境適用性更強(qiáng)。

        在生成數(shù)據(jù)和體量上,激光掃描所獲得的數(shù)據(jù)是直接生成云點(diǎn),且設(shè)置的質(zhì)量參數(shù)越高,數(shù)據(jù)越龐大,處理速度越慢;攝影測(cè)量采集獲得的初始數(shù)據(jù)是照片圖像的形式,再通過(guò)特定軟件生成點(diǎn)云數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)量小、便于存儲(chǔ),且可編輯性更強(qiáng),但它多了一步由照片生成點(diǎn)云的計(jì)算和處理過(guò)程,照片越多,耗時(shí)越長(zhǎng)。此外,攝影測(cè)量最大的優(yōu)勢(shì)是采集的模型帶有高精度的紋理信息,激光掃描儀即使內(nèi)置或外置配備了數(shù)碼相機(jī),但是受到距離和尺寸的因素,紋理信息的精度并不高。

        通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn),以成本較低,且能快速全方位地采集對(duì)象的三維數(shù)據(jù)以及顏色信息的攝影測(cè)量數(shù)字化方案針對(duì)面向大眾的文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播的應(yīng)用具有更強(qiáng)的適用性。

        2 攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

        2.1 攝影測(cè)量技術(shù)的三維構(gòu)建方法

        攝影測(cè)量技術(shù)的三維構(gòu)建主要分為照片拍攝、圖像處理、生成稀疏點(diǎn)云、生成密集點(diǎn)云、生成模型和貼圖這五個(gè)步驟。在采集對(duì)象上,由于攝影測(cè)量是基于物體圖像的表面和形狀特征點(diǎn)生成點(diǎn)云,因此要避免沒(méi)有紋理、有光澤、高反射或透明這一類特征點(diǎn)不清晰的物體。

        清晰高質(zhì)量的圖像采集是文化遺產(chǎn)數(shù)字化構(gòu)建的基礎(chǔ)。攝影測(cè)量技術(shù)中三維重建的依據(jù)主要源于圖片的像素點(diǎn),因此生成的模型和貼圖質(zhì)量的決定因素是采集時(shí)照片圖像的質(zhì)量,理論上圖像數(shù)量越多,像素越高,重建的效果也就越好。因此,在有條件的情況下,專業(yè)單反相機(jī)是最優(yōu)的選擇,其次是普通相機(jī)或手機(jī),相機(jī)圖片格式應(yīng)設(shè)置為源文件處理程度最小格式。在使用條件允許的情況下,平衡相機(jī)設(shè)置之間的參數(shù),以保證最佳曝光。

        拍攝采集時(shí),應(yīng)保證每張圖像基本一致。盡量選擇光照充足均勻的環(huán)境,并且盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)完成采集工作,避免環(huán)境變化使采集的圖像不一致。此外,要想保證圖像照片質(zhì)量的清晰與一致,應(yīng)該預(yù)設(shè)好相機(jī)參數(shù)與鏡頭焦距,并盡可能將這一設(shè)置維持到照片采集結(jié)束。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,應(yīng)保證每一個(gè)數(shù)據(jù)完整輸入與輸出,圖像導(dǎo)入生成稀疏點(diǎn)云前,盡量避免使用壓縮程度較大的處理方法與格式。

        2.2 攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中的優(yōu)勢(shì)

        2.2.1 低成本

        攝影測(cè)量技術(shù)由于其自身原理構(gòu)成,在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中擁有更低的設(shè)備、人力以及技術(shù)成本的優(yōu)勢(shì),可適用于不同程度預(yù)算的個(gè)人或機(jī)構(gòu)。在關(guān)注點(diǎn)不是模型精度的應(yīng)用時(shí),如快速記錄、教育傳播,或?yàn)槁糜文康牡赝茝V文化遺產(chǎn),甚至利用可攝像手機(jī)就能完成記錄采集工作。

        2.2.2 適用性強(qiáng)

        因自身的便捷性,攝影測(cè)量結(jié)合其他輔助設(shè)備,如三腳架、轉(zhuǎn)盤(pán)、搖桿、無(wú)人機(jī)等,可完成不同大小尺度、不同環(huán)境下的文化遺產(chǎn)分類。對(duì)于小型可移動(dòng)文物,可采用懸掛拍攝、拼合拍攝、轉(zhuǎn)盤(pán)拍攝構(gòu)建模型[4]。攝影測(cè)量技術(shù)還可搭載無(wú)人機(jī)對(duì)大型的戶外遺址街道進(jìn)行三維數(shù)字化構(gòu)建,同時(shí)可作為激光掃描技術(shù)的輔助工具,用于采集與烘焙紋理。

        2.2.3 具有高精度紋理信息

        帶有顏色信息的三維數(shù)據(jù)是攝影測(cè)量技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中不可或缺的信息傳播內(nèi)容。顏色信息的采集對(duì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的,大眾接收其信息內(nèi)容最主要的途徑是通過(guò)視覺(jué),其中物體的色彩占據(jù)主要部分。在文物展品中,帶有清晰細(xì)膩的顏色的物品更容易吸引大眾的注意,進(jìn)而才能傳遞更多的信息。

        3 金蓮橋三維數(shù)字化傳播構(gòu)建

        通過(guò)對(duì)比不同文化遺產(chǎn)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)劣,分析攝影測(cè)量技術(shù)本身的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。針對(duì)文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化傳播構(gòu)建,本文提出一種基于攝影測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的三維數(shù)字化傳播構(gòu)建方法(見(jiàn)圖1),并運(yùn)用于VR(虛擬現(xiàn)實(shí))和web(網(wǎng)絡(luò))平臺(tái)傳播的實(shí)際案例中。

        3.1 案例

        金蓮橋地處惠山東麓惠山寺內(nèi),東西向架于金蓮池上,前連惠山古剎大殿,背靠明洪武古銀杏,是無(wú)錫市現(xiàn)存最古老的石梁橋。其獨(dú)特的地理位置和功用,百年來(lái)未受河流侵蝕和交通建設(shè)的沖擊,加上維修和保護(hù)古橋是歷代水鄉(xiāng)人共同的使命[5],使金蓮橋有著良好的生存環(huán)境,保存得較為完整,至今橋上還存有宋代紫褐色武康石構(gòu)件,十足珍貴。

        3.2 金蓮橋模型生成

        此次對(duì)象的攝影測(cè)量采集選擇在游客流量較小的中午12時(shí),沒(méi)有陽(yáng)光直射的多云天氣,且光照充足。使用設(shè)備為數(shù)碼單反相機(jī),共拍攝562張照片,其中以金蓮橋?yàn)橹行?,圍繞金蓮池四周共拍攝346張照片,橋上橋面拍攝216張。

        3.2.1 照片預(yù)處理

        拍攝采集完畢后,檢查拍攝的照片,刪除不必要和模糊的圖像,避免質(zhì)量較差的圖像影響數(shù)據(jù)生成的準(zhǔn)確性,并對(duì)照片進(jìn)行無(wú)損格式轉(zhuǎn)換。

        3.2.2 照片對(duì)齊

        將處理過(guò)的照片導(dǎo)入圖像建模軟件,通過(guò)照片對(duì)齊生成稀疏點(diǎn)云。精度值設(shè)置越高,生成的稀疏點(diǎn)云越精確,但花費(fèi)時(shí)間越長(zhǎng)。在稀疏點(diǎn)云生成后,通過(guò)點(diǎn)云編輯工具,刪除金蓮橋周邊多余點(diǎn)云,只保留需要的橋梁主體部分,減少后續(xù)生成的計(jì)算量和降低處理模型的復(fù)雜程度,以及避免錯(cuò)誤或有偏差的點(diǎn)云對(duì)最終模型生成質(zhì)量產(chǎn)生不好的影響。

        3.2.3 密集點(diǎn)云生成

        將質(zhì)量設(shè)置為“高”,其他選項(xiàng)默認(rèn),生成密集點(diǎn)云。密集點(diǎn)云的生成是基于使用圖像的深度信息進(jìn)行密集立體匹配計(jì)算,將每個(gè)攝像機(jī)生成的組合深度圖轉(zhuǎn)換為部分密集點(diǎn)云,然后將其合并為最終的密集點(diǎn)云。

        3.2.4 三維網(wǎng)格及紋理生成

        以密集點(diǎn)云作為三維網(wǎng)格生成的源數(shù)據(jù),生成高質(zhì)量的三維網(wǎng)格。將貼圖大小設(shè)置為“8192”的分辨率,生成金蓮橋的顏色貼圖。

        3.2.5 文件存檔并導(dǎo)出

        保存工程文件,導(dǎo)出金蓮橋密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)存檔保留,并以三維通用的格式導(dǎo)出所獲得的模型和貼圖。

        3.3 金蓮橋模型優(yōu)化

        通過(guò)攝影測(cè)量數(shù)字化生成的金蓮橋三維模型文件約有18G,網(wǎng)格總面數(shù)約有2000萬(wàn)。對(duì)于這種高面數(shù)的模型,公眾難以訪問(wèn),主要用于研究活動(dòng)和數(shù)字修復(fù)。就文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播角度而言,應(yīng)在文物細(xì)節(jié)的保留和文件占用大小間找到平衡,優(yōu)化模型最理想的狀態(tài)應(yīng)該是用最小的文件展現(xiàn)出文物最全面的內(nèi)容。一般模型優(yōu)化主要采用兩種方法:一是網(wǎng)格拓?fù)?,二是法線紋理映射。通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)拓?fù)浣档湍P兔鏀?shù),將網(wǎng)格面數(shù)降低到可接受范圍的低模。低模雖有了可以接受的面數(shù)范圍,但其細(xì)節(jié)程度也隨之降低,因此還需要采用法線紋理映射制作法線貼圖。法線貼圖可以通過(guò)特定數(shù)據(jù)源圖像通道信息記錄高精度模型表面的傾斜變化,將其賦給低模,讓模型在低面數(shù)的網(wǎng)格狀態(tài)下也能擁有高面數(shù)網(wǎng)格的細(xì)節(jié)。

        當(dāng)今引擎大多遵循基于PBR(物理渲染)理念的渲染管線,即基于真實(shí)物理屬性與光照的渲染技術(shù),物體的表面屬性接收光照屬性產(chǎn)生更加真實(shí)的圖像,因此,需要為攝影測(cè)量生成的三維模型制作相應(yīng)的PBR材質(zhì)貼圖。其中,表面屬性中使用的基礎(chǔ)色不帶有任何光照信息和材質(zhì)反射率信息,這樣才能保證模型不會(huì)與虛擬場(chǎng)景中燈光屬性產(chǎn)生的陰影發(fā)生沖突造成二次光照,才能讓模型更好地融入虛擬場(chǎng)景中。在采集金蓮橋紋理貼圖信息時(shí)選擇陰天,避免直接光照,也是為了減少光照對(duì)采集金蓮橋紋理顏色的干擾與影響,但這還不能達(dá)到理想紋理貼圖的標(biāo)準(zhǔn),需要對(duì)攝影測(cè)量生成的模型紋理進(jìn)行去光照處理。

        3.4 金蓮橋數(shù)字化傳播應(yīng)用開(kāi)發(fā)

        攝影測(cè)量生成的三維模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后,最終的功能與目的是用于文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化的展示與傳播,傳播平臺(tái)和方式的選擇將影響傳播時(shí)所呈現(xiàn)的形式,但傳播的內(nèi)容依舊取決于文化遺產(chǎn)自身的自然屬性和人文屬性。此方法高效快速地保留了金蓮橋的自然屬性,并可用于不同平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與利用。

        基于Web平臺(tái)的金蓮橋數(shù)字化傳播開(kāi)發(fā),具有交互性強(qiáng)、易傳播、范圍廣的特點(diǎn),但受到網(wǎng)絡(luò)寬帶和自身Web 3D(網(wǎng)絡(luò)三維)技術(shù)的限制,模型面數(shù)和文件大小不一致。將處理后面數(shù)較低的金蓮橋模型用于Web平臺(tái)的展示開(kāi)發(fā),受眾可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)放大局部觀察石梁上的浮雕、介紹,并顯示鼠標(biāo)停留處的橋梁結(jié)構(gòu)、拆解金蓮橋等一系列交互瀏覽功能。

        基于VR平臺(tái)的金蓮橋數(shù)字化傳播開(kāi)發(fā),則具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性這四個(gè)主要特征,其在模型面數(shù)與文件大小上較Web平臺(tái)的要求更為寬松。將處理后面數(shù)較高的金蓮橋模型導(dǎo)入游戲引擎中,并結(jié)合金蓮橋周?chē)恼鎸?shí)環(huán)境,在虛擬場(chǎng)景中高保真地還原金蓮橋及周?chē)玻鼙娍赏ㄟ^(guò)VR設(shè)備,進(jìn)入虛擬的金蓮橋場(chǎng)景中游玩與探索,通過(guò)一系列沉浸式交互體驗(yàn)了解和感受金蓮橋背后的歷史文化與藝術(shù)價(jià)值。

        4 結(jié)語(yǔ)

        文化遺產(chǎn)數(shù)字化作為一種數(shù)字化記錄,在如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)的時(shí)代,其傳播功用正飛速提升,原先關(guān)于文物本身的客觀物質(zhì)記錄正逐步外化,將物質(zhì)所表現(xiàn)和包含的文化價(jià)值與內(nèi)涵通過(guò)數(shù)字化的新媒介面向大眾進(jìn)行傳播。而攝影測(cè)量技術(shù)作為一種低成本、便捷的數(shù)字化手段,在文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,文物三維數(shù)字化成本也會(huì)越來(lái)越低,分級(jí)化傳播將成為文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳播中普遍適用的方法。

        參考文獻(xiàn):

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        作者簡(jiǎn)介:許文廣(1998—),男,湖南衡陽(yáng)人,碩士在讀,研究方向:虛擬現(xiàn)實(shí)。

        章立(1971—),男,江蘇無(wú)錫人,碩士,副教授,研究方向:虛擬現(xiàn)實(shí)、交互設(shè)計(jì)。

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