可移动文物的多视角影像三维重建-中国考古.PDF

可移动文物的多视角影像三维重建* 中国社会科学院考古研究所 刘建国 随着计算机和三维重建技术的发展，对考古发掘的遗址、遗迹、出土文物等进行三维重建的 理论与方法日臻完善。其中多视角影像三维重建技术能够快速生成高质量的三维点云模型、具有 真实纹理的三维模型、高分辨率的正射影像图、立面影像图、数字高程模型等数字成果，进而可 以绘制遗迹平面图、等值线图等图件，成图精度高，速度快，操作简单，为考古发掘、研究和文 化遗产保护、展示等提供有力的支持。 可移动文物的三维重建对于考古现场信息获取、存档、绘图，以及数字博物馆建设等都具有 重要的意义。本文以东大杖子 M40:16 彩陶簋盖的三维重建为例，探讨可移动文物三维建模的精 度与方法等问题。 一、可移动文物的控制测量与精度分析 多视角三维重建技术生成的三维模型没有真实的空间关系信息，不能直接量取模型上空间点 位之间的距离等数据，所以在进行多视角影像拍摄时必须设立3 个以上的控制点。生成三维模型 之后，通过控制点的三维坐标数据对其进行绝对定向，将三维模型安置在给定的坐标系中，才能 够量取空间点位间的距离，并且在生成的正射影像图中准确添加比例尺等。 一般电子全站仪的测量精度最高可控制在2～3 毫米，无法满足对可移动文物进行控制测量的 精度要求，所以不能使用电子全站仪进行控制测量。比较简单的办法是拍摄多视角影像时将可移 动文物放置在坐标纸上，对文物与坐标纸一起建立三维模型，然后从模型中的坐标纸上选择3～4 个明显格网点作为控制点，将格网数值换算成相对坐标数据后对三维模型进行坐标控制。 但是运用坐标纸进行控制测量的方法也存在一些问题。首先，坐标纸上放置文物后很难保持 纸面平整，影响控制测量的精度；其次，坐标纸一般都是蓝色或橘黄色格网，光线反射后会影响 文物的正常色调；第三，坐标纸上规则格网不断重复，对三维重建过程中的自动匹配产生干扰， 降低控制测量的精度。所以需要设计制作独特的测量控制板。 图1 控制点与检查点分布图 图2 控制测量板与高程检查点 制作的控制板应该选择浅灰色图案，设置有4 个红、黄标志的控制点和4 个黑、黄标志的检 查点 （图1），使用彩色激光打印机将图案打印在较厚的铜版纸上，然后与平整的环氧树脂板粘贴 在一起。再使用数字显示的游标卡尺精确量测各控制点与检查点之间的距离，并换算成相对平面 直角坐标数值。由于控制板中控制点与检查点都在同一个平面上，不利于三维重建的高程精度分 析，所以选择一只纸盒进行三维重建，纸盒顶面与侧面标注4 个黑、黄标志的高程检查点 （图2 ）， 使用数字显示的游标卡尺精确量测标志中心的相对高程数值。然后拍摄一组控制板与纸盒的多视 角数字影像，使用Agisoft Photoscan 软件制作三维模型，在模型上标注控制点与检查点标志中心， * 本文研究是2012 年度国家社会科学基金重大项目《东大杖子墓地及相关遗址的发掘与研究》的内容，项目编号： 12＆ZD193 。 输入控制点、检查点的三维坐标数值，其中N01 ～N08 点的高程值为0，N09 ～N12 只输入高程数 值。选择控制点N01 ～N04 进行控制计算之后，统计控制点与检查点的坐标精度 （表1）。 表 1 控制点与检查点的三维坐标与误差数值（单位：米） 点号 X 坐标 Y 坐标 Z 坐标 X 误差 Y 误差 Z 误差 N0 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000035 -0.000153 0.000064 N02 0.249000 0.000000 0.000000 -0.000095 -0.000046 -0.000064 N03 0.249000 0.178700 0.000000 -0.000047 0.000089 0.000064 N04 0.000000 0.178700 0.000000 0.000108 0.000110 -0.000064 N05 0.124500 0.000000 0.000000 -0.000037 -0.000101 0.000130 N06 0.2490