杂志精选| 多视角三维重建在田野考古绘图中的应用

字号:T|T
2022-06-16 09:30 来源:大众考古

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。

 

图片

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。

 

相关软件的优点

 

相较于3ds Max、三维激光扫描仪等三维重建方法,使用Agisoft PhotoScan对遗迹进行多视角三维重建,具有以下优点:

 

操作简单,适用范围广。从考古遗址到发掘现场、出土文物等都可以通过多视角影像进行三维重建。影像拍摄和软件操作都非常简便,考古人员只需经过简单学习便能完成遗址、出土文物的三维重建工作,其效果堪比专业建模。

 

建模环境要求低,利于田野考古发掘。使用数码相机对遗迹拍摄,然后使用全站仪对遗迹控制点测量,剩余建模和绘图工作均可以在室内完成,减少因绘制复杂遗迹图而影响田野考古发掘工期。

 

成本低,自动化、精度高。与昂贵的三维激光扫描仪相比,多视角三维重建技术使用数码相机便可以完成图像数据采集工作。Agisoft PhotoScan只需简单几步操作,便可以生成遗迹的三维模型,其精度可达毫米级。

 

可以导出多种格式的数字影像,包括JPG和TIFF等常用计算机图片格式,极大地方便了后期图形处理。

 

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。

图片

殷墟遗址唐代 M455 三维模型重建完成

图片

殷墟遗址唐代M455封门砖及北、东、南墓壁

图片

殷墟遗址唐代M455封门砖及北、东、南墓壁

图片

殷墟遗址唐代M455平、剖面

 

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。选择“导出数字高程模型”,将三维模型导出TIF格式,使用Global Mapper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。

 

图片

无人机和相机拍摄位置

 

以2020年洹北商城考古工地T0446—T0448三维重建为例,进行说明:

图片

洹北商城T0446—T0448东、西壁正射影像

图片

洹北商城T0446—T0448东、西壁剖面

 

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。

图片

洹北商城T0446—T0448数字高程模型和遗迹等高线

 

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。

三亚市博物馆·公益 三亚市西河西路2号文体大楼三楼 0898-88666129
Copyright ©三亚市博物馆·公益 琼ICP备19004074号-1
  • 三亚旅文