1、1基于壁面曲率分析的壁画数字化摄影采集方法研究内容摘要：受莫高窟壁面的不平整性、目前壁画数字化采集的设备与方法等制约，壁画数字化摄影采集方法中存在着摄距差异、摄影采集集成平面的不确定性和摄影采集集成平面与定位纠正拟合的正射投影面存在一定的夹角等问题。本文针对这些问题，提出了利用三维模型获得摄影采集壁面准确的曲率参数为依据，解决了目前摄影采集中存在的问题，提高了高保真全景图像的质量，使摄影采集进一步规范化与标准化。关键词：摄影采集；壁面曲率；偏差等值线 中图分类号：J421 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2013）01-0108-05 一 引言 时光飞逝，举世闻名的敦煌莫高窟已悄
2、然走过 1600 多年的历史，仿佛一位风烛残年的老人百病缠身。随着岁月的推移，自然因素作用和人为活动，莫高窟的彩塑和壁画产生了多种病害，并在缓慢地劣化1。为了有效保护和永续利用这一人类珍贵的文化遗存，利用数字摄影和图像处理技术，拍摄、拼接、存储壁画的高分辨率影像，是目前唯一能完整记录并永久保存壁画信息的技术手段，因此壁画数字化保护是紧迫而重要的工作。自 20 世纪 90 年代起，敦煌研究院与美国梅隆基金会、美国西北大学、浙江大学、武汉大学、中国科学院计算机研究所等国内外多2家高等院校、科研机构合作开展敦煌石窟壁画数字化技术研究，目前已取得一定的成果2。 敦煌莫高窟依山而建，据崖而凿，因壁而绘，
3、壁画数量大，内容多，技艺精湛。但洞窟壁面凹凸不平，壁画大多是非镜面的，由此对目前壁画数字化摄影方法造成一定的问题，如摄影采集平面不统一、定位纠正拟合的正射投影面与摄影采集平面产生一定的夹角、整幅壁面的摄影采集分辨率不一致等。本文针对这些问题进行了深入的剖析，并利用获得的壁面准确曲率参数，解决目前存在的问题，提高高保真全景图像的质量，使摄影采集进一步规范与标准化。 二 摄影采集方法现状及存在的问题 基于轨道、逐行移动、定点摄影采集是壁画数字化系统工程中的第一重要环节，在摄影采集之前，首先需要确定轨道铺设方向与摄影采集壁面相平行，而摄影采集平面获取原始图像信息，将影响图像拼接和图像定位纠正的质量。
4、由于洞窟壁面存在不同程度的形变问题，目前摄影师只能通过辅助工具的测量和经验来判断壁面的形变程度，确定摄影采集的统一物距，由于壁面形变造成曲率的非规律性，使得测量缺乏精准，整幅画面分幅拍摄点过多，造成单幅图像之间的摄距差异和视角变化，摄影采集集成平面存在不确定性。 1.1 摄影采集方法现状 敦煌壁画数字化技术的基本原理是利用高精度数字相机分幅拍摄大幅面壁画，然后利用计算机技术拼接还原，从而达到大幅面壁画高保真数字化的目的。目前壁画数字化主要有摄影采集、图像处理（包括图像3拼接和图像定位纠正）和数据存储三部分。摄影采集分为轨道铺设、摄影平台架设、灯光系统设计和采集等主要步骤。铺设轨道确定了摄影采集
5、平面的基本摄距，摄影平台必须垂直于轨道水平面，相机镜头与被摄平面垂直。摄影师目测被摄壁面的形变，凭经验在壁面上选取两点，测量墙面与轨道的距离和摄距，使之保持一致，如图 1 所示。 1.2 目前摄影采集方法存在的问题 首先，由于当前技术水平、辅助工具并不发达，莫高窟壁面达不到镜面的平整度3，造成摄距差异；其次，每位摄影师确定的摄距参照点都不同，造成摄影采集集成平面的不确定性；第三，摄影采集集成平面与定位纠正拟合的正射投影面存在一定的夹角。 1.2.1 摄距差异 被摄壁面存在凹凸不平和较大的曲率变化，使得分幅摄影采集中，摄距产生较大变化，造成单幅图像摄影采集分辨率的差异，以及处理完成的全景图像的质
6、量损失。 1.2.2 摄影采集集成平面的不确定性 如图 1 所示，由于壁面的复杂性，摄影师无法准确判断整幅拍摄壁面的曲率，一般通过目测和辅助工具，在被摄壁面上进行多点量测，选择区域较为相似的 A、B 两点作为参照依据。但由于各种因素的影响，每位摄影师选择参照点的方法各不相同，造成摄影采集视角的整体差异较大，因此摄影采集集成平面存在不确定性。 1.2.3 摄影采集集成平面与定位纠正拟合的正射投影面存在一定的夹角 4摄影采集的原始图像经过图像处理，拼接成一幅全景图像，经初步检查后，还需要对该图像进行定位纠正，最终使全景图像的形变控制在毫米级，达到真实、客观地反映墙面信息4。定位纠正是用激光扫描仪采
7、集洞窟内密集的三维激光点云数据，经过数据处理，利用点云强度图像和拼接的全景图像相匹配，从而纠正全景图像的形变。 定位纠正拟合的正射投影面是由计算机通过采集洞窟三维模型中壁面上绝大多数的点，求平均模拟获得的一个相对平行于此壁面的平面。 由于摄影采集集合平面的不确定性，所以与定位纠正拟合的正射投影面产生 角度，如图 2 所示，夹角越大对图像质量造成的损失越大。 三 基于壁面曲率分析的摄影采集方法改进 利用三维激光扫描仪快速获取目标表面精确而密集的点集，从而生成对象的三维模型，通过数据处理即可获得摄影采集壁面的曲率参数，结合定位纠正拟合的正射投影面，从而解决目前摄影采集中存在的问题5。 1.3 壁面
8、曲率分析 三维激光扫描仪能够快速获取目标表面精确而密集的点云，并利用逆向工程技术即可生成对象的高精度三维模型，这在测绘和考古领域有大量的应用6，7。 图 3 为利用三维激光扫描仪对敦煌莫高窟第 320 窟获取表面点云并构建的三维模型，其中阴影部分为本文重点分析的南壁。通过该三维模型可准确计算和分析壁面的偏差与等高线等形状参数，从而为解决摄影采集中存在的问题提供依据。 51.3.1 偏差图 从整窟透视图的角度看，第 320 窟南壁壁面弯曲并不明显，为了分析壁面形状，定义如图 4 所示的壁面三维坐标系：将壁面所有的点拟合一个平面，并以壁面点在该平面上外接矩形框的顶点为原点，向东面的方向为 X 轴，
9、正上方为 Y 轴，利用右手坐标系定 Z 轴。在此三维坐标系下，南壁壁面模型透视图如图 4（a）所示，图 4（b）为将壁面的 Z 值夸张 5 倍的显示效果，可以看出，壁面并不是平面，而是有明显的水渠状偏差。 为量化分析壁面的偏差量，取南壁最小 Z 值为 0，统计南壁其他点的 Z 值行程偏差图，如图版 41 所示。从中可见，南壁顶端和低端的中部最偏向洞内，而南壁的两侧中部最偏向洞外，最大偏差量约为0.2m。 1.3.2 偏差等值线图 以莫高窟第 320 窟南壁三维模型和偏差图为基础，取等值间距为10mm 生成的偏差等值线图如图 5 所示。由等高线图中可以看出，在壁面中间部分比较平坦，偏差变化较小，
10、而在壁面边缘，尤其是东面边缘（图中左边） ，偏差变化较为强烈。 1.4 摄影采集方法的改进 以莫高窟第 320 窟南壁为例，详细介绍拍摄壁面时偏差等值线图在摄影采集方法中的应用，改进目前的摄影采集方法。目前拍摄相机型号：佳能 EOS-1Ds Mark III，摄影采集分辨率：300dpi，莫高窟第 320 窟南北壁之间有 420cm，有足够的拍摄空间，所以采用镜头：佳能 EF 85mm f/1.2L II USM，摄距：112.3cm。 6将莫高窟第 320 窟南壁偏差等值线图嵌入低精度的全景图中，如图版 42 所示。 1.4.1 统一摄距 为了使整幅壁面的摄影采集分辨达到 300dpi，利用
11、偏差等值线图精准表示墙面凹凸的数值作为依据，调整相机前后的位置，力求摄距保持一致，确保摄影采集分辨率的统一。 在拍摄莫高窟第 320 窟南壁红色区域时，红色线与等值线相交点为相机前后移动临界点。在摄影采集时，假设墙面凹凸不平相差 2cm 可视为平整面，不用移动相机位置。那么，相机在第一条红线拍摄一行数据时，需要移动 9 次，如图版 43 所示。点 1 与基准面凹凸不平相差 12cm，所以相机需要向前移动 12cm，依次类推，点 2 相机向前移动 10cm，点 3相机向前移动 8cm，点 4 相机向前移动 6cm，点 5 相机向前移动 4cm，点6 相机向前移动 2cm，点 7 相机向前移动 2
12、cm，点 8 相机向前移动 4cm，点 9 相机向前移动 6cm。以此方法，移动相机位置，拍摄采集完成整幅壁面。 1.4.2 摄影采集集成平面的确定 结合定位纠正拟合的正射投影面，以等值线为 50mm 的区域为基准面，确定摄影采集平面，如图版 44 所示。从中选择 A、B 两点，以垂直于壁面测量距离为 112.3cm 确定 C、D 两点，C、D 铅锤于地面，获得 E、F 两点，由 EF 构成的直线为轨道单边的方向，确定在摄影采集莫高窟第 320窟南壁时，轨道铺设的具体位置。 为达到摄距统一性和摄影采集集成平面的准确性，以偏差等值线图7作为依据，进一步完善石窟壁画数字化摄影采集体系，实现石窟壁画
13、数字化高保真的目的。 四 展望 利用三维模型获得摄影采集壁面准确的曲率参数，解决了目前壁画数字化工作中存在的问题。目前壁画数字化主要基于二维平面，随着文化遗产的保护与科学技术的发展，相信不久的将来可实现快速、精准的洞窟三维真实模型的重建，解决二维平面中几何形变的问题，增加数字资产的信息量，满足多方需求，使文化遗产数字化事业迈向一个新台阶。参考文献： 1樊锦诗. 为了敦煌的久远长存J. 敦煌研究， 2004（3）：5-9. 2樊锦诗. 敦煌石窟保护与展示工作中的数字技术应用J.敦煌研究，2009（6）： 1-3. 3俞天秀，吴健，孙志军，等. 基于几何形变改善的莫高窟数字壁画图像拼接方法研究J.
14、 敦煌研究，2011（6）：91-95. 4任宏. 三维场景建模中像片拼接算法与应用研究D. 太原理工大学， 2004. 5李德仁，张帆，黄先锋. 激光扫描与光学影像数据配准的研究进展J. 测绘通报，2008（2）： 7-10. 6Zhang J. Application of Surveying and Mapping New Technology in Historical Building ProtectionJ. Advanced 8Technology in Teaching - Proceedings of the 2009 3rd International Conference on Teaching and Computational Science（WTCS 2009） ，2012， 117： 801-805. 7Chen M， Yen Y， Cheng H， et al. An Application of Reverse Engineering to the Digitization of Cultural Heritage BuildingJ.Recent Advances in Computer Science and Information Engineering， 2012， 126： 391-397.
