摄影测量技术在文化遗产数字化传播中的应用研究

许文广 章立

摘要：数字化传播是文化遗产精神侧面的保护，面对众多的文化遗产，高效的文化遗产数字化传播方法是关键。文章对比与分析文化遗产数字化技术方案，总结各方案的优劣，提出以低成本、适用性强、带纹理的摄影测量技术作为文化遗产数字化传播的技术方案，并以无锡市惠山寺金莲桥数字化传播构建为例，总结数字化传播构建与优化方法。

关键词：摄影测量;三维重建;文化遗产;数字化传播

中图分类号：G206;G127 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）18-0-04

人类的许多璀璨文明之所以能留存至今，与人类尚古、崇古的心理密不可分，在还没有“文化遗产保护”这种观念性指导行动前，人类就已经会不自觉地保存或维护先人们遗留下来的有价值的物件，这种行为更多的是出自对文化的认同感与归属感，更像是一种以传递与传承文化符号信息为目的的有意识的行为。直到20世纪60年代才逐渐出现《威尼斯宪章》《世界遗产保护公约》《奈良文件》等一系列指导世界各地区文化遗产保护的纲领性文件，这些文件中共同认可的真实性与完整性保护原则，正是在以完整真实地传承和延续人类文化遗产为目的的情况下所提出的要求与准则。

20世纪90年代，随着计算机和互联网的发展和普及，文化遗产的数字化传播逐渐成为文化遗产保护的重要内容和手段。文化遗产的数字化传播主要是面向大众的传播，与专家学者的数字化记录不同，具有非精英性、同质性和学习性的特点，即文物的数据信息应当尽量概括提炼、通俗易懂，区别于专家学者之间的数据传播。根据《保护世界文化和自然遗产公约》定义的文化遗产类型，各种文化遗产在传播中的形式与渠道，应能在相同的类别中相互借鉴和应用。再者，文化遗产所传播的不仅是自身的历史、艺术或科学角度突出的普遍价值，还包括传播后对人审美能力、价值观的提升等多方面影响。因此，如何快速准确地对文化遗产进行三维数字化处理和加工，搭建传播渠道，让大众深刻地感受到文化遗产的魅力，是文化遗产数字化传播中主要考虑的问题。

1 文化遗产数字化技术方案及对比分析

文化遗产的三维数字化必须在保证不损坏且不对文物构成威胁的前提下进行，是完整记录文物的一个多维过程，要考虑文物的尺寸和形状的复杂性、文物原材料的多样性以及获取数据形态学上的复杂程度。目前普遍运用在文化遗产三维数字化采集中的技术手段主要是激光扫描技术和摄影测量技术，有时还会将两者相结合，通过异源模型匹配获得“档案级”的高精度纹理模型[1]。

1.1 文化遗产数字化技术方案原理

激光扫描技术是一种运用激光技术采样或扫描物体表面，进而生成物体表面三维点云数据的数字化测量方法，其优点是可以在较短时间内高精度地采集物体表面的三维信息，按照测量原理，主要分为光学三角测量和飞行时间测量两种测量方式。其中基于光学三角测量的激光扫描技术方案采集的精度最高，主要是将激光投射至测量物体表面，并利用扫描透镜搜寻激光投射到测量对象表面产生的投影位置，从而计算生成点的三维数据。这种方法一般适用于近距离的中小型的文化遗产对象，如文物藏品、碑雕、碑文等。而以飞行时间测量的激光扫描仪能够通过发射特定激光脉冲，通过远程传感器接收返回的激光，利用时间差计算出物体表面顶点的距离与三维空间，从而获得较高精度的点云数据，并且测量精度不受目标距离的影响，适合对远距离大型的文化遗址、古建筑、石窟寺等进行测量。

结构光扫描技术作为激光扫描技术的一个变种，也是利用三角测量法，其原理是将特定不同形状的光图案投射到被测物体表面，如点、条纹或者是带有色彩编码的图案，再利用光感器件捕获受物体结构影响所产生的光图像，并从图像的变形中推导出物体的几何形状。由于其结合了相对简单的仪器，并且精度甚至高于激光三角测量系统，因此在国内外文化遗产数字化保护中成为一种重要的技术方案。

摄影测量技术是一种基于二维影像数据，通过计算机软件的图像处理和计算，从至少两张照片图像中分析代表同一对象点的像素点信息来计算出对象点在空间中的三维位置坐标，从而生成三维重建数据。这一测量技术的应用无须专业设备，仅需相机或手机对物体进行多角度拍摄即可完成采集工作。作为一种低成本、非接触式、操作简单便捷的三维数字化方案，以及采集的三维数据带有色彩纹理属性，受到专家学者们的青睐，被广泛运用于场地环境复杂的考古记录、古建筑以及自然环境测量中[2]。

1.2 文化遗产数字化技术方案对比分析

从采集精度来看，通常情况下，激光扫描生成的模型精度要比摄影测量生成的模型精度高，并且在采集越复杂的几何形状物体时，如物体有前后遮挡关系、与背景颜色纹理区别不明显等，这种差别越明显。

从采集过程来看，激光扫描仪自动化程度高，设置好参数后，即可自动完成采集生成点云，并传输保存至计算机中，能够在一定程度上减少摄影测量中为了提高精度而不得不增加照片拍摄数量和处理数据时所产生的劳动力成本，但其采集时间长，并且随设置的采集精度提高而增加[3]。此外，激光扫描设备由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架等配套设备组成，便携性差，且价格昂贵。摄影测量技术方案相较于其他数字化测量仪器，则成本更低，操作简单便捷，环境适用性更强。

在生成数据和体量上，激光扫描所获得的数据是直接生成云点，且设置的质量参数越高，数据越庞大，处理速度越慢;摄影测量采集获得的初始数据是照片图像的形式，再通过特定软件生成点云数据，因此数据量小、便于存储，且可编辑性更强，但它多了一步由照片生成点云的计算和处理过程，照片越多，耗时越长。此外，摄影测量最大的优势是采集的模型带有高精度的纹理信息，激光扫描仪即使内置或外置配备了数码相机，但是受到距离和尺寸的因素，纹理信息的精度并不高。

通过对比不难发现，以成本较低，且能快速全方位地采集對象的三维数据以及颜色信息的摄影测量数字化方案针对面向大众的文化遗产数字化传播的应用具有更强的适用性。

2 摄影测量技术的应用及优势

2.1 摄影测量技术的三维构建方法

摄影测量技术的三维构建主要分为照片拍摄、图像处理、生成稀疏点云、生成密集点云、生成模型和贴图这五个步骤。在采集对象上，由于摄影测量是基于物体图像的表面和形状特征点生成点云，因此要避免没有纹理、有光泽、高反射或透明这一类特征点不清晰的物体。

清晰高质量的图像采集是文化遗产数字化构建的基础。摄影测量技术中三维重建的依据主要源于图片的像素点，因此生成的模型和贴图质量的决定因素是采集时照片图像的质量，理论上图像数量越多，像素越高，重建的效果也就越好。因此，在有条件的情况下，专业单反相机是最优的选择，其次是普通相机或手机，相机图片格式应设置为源文件处理程度最小格式。在使用条件允许的情况下，平衡相机设置之间的参数，以保证最佳曝光。

拍攝采集时，应保证每张图像基本一致。尽量选择光照充足均匀的环境，并且尽可能在较短的时间内完成采集工作，避免环境变化使采集的图像不一致。此外，要想保证图像照片质量的清晰与一致，应该预设好相机参数与镜头焦距，并尽可能将这一设置维持到照片采集结束。在数据处理过程中，应保证每一个数据完整输入与输出，图像导入生成稀疏点云前，尽量避免使用压缩程度较大的处理方法与格式。

2.2 摄影测量技术运用于文化遗产数字化传播中的优势

2.2.1 低成本

摄影测量技术由于其自身原理构成，在文化遗产数字化传播中拥有更低的设备、人力以及技术成本的优势，可适用于不同程度预算的个人或机构。在关注点不是模型精度的应用时，如快速记录、教育传播，或为旅游目的地推广文化遗产，甚至利用可摄像手机就能完成记录采集工作。

2.2.2 适用性强

因自身的便捷性，摄影测量结合其他辅助设备，如三脚架、转盘、摇杆、无人机等，可完成不同大小尺度、不同环境下的文化遗产分类。对于小型可移动文物，可采用悬挂拍摄、拼合拍摄、转盘拍摄构建模型[4]。摄影测量技术还可搭载无人机对大型的户外遗址街道进行三维数字化构建，同时可作为激光扫描技术的辅助工具，用于采集与烘焙纹理。

2.2.3 具有高精度纹理信息

带有颜色信息的三维数据是摄影测量技术在文化遗产数字化传播中不可或缺的信息传播内容。颜色信息的采集对文化遗产数字化传播来说是至关重要的，大众接收其信息内容最主要的途径是通过视觉，其中物体的色彩占据主要部分。在文物展品中，带有清晰细腻的颜色的物品更容易吸引大众的注意，进而才能传递更多的信息。

3 金莲桥三维数字化传播构建

通过对比不同文化遗产测量技术的优劣，分析摄影测量技术本身的应用优势。针对文化遗产三维数字化传播构建，本文提出一种基于摄影测量技术标准的三维数字化传播构建方法（见图1），并运用于VR（虚拟现实）和web（网络）平台传播的实际案例中。

3.1 案例

金莲桥地处惠山东麓惠山寺内，东西向架于金莲池上，前连惠山古刹大殿，背靠明洪武古银杏，是无锡市现存最古老的石梁桥。其独特的地理位置和功用，百年来未受河流侵蚀和交通建设的冲击，加上维修和保护古桥是历代水乡人共同的使命[5]，使金莲桥有着良好的生存环境，保存得较为完整，至今桥上还存有宋代紫褐色武康石构件，十足珍贵。

3.2 金莲桥模型生成

此次对象的摄影测量采集选择在游客流量较小的中午12时，没有阳光直射的多云天气，且光照充足。使用设备为数码单反相机，共拍摄562张照片，其中以金莲桥为中心，围绕金莲池四周共拍摄346张照片，桥上桥面拍摄216张。

3.2.1 照片预处理

拍摄采集完毕后，检查拍摄的照片，删除不必要和模糊的图像，避免质量较差的图像影响数据生成的准确性，并对照片进行无损格式转换。

3.2.2 照片对齐

将处理过的照片导入图像建模软件，通过照片对齐生成稀疏点云。精度值设置越高，生成的稀疏点云越精确，但花费时间越长。在稀疏点云生成后，通过点云编辑工具，删除金莲桥周边多余点云，只保留需要的桥梁主体部分，减少后续生成的计算量和降低处理模型的复杂程度，以及避免错误或有偏差的点云对最终模型生成质量产生不好的影响。

3.2.3 密集点云生成

将质量设置为“高”，其他选项默认，生成密集点云。密集点云的生成是基于使用图像的深度信息进行密集立体匹配计算，将每个摄像机生成的组合深度图转换为部分密集点云，然后将其合并为最终的密集点云。

3.2.4 三维网格及纹理生成

以密集点云作为三维网格生成的源数据，生成高质量的三维网格。将贴图大小设置为“8192”的分辨率，生成金莲桥的颜色贴图。

3.2.5 文件存档并导出

保存工程文件，导出金莲桥密集点云数据存档保留，并以三维通用的格式导出所获得的模型和贴图。

3.3 金莲桥模型优化

通过摄影测量数字化生成的金莲桥三维模型文件约有18G，网格总面数约有2000万。对于这种高面数的模型，公众难以访问，主要用于研究活动和数字修复。就文化遗产数字化传播角度而言，应在文物细节的保留和文件占用大小间找到平衡，优化模型最理想的状态应该是用最小的文件展现出文物最全面的内容。一般模型优化主要采用两种方法：一是网格拓扑，二是法线纹理映射。通过自动或手动拓扑降低模型面数，将网格面数降低到可接受范围的低模。低模虽有了可以接受的面数范围，但其细节程度也随之降低，因此还需要采用法线纹理映射制作法线贴图。法线贴图可以通过特定数据源图像通道信息记录高精度模型表面的倾斜变化，将其赋给低模，让模型在低面数的网格状态下也能拥有高面数网格的细节。

当今引擎大多遵循基于PBR（物理渲染）理念的渲染管线，即基于真实物理属性与光照的渲染技术，物体的表面属性接收光照属性产生更加真实的图像，因此，需要为摄影测量生成的三维模型制作相应的PBR材质贴图。其中，表面属性中使用的基础色不带有任何光照信息和材质反射率信息，这样才能保证模型不会与虚拟场景中灯光属性产生的阴影发生冲突造成二次光照，才能让模型更好地融入虚拟场景中。在采集金莲桥纹理贴图信息时选择阴天，避免直接光照，也是为了减少光照对采集金莲桥纹理颜色的干扰与影响，但这还不能达到理想纹理贴图的标准，需要对摄影测量生成的模型纹理进行去光照处理。

3.4 金莲桥数字化传播应用开发

摄影测量生成的三维模型经过优化处理后，最终的功能与目的是用于文化遗产三维数字化的展示与传播，传播平台和方式的选择将影响传播时所呈现的形式，但传播的内容依旧取决于文化遗产自身的自然属性和人文属性。此方法高效快速地保留了金莲桥的自然属性，并可用于不同平台的开发与利用。

基于Web平台的金莲桥数字化传播开发，具有交互性强、易传播、范围广的特点，但受到网络宽带和自身Web 3D（网络三维）技术的限制，模型面数和文件大小不一致。将处理后面数较低的金莲桥模型用于Web平台的展示开发，受众可通过互联网放大局部观察石梁上的浮雕、介绍，并显示鼠标停留处的桥梁结构、拆解金莲桥等一系列交互浏览功能。

基于VR平台的金莲桥数字化传播开发，则具有虚拟现实技术的多感知性、沉浸性、交互性、构想性这四个主要特征，其在模型面数与文件大小上较Web平台的要求更为宽松。将处理后面数较高的金莲桥模型导入游戏引擎中，并结合金莲桥周围的真实环境，在虚拟场景中高保真地还原金莲桥及周围原貌，受众可通过VR设备，进入虚拟的金莲桥场景中游玩与探索，通过一系列沉浸式交互体验了解和感受金莲桥背后的历史文化与艺术价值。

4 结语

文化遗产数字化作为一种数字化记录，在如今互联网技术发达的时代，其传播功用正飞速提升，原先关于文物本身的客观物质记录正逐步外化，将物质所表现和包含的文化价值与内涵通过数字化的新媒介面向大众进行传播。而摄影测量技术作为一种低成本、便捷的数字化手段，在文化遗产数字化传播中将发挥越来越重要的作用，文物三维数字化成本也会越来越低，分级化传播将成为文化遗产数字化传播中普遍适用的方法。

参考文献：

[1] 欧阳宏.故宫院藏文物的三维数据采集与应用[J].数字图书馆论坛，2019（7）：48-53.

[2] 丁军，赵明泽，陈祖军.利用近景摄影测量进行安丙家族墓文物考古测绘[J].工程勘察，2002（4）：54-56.

[3] 梁慧琳，张青萍.园林文化遗产三维数字化测绘与信息管理研究進展[J].南京林业大学学报（自然科学版），2020，44（5）：9-16.

[4] 张蕾.可移动文物多视角三维重建的拍摄方法探索[J].华夏考古，2018（1）：123-128.

[5] 李燕，束有春.远离古桥建新桥：江苏古桥保护模式[J].东南文化，2006（4）：85-88.

作者简介：许文广（1998—），男，湖南衡阳人，硕士在读，研究方向：虚拟现实。

章立（1971—），男，江苏无锡人，硕士，副教授，研究方向：虚拟现实、交互设计。