基于视觉的明清古家具数字文化档案高精度三维重建

顾珈静，刘 春，周骁腾，汤 焱

(同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092)

0 引 言

文物是人类在社会活动中遗留的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹[1]。优秀物质文化遗产的体系庞大、内容繁杂，往往需要承受时间的考验，为此当代人需要传承和不断了解。而数字化三维重建是保存、管理文物的一种切实可行的方案，也是目前文物保护与考古学界研究的热点之一[2]，对文化传承意义深远。

由于一些文化遗产纹饰复杂、轮廓不规则，许多学者提出采用扫描传感器进行数据采集。赵煦等[3]基于激光点云将球体标靶作为点云配准的约束条件，对大型文物景观进行三维重建。通过三维激光扫描仪采集得到的点坐标能够获取高精度的几何尺寸信息，并且扫描速度快，但其成本较高，更适用于建筑外形、工业检测等大场景建模[4]，后期需进行点云处理与纹理叠加，耗时费力，此外布设靶标会对文物产生影响。郑顺义等[5]基于结构光扫描系统结合普通高分辨率单反数码相机进行纹理重建，但尚未实现全自动，需人工选定匹配影像和增加匹配点。李欣等[6]基于激光经纬仪，利用带有角度限制的结构光摄影测量方法获得目标点的三维坐标进行重建，但结构光易受到光滑平面反光的影响。可见，开展文化遗产的采集和数字建模研究是当前文物保护的研究重点，但这些方法在成本和效率上都有提升的需求。

同时，三维模型真实纹理的重建已成为摄影测量一大重要任务。摄影测量技术是对摄影机摄取的二维影像进行量测，测定物体在三维空间的位置、形状、大小[7]。数字近景摄影测量在确保低成本、高效率的同时，能够满足数据的精度要求和详细程度[8]。当下其在工业、科研领域应用较多，但在文化领域的应用相对较少，并且其应用具有一定局限性，如精度受传感器分辨率限制，人工进行数据采集效率低，模型精度受光照条件影响大，需要花大量时间调试相机至合适的位置姿态等。可见，如何解决上述问题，应用摄影测量技术对文物进行高效三维重建，实现纹理、部件、结构的精细化描述，并综合管理文物以便线上欣赏、未来修复与辅助断代，对优秀物质文化遗产的保护与传承至关重要。

1 明清家具三维数字文化档案构建流程

本研究分为明清家具分层管理体系构建、高效率数据采集与精细化三维重建、高精度三维数字文化档案建设三步进行。图1是研究的总体架构图。

图1 研究总体架构图Fig.1 Flow chart of our method

在三维模型中，空间信息以点、线、面等几何要素形式存储在数据文件里[9]，无法体现明清家具的文化层次、纹饰特征与部件结构等。为此，首先针对明清家具的文化特点，从类别、纹饰、部件出发进行分层管理；其次基于数字近景摄影测量技术，提出了对明清家具进行非接触数据采集的低成本高效率方法，进行高精度三维重建；此外对明清家具实现精细化数字建模以便于通过三维信息，提取家具纹饰、部件、结构特征，以此为依据建立索引，为三维数字文化档案的建设提供信息基础；最后设计分层索引结构，对三维模型信息进行多层次组织与管理，建设高精度数字文化档案，并搭建互联网共享平台进行展示。

2 高精度视觉测量算法

明清家具三维重建采用数字近景摄影测量方法。在数据采集中，需重点考虑光照条件与仪器布设，采集方案的合理设计对模型精度与工作效率至关重要。将目标物置于暗室，光线与镜头同向照射目标物。选用定焦数码相机进行数据采集，拍摄时以文物为圆心，相机置于环形移动轨道上，如图2所示，拍摄点从上至下命名为A、B、C，与家具水平距离为R，相机置于上、中、下轨道上旋转三圈进行拍摄。为便于计算，量测家具虚拟外接球半径r。

图2 拍摄正视示意图Fig.2 Diagram of front view

如图3所示，像片1与像片2的关系为同一个相机在某一圈上拍摄的相邻两张像片，像片1和像片3为相邻两圈竖直方向上相机拍摄的像片。相机水平视场角与垂直视场角的计算公式为：

图3 像片重叠度示意图Fig.3 Forward overlap and side overlap

(1)

(2)

式中，fovx为水平视场角；fovy为垂直视场角；f为定焦相机的镜头焦距；x(单位：mm)为像片长；y(单位：mm)为像片宽。

依据图2：

(3)

像片纵向重叠度Px%和旁向重叠度Py%[10]，通常纵向重叠度Px%≥60%，旁向重叠度Py%≥30%，由此计算出相邻像片的纵向间隔Dx，如图4所示，纵向间隔为：

图4 相机相邻间隔计算示意图Fig.4 Calculation diagram of adjacent intervals

(4)

式中，θ为相机环绕目标物一周每次转动的角度。

如图2所示，选取拍摄点A与拍摄点B相对于家具的垂直距离为d，设相机在A处与水平方向夹角为α。

(5)

拍摄点C与拍摄点A沿水平面呈轴对称分布，相机在C处与水平方向夹角为α。

由于在确保建模可行性的情况下，像片数量越少，建模软件效率越高。相机环绕目标物一周共拍摄n张像片，参照图4。

(6)

完成一次数据采集至少需采集3n张像片，将像片导入ContextCapture软件，进行三维建模。

3 古家具核心部件索引结构设计

3．1 明清家具编码体系构建

精细化三维重建不仅要得到精确的家具形态，更要保留其细部特征，如图5所示。

图5 明清家具分层管理体系图Fig.5 Hierarchical management of Ming and Qing furniture

类别架构中，第1层为家具一级类别：椅凳类、桌案类、柜橱类、床榻类、屏架类、套件类。第2层为家具二级类别，例如椅凳类包含凳、杌、墩、椅。第3层为家具名称，例如椅类包含小圈椅、雕花宝座等。类别编码以家具“一级类别+二级类别+家具拼音首字母”的方式构建。以雕花宝座编码“A4dhbz”为例，“A”代表其一级类别“椅凳类”，“4”代表其二级类别 “椅”，“dhbz”为雕花宝座的拼音首字母。

纹饰架构中，第1层为纹饰类别：神兽、植物、花纹、神话故事、成语与吉祥语。第2层为纹饰名称，例如神兽类包含龙纹，植物类包含莲花等。纹饰编码以“WS+纹饰类别+序号+纹饰拼音首字母”的方式构建。以龙纹编码“WSA1lw”为例，“A”代表其纹饰类别“神兽”，“1”代表龙纹为神兽类下第1种纹饰，“lw”为龙纹的拼音首字母。

部件架构直接以名称进行分类，有牙子、束腰、椅圈、腿足等。部件编码以“BJ+部件序号+部件拼音首字母”的方式构建。以牙子编码“BJ1yz”为例，“1”代表部件序号，“yz”为牙子的拼音首字母。

通过家具类别、纹饰、部件编码的连接，可以实现属性表的查询，便于进行元素组合，生成个性化定制家具。

3．2 明清家具属性信息管理

对明清家具属性信息管理的优点在于直观化复杂的属性信息，深化三维模型的内涵，优化属性信息的管理[11]。将明清家具的属性信息分为4类，如表1所示。

表1 明清家具属性信息表Table 1 Attribute information of Ming and Qing furniture

第1类为明清家具主体信息，该层包含家具的编码、名称、图片、模型路径等。其中家具编码是用于区分家具的唯一信息。

第2类为部件子类的属性信息，该层包含每种部件子类的编码、名称、图片等。

第3类为纹饰子类的属性信息，该层包含每种纹饰子类的编码、名称、图片等。

第4类为结构子类的属性信息，该层包含每种结构子类的编码、名称、图片等。

部件、纹饰、结构子类通过家具编码与明清家具主体表进行连接，便于检索查询。

3．3 新型索引结构设计

索引结构是建设、组织与管理三维数字文化档案的信息基础。本研究利用图像分割与识别技术，提取家具的纹饰与部件。依据上文提出的明清家具分层管理体系与属性信息表，从特定某件明清家具出发，逐级分层。

如图6所示，以镶花杨大屏风为例，搭建索引结构。索引结构的合理设计有助于全方位了解明清家具，掌握其设计、构造与历史人文信息，为高精度三维数字文化档案的建设提供支撑。

图6 明清家具索引结构示意图Fig.6 Index structure diagram of Ming and Qing furniture

4 明清古家具数字文化档案建设实例

4．1 家具分层管理体系搭建

为了实现传统文化的数字化表达，选择同济大学博物馆馆藏的100套明清家具袖珍模型为实例开展研究，模型的最小外接球半径不超过0.5 m。对故宫博物院、上海博物馆家具馆进行调研，参考馆藏家具以及王世襄著作《明式家具珍赏》[12]与《明式家具研究》[13]，以此为依据对明清家具类别、纹饰与部件构建编码体系，如图7所示，实施多层次文化管理。

图7 明清家具模型Fig.7 Models of Ming and Qing furniture

本方法应用过程以图8所示的亭台楼阁插屏为实例进行介绍。亭台楼阁插屏为独扇座屏，编码为E3ttlgcp，由绦环板、站牙、屏心构成，部件编码分别为E3ttlgcp-BJ106、E3ttlgcp-BJ108、E3ttlgcp-WS100。双面皆有刻画，正面雕有亭台楼阁风景图，背面刻有以“福”字为主的吉祥文字，底座为镂空设计。

图8 亭台楼阁插屏Fig.8 Pavilion screen

4．2 精细化数字建模

4．2．1数据采集 使用焦距为50 mm的定焦镜头搭配SonyA9全画幅机身进行数据采集，其影像传感器尺寸为36 mm×24 mm。为确保像片间的重叠度满足建模需求，取纵向重叠度Px%=60%，相机环绕亭台楼阁插屏一周每次转动的角度为30°，家具模型虚拟外接球半径r=0.1 m，拍摄点A与拍摄点B相对于家具的垂直距离d=0.5 m。依据上文公式进行计算，近似取拍摄点距目标物水平距离R=0.5 m，计算得n=12，最上方相机俯角和最下方相机镜头仰角α=45°，保证像片间重叠满足建模需求，从上中下三圈环绕采集共36张像片，采集得到的系列像片如图9所示。

图9 亭台楼阁插屏系列像片Fig.9 Photos of the pavilion screen

4．2．2高精度三维重建 将对于亭台楼阁插屏采集得到的像片导入ContextCapture软件后，对生成的点云数据切割处理并进行建模，后期利用Geomagic、Blender等软件进行编辑加工，修复模型空洞和多余外部信息(图10)。

图10 3D视图Fig.10 3D views

图11a中标出的纹理在图11b中全部清晰还原，说明本方法的纹理精度有助于古家具纹饰信息的管理与研究，满足纹饰信息的历史文化保护需求。

图11 纹理精度比较图Fig.11 Accuracy of patterns

4．2．3精度评定 为检验模型尺寸精度，从100套家具中随机选20套，在实物与建模软件中分别量测家具尺寸，实际量测长度R(单位：mm)，模型量测长度M(单位：mm)，计算|R-M|作为衡量尺寸精度的指标，|R-M|的最大值为1.50 mm，最小值为0 mm，平均值为0.68 mm，差值中误差为0.42 mm。如图12所示，模型尺寸精度均控制在毫米级别。

图12 家具实物与模型量测尺寸差值Fig.12 Differences between furniture and model measurement

4．3 明清家具数字文化档案建设

依据提出的明清家具属性信息表与索引架构，设计明清家具三维数字文化档案。设计三维可视化平台，确保系统具有良好的鲁棒性、容错率和较好的结构，完善用户交互页面，体现适合明清家具的UI风格。如图13所示，明清家具三维数字文化档案既能简洁明了地展现家具各层次多角度信息，帮助用户快速找到目标内容，又能展现精细化数字模型与相关历史人文信息，共享数据的尺寸精度为毫米级别，考虑到文物的珍贵性以及防止被复刻制作赝品，网站使用者仅能浏览文物外观，而无法获得文物的高精度尺寸信息。

图13 明清家具三维数字文化档案图Fig.13 Digital cultural archive of Ming and Qing furniture

5 结 论

基于数字近景摄影测量技术，以100套明清古家具袖珍模型为实例进行精细化数字建模，将模型精度控制在毫米级别，完成了文物要素提取、分类体系搭建、属性信息管理与索引结构设计，构建了历史文化和三维模型融合的数字文化档案。研究结果表明，基于视觉的非接触视觉处理算法能够实现高精度三维重建，提出的技术方案能够保留模型的细节程度，并且降低了成本、提升了效率，对文物类别、部件、纹饰的属性管理与索引架构能有效管理文化信息，数字文化档案兼具科技、人文与传统美学，满足文物保护需求。此方法适用于小型文物，实际应用中文物最小外接球半径建议不超过实验中的最大值0．5 m，该范围内三维重建精度较高，能够用于文物造型、结构、线条、纹饰等的研究。明清家具三维数字文化档案可用于古家具的管理和研究，有利于中国古代家具工艺的传承，而其中对于家具的历史年代的介绍鉴别能够辅助断代。下一步将考虑运用人工智能对家具纹饰和部件进行元素组合，生成个性化定制家具。同时将完善技术方案，应用范围拓展至小型文物，支撑数字博物馆建设。