【講座回顧】考古現場的多視角三維重建

日期：2017年11月7日
地點：香港中文大學聯合書院考古實驗室
講者：劉建國(中國社會科學院考古研究所研究員)
題目：考古現場的多視角三維重建
文：黃珮琳 (研究助理)

考古發掘過程需要把一層一層的發現記錄下來，日後向公眾展示。考古工作者一般會在考古現場拍照和作文字記錄，但這些都只是二維的資料。人們生活在三維空間中，三維訊息的展示最符合的人們的習慣。隨着考古學研究和文化遺產保護的不斷深入，以及三維訊息獲取技術的飛速發展，考古工作中全方位空間訊息的獲取顯得越來越重要。中國社會科學院考古研究所研究員劉建國老師在2017年11月7日到訪我系並以「考古現場的多視角三維重建」為題，從攝影測量原理、多視覺影像三維重建、超低空拍攝與三維重建以及「大疆精靈4」(Phantom4)遙控飛機拍攝四方面講述最新的三維重建技術。

根據劉老師所述，以往一般會使用激光掃描，但是這種技術花費較高、操作比較複雜，只有少部分考古工作者懂得使用，而且在大範圍應用中不夠精準，有許多誤差。為此，中國考古研究中引進了數字近景攝影測量與三位激光掃描等系統，用於對考古為止發掘區域、石刻、造像、乃至器物進行三位訊息提取，生成地面或石刻、古建築立面的各種綫劃圖、等值綫腳圖、數字高程模型、正射影像圖和三圍數字模型等產品，滿足各種文物考古工作的需要。

首先，攝影測量是一門通過攝影，對所獲得的影像進行測量的學科測量。攝影的基本原理是前方交會方法，在兩個已知的控制點（A 、B）上加設全站儀，分別測量水平角∠PAB 、∠PBA和BP方向的坐標值，然後根據測量數據與已知點A和B的座標值計算未知點P的座標。攝影測量是在被測物體前的兩個已知位置(攝影站或攝影中心)攝取兩張影像，然後在室內利用攝影測量儀器測左右影像相同名點（即空間同一個點，在左、右影像上的像點）的影像座標交會得到空間點的三維座標。因為左右影像是同一個空間物體的投影，所以利用影像上任意一對同名點都能交會得到一個對應空間點和其座標。攝影測量不僅可以測量一個空間的點，而且能夠利用影像重建和測量空間三維物體的模型，對影像進行測量。劉老師指出投影差產生的像點位移問題，無論是起伏的地形還是高出地面的事物，在照片中與其平面位置相比會產生位置的移動，三維重建軟件能解決這些誤差並建立空間關係。

多視覺影像三維重建技術是普通數碼相機作為影像獲取工具，從不同角度圍繞被拍攝物體獲取多幅數碼影像，然後根據計算機視覺原理，對獲取的全部數字影像進行相互匹配，生成被拍攝物體的表面三維點雲，加載影像數據後得到真實的三維模型。野外工作主要是測量控制點和拍攝影像一般先使用電子全站儀測量4個控制點，用作攝影測量數據處理的過程中絕對定向，並將測量對象置入特定的三維直角坐標系統中。紅黃配搭的標誌會更清晰。

劉老師特別指出，拍攝影像的數量和採用鏡頭的焦距應該根據現場情況而定。相鄰影像的重疊度至少須大於80%，交會個不少於5°，並需盡量減少樹木等的遮蔽以免降低匹配成果。所拍攝的目標要充滿整幅影像的八成以上，不同影像上的同一地物應該大致相等。控制點座標需要使用電子全站二儀或實時動態技術 (Real Time Kinematic, RTK) 進行測量。電子全站儀測量精度高，特別是使用免棱鏡方式直接瞄準控制中心進行測量時，能夠得到3至5毫米的測量精度。而使用棱鏡測量時，應該盡量降低棱鏡的高度以提高測量精度。而使用RTK進行測量時的誤差可能達到10 厘米左右。劉老師認為使用相機拍下現場測量的控制點座標，或者直接聯機導出成本文件更好，能避免筆錄時進行抄寫錯誤。劉老師就此解釋拍攝常用的相機設置，例如光圈數值8、10左右，景深好而曝光所須時間亦較短。感光度應在100至400之間，使用手動白平衡和TTL閃光燈模式，並應該在中心單點、單次對焦。如果光線不足、死白或死黑、拍攝角度太斜等便須要大量後期工作，因此在開頭拍一張好照片很重要。他又簡單解釋了如何使用軟件做後期，指出導出影像時TIFF會比JEPG和PNG檔更好，後期處理後輸出的影像質素較佳。其後劉老師再講述深入文物拍攝技巧。文物拍攝時應先擺放座標紙或控制板，擺正文物角度，四個對焦點分別是器物內底、口沿內、口沿外、底部外側。

在超低空拍攝方面，低空空域是指1000米以下的空域，其中200米以下稱為超低空。中國在2013年11月18日實施的《民用無人駕駛航空器系統駕駛管理暫行規定》指出，重量少於或等於7公斤的微量無人機，飛行範圍在半徑500米內、相對高度低於120米的目視視距範圍內無需證照管理。因此一般使用無人機拍攝都會依照這個規定，並留意什麼地方最不能拍照的。控制點標示版的大小應該根據飛行高度和相機焦距來確定。使用全畫幅相機、2千萬像素、21至25 毫米焦距鏡頭拍攝時，相對高度30米內可以使用10 X 10 厘米的控制點標誌板；相對高度在30至60米是可以使用20 X 20厘米的控制點標誌板；相對高度在60至100米時可以使用30 X 30厘米的控制點標示板。標誌板大小合適的時候才能在拍攝的影像中清晰明顯，易於標誌中心位置。另外，拍攝時的飛行高度需要根據影像的分辨率來確定。一般飛行3至4米的相對高度可以獲1毫米的正射影像圖；30至40米的相對飛行高度可以獲得1厘米的正寫影像圖。在相機設置方面，應該選擇短焦距的手動對焦鏡頭，並選擇拍攝範圍內最亮的地面物體進行測光，使最亮地物的照片上曝光合適，其他地物的曝光可以稍為減弱一點。光圈為8左右，使用日光型而非自動白平衡。在數據處理方面，三維重建前需要對全部影像進行篩選，盡量減少參與像素處理的影像數目。沒有樹木、房屋而且地勢平穩的區域相鄰影像應該具有50至60%的航向重疊。相反，較複雜的地貌，相鄰影像需要具有80%左右的航向重疊。200幅而內的影像可以使用6000X4000，超過200幅影像是最好把像素減到3000×2000像素，一次處理的影像數目最好不超過800幅。

最後劉老師介紹中國社會科學院考古研究所使用的無人遙控飛機Phantom4，並從無人機拍攝開始到後期修圖，展示整個三維重建流程，分享各種考古現場和文物拍攝經驗及個案研究。