三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 6 月桂 林 理 工 大 学 学 报Journal of Guilin University of TechnologyVol.43 No.2June2023文章编号:1674-9057(2023)02-0289-07 doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2023.02.015三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用孙保燕,覃禹程,韦龙华,周 鑫,张小可(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院,广西 桂林 541004)摘 要:目前文物保护工作中运用较多的是通过多角度多摄站摄影的方式进行数据采集用于逆向建模,但该方式所用时间较长、工作量较大,且经验要求较高,容易因数据采集不当造成后期三维模型出现纹理模糊、模型空洞、分层等情况,需要对被测文物进行二次采集。针对以上问题提出了一种三相位环绕采集技术对被测文物进行视频录制,并对视频匀分帧处理,将分帧图像用于建模。以广西桂林靖江王陵麒麟像为对象,论证三相位环绕视频匀分帧建模技术的优越性。结果表明,运用该技术所建三维模型精度较好,符合文物建模要求,采集时间减少 50%左右,操作简单且不易造成二次采集,在文物保护方面具有广泛应用前景。关键词:文物;三相位环绕;视频匀分帧;逆向重建;三维模型中图分类号:K878.8;P234.1 文献标志码:A0 引 言我国作为四大文明古国之一,历史文物数量庞大,其中不乏一些造型浑朴写实、气势雄厚大气的历史文物,且其普遍的特点是体积大、质量大、不易移动,如商周司母戊鼎、卢沟桥金代石狮等,少数已被博物馆收藏保护,大多数仍暴露于室外经受风雨侵蚀,亟需一种高效率高精度的数据采集方法对历史文物的三维形态、纹理细节进行采集留存,为保护与修复工作奠定基础。前期数据采集工作阶段作为整个三维模型重建工作中极为重要的一个阶段,对后期三维模型的精度有着决定性的影响,早期已有些许关于前期数据采集方法的研究1-6。李天子等提出了一种回转多基线法影像数据采集方式,在常规两摄站交向摄影的基础上增加摄站以获得完整影像,增加匹配可靠性,得到精度更高的三维模型7。郑顺义等提出一种数据采集方法是基于结构光原理获取文物表面密集点云数据用于建立三维几何模型,并用高分辨率相机获取文物表面纹理,将纹理与几何模型配准得到三维模型8。孙保燕等提出一种无人机与相机结合的空地双视角数据采集方法,添加少量过渡影像使无人机影像与地面照片自动匹配进行空中三角测量用于建模9。多项研究均讨论了摄影这一采集方式在三维模型重建中的作用10,为影像建模技术的发展提供了充足的动力,但少有通过摄像的方式进行数据采集的研究。本文在众多学者研究的基础上提出一种三相位环绕视频匀分帧三维建模技术,与以往的正直摄影采集相比:在竖直方向上增加两个相位以得到被测物俯角及仰角图像,获取更多细节;避免出现采集盲区,提高采集图像完整性;避免出现二次采集问题;通过摄像采集方式提高数据采集效率,减小数 收稿日期:2020-11-26 基金项目:广西创新驱动发展专项项目(桂科 AA19182023);广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻 1598019-8);广西研究生教育创新计划项目(YCSW2020164)作者简介:孙保燕(1962),男,教授级高级工程师,研究方向:非接触测绘、数字建造与 BIM 应用,sunbaoyan 。引文格式:孙保燕,覃禹程,韦龙华,等.三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用 J.桂林理工大学学报,2023,43(2):289-295.Sun B Y,Qin Y C,Wei L H,et al.Three-phase surround video equal-frame modeling technique in reconstruction of cultur-al relic reverse 3D model J.Journal of Guilin University of Technology,2023,43(2):289-295.据采集时间及工作量,进一步提高模型精度。1 影像建模技术概述1.1 影像建模原理基于影像的建模技术的依据是双目立体视觉原理,使用相机或摄像机对待测物体进行拍照或视频录制,获得相同被测物体的不同角度影像,不同角度影像之间具有相互重叠部分,即可通过影像之间相互重叠部分提取同名特征点进行初步稀疏匹配,构成立体像对以恢复影像之间相对位置关系。根据共线方程,摄影瞬间像点、投影中心、物点应处于同一直线上,两条同名光线与摄影基线符合共面条件,并根据共面方程恢复影像相对外方位元素,通过控制点将外方位元素与模型点解算至大地坐标下。用共线方程实现同名光线最佳交汇,进行光束法平差得到最佳外方位元素解以完成空中三角测量。稀疏匹配后进一步进行密集匹配获得密集点云数据以构建不规则三角网格,最后仍然通过共线方程将二维图像上的纹理空间点映射到三维模型空间点,得到带有丰富且真实色彩纹理的三维模型11。由此可见,共线方程如同“桥梁”一般,贯穿了从二维图像转换到三维模型的整个过程,共线方程是近景摄影测量中最基本的公式之一12。x-x0+x=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS);y-y0+y=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)。式中:X、Y、Z 为物点在物方空间的坐标;XS、YS、ZS 为摄点在物方空间的坐标;ai、bi、ci(i=1,2,3)为影像的 3 个外方位角元素组成的 9 个方向余弦;x、y为像点在像平面的坐标;x0、y0、f为影像内方位元素;x、y 为系统误差修正系数。1.2 多角度摄影采集中存在的问题多角度交向摄影采集影像用于建模,在大部分情况下能得到还原度精度较高的三维模型,但仍存在一些待解决的问题。在外业数据采集工作中,摄站的布置问题归根结底还是相邻影像之间的过渡问题:过渡太慢时,相片重叠度过高、相片数量过多,造成后期建模工作量增大且容易出现模型分层;太快时,相片重叠度不足,获取的特征匹配同名点较少导致无法拼接、关键细节位置照片角度不足,造成纹理模糊甚至模型空洞,并且很难通过后期内业处理进行影像补充,经常导致外业项目需要进行二次数据采集13-15,如图 1 所示。2 三相位环绕视频匀分帧建模技术三相位环绕视频匀分帧建模技术主要包括外业三相位环绕数据采集与内业视频匀分帧处理两部分。外业数据采集首先要对文物进行初步勘测,制定最佳采集方案,再通过 3 个相位环绕式摄像对被测物进行采集。内业数据处理需要对摄像所得视频进行分帧处理及图像筛选、畸变矫正后再导入三维建模软件进行建模,主要技术流程如图 2 所示。2.1 三相位环绕数据采集方式三相位环绕匀分帧建模技术是以倾斜影像建模技术为理论基础而提出的数据采集方式优化技术,以平行正视、低位仰视、高位俯视 3 个视觉角度作为相位对被测文物进行匀速环绕式摄像。摄像过程中应保持被测文物始终在成像平面的中心位置,视频匀分帧是以时间间隔为分帧条件进行分帧处理,为保证每张分帧图像间的间隔均匀,摄像时环绕式旋转移动应保持速度均匀,且移动速度不能过快,以免图像发生拖影而影响后期建模精度。2.1.1 初步勘测设置设备参数 数据采集前应先通过初步估算或测量等方法确定被测文物的占地面积、高度、形状、重点采集细节、采集难点等因素。图 1 多角度摄影所得模型中的问题Fig.1 Problems in multi-angle photographic models092桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年图 2 主要技术流程图Fig.2 Main technical flow chart根据现场光照条件情况设置快门时间、光圈和ISO。因外业数据采集一般在室外的场景中,光线相对充足,ISO 通常设置为 100,以保证图像质量足够细腻且噪点较少,设置光圈根据具体被测对象形状决定是否需要减小光圈以增加景深,确定光圈与ISO 后设置,为同时保证足够的成像清晰度和成像亮度,应尽量减小快门时间,避免成像中因抖动或移动速度快而产生拖影。因实验设备为配备多个定焦镜头的相机,采用定焦镜头手动对焦,往往在焦距较小时畸变像差反而不是十分严重;而采用大焦距镜头时,最终成像的畸变反而更加严重,因此在外业数据采集时如果能接近被测文物,应尽量选用较小焦距的镜头进行采集,在确定好定焦镜头焦距后不再进行调整,保证同一组影像焦距 l 相同,避免对三维重建结果产生影响16。根据感光元件 CMOS 尺寸 CMOSh or v、镜头的焦距可确定成像视野大小,进一步根据成像视野 Ch or v大小及被测文物大小确定最佳工作距离 L,4 个相关参数间的关系为10LCh or v=lCMOSh or v,其中,下标 h or v 表示水平或垂直方向。2.1.2 制定三相位环绕采集方案 根据初步勘测得到的数据规划采集方案。确定好参数后,根据工作距离与相机视野及相邻相位间重叠度要求确定三相位间距及相位间设备主光轴竖向夹角。三相位的中相位应位于被测物的高程中部测区高程范围内,并以靠近被测物半高程平面为优,设备主光轴对准被测物各测区中心;高相位应平行或略高于被测物的高程,向下倾斜保证被测物顶点及上半待测区处于视野内;低相位通常由于地面限制无法低于被测文物底面,则需要保证偏转角度适中,被测文物底面及下半测区位于设备视野内。每个相位视野间必须保证60%80%的重叠率,三相位环绕采集示意图如图 3 所示。此外,如若被测物周围场地较为平整,可使用可移动的竖直相机架,在竖直方向上使用 3台相机组成三相位相机阵列,根据计算好的相位间相机间距及偏转角度安装好相机,相机阵列同时曝光并进行数据采集任务,此方法可进一步提高采集效率,并保证相机姿态与采集方案一致。图 3 三相位环绕采集示意图Fig.3 Schematic diagram of three-phase surround acquisition2.2 内业视频匀分帧处理内业处理主要包括视频匀分帧及分帧图像筛选、畸变矫正。视频匀分帧通过视频处理软件实现,将录制的被测物二维影像视频导入视频处理软件,设定视频分帧起始与终止时间,以避免对多余影像进行分帧,最终出现建模影像组赘余,导致模型体量增大并延长建模时间的问题,分帧起点为第一相位开始运镜的时间点,终点为第三相位运镜停止时的时间点。分帧依据为时间间隔,根据采集方案确定的工作距离可计算出三相位环绕采集时的采集圆周长;根据圆周长及视频时长可计算出每个相位圆采集所用的时间;根据被测文物表面纹理与整体形状复杂程度选择每偏转 1020时进行一次分帧影像采集17。局部纹理或形状复杂区域可将分帧时间间隔缩短以达到影像加密使得该部位模型纹理或形状得到更好的还原。分帧结束后对影像进行筛选,去掉含有拖影图像,以免在建模解算过程中对模型精度产生影响。192第 2 期 孙保燕等:三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用2.3 三维模型重建匀分帧处理后得到被测文物影像组,影像组图像在经过畸变矫正后导入专业三维模型重建软件ContextCapture 建模。它可基于影像自动生成高精度三维模型的优秀实景逆向建模,并综合了数字影像、计算机视觉、图形学和图像处理的核心算法,无需相机检校、无需控制点,整个影像处理过程无论是影像定向或是三维模型重建都是自动化完成,能集群多台工作站对较大的建模任务进行分块处理,在大幅度提高建模效率的同时,得到带有精细色彩纹理的三维模型。3 实验过程3.1 实验器材数据采集设备为非量测相机索尼 6500,该相机有效像素约为 2 420 万,采用 APS-C 画幅 Exmor RS CMOS 积层式传感器及 Bionz X 图像处理器,能够进行高比特率 XAVC S 4K 视频录制,4K 录制时帧率可达到 25 f/s,动态影像有效像素约 1 420 万,并有五轴防抖。相机镜头型号为 Sony SEL20F18G 的20 mm 定焦镜头,手动对焦。通常在数据采集工作中使用 JPG 格式进行拍摄,大多用广角端拍摄,不易产生暗角,且镜头畸变并不严重,可通过后期软件进行畸变校正,镜头畸变对模型产生的影响极小,可用于外业数据采集作为三相位环绕视频匀分帧建模技术的前端准备工作。3.2 实验对象靖江王陵是国家级重点文物保护单位,是现存于世最大且保存最为完好的明代藩王墓群,选择靖江王陵墓群中八代墓遗址(共 24 个石像)中表面纹理较为复杂的麒麟守卫像作为具体实验对象,论证三相位环绕视频匀分帧建模技术的可行性及与以往多角度拍摄影建模相比的优越性。麒麟守卫像底座长 1.49 m宽 0.65 m高 0.32 m,上部略小于底座,像身高 1.78 m,有若干鳞片,由于自然风雨的侵蚀已变得有些模糊,像身下部与底座之间中空部分易成为拍摄盲区,如果拍摄时低相位仰角不足、旁向分帧角度过大,容易造成麒麟像腹部影像缺失而导致最终建成的模型纹理模糊。为保证最终三维模型有较高的还原度,需对该部分进行影像补充加密。3.3 外业数据采集根据数据采集现场情况,天气晴朗场景光照强度充足,设置 ISO 数值为 100 已满足采集需求。由于被测麒麟守卫像下腹部与底座之间存在一定的空隙,需要一定的景深保证前景和后景清晰度,因此光圈数值设置为 F/8。确定 ISO 数值及光圈大小后快门时间设置为1/100 s 时,成像清晰无噪点且亮度足够,能有效记录被测麒麟守卫像纹理细节。索尼6500 相机的 CMOS 大小为 23.5 mm15.6 mm,按照焦距 20 mm 及麒麟守卫像最大测面 2.10 m1.49 m 计算,确定以麒麟守卫像为中心的工作半径约为2 m,低相位离地距离 0.4 m,三相位之间相邻相位高差 0.85 m,低相位向上倾斜 10,形成仰视角度,中相位保持平行,高相位向下倾斜 10形成俯视角度,每个相位间视野重叠部分均达到 60%以上。由于被测麒麟守卫像下腹部与底座之间存在一定的空隙,在环绕 3 个相位进行采集后还需进一步从低相位匀速过渡,靠近麒麟守卫像下腹部区域进行细节补充加密,避免因影像缺失或清晰度不足产生纹理模糊及空洞。最终三相位环绕式数据采集所得视频时长为 2 min50 s,经检查,采集所得视频图像与规划方案一致,包含被测麒麟守卫像三维及纹理信息,信息完整充实可用于后期三维建模,三相位采集结果如图 4 所示。图 4 三相位环绕采集结果Fig.4 Three-phase surrounding acquisition三相位环绕式采集结束后,以同样的 ISO 数值、光圈大小、快门时间、焦距对麒麟守卫像进行拍照采集。采集方式选用文献1中所提出的多摄站多角度回转多基线法,在焦距不变的情况下工作距离增加至 2.5 m,按照确定的工作距离回转拍照,每隔10拍摄一张影像,并对麒麟守卫像下腹部进行仰拍补充加密。最终得到被测麒麟守卫像二维图像 38张,共用时 5 min40 s 左右,图像清晰且基本覆盖麒麟守卫像所有测区,可用于后期三维建模。不考虑前期调整相机参数与制定采集计划的时间,本文提出的三相位环绕式采集工作所用的采集292桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年时间约为 2 min50 s,而以往运用较多的多摄站多角度法(如本次实验的回转多基线法)所用的采集时间为 5 min40 s 左右,采集时间节约了 50%左右。采集效率一般通过采集时间及所得模型精度高低体现。本文方法在时间上已体现出效率有所提高,精度上将会在三维模型重建后进行分析。3.4 数据处理与三维模型重建采用 Adobe 公司开发的视频处理软件 After Effect 进行分帧处理。以视频第 2 秒为分帧时间起点,最后一秒为分帧终点,根据时长计算分帧时间间隔为 2.38 s,得到图像 71 张,约等于摄影采集每隔 18所采集的图像。对两组影像加以处理进行畸变矫正,矫正后的两组影像导入 ContextCapture 中,分别新建两个区块进行三维模型重建,最后所得的麒麟守卫像白膜及映射纹理后的模型如图 5 所示。可判断出,三相位环绕视频匀分帧建模与以往的多角度摄影建模相比,局部区域几何纹理有了进一步改善。对软件提供的三维模型重建过程中空中三角测量质量报告进行解读,三相位环绕采集分帧所得影像 71 张,共 597 M 像素,影像进行空中三角测量所得点云模型平均分辨率 0.007 58 单位/像素,影像组中检测到共 13 697 个连接点,多角度摄影所得影像 38 张,共 758 M 像素,影像进行空中三角测量所得点云平均分辨率0.008 76 单位/像素,影像组中检测到共 11 181 个连接点。平均分辨率越高,图像空间分辨率相应降低,在重建后得到的细节越少;相反的,连接点数越多,重建后模型所含纹理细节越多,模型精度越高。在实验过程中,三相位环绕摄像采集通过增加相位,进一步提高了采集所得数据的完整性,使得重建后的模型不会因影像缺失而导致空洞、纹理模糊的问题,且通过视频匀分帧的方式对所得影像进行处理,使所得影像之间的过渡更加均匀,不会出现局部影像内容过分堆砌造成模型分层。三相位环绕视频匀分帧建模技术所建出的模型整体完好,局部细节部位不存在纹理模糊及分层现象,如图 6 所示。4 精度对比分析评价三维模型质量的高低一般以三维模型精度作为评价标准,只有当精度达到一定标准时,才能更好地还原出被测文物所包含的形状与纹理等重要图 5 白膜、纹理、头部与尾部对比Fig.5 Comparison of white film,texture,head and tail parts信息。采用精度更高的 EaScan-Q 三维光栅扫描仪对麒麟守卫像进行多站式扫描,该扫描仪扫描精度可达 0.010.03 mm,平均采样点距为0.070.31 mm,扫描所得点云数据重建出的三维模型精度高于普通影像建模得到的三维模型。以多站式扫描并进行拼接处理后得到的点云进行建模,所得三维模型作为精度更高的检测真值,使用 Geomagic Qualify 软件与三相位环绕视频分帧建模所得模型、多角度倾斜摄影建模所得模型进行 3D 对比18,论证三相位环绕视频分帧建模所得模型精度是否达到城市三维建392第 2 期 孙保燕等:三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用图 6 传统数据采集技术所建模型(上)与三相位数据采集技术所建模型(下)对比Fig.6 Comparison between the models built by traditional data acquisition technology and three-phase data acquisition technology模技术规范(CJJ/T 1572010)要求以及是否优于多角度倾斜摄影所得模型。在 Geomagic Qualify 中设置 15 段颜色,分别将两种数据采集方式所得模型与三维光栅扫描所得模型进行 3D 比较,获得模型3D 偏差分析图 7 和点云偏差分布报告(表 1、表 2),图 7a、b 分别为三相位环绕采集所得模型、多角度摄影所得模型与激光扫描所得模型 3D 偏差对比图。三相位环绕采集所得模型点云数量处于偏差绝对值小于 0.150 mm 的偏差段占总数的64.140%,回转多基线采集所得模型点云数量处于偏差绝对值小于 0.152 mm 的偏差段占总数的 34.053%。3D 偏差分析得到的结果表明,三相位环绕视频匀分帧建模技术所得三维模型精度上略优一等,点云分布均匀,偏差较小,精度较高。参照 CJJ/T 1572010,文物模型细节按 LOD4 精细模型执行,各主要部位相对位置精度偏差不高于 5 mm,以三相位环绕式视频匀图 7 三维模型数据分析比较Fig.7 Analysis and comparison of 3D model data表 1 不同模型与激光扫描所得模型 3D 偏差对比Table 1 Comparison of 3D deviations among different models and models obtained by laser scanning模型名称偏差绝对值/mm点云数量/点总占比/%三相位环绕采集2.9972.5222.5222.0482.0481.5731.5731.0991.0990.6240.6240.1500.15002828151251 079118 021213 3760.0080.0080.0050.0380.32435.47664.140 多角度摄影2.0981.7741.7741.4501.4501.1251.1250.8010.8010.4770.4770.1520.152028822228 764205 929111 0240.0000.0030.0250.0682.68863.16234.053分帧建模技术所重建的麒麟守卫像三维模型精度符合文物建模及精度要求。5 结束语本文提出了一种三相位环绕式视频匀分帧建模技术,布设高、中、低 3 个相位及一定的竖向角度倾斜,对文物进行环绕式视频采集,采集得到的视频匀分帧处理后用于三维模型重建。以广西桂林靖江王陵八代墓麒麟守卫像作为实验对象进行建模,并与以往多角度摄影得到图像所建出的模型进行对比。实验结果表明:492桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年(1)三相位环绕式采集增加了俯视及仰视角度,能采集到更完整的被测文物信息,所得模型精度略优一等,能反映出被测文物更多细节。(2)三相位环绕式采集比以往多角度摄影采集节约一半时间,且操作简单,不容易因采集工作操作不当使后期模型产生纹理模糊、空洞、分层,有效避免了二次外业采集的发生,采集效率更高。综上所述,三相位环绕视频匀分帧建模技术有一定的可行性及优越性,为历史文物保护及修复工作提供了更多的参考方法,为中华民族历史文化传承工作添砖加瓦。参考文献:1 Zhang F,Huang X F,Fang W,et al.Texture reconstruction of 3D sculpture using non-rigid transformation J.Journal of Cultural Heritage,2015,16(5):648-655.2 李德仁,肖雄武,郭丙轩,等.倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用 J.武汉大学学报(信息科学版),2016,41(6):711-721.3 邓非,张祖勋,张剑清.利用激光扫描和数码相机进行古建筑三维重建研究 J.测绘科学,2007(2):29-30,176-177.4 赵煦,周克勤,闫利,等.基于激光点云的大型文物景观三维重建方法 J.武汉大学学报(信息科学版),2008(7):684-687.5 肖雄武.具备结构感知功能的倾斜摄影测量场景三维重建 D.武汉:武汉大学,2018.6 邱兆文,张田文.文物三维重建关键技术 J.电子学报,2008,36(12):2423-2427.7 李天子,邹友峰,刘昌华.回转多基线近景摄影测量文物建模研究 J.河南理工大学学报(自然科学版),2013,32(4):441-444.8 郑顺义,周漾,黄荣永,等.馆藏文物三维测量与重建方法研究 J.测绘科学,2014,39(7):76-79.9 孙保燕,杨正阳,陈款,等.融合航摄影像与地面照片三维重建技术在考古中的应用 J.科学技术与工程,2019,19(17):262-266.10 孙侏燕,周鑫,覃策程,等.非测量相机在异形文物三维模型重建中的应用 J.2022,42(2):450-454.11 芦彦霖.倾斜摄影测量实景三维模型构建及精度分析D.徐州:中国矿业大学,2019.12 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voids,and layering in the later 3D model require secondary collection of the measured cultural relics.A three-phase surround acquisi-tion technology is proposed in this paper to record the video of the measured cultural relic,by processing the video evenly into frames.The framed images are used for modeling.The Kylin statue of Jingjiang Kings Mauso-leum in Guilin is taken as the experimental object to demonstrate the superiority of the three-phase surround vid-eo uniform frame modeling technology.The results show that the accuracy of 3D model built with this technology is slightly better,which meets the accuracy requirements of cultural relic modeling,the collection time is re-duced about 50%.The operation is simple and without much secondary collection.It has broad application prospects in cultural relics protection.Key words:cultural relic;three-phase surround;video frame splitting;reverse reconstruction;3D model(编辑 李亚静)592第 2 期 孙保燕等:三相位环绕视频匀分帧建模技术在文物逆向三维模型重建中的应用