壁画照片采集的分区块方法研究

华 巍，胡云岗，侯妙乐，张学东

(北京建筑大学，北京 102616)

0 引 言

壁画是绘在建筑物的墙壁或天花板上的装饰性图画，是古今中外历史上最悠久的一种绘画形式[1]。古代壁画不仅是艺术珍宝，而且在研究古代社会结构、人民生活等诸多方面都有重要的历史意义和价值。但由于年代久远，壁画的制作工艺和所处环境的影响使壁画产生了不同程度的各种类型病害。加上出土时不可避免地人为损害，很多壁画的画面内容已经残缺不全，画面图像承载的珍贵信息受到损失，也不利于壁画的展示和欣赏。为了能更好地修复和保存这些壁画以供人们欣赏和研究，研究壁画的数字化保护具有重要的意义[1-3]。

近些年文物数字化保护技术发展迅猛，用近景摄影测量和计算机图像处理技术可以很精确地恢复壁画的三维空间信息，从而达到保护和永久地数字化贮存壁画文物的目的。同时也为古代珍贵文物的保护、复原与研究提供了新的手段。当前的主流数字化采集设备可分为两大类，一是大平台扫描仪设备，它较为成熟，但画幅不可能很大，尺寸受到限制，对古壁画信息采集意义不大。二是架设数码相机，通过分块采集后在电脑拼接，以完成整个壁画数字采集过程。其中第二种采集方式，可以使用非量测数码相机作为数据采集工具，配合相应的数据处理软件制作。大大降低了外业数据采集成本，且具有工作效率高、设备易操作、受环境限制小等特点[4-6]。

但由于壁画所处地质环境、光线、场地大小等因素限制，壁画数字照片的采集往往会出现单张照片形变过大，照片曝光度不足或者过度曝光，照片残影，相邻区块照片的重叠度不足，照片色彩与实际文物偏差过大，照片分辨率不足等问题[7-9]。前期数据采集的不合格，会使得文物数字化资料严重失实。本文针对现今壁画数字化前期数码照片采集中出现的问题，进行了深入研究，并对出现的问题提出了解决方案，总结出了一套对于壁画文物数字化照片采集的“分区块”照片采集新方法。该方法整体流程如图1所示，从壁画照片采集前的准备、采集的过程，以及采集完毕后对数据的检查、后期处理和应用等方面进行了改进。对提高壁画数字化照片采集的质量、效率有着显著的作用。

图1 壁画照片采集流程Fig.1 The mural photo collection process

1 器材选择与现场踏勘

1.1 器材选择

1.1.1 相机选择

照片的输出分辨率简称DPI（dot per inch），指在每英寸（1英寸约等于2.54 cm）长度内的像素数。DPI越大，代表照片精细度越高。对于壁画的数字化照片信息采集，采样分辨率不低于300 DPI。设传感器输出像素为a×b，实际场景尺寸为A×B，DPI大小为D。在确定了采集的精度标准后，实际场景的尺寸A=(a/D)×2.54；B=(b/D)×2.54（单位均为cm）。

综合考虑，本次研究选择了尼康公司生产的D810数码单反相机进行壁画采集，该数码相机传感器尺寸为全画幅（135画幅），有效像素3615万，传感器输出像素最大尺寸为7 360×4 912，若每张照片精度控制在300DPI，则每张照片所采集的实际场景尺寸不能超过62 cm×42 cm。

在采集照片前，应先调整好数码相机内部参数。文件记录方面，为保证最佳像素，设置RAW+JPEG格式来记录原始数据，并将JPEG图像尺寸调至最大，RAW位深度不低于12 bit；为减小采集照片的噪点，感光度ISO一般设定小于等于100；为保证整幅照片的清晰，调节光圈在F8～F16之间，且避免使用最小光圈；为避免画面抖动造成的重影，当手持采集时，应持稳相机，快门速度不低于1/160 s；在使用脚架或滑轨辅助采集时，快门速度不低于1/100 s；为保证白平衡的统一，采用自定义白平衡模式。即采集贴近采集区块表面的18%中性灰卡，利用计算机或数码相机内置的分析软件设定自定义白平衡[10]。

1.1.2 镜头选择

由于定焦镜头成像素质突出，一般选取定焦镜头采集壁画照片且要求最大程度减小照片的镜头畸变。通常情况下，50mm定焦镜头以其几乎无畸变的优异特性、极高的成像素质以及适当的价格水平，成为壁画数字化照片采集的首选[11]。

1.1.3 灯光选择

在使用灯光时，需要选择带有柔光罩的闪光灯，或者带柔光板的LED常亮灯等外置光源。外置光源要求具有高显色性（CRI＞96）、较为稳定的色温（色温5 500 K±10%以内），和较为稳定的亮度输出一致性（多次输出亮度差异＜2%）。一般常见的灯光有摄影棚外拍闪光灯、相机机顶闪光灯、手持式LED常亮光源等。在采集时，应给外置光源加装专用柔光罩（箱），以确保光线柔和，不会在被摄文物表面反光，产生光斑影响照片采集质量。

需要注意的是，应注意调节外置光源亮度使光线均匀，过亮的光源会对文物造成危害。使用辅助光源时应使用泛光，让光线均匀柔和，避免出现过亮的光斑。同时为了保证色温稳定，应使用同型号的同种光源。

1.1.4 色卡选择

受不同光源色温不同的影响，采集的照片可能存在偏离正色等问题。使用色卡可以保证在同一色温条件下，还原照片正确的颜色而不受外界光源的影响。业内普遍采用孟塞尔色彩体系（Munsell color system）的矩形彩色标板，如：X-rite公司生产的ColorChecker Passport色卡，并配合同名ColorChecker Passport校色软件进行后期校色处理。在对壁画进行照片数据采集时，应调节相机各项参数，使得画面曝光均匀。一般先放置ColorChecker Passport色卡来采集每区块的第一张校色照片，如图2所示。色卡应在画面的中心位置，并保证占50%左右的画面比率，以便调色软件ColorChecker Passport可以轻松识别色卡并校正颜色。如图3所示，在每行或每列的中间采集区块、整幅壁画中心采集区块和四个角落采集区块时，应先按照色卡摆放标准放置色卡采集，之后移开色卡，采集该区块正射影像。

1.1.5 其他工具的选择

图2 色卡数据的采集Fig.2 The color data collection

图3 色卡摆放位置示意图Fig.3 Color card location diagram

在大型文物的采集中，为了保证画面的重叠度一致，以及减少因手持产生的画面抖动、残影，常使用三脚架、滑轨、快门线作为辅助摄影器材。在布设三脚架和滑轨时，应确保三脚架底部支撑稳固，必要时可以使用胶枪对架腿着地点进行固定。滑轨应保证轨道水平，相机滑动平顺。选择滑轨的长度应尽可能最大限度地满足文物的大小，避免多次移动滑轨造成照片采集精度降低。

1.2 现场踏勘

由于壁画所处地理环境、地质背景等自然环境比较复杂，常常会受到雨水、风沙的侵蚀以及强光照射的威胁，有时地震也会给壁画带来毁灭性的破坏。

根据壁画所处环境的光照条件不同，一般分为室内壁画，如寺庙内、墓葬内壁画等；和户外壁画，如崖壁、寺庙外墙壁画等。在户外采集壁画照片时，应选择光照条件好，色温变化不大的时间段采集，避免在光比较大的时刻（如正午）采集。可以选择多云或者阴天的天气采集、或者在清晨太阳不强烈的时刻采集，避免阳光直射或阳光产生的阴影对画面的影响。当采集照片环境在室内时（如寺庙内佛像照片采集），需要按前述标准增加色温稳定、亮度稳定的灯光来确保光照条件适宜。

2 壁画照片“分区块”采集

壁画数字化照片采集目前采用矩阵式高清晰数字摄影法（又称正直多基线高清晰数字摄影法）进行精确采集，结合空间测量技术提供尺寸校准。为保证大幅面壁画的采集精度，本文采用“分区块”采集法，其具体流程如图4所示。

图4 壁画采集流程图Fig.4 The mural collection flow chart

1）依水平和垂直方向将被采集壁画分隔为大小相同的若干个采集区块（壁画尺寸较小时可以整体看做是一个区块），后期处理软件（如业内常用的Photo Scan）要求相邻采集区块有50%以上面积重叠[12-14]。考虑到有些镜头会在照片边缘产生畸变，后期需要裁剪，前期照片采集重叠度一般提高到70%左右。区块大小由所用的数码相机传感器有效像素和要求的采集分辨率确定。

2）调整灯光，使用泛射光采集壁画照片。调节光照方向与壁画夹角大于45°，被采集区块应被泛射光均匀照亮，区块内各点的亮度差异小于10%，至适合亮度和光照角度，以采集对象均匀曝光，主体无阴影为标准[15-17]。然后设置相机参数，调整数码相机的位置和角度，使数码相机传感器与水平面成0°，数码相机主光轴垂直于壁画表面，或垂直于成像中心区域壁画表面的切面，光轴垂直对准第一个采集区块中心，保证采集区块影像充满数码相机取景范围。

3）在每行或每列的中间采集区块、整幅壁画中心采集区块和四个角落采集区块，应先按照色卡摆放标准放置色卡采集，之后移除色卡，采集该采集区块正射影像。之后按每个采集区块所处位置编号，采用“S”型路线采集照片，并保证每次镜头在水平和垂直方向上的移动距离相同，精确控制画面重叠率。

4）将采集平台（滑轨）平移，使数码相机的主光轴对准下一采集区块，并核对数码相机参数，与被摄画面角度、距离关系，再次采集色彩校准文件。此时灯光应根据采集区块的变化相应发生移动。按照事先设定好的采集顺序，重复上述操作，直至壁画照片采集完成。若采集过程中，数码相机参数，与被摄画面角度、距离关系需要改变时（如壁画前有遮挡），则应重新调整数码相机，达到采集标准后继续采集。

5）开始采集壁画照片时，应做好采集记录。包括数码相机参数，与被摄画面角度、距离关系、灯光亮度等。若壁画本体被严重遮挡，或其不具备正射采集条件时，应采集尽可能接近正射角度的侧射影像，并对这些非正射照片做出相应记录。后期通过软件进行透视校正，生成近似正射影像的校正影像。

3 壁画照片的数据检查与处理

3.1 壁画照片数据检查与筛选

照片数据采集完毕后，应首先对照片数据进行粗筛，删除模糊不清的、曝光度与其他照片严重不符的照片。然后进行分辨率检查，使用相同数码相机正射采集如图5所示分辨率标板。采集完成后，将影像放大100%观测。按观测线一次对比周边区域数字与中心区域数字的精细度，在观测线上分别标出符合壁画数字化照片采集分辨率的位置，并将每一侧的标注点依次连接。连接区域内即使本区块照片的合格取用范围，并按照连接区域范围使用Adobe公司的PhotoShop软件进行裁剪，裁除区域外分辨率不佳的部分，保留画面中心成像合格的部分，并做匀光处理[18]。

然后利用X-rite公司的ColorChecker Passport软件和Adobe公司的LightRoom软件对已经检查合格的照片文件进行颜色校准，整个采集过程应采用统一的色彩管理文件。

图5 分辨率标板Fig.5 Resolution standard card

3.2 壁画照片畸变矫正算法

经过数据检查与筛选后的壁画照片仍存在不同程度的畸变，这是因为数码照相机的成像原理可以近似看作小孔成像，设定通过小孔成像得到的照片为理想照片，记为f(x,y)，由于在实际采集壁画照片时使用的光学镜头与理想的小孔成像模型不完全一致，因此会产生照片畸变，记为g(x,y)。假设理想照片中的点(x,y)在畸变照片中对应坐标为(x',y')，则两者之间的映射关系为：

利用多项式来近似这两个函数，假设多项式次数为k，则有

为了确定多项式系数,在理想图中找N个点(x1,y1),(x2,y2)，…，(xN,yN)，这些点称为约束点,它们在畸变图中对应的坐标分别为(x'1,y'1),(x'2,y'2)，…，(x'N,y'N)，基于这N对约束点数据用最小二乘法可以求解出式（2）中的参数，从而确定坐标映射关系。

对于理想照片中的一点，利用式（2）可得到它在畸变照片中对应的位置,然后使用灰度插值的方法即可得到该点的颜色（或者灰度）。对理想照片中的每一点做这样的处理，就完成了图象的几何畸变矫正[19]。

最后可将矫正好的照片文件导入PhotoScan软件，生成彩色模型，并渲染出正射影像。也可直接在PhotoShop软件内进行拼接，输出正射影像图。

4 实验论证

依据本文得出的基于数字化保护的文物照片采集方法，使用尼康D810数码单反相机，配合50mm定焦镜头，对北京某寺庙壁画进行了数字化照片采集。如图6a是采集的未经校色的原始文件，图6b是在使用X-rite公司的色卡并配合ColorChecker Passport软件校色后的照片文件。对比发现，图6a未经校色前，整体色温偏低，直观感受为照片色彩偏黄。图6b校色后的文件色彩还原度极高，能够真实地反映出所采集物体的原始色彩，达到了基于数字化保护文物照片的采集标准。

图6 照片校色前后的对比Fig.6 Contrast before and after color correction

图7 a是使用50mm定焦镜头采集的壁画照片整体，图7b是使用50mm定焦镜头采集并矫正后的壁画照片整体右下角红框处边缘画质放大图，由图7b可知，50mm镜头的画质分辨率极高，照片经几何矫正后边缘没有明显的畸变。图8a是在相同条件下使用24mm定焦镜头采集的未矫正的壁画照片整体，仅中心画质理想。图8b是图8a右下角红框内的边缘画质放大图，但从图中可以看出边缘画质模糊，有明显桶形畸变，需要对照片进行裁切并矫正后使用。

图7 使用50mm定焦镜头采集的壁画照片Fig.7 Using 50mm fixed focus lens collect mural photos

图8 使用24mm定焦镜头采集的壁画照片Fig.8 Using 24mm fixed focus lens collect mural photos

综上所述，在采集基于数字化保护的文物照片时，采用本文所述的“分区块”采集方法，可以提高照片数据的采集质量，达到文物数字化保护所需照片的标准。而普通的采集方法难以达到所需的技术标准，不宜作为基于数字化保护的文物照片的采集方法。

5 结束语

随着文物数字化和虚拟修复技术的推进，数字照片的采集是未来文物数字化保护与修复的基础。又由于利用二维数字照片直接制作三维数字模型和输出数字正射影像图具有操作方法简单灵活、制作成本低、工作效率高的优势，具有很好的推广应用前景。因此，文物照片的采集在文物数字化保护与修复过程中具有非常重要的作用。本文以北京某壁画文物为例，配合常见的尼康D810数码单反相机，研究了对壁画进行文物数字化前期“分区块”数字照片采集的方法。利用本文所述的“分区块”方法进行文物数字化前期数据采集，可以提高数字照片采集的成功率，而且也可以提高三维数字模型和数字正射影像图的精度。