3D模型建置技術與考古學應用(上)

撰文/李怡萱 (2019/10/01)

  隨著網路普遍性及攝影影像品質的提升,許多提供線上導覽服務的博物館,讓民眾透過網路平台就如親臨博物館般跟隨館員導覽的動線,但同樣都是隔著櫥窗觀賞靜置的歷史文物,已無法滿足大眾對文物的好奇心。展示文物3D模型以提高民眾與文物互動性是普遍熟知的方式,而本計畫「3D考古文物櫥窗」裡的模型是怎麼建置的呢?先從目前常見的3D建模方式說起,再一探究竟吧!

  市面上最常見的3D建模需求就屬工業自動化生產所用的雷射掃描儀,利用高密度雷射光束返還的資訊,紀錄目標物的表面型態。為使目標物的外型能達到量化生產的狀態,建模的精度要求甚高,研究與醫學領域上亦被廣為應用,由於工業化自動生產僅需要精確的外型,多數是以原料直接列印、雕刻出的商品,不需模型外觀的色彩資訊。

  然而,沒有表面色彩的3D模型,無法滿足使用者對這個物件的想像,日前由史前館主辦的「文化x科技:文化資產3D技術應用國際工作坊」,便展示兩種記錄色彩的3D建模儀器:空拍機及光達掃描儀。 
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文化x科技:文化資產3D技術應用國際工作坊」於八仙洞遺址實際操作的掃瞄儀器
  
  空拍機利用攝影測量原理(Photogrammetry),依事先設定好的空拍範圍完成航拍任務後,由搭載的相機及陀螺儀所紀錄影像拍攝當下的姿態角,計算相機內外方外參數,進而透過影像匹配獲取共軛點以拼接地景的3D模型,在天候穩定的狀況下得以即時且快速的獲取所需範圍的地表資訊,軟體解算的航拍過程及成品如圖。

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文化x科技:文化資產3D技術應用國際工作坊」空拍機廠商發表的地景3D模型建置流程


  而光達掃描儀,透過雷射掃描設備和相機鏡頭的結合,將高精度的模型資訊及相機獲取的色彩資訊合併,小至文物大至遺址範圍,分為手持式及基站式不同搭載方式,可完整呈現目標物的立體模型。相較於攝影測量法,光達掃描遺產製的3D模型精度高,符合學術領域研究分析的需求,惟儀器在保存維護、軟體操作時程及解算模型所需硬體等成本較前者高。

  講了這麼多,是否好奇本計畫到底是用什麼方式拍攝呢?相對於高成本光達掃描儀,本計畫同空拍機利用近景攝影測量原理,同時獲取色彩及目標物外型的技術,將相機或手持裝置的拍照功能拍攝目標物多角度的影像數值化,經由影像匹配解算相機內外方位參數獲得目標物在各影像中的相對位置及共軛點,由共軛點匯集成的點雲集結成密集的不規則三角網,再貼上各影像中的色彩資訊,完成3D模型的紋理貼圖。
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本計畫近景攝影測量原理建置文物3D模型之各階段示意圖
 
  近景攝影測量與光達掃描儀的建置原理不同,光達掃描儀對目標物的模型精度取決於光束的密集程度與測距精度,而近景攝影測量僅仰賴取用影像及後續解算的相機參數。因此,除了文物本身材質、型態的限制外,本計畫建置3D模型的擬真與否取決於影像品質,除了相機設備的畫素要求,需搭配良好的拍攝環境,例如:依材質加入適當自然光源的輔助、依文物外型搭配相應的拍照方式,達到多角度拍攝色彩一致性並兼顧文物拍攝時必要的保護措施。
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本計畫建置文物3D模型之影像拍攝
 
  3D模型除了可將文物的全貌展示在網路平台,上個月的(考古大菩薩出差啦),提供更多3D模型在文化資產維護保存的延伸用途,欲知更多3D模型在考古學研究的應用,請待下集分曉!
 
參考書目:國立臺灣史前文化博物館主辦,《文化x科技:文化資產3D技術應用國際工作坊手冊》,臺東:國立臺灣史前文化博物館,2019年。 

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