器物3D影像建置流程

出自 TELDAP
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前言

國立故宮博物院為更完整呈現與保存本院文物之全貌及精緻特性與開創未來加值應用之機會,自92 年起建置3D 數位攝影系統,針對毛公鼎、轉心瓶、雕橄欖核小舟、翠玉白菜及象牙球等五項精美文物進行3D 影像的拍攝,以期讓大眾以多元的方式認識故宮精美之文物。以下針對本院目前器物3D 影像建置的流程做一說明:

3D立體環物設備初始化

本院所使用3D 環物攝影系統組件主要有相機旋臂控制裝置(控制器物旋轉裝置及垂直相機旋臂之轉動)、器物旋轉裝置(負責360 度水平旋轉器物角度)、垂直及水平相機旋臂(相機旋臂控制裝置控制垂直相機旋臂,帶動水平旋臂上下之移動以進行拍攝)、相機(負責擷取器物影像)、相機雲台(連結相機與相機水平旋臂,固定及調整相機角度之用)、個人電腦及影像控制與合成軟體。

3D 立體環物設備中的任一組件初始化安裝角度的控制均會影響下一組件,進而影響到拍攝的角度;拍攝角度不精確將直接影響到最後影像合成的3D 成效,故於每一個組件安裝時皆必須使用垂直水平儀測量並仔細校對相關角度。茲將3D 立體環物設備組件的初始安裝步驟與相關校對條列說明於下:

1. 相機旋臂控制裝置連線:安裝相機旋臂控制裝置之電源線,並利用資料傳輸線(RS-232) 連結電腦及相機旋臂控制裝置,進而使用電腦軟體 (Object Master) 來下達指令予相機旋臂控制裝置,達到設定或調整器物旋轉裝置及垂直相機旋臂之轉動之目的。

2. 垂直旋臂接頭校對:利用電腦軟體 (Object Master)及垂直水平儀來初始旋臂接頭如圖一所示,為確保拍攝時能精確的擷取不同角度的器物影像,故一開始的旋臂架設,甚至於旋臂接頭皆必須利用垂直水平儀測量角度,必要時利用電腦軟體(Object Master)來加以校正,以確保架設垂直旋臂前旋臂接頭為垂直狀態。

圖1:初始旋臂接頭.jpg

3. 垂直相機旋臂架設及校對:預先取得器物尺寸等相關資料,視拍攝器物大小選擇適當的垂直旋臂,依器物大小決定安裝的位置,並利用U 型環將其初步固定,如圖二所示:

圖2:初始垂直旋臂.jpg

接著,利用電腦軟體 (Object Master) 將垂直相機旋臂調整至水平,使用垂直水平儀,測量垂直旋臂上水平旋臂固定接頭,如下圖三及圖四,必要時鬆開U 型環轉動垂直旋臂,確保此時之垂直旋臂上的水平旋臂固定接頭為水平,而後確實固定垂直旋臂U 型環。

圖3圖4:初始垂直旋臂上的水平旋臂固定接頭.jpg

4. 水平相機旋臂架設及校對:將水平相機旋臂保持水平且視拍攝器物大小決定固定於垂直旋臂上的水平旋臂固定接頭的位置,固定水平旋臂,固定後再次利用垂直水平儀測量水平相機旋臂角度,確保水平旋臂水平固定於垂直旋臂之水平旋臂固定接頭上,如圖五及圖六所示。

圖5圖6:確保水平旋臂固定於垂直旋臂之水平旋臂固定接頭上.jpg

5. 器物旋轉裝置架設:依拍攝器物大小選用適當的轉盤,並連接傳輸控制線至相機旋臂控制裝置,且器物旋轉裝置之轉盤中心點位置必須與垂直旋臂接頭中心成ㄧ水平線。

6. 相機雲台架設及校對:雲台架設位置與器物旋轉裝置之轉盤中心點位置及垂直相機旋臂接頭中心必須成90 度。相機架設相機雲台於水平旋臂之上,並利用相機雲台上水平(控制雲台之水平角度)及垂直控制螺絲(待與相機相接後可用於調整相機垂直之角度)控制雲台之水平及垂直之角度。雲台架設時須保持水平,亦即必須利用垂直水平儀測量水平雲台架設時水平之角度,而後才固定雲台水平控制螺絲,垂直控制可待與相機相接後一併調整。

7. 相機架設及校對:我們採用的相機為Nikon D100,由於相機架設於雲台上後會產生一個約10 度垂直的角度,而之前水平旋臂及雲台裝設時都是以水平0 度為基準,故為了校對固定於相機雲台之相機鏡頭的垂直角度,必須利用電腦軟體 (Object Master) 將水平旋臂往下放10 度(之後將以垂直-10~80 度所示進行拍攝,若將相機角度加上可正好拍攝0~90 度的影像),如圖七之示意圖。

圖7:相機及拍攝角度示意圖.jpg


而後利用固定於相機上之垂直水平儀及雲台上垂直控制螺絲調整相機的垂直的角度,此時相機必須處於水平0 度且垂直的狀況,即同如圖八及圖九所示。

圖8圖9:確保相機處於水平且垂直的狀況.jpg

器物擺設及試拍

1. 中心點定位及試拍相機:3D 立體環物設備初始化時相機雲台位置與器物旋轉裝置之轉盤中心點及垂直相機旋臂接頭中心必須成90 度(此為未架設相機時的初步環境設定),若各組件於架設時均已精確的掌控角度的控制,此時架設相機以旋臂垂直80 度角進行試拍轉盤中心點(加上相機角度10 度正好為90 度),轉盤中心點必定落於電腦軟體 (Object Master)的影像顯示區正中央,如圖十所示,亦即此時相機鏡頭中心、轉盤中心及垂直旋臂接頭中心三點形成一直角三角形。若非如圖十一所示,則必須細部調整移動器物旋轉裝置,使試拍後的轉盤中心點落於影像顯示區中的正中央。

圖10:轉盤中定位圖11:轉盤中心未定位.jpg


2. 器物旋轉裝置高度調整:擺放器物於物旋轉裝置上,利用器物旋轉裝置下端的油壓裝置加以調整高度,同時以相機水平試拍,使器物的成像上下端位於鏡頭的上下邊緣中心,亦即成像位於電腦軟體相關輔助線的上下中心。

3. 器物微調:待旋轉裝置高度調整後,調整器物中心放置於旋轉盤底部中心,並以相機垂直試拍,同時利用電腦軟體之輔助線加以微調器物擺設位置,使器物位於鏡頭中心,如圖十二及圖十三所示。

圖12圖13:器物微調.jpg

4. 燈光設定與拍攝:垂直旋臂設定為80 度,並擺設現場燈光,如圖十四所示,同時試拍,待現場燈光師及攝影師確認現場燈光及影像於電腦畫面上呈現皆達一定水準後,便可進行第一階段的拍攝。利用軟體設定自動拍攝的角度,由垂直旋臂80 度開始進行第一階段的拍攝,配合器物旋轉裝置360 度拍攝,設定每10 度拍攝一張。垂直角度將由80 度以每10 度為一個階段的方式向下進行直到-10 度,每一個階段間皆會視狀況及光線的連續性及反射性適時的調整打光的方式,進行一個階段後便會暫停,待現場燈光師及攝影師確認燈光及影像後繼續拍攝。

圖14:燈光設定.jpg


正式拍攝

利用電腦軟體控制拍攝的角度,並配合現場燈光的適度調整,進行垂直80 ~-10 度(計10 個角度)及水平360 度(每10 度一張,計36 張),總計一個器物將產生360 張的正拍影像,且視需求拍攝局部特寫影像。

偏移拍攝

為了能呈現出3D 立體的特殊影像,除了依設定的角度進行正拍器物外,還必需水平偏移相機位置進行偏移拍攝。產生各360 張具有視差效果的左右影像,且利用影像軟體 (JPS Builder) 合成左右眼影像進而產生立體影像,之後利用3D播放軟體及搭配3D立體眼鏡或直接以裸視特殊螢幕即一種可將左右眼所接受視線個別獨立分離的視差螢幕 (Parallax Barrier) ,便可看到「浮出」螢幕之外3D視覺效果。故我們於正拍完器物的所有角度後,便直接採原始正拍角度設定值接續進行單機偏移拍攝,偏移的方式為直接於水平相機旋臂上水平偏移雲台及相機位置約7cm~10cm。

影像合成

以相機所拍攝的器物左右影像以影像軟體 (JPS Builder) 加以合成JPS 立體影像檔,如下圖十五到十七所示,且當使用者要觀賞 3D 影像時,便透過JPS Viewer 來播放,同時配合3D 立體眼鏡來呈現立體的器物影像。

圖15:器物之左右影像圖16:左右影像合成圖17:合成後的3D影像.jpg

參考資料

參與研發單位:國立故宮博物院

提供單位:國立故宮博物院

使用單位:國立故宮博物院