器物3D影像建置流程

Iloy

1. 前言
国立故宫博物院为更完整呈现与保存本院文物之全貌及精致特性与开创未来加值应用之机会，自92 年起建置3D 数字摄影系统，针对毛公鼎、转心瓶、雕橄榄核小舟、翠玉白菜及象牙球等五项精美文物进行3D 影像的拍摄，以期让大众以多元的方式认识故宫精美之文物。以下针对本院目前器物3D 影像建置的流程做一说明：
2. 3D立体环物设备初始化
使用3D 环物摄影系统组件主要有相机旋臂控制装置（控制器物旋转装置及垂直相机旋臂之转动）、器物旋转装置（负责360 度水平旋转器物角度）、垂直及水平相机旋臂（相机旋臂控制装置控制垂直相机旋臂，带动水平旋臂上下之移动以进行拍摄）、相机（负责撷取器物影像）、相机云台（连结相机与相机水平旋臂，固定及调整相机角度之用）、个人计算机及影像控制与合成软件。
3D 立体环物设备中的任一组件初始化安装角度的控制均会影响下一组件，进而影响到拍摄的角度；拍摄角度不精确将直接影响到最后影像合成的3D 成效，故于每一个组件安装时皆必须使用垂直水平仪测量并仔细校对相关角度。兹将3D 立体环物设备组件的初始安装步骤与相关校对条列说明于下：
1. 相机旋臂控制装置联机：安装相机旋臂控制装置之电源线，并利用数据传输线(RS-232) 链接计算机及相机旋臂控制装置，进而使用计算机软件 (Object Master) 来下达指令予相机旋臂控制装置，达到设定或调整器物旋转装置及垂直相机旋臂之转动之目的。
2. 垂直旋臂接头校对：利用计算机软件 (Object Master)及垂直水平仪来初始旋臂接头如图一所示，为确保拍摄时能精确的撷取不同角度的器物影像，故一开始的旋臂架设，甚至于旋臂接头皆必须利用垂直水平仪测量角度，必要时利用计算机软件(Object Master)来加以校正，以确保架设垂直旋臂前旋臂接头为垂直状态。

图一、初始旋臂接头

3. 垂直相机旋臂架设及校对：预先取得器物尺寸等相关数据，视拍摄器物大小选择适当的垂直旋臂，依器物大小决定安装的位置，并利用U 型环将其初步固定，如图二所示：

图二、初始垂直旋臂

接着，利用计算机软件 (Object Master) 将垂直相机旋臂调整至水平，使用垂直水平仪，测量垂直旋臂上水平旋臂固定接头，如下图三及图四，必要时松开U 型环转动垂直旋臂，确保此时之垂直旋臂上的水平旋臂固定接头为水平，而后确实固定垂直旋臂U 型环。

图三、图四 初始垂直旋臂上的水平旋臂固定接头

4. 水平相机旋臂架设及校对：将水平相机旋臂保持水平且视拍摄器物大小决定固定于垂直旋臂上的水平旋臂固定接头的位置，固定水平旋臂，固定后再次利用垂直水平仪测量水平相机旋臂角度，确保水平旋臂水平固定于垂直旋臂之水平旋臂固定接头上，如图五及图六所示。

图五、图六 确保水平旋臂水平固定于垂直旋臂之水平旋臂固定接头上

5. 器物旋转装置架设：依拍摄器物大小选用适当的转盘，并连接传输控制线至相机旋臂控制装置，且器物旋转装置之转盘中心点位置必须与垂直旋臂接头中心成ㄧ水平线。
6. 相机云台架设及校对：云台架设位置与器物旋转装置之转盘中心点位置及垂直相机旋臂接头中心必须成90 度。相机架设相机云台于水平旋臂之上，并利用相机云台上水平（控制云台之水平角度）及垂直控制螺丝（待与相机相接后可用于调整相机垂直之角度）控制云台之水平及垂直之角度。云台架设时须保持水平，亦即必须利用垂直水平仪测量水平云台架设时水平之角度，而后才固定云台水平控制螺丝，垂直控制可待与相机相接后一并调整。
7. 相机架设及校对：我们采用的相机为Nikon D100，由于相机架设于云台上后会产生一个约10 度垂直的角度，而之前水平旋臂及云台装设时都是以水平0 度为基准，故为了校对固定于相机云台之相机镜头的垂直角度，必须利用计算机软件 (Object Master) 将水平旋臂往下放10 度（之后将以垂直-10～80 度所示进行拍摄，若将相机角度加上可正好拍摄0~90 度的影像），如图七之示意图。

图七、 相机及拍摄角度示意图

而后利用固定于相机上之垂直水平仪及云台上垂直控制螺丝调整相机的垂直的角度，此时相机必须处于水平0 度且垂直的状况，即同如图八及图九所示。

图八、图九 确保相机处于水平且垂直的状况

3. 器物摆设及试拍
1. 中心点定位及试拍相机：3D 立体环物设备初始化时相机云台位置与器物旋转装置之转盘中心点及垂直相机旋臂接头中心必须成90 度（此为未架设相机时的初步环境设定），若各组件于架设时均已精确的掌控角度的控制，此时架设相机以旋臂垂直80 度角进行试拍转盘中心点（加上相机角度10 度正好为90 度），转盘中心点必定落于计算机软件 (Object Master)的影像显示区正中央，如图十所示，亦即此时相机镜头中心、转盘中心及垂直旋臂接头中心三点形成一直角三角形。若非如图十一所示，则必须细部调整移动器物旋转装置，使试拍后的转盘中心点落于影像显示区中的正中央。

图十、转盘中心定位                                    图十一、转盘中心未定位

2. 器物旋转装置高度调整：摆放器物于物旋转装置上，利用器物旋转装置下端的油压装置加以调整高度，同时以相机水平试拍，使器物的成像上下端位于镜头的上下边缘中心，亦即成像位于计算机软件相关参考线的上下中心。
3. 器物微调：待旋转装置高度调整后，调整器物中心放置于旋转盘底部中心，并以相机垂直试拍，同时利用计算机软件之参考线加以微调器物摆设位置，使器物位于镜头中心，如图十二及图十三所示。

图十二、图十三 器物微调

4. 灯光设定与拍摄：垂直旋臂设定为80 度，并摆设现场灯光，如图十四所示，同时试拍，待现场灯光师及摄影师确认现场灯光及影像于计算机画面上呈现皆达一定水平后，便可进行第一阶段的拍摄。利用软件设定自动拍摄的角度，由垂直旋臂80 度开始进行第一阶段的拍摄，配合器物旋转装置360 度拍摄，设定每10 度拍摄一张。垂直角度将由80 度以每10 度为一个阶段的方式向下进行直到-10 度，每一个阶段间皆会视状况及光线的连续性及反射性适时的调整打光的方式，进行一个阶段后便会暂停，待现场灯光师及摄影师确认灯光及影像后继续拍摄。

图十四、灯光设定

4. 正式拍摄
利用计算机软件控制拍摄的角度，并配合现场灯光的适度调整，进行垂直80 ~-10 度（计10 个角度）及水平360 度（每10 度一张，计36 张），总计一个器物将产生360 张的正拍影像，且视需求拍摄局部特写影像。
5. 偏移拍摄
为了能呈现出3D 立体的特殊影像，除了依设定的角度进行正拍器物外，还必需水平偏移相机位置进行偏移拍摄。产生各360 张具有视差效果的左右影像，且利用影像软件 (Jps Builder) 合成左右眼影像进而产生立体影像，之后利用3D播放软件及搭配3D立体眼镜或直接以裸视特殊屏幕即一种可将左右眼所接受视线个别独立分离的视差屏幕 (Parallax Barrier) ，便可看到「浮出」屏幕之外3D视觉效果。故我们于正拍完器物的所有角度后，便直接采原始正拍角度设定值接续进行单机偏移拍摄，偏移的方式为直接于水平相机旋臂上水平偏移云台及相机位置约7cm～10cm。
6. 影像合成
以相机所拍摄的器物左右影像以影像软件 (JPS Builder) 加以合成JPS 立体图像文件，如下图十五到十七所示，且当使用者要观赏 3D 影像时，便透过JPS Viewer 来播放，同时配合3D 立体眼镜来呈现立体的器物影像。

图十五、器物之左右影像        图十六、左右影像合成       图十七、合成后的3D影像