杂志封面贝搏体育摄影测量和扫描原理教程:摄影测量入门
“数字空间”这一概念,已不再是单纯地将真实物体像素化这么简单,而是发展成创建精确的数字副本。数字对象和场景的创建方法也在不断发展。过去,要创建一个栩栩如生的数字对象,往往需要很长时间进行建模和纹理贴图。如果还有其他方法呢?如果可以把物体扫描到计算机中,直接采集高精度的形状和纹理呢?
本课程旨在为摄影师或扫描团队介绍摄影测量概念。目标是提供必要的基础知识,帮助摄影师或扫描团队更好地理解摄影测量过程和完成摄影测量工作。
摄影测量是用数码相机扫描现实物体,然后在数字空间以数字方式重建该物体的过程。通过从各个角度捕捉物体(拍摄对象)的图像,我们可以在计算机上使用 RealityCapture 软件和这些图像以数字方式重建该物体。
在拍摄“现实”物体时,摄像机会捕捉进入摄像机镜头的光线信息,其中包含亮度数据,从而构成照片(或数字图像)。图像是3D物体的2D平面记录。虽然图像是平面的,但其中包含拍摄图像时捕获的透视信息。
RealityCapture可以根据图像中包含的透视信息计算摄像机的相对位置和视角,并在数字空间中分配相应的位置坐标。这个坐标与图像中的每个像素相关联。根据两幅图像的坐标把它们放在数字空间中,使用视角确定它们的交点。
通过从不同角度拍摄同一物体的一系列图像,RealityCapture可以通过相似度(以及相邻像素的相似度)匹配相关像素,重塑原始物体的几何形状。
研习:本文探讨的诸多主题只涉及摄影测量的基础知识。建议单独研究这些主题。
摄影测量在各个行业应用广泛,捕捉方法和工作流程可能因项目目标不同而有很大的差别。摄影测量的主要用途包括但不限于以下行业:
RealityCapture 是摄影测量常用的 3D 建模软件,能够非常准确快速地检测到拍摄对象。如果在扫描过程中拍摄到足够覆盖物体的高质量图像,遵循最佳实践, RealityCapture 就能在数字空间中快速精准地重建该物体。
简单来说,扫描就是从不同角度捕捉被扫描物体的一系列图像,然后通过计算机以数字化方式重建该物体的过程。扫描可以使用专门的高端设备从每个可能的角度拍摄图像,使用无人机或传统数码摄像机(DSLR)捕捉图像。配置自然图像分辨率的智能手机也可以用于扫描。
术语:扫描 - 摄影测量领域使用的一个术语,指从不同角度拍摄被扫描物体的一系列图像,用于在数字空间重建该物体。
计算机查看图像的方式和人眼不同,它们看的是像素(颜色信息)和像素排布。首先要考虑图像质量,这是确保计算机能够正确读取像素数据的技术要求,意味着图像必须清晰对焦,拥有深景深,没有模糊或数字噪点。
其次要考虑扫描对象覆盖范围。为了确保计算机能够识别扫描对象,图像集必须捕捉到整个扫描对象。如果图像中有空白区域或缺少信息,计算机无法填补这些空白区域。因此,要从不同角度进行拍摄,确保图像 100% 覆盖扫描对象。
第三要考虑每个图像之间的重叠率。为了将两个图像关联在一起,计算机会比较两个图像的颜色信息,把它们拼接在一起。计算机会持续按这种方式“折叠”图像,直到构建出物体的数字副本。要确保计算机拥有足够的信息来完成这项工作,扫描图像的重叠率必须要到达70%左右。就像美术课上的糊纸技巧,我们要把报纸条重叠地粘合在一起才能形成相应的形状,在摄影测量中,就是把报纸换成照片,重构的过程也更简洁。
将扫描数据导入重建软件进行处理后,计算机会通过比较扫描数据中每个图像的像素来确定扫描对象。如果有模糊或扭曲的图像、有未覆盖的部分或重叠量不足,计算机会将这些“坏数据”理解为扫描对象的一部分,导致3D模型(或数字资产)失真。摄影测量过程的简单示例:
为了获取高质量扫描数据,确保图像质量满足必要的技术要求贝搏体育、拥有足够的覆盖范围和70%的重叠区域,下列知识与概念可以帮助我们获取最高质量的扫描结果:
不同数码相机和不同摄影师拍摄的图像质量有所不同。在使用相同设备的情况下,图像质量完全取决于摄像师的技术和经验。通过调整摄像机设置,技术高超的摄影师几乎可以用任何数码相机拍出符合摄影测量要求的高质量图像。
️知识:摄影技术的提升要靠长年累月的努力,不断积累经验,学会灵活运用各种摄影技巧拍出高质量的图片。对新手摄影师来说,最好先掌握摄影技巧。网上有很多关于摄影最佳实践和技术的资源(例如:Cambridge In Colour)。
图像分辨率是指图像细节的精细程度。通常情况下,图像分辨率越高,重建过程中摄影测量的对准精度就越高。这是因为在识别拍摄对象的过程中,分辨率越高的图像能为计算机提供更多的细节像素,以供比较。
☢️警告:有些摄像机处理器会通过分辨率提升来增强图像的视觉质量。请勿使用任何AI图像增强工具(或超分辨率包围)提升图像分辨率,因为这些软件工具会移动图像中的像素矩阵,导致其无法用于摄影测量。
RealityCapture会检测扫描数据中所有图像之间的像素,并将共同的像素编译成3D模型,源图像应保持不变(或未处理)。对源图像做的任何图像处理都会改变图像像素的原始布局。
注解:智能手机相机通常使用传感器位移(sensor shift)人为提高相机传感器的分辨率。研究智能手机相机传感器的分辨率,仅以设备原始分辨率捕获图像。
摄像机性能在摄影测量中是一个非常重要的因素。高分辨率摄像机拍摄的每张图像可以捕捉到更多像素。重建软件会通过编译大量图像提供的像素数据,以数字化方式重建拍摄对象。分辨率越高就意味着,我们能以更少的图像捕捉到更多细节像素。
注解:低分辨率摄像机也可以用于摄影测量,但需要更多图像和更多图像重叠才能达到高分辨率摄像机的准确度。
摄影测量适合采用能够捕捉RAW图像的高分辨全画幅摄像机。裁剪传感器摄像机也可以用于摄影测量,但全画幅摄像机能够捕捉更大的动态范围。对于能够捕捉RAW图像的摄像机来说,它所拍摄的图像不会因文件类型转换而改变。具备专业摄影设置的现代手机摄像机只要配置得当,也可以用于摄影测量。
未经调整的RAW文件偏绿,就像在拍摄时使用了绿色滤镜一样。这是因为在摄像机传感器中,绿色像素的数量是红色和蓝色像素的两倍。这种像素组合最接近人眼的视觉效果。RAW文件默认未经任何处理。JPEG文件则要经过一定程度的处理,包括调整白平衡、色彩平衡等等。
拍摄RAW图像有诸多好处。最重要的是,RAW文件格式意味着你可以完全控制照片的预处理。JPG格式图像通常会进行一定程度的预处理,因此不是很理想。如有可能,请在摄像机中禁用镜头配置文件。
任何能拍摄清晰图像的镜头都可以用于摄影测量。定焦镜头提供的图像更清晰,非常合适用于摄影测量,但变焦镜头在扫描不同大小的物体时更有利。由于镜头制造商不同,在选择镜头时可能需要平衡这两种优势。
基于扫描对象覆盖范围选择摄像机镜头。目标是100%捕捉扫描对象的视觉信息,获取充分的扫描数据。在选择镜头时应考虑哪种镜头能够更好地覆盖扫描对象。如果选择定焦镜头,35mm镜头可以在广角视野和焦距之间提供很好的平衡。焦距越长,就需要拍摄越多的图像,才能达到相同的覆盖率。
如下图所示,镜头A(蓝)视野较宽(更接近拍摄对象),捕捉到的表面和视野较窄的镜头B(橙色)一样多(更远离拍摄对象)。
在摄影测量中,必须使用机械快门或混合快门摄像机,不要使用电子快门摄像机。因为电子快门会使图像产生条带效果,干扰摄影测量软件。
最好使用具有最高传感器分辨率的摄像机。但是传感器的分辨率越高,越容易导致动态模糊和数字噪点贝搏体育。数字噪点和动态模糊会使扫描图像严重扭曲,从而影响3D模型的重建。高分辨率传感器产生的副作用可以通过以下措施纠正:
如果动态模糊和数字噪点成为问题,建议使用24mpx传感器近距离扫描,使用42mpx(或更高mpx)传感器远距离扫描(或者使用无人机扫描)。应使用完整的传感器大小,不对图像进行任何裁剪。这种方法可以在不丢失数据的情况下,提供尽可能多的细节像素。
注解:在部分摄像机上使用视频模式时,摄像机可能会裁剪图像,从全画幅传感器变为Super 35。这种剪裁方式会从图像中删除必要的透视信息。避免任何形式的剪裁,以确保在对齐时获取最佳结果。
☢️警告:请勿使用任何分辨率增强功能或工具(例如AI图像增强技术或超分辨率)提升图像分辨率。这些功能可以提升人眼看到的图像效果,但是在软件中会使图像变模糊。
在数字摄影中,动态范围是指摄像机能捕捉到的最大亮度变化范围。在摄像机拍摄的图像中(不包括平坦无纹理表面的特写),一部分图像会因为阴影而变得很暗,一部分图像会因为光照而变得很亮。最低亮度和最高亮度的变化范围就是图像的动态亮度范围。
图像的动态范围可以使用摄像机内置的亮度直方图进行分析。亮度直方图表示就摄像机传感器的范围而言,拍摄对象的亮度范围:从左往右,由黑(亮度为0%)变白(亮度为100%)。直方图的长度就表示图像的动态范围。如果亮度图正好匹配直方图显示的区域,任何一边都没有出现空白区域,那么亮度的动态范围就是摄像机传感器的范围。如果直方图的任意一端被裁剪,那么就意味着图像丢失了一部分细节(丢失高光细节或阴影细节)。
在上图中可以看到,直方图左侧被裁,右侧没有被裁。这个直方图表示图像丢失阴影细节。打开光圈使更多光线进入摄像机,或者降低快门速度,延长曝光时间,直方图中的亮度图将向右移动。这叫做“向右曝光”,这种曝光方式可以在暗部捕捉到更多细节,同时保留高光细节。具体效果详见“曝光三角”部分(参见“曝光”)。
为了创建直方图,摄像机会生成一张JPEG格式的图像,读取其中的亮度值。在拍摄RAW格式的图像时,直方图不会显示RAW文件的整个亮度范围。这是因为JPEG文件在转换过程中会进行预处理。RAW文件格式包含额外的亮度范围,这些亮度在JPEG转换图像或相关直方图中不可见,这个范围被成为“动态余量”。
因为这个动态余量,剪裁幅度较小的直方图仍然可以使用RAW文件处理软件恢复被剪裁的数据。裁剪较为严重的部分可以认为是超出了RAW文件的动态范围。了解摄像机显示和最终的RAW文件之间的动态范围限制,可以帮助我们更好地理解这些限制。要想检测图像是否曝光不足或曝光过度,直方图是一个非常有用的工具。
无论拍摄对象是什么,尽可能让拍摄对象覆盖取景框。如果拍摄距离非常近,根据选择的镜头,可能需要调小光圈,以免景深太浅。为了补偿光线,可能需要调整光源,增加ISO值和/或降低快门速度,获得正确的曝光。
要想获得高质量的数字资产,最好使用稳定的平面光(减少阴影和高光)进行扫描。在摄影中,这也被称为漫反射/平光布光技巧。在从不同角度拍摄图像时,应确保拍摄对象上的光照效果始终一致。一般来说,产品摄影中使用的布光技巧也适用于数字摄影和摄影测量。
️知识:布光技巧包括应对不同照明条件的各种方法,这些方法不在本文档的讨论范围内。建议学习一般的布光技巧,控制高光,实现不含阴影的最佳光照效果。
在数字空间中,美术师和开发人员会根据需要应用纹理和数字光照,包括以数字方式重建阴影和高光。扫描的目标是准确捕捉拍摄对象的形状和纹理,而不是捕捉额外的光照效果(例如阴影或高光)。实现这个目标后,由数字美术师来决定是否要在数字空间中为数字模型添加阴影和高光。
深景深(F值越大)对重建软件来说更有利,因为这样的扫描图像可以提供更清晰的信息。照明条件、相机设置(光圈、ISO值和快门速度)和镜头选择都会影响景深效果。
注解:光圈太小(F值越大,比如f/16)会产生衍射现象,导致图像变模糊。建议使用f/8-f/13的光圈,具体取决于传感器大小、焦距和镜头质量。如果图像是模糊的,重建软件很难在图像中找到共同的像素,很难实现对齐。
术语:清晰度 – 图像中边缘的明显程度。边缘过渡越快,看起来越清晰,而且不会模糊边缘。
图像的清晰度由许多因素决定,包括相机设置、镜头、摄影技术和照明设置。为了确保计算机能够准确地还原拍摄对象,源图像应尽可能呈现清晰的细节。图像的清晰度越高,计算机越容易识别清晰的线条和迅速的细节过渡,模糊(或柔和)的线条会导致检测不准确。
要想提高图像的清晰度,首先要考虑的因素是焦点。每张图像中的拍摄对象都必须完全对焦。最好使用宽焦点和深景深来捕捉整个拍摄对象的清晰细节。如果拍摄对象很大,无法完全入镜,那么必须确保入镜部分完全对焦。
提高快门速度也有助于拍摄对象清晰对焦。原因在于,只要打开快门,光线就会聚集在摄影机传感器的检测像素上。摄像机的小幅运动(相机抖动)会改变传感器的位置,调整光线聚集的位置。
由于摄像机发生移动,通过视频拍摄的图像很容易产生模糊。要想获得高质量的扫描数据,不建议使用视频捕获。
无论使用哪种摄影测量捕捉方法,最终 的目标都是拍摄清晰锐利的图像,获得良好的曝光并减少噪点。贝搏体育 要捕捉这样的图像,学会手动设置摄像机和熟悉 “ 曝光三角 ” 非常有用。
要想获得理想的曝光效果,必须平衡摄像机的三要素:光圈、快门速度和ISO。这三个要素共同组成“曝光三角”。要想捕获高质量的扫描数据,必须了解这三个要素是如何影响图像曝光的。
研习:网上有很多关于曝光三角的内容。例如Cambridge in Color。
为确保计算机能诠释扫描数据,图像必须足够清晰,具有深景深,没有模糊或数字噪点。因此,在平衡曝光三角时,选择小光圈、较快的快门速度、较低的ISO值更有利于摄影测量。但是要注意这三个要素是如何减少曝光的。要想获得理想的曝光效果,必须平衡这三个要素,配合相应的布光技巧。
ISO值(颗粒感)控制摄像机传感器对光的敏感程度,ISO越低,数字噪点越少。如果ISO很高(高敏感度),传感器就会捕捉到数字噪点。噪点越多的图像,颗粒感越强,图像质量越低,从而影响扫描对象的几何图形和纹理细节。ISO值越低,噪点越少,但也会减少曝光。可通过相应的布光技巧和/或闪光扫描弥补曝光不足。
光圈和焦距会影响景深效果。扫描时,拍摄对象应尽可能填满摄像机取景框,以确保捕捉到丰富的像素细节,减少不必要的背景。要想给计算机提供足够准确的数据,拥有深景深非常重要。景深太浅会减少有用的图像信息,导致对齐失败和纹理模糊。
拍摄距离和拍摄对象的类型会影响光圈的选择。远距离拍摄可以增加景深,可以使用更大的光圈。需要权衡的是,拍摄对象离得越远,捕捉到的像素细节就越少。
非常平坦的表面,比如沥青,可以用更大的光圈拍摄,因为所有特征与摄像机的距离相同。
快门速度是快门打开和关闭之间的时间间隔。快门速度必须足够快,才能防止捕捉到动态模糊(摄像机晃动),但要足够慢,才能确保摄像机传感器检测到充分的光线。摄像机晃动会造成图像模糊,不利于在RealityCapture中对齐扫描对象。模糊的扫描数据会导致扫描对象的检测、形状和纹理出现问题。提高快门速度可以减少进入摄像机的光线,减少曝光时间。
为了获得最佳效果,扫描图像必须均匀曝光,避免过暗或过亮的区域贝搏体育。使用RAW格式可以恢复暗部丢失的细节,但也会生成数字噪点。
在扫描前,必须确保摄像机设置能使扫描对象得到正确的曝光。阴天在森林中拍摄的图像往往非常暗。相反,如果阳光明媚,扫描的图像可能会过度曝光。因此在设置曝光时,还要考虑扫描对象的照明条件和材质。拍完样片后,可以看一下摄像机中的亮度直方图,它能帮助你确定图像是曝光过度还是曝光不足,然后根据需要调整摄像机设置。
直方图表示图像的亮度值,从中可以判断图像的曝光是否正常。有些拍摄对象非常暗,贝搏体育可能需要“向右曝光”(故意曝光过度,以捕获正确的图像),有些拍摄对象非常亮,可能需要“向左曝光”(故意曝光不足,以防高光溢出)。
可能需要多次调整设置,才能找到正确的曝光范围。这是一个不断试错的过程,目的是为了获得正确的曝光效果。要强调的是,没有绝对准确的曝光值,只有更利于摄影测量的数据。
注解:摄像机取景器上显示的直方图基于原始文件的JPEG图像显示,实际的RAW文件具有更大的动态范围。这意味着直方图中被剪裁的部分,在实际的RAW文件中不一定会被剪裁,它们之间还存在额外的范围(“动态余量”)。但是摄像机无法显示这个动态余量。摄影师对摄像机越熟悉,就越了解这个动态余量。
如果调整完摄像机设置,图像中还有暗区,拍摄对象可能超出了摄像机传感器的动态范围。面积较小的暗区之后可以重建,如果只是很小一块区域,数据不会丢失。
不同于标准摄影,摄影测量扫描需要考虑额外的因素、原则和技巧。本小节将探讨这些因素、原则和技巧。
扫描一个对象和普通的摄影不同,需要考虑额外的因素。这些因素会影响扫描技术、正确捕捉扫描对象需要的设备以及在照明条件发生变化前需要多少扫描人员。考虑因素包括:
摄影测量扫描有三个核心原则。这三个核心原则对数字资产的成功构建和质量至关重要。将摄影技术与摄影测量的三个核心原则相结合,可以捕获高质量的扫描数据。重建软件依赖扫描数据的质量来实现高质量的数字重建。例如,确保清晰对焦和正确曝光,再结合扫描模式和图像重叠。结合这些技术与原则,就可以获得高质量的数字资产。
使用摄像机进行摄影测量扫描与普通摄影有诸多区别。 本小节将介绍使用摄像机获取高质量摄影测量扫描结果时,需要掌握的特定技术和注意事项。
颜色检查器用于在拍摄时精确测量扫描对象的表面颜色。这也是推荐在亮度适中的阴天进行扫描的一个重要原因。将颜色检查器与拍摄对象放在同一画面中,获取第一张扫描图像。颜色检查器应与扫描对象处于同一照明条件下(如果扫描对象位于阴凉处,请勿在阳光下拍摄颜色检查器)。拍完颜色检查器和扫描对象的同框图之后,移除颜色检查器,继续拍摄其余扫描图像。
在预处理时,使用扫描对象和颜色检查器同框的图像,利用颜色检查器中已知的色值校正扫描数据中的颜色。在色彩校正软件(例如Adobe Lightroom)中,颜色检查器中的颜色可以调整为已知的色值,从而影响图像中的所有颜色。然后对扫描集中的所有图像应用颜色校正模式。
在开始扫描前,最好先确定如何确保足够的覆盖率。这意味着我们要先在心里把扫描对象分解(或分割)成更小的形状和特征,把它们记在心里。在扫描大型或复杂物体时,很容易忘记已经扫描过的部分和还需要扫描的部分。想象和记住更易于管理的部分有助于跟踪扫描模式。必要时可以标注扫描对象的各个部分(例如一个复杂的雕像,可以标注左腿、右腿、左臂、右臂、躯干、头部等)。
尽可能让扫描对象填满取景框。这么做可以确保每张图像都能提供尽可能多的有用信息。如有可能,应避免捕捉与扫描对象不相关的背景元素。取景时尽可能让扫描对象填满取景框。
这不意味着扫描对象必须完全入镜,只需要尽可能确保画面中都是有用的像素。例如,取景框中可能装不下整座悬崖,除非在很远的地方进行扫描,但是这么做无法捕捉悬崖的清晰细节。反过来,在扫描非常细的树干时,树干两边会显示大面积的背景,这些信息对重建扫描对象来说毫无意义。通过将摄像机旋转90度,拍摄特写镜头,每个图像都可以包含更大面积的扫描对象,提供更多有用的像素。
扫描对象覆盖范围是目前为止摄影测量中最重要的概念。数字资产的准确性取决于扫描数据的质量(图像质量、扫描对象覆盖范围和信息重叠)。为了达到这样的细节水平,扫描图像必须按固定间隔完全覆盖扫描对象。这意味着摄像机必须匀速围绕扫描对象移动,按固定间隔捕捉图像,同时保持恒定的距离。
根据扫描对象的类型、复杂性和预期用途,覆盖范围可能有所变化。未正确捕捉的区域在最终的数字资产中可能是空白的。软件无法填补信息缺失的空白区域。扫描对象的每个点至少应出现在两个扫描图像中。图像应从每个可能的角度进行拍摄,两组镜头视角之间不小于 30 度。
示例展示的是通过改变摄像机位置来捕捉扫描对象,复制扫描对象的表面效果。此外,图片应尽可能“链接”在一起,创建图片链,并尽可能减少中断。对3D对象来说,应拍摄完整的循环,意思就是移动摄像机,然后在起点处结束,确保完成一个循环,首尾两张图为“相邻”图像。
重建软件可以通过分析图像中的信息准确匹配图像,相邻图像之间必须拥有足够多的相同信息。这就是为什么必须保证相邻图像拥有足够多的重叠区域的原因。通常来说,不管采用什么扫描方法,相邻图像的重叠率应保持在70%左右。
在下图中,三张图像之间存在重叠区域。不管是上下左右移动摄像机,还是近距离拍摄或远距离拍摄,扫描图像的重叠率均应保持在70%左右。
如有疑问,可以多拍一些照片!多总比少好(更糟糕的是扫描数据有缺失)。此外,可能无法返回原位置捕捉更多图像(因为拍摄对象会随着时间变化),可能需要从头开始重新扫描。
不要拍摄全景照片,应围绕扫描对象移动(改变摄像机位置)。全景图(摄像机在固定位置,只改变角度)不适用于摄影测量。想象一下,摄像机围绕拍摄对象旋转,就像地球绕着太阳旋转一样。此外,不要在数据集中堆叠摄像机位置相同的图像。RealityCapture无法过滤这些堆叠的图像,可能导致不准确和注册不一致。
(左)正确:改变摄像机位置,保持70%的重叠率(右)不正确:在同一位置捕获图像,只改变角度
如有可能,应采用两级捕获的方式扫描大型物体。尤其是在拍摄物体细节,要求摄像机离物体非常近且物体超出取景框范围的情况下。贝搏体育
一个通道,即“整体”通道,应在远距离捕获,整个扫描对象都应在取景框中(如果扫描对象非常大,应确保绝大部分都在取景框中)。和其他扫描方法一样,图像重叠率不得低于70%,并且要确保100%覆盖。整体通道旨在辅助细节通道的重建和对齐。
“细节”通道应靠近扫描对象,目的是捕捉扫描对象的更多细节。这个通道可以提供丰富的细节数据,用于创建纹理,并确保100%覆盖扫描对象。
注解:使用多重通道(图像分层)并且靠近扫描对象时,谨记重叠率不低于70%的原则。
和摄像机扫描一样,闪光扫描也需要使用特殊技巧和考虑额外因素,以获得高质量效果。 本小节主要将介绍闪光扫描的注意事项和基本技巧。
是否要在扫描过程中为扫描对象“除光”与数字资产在数字空间中的用法有关。在3D环境中,光照和环境设置可能与现实世界的光照不匹配。例如,太阳在现实世界的扫描对象上投射温暖的光线,产生清晰的定向阴影,但是这个扫描对象的3D版本可能会用在上千个光照设置不同的数字环境中。将现实世界的光照/阴影“烘焙”到纹理中,可能会导致资产与数字空间不匹配。最终的数字资产要能同时在白天和夜晚模式的数字空间中使用。
使用闪光和偏振扫描就能在各种条件下拍摄对象,避免光线和阴影影响捕捉,非闪光扫描可能包含在扫描时和扫描地点获取并烘焙的光照信息/阴影。
在室外,太阳、天空、光线反射和遮挡都是需要考虑的因素。室内可能有人造光源。例如,在阴影中拍摄时,如果旁边有一个明亮的绿色表面,那么拍摄对象上就会产生绿色反光。扫描仪发出的闪光可以掩盖许多光源和反射,但是无法去除强烈的阳光。
在下图中,明亮的室外光线与房间的表面相互作用,创造了一个复杂的照明场景,光线在表面之间反射,投射出明显的阴影。这个资产可能无法在后期处理时通过除光达到足够的质量。
下面这张图是在一个晴天的阴影中拍摄的。如果不使用闪光扫描仪拍摄,扫描对象的有效性将受以下因素限制:
鉴于这些问题,为了让资产在3D环境中呈现出更准确的效果,应确保光线在一天中的特定时间、特定温度下始终朝向特定方向。
适当校准闪光扫描结果可以消除大部分阴影,捕捉材质的“真实”颜色,不受太阳或其他光源影响。某些极端区域可能会显示阴影,但面积很小,大部分区域都是好的。
和除光一样,我们必须捕捉没有反光的图像。摄影测量依赖物体静止时的特征,这样软件才能识别它们。反光会根据观看的视角/摄像机位置而移动,使软件无法准确检测扫描对象的表面。反光会以这种方式影响重建软件,贝搏体育因此必须在扫描前消除反光。纹理也一样。大多数渲染软件都可以重新引入更准确的反射效果。使用交叉偏振设置和闪光扫描(见下文的“交叉偏振”)可以在捕捉时消除资产上的大部分反射效果。
将交叉偏振镜(CPL)上的偏振轴与闪光灯头上的偏振滤光器的轴对齐,可以产生完整的镜面图像。旋转CPL,与闪光偏振器成90度,可产生非镜面图像。这是最佳位置。
在探讨光的偏振及其在捕获过程中的重要性之前,最好先简单了解一下光的特性。
把光想象成任意波长的电磁辐射,短至1皮米的伽马射线纳米之间,主要属性包括强度、传播方向、频率(或波长光谱)和偏振。
有些光源(例如闪光扫描仪中的闪光灯)发出的光具有非相干和非偏振辐射性摄影。因为这些光由不相干和随机偏振的波随机混合而成。
要想交叉偏振图像,需要将闪光灯发出的光偏振到透光轴上。在闪光灯上安装一个线性偏振滤光片,使光线沿单一的轴传播。副作用是会导致光源强度减半。
当来自闪光灯的偏振光照射到一个表面时,它会被反射,除了镜面反射分量,大部分光会再次变成漫反射的非偏振光。镜面反射分量仍然是偏振的,可以通过摄像机镜头上的偏振滤光片过滤掉。这种过滤光的方式被称为“交叉偏振”。
如果光源上的偏振轴是垂直的,镜头上的偏振轴就必须是水平的,这样才能过滤掉镜面反射分量。这个过程会减少进入摄像机的光线,过滤掉反光和过于明亮的高光,使图像变暗。
注解:所有制造商之间没有统一的偏振镜标准。因为不同的偏振滤光片由不同的偏振材料制成。通过交叉偏振消除镜面光后,剩下的光会开始变色。为了避免过滤后的光变色,请使用与闪光灯头相同品牌的偏振镜。
闪光为曝光三角引入了一个新元素(参见曝光部分)。现在,扫描仪位置有一个强大的光源,它会对图像的曝光产生巨大影响。曝光设置变得越来越麻烦,通常需要有意地向左或向右曝光。因此,了解摄像机的动态范围以及RAW文件和直方图之间的动态余量非常重要。
此外,不能再根据取景器来设置曝光。因为闪光的速度非常快,这么短的时间很难做出正确的调整。在闪光摄影中,曝光必须通过捕获图像来调整,再使用这个图像来调整摄像机设置。重复这个过程,直到测试图像得到正确的曝光。
使用闪光时,快门速度必须设为闪光速度。闪光的速度非常快,必须与摄像机的快门速度精准同步,才能维持曝光一致性。摄像机的快门速度与闪光的持续时间不匹配就无法获得正确的曝光。这可以有效消除快门速度对曝光的影响。
闪光的光线会衰减,这意味着必须与扫描对象保持一定距离,以确保在图像之间提供一致的曝光。必须在一致的距离上捕捉扫描对象。这就意味着无法获取整体通道和细节通道,只能获取细节通道。这是摄像机扫描和闪光扫描的一个主要区别。
与摄像机扫描一样,最好在阴天扫描,扫描对象应处在阴影中。使用闪光可以在更大范围的环境条件下进行扫描,但扫描对象仍应处在阴影中。环境光线对扫描对象的影响决定了闪光与扫描对象的距离(以抵消环境光线的影响)。闪光无法完全抵消太阳的直接光照。
通常情况下,扫描对象越大,摄像机与扫描对象的距离越远。距离越近,就需要拍摄越多的图像才能完全覆盖扫描对象,闪光的电量消耗得越快,扫描时间越长。应尽可能让扫描对象填满取景框。(参见摄像机扫描原则部分)。
闪光有不同的设置,一般来说,闪光离扫描对象越近,产生良好曝光需要的功率就越小。闪光离扫描对象越远,需要的功率就越大。
天气条件也会影响闪光的功耗。在亮度适中的阴天,闪光可以使用更低的功率消除环境光线的影响。在光线较强的环境中,则需要更大的功率才能抵消环境光线的影响。
有些物体很小,而且容易移动。这些物体最好在室内工作室环境下批量扫描。室内扫描可以灵活控制光照,可以使用转台进行扫描。
通过设置灯光,使用三脚架稳定摄像机,将需要扫描的物体放在转台上,我们就可以捕捉物体的各个面。理想情况下,转台会停下来供摄像机拍摄每张图像,以免因旋转导致动态模糊。摄像机遥控器可以防止摄像机晃动。物体会重新固定位置,以便捕捉上下两面。摄影测量扫描课程中有关于这种扫描方法和技术的详细介绍。
注解:请参见后续文章中的转台扫描(摄影测量扫描)课程,进一步了解如何将转台与摄影测量扫描相结合,以捕捉小型拍摄对象。
如果无法在地面上用摄像机捕捉扫描对象,例如太高(比如建筑物)、难以接近(比如崖顶)或者难以步行到达(比如金属建筑上脆弱的锡制屋顶),可以使用无人机扫描。
无人机有各种各样的尺寸、功能和注意事项。最重要的是图像质量,其次是飞行稳定性。有关无人机注意事项的详细内容参见“无人机扫描”部分杂志封面。
注解:请参见后续文章中的无人机扫描(摄影测量扫描)课程,了解有关无人机扫描的更多信息。
在摄影测量中,有些物体和材料必较容易捕捉。激光扫描可以捕捉物体和表面的形状细节,这些细节光使用摄影测量技术很难获取。光滑表面很难用摄影测量技术捕捉,因为反射会产生误导性数据。这些闪亮或反光表面可以用激光扫描仪捕捉。但是激光扫描仪捕捉不到准确的纹理。因此,激光扫描的对象还必须使用摄影测量技术进行扫描贝搏体育,以捕获匹配的纹理。
注解:激光扫描课程即将上线!参见“激光扫描”课程,了解如何将激光扫描与摄影测量扫描相结合,以捕捉这些难以扫描的物体。
许多植物很难用摄影测量技术正确捕获。纤薄复杂的形状、重叠的元素和风的运动都让扫描变得十分困难。在使用摄影测量或激光扫描准确捕捉植物、树叶和植被时,还要考虑空气流动、表面振动和枯萎状态。
为了捕捉植被和在3D空间中正确显示植被,我们要采用不同的扫描方法贝搏体育。总的来说,植被扫描需要对植物的各个部分进行细分,获取2D(有时是3D)扫描图像,然后由植被美术师在3D空间中重新组装起来。扫描仪的作用是采用更合适的方式捕捉植物的各个部分,为美术师提供必要的数据。