雙墩文化遺址的3D建模技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)還原展示探討

萬(wàn)惠玲

（蚌埠學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)系，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠雙墩文化遺址位于蚌埠市淮河北岸的雙墩村，三次進(jìn)行搶救性考古發(fā)掘，出土大量風(fēng)格獨(dú)特的珍貴文物，經(jīng)碳14測(cè)定該遺址距今約7300年，1991年國(guó)家文物局在合肥召開(kāi)的“蘇魯豫皖先秦考古”工作座談會(huì)上，認(rèn)為該遺址是淮河中游地區(qū)史前文化的代表，在中國(guó)古代文明起源中具有重要地位和巨大影響[1]（1）。出土的特色文物論證蚌埠雙墩遺址的特殊價(jià)值，豐富中華文化的內(nèi)涵，同時(shí)對(duì)于區(qū)域特色文化產(chǎn)業(yè)注入良好的文化基礎(chǔ)。對(duì)此，通過(guò)3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為紐帶，綜合圖形處理、人機(jī)交互技術(shù)等多種數(shù)字技術(shù)，對(duì)蚌埠雙墩文化遺址進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)探討，為雙墩文化遺址的保護(hù)、研究、修復(fù)以及虛擬旅游提供一種新的方法。實(shí)踐證明，在考古遺址應(yīng)用3D數(shù)字建模技術(shù)，不僅可以完全達(dá)到這些目的，同時(shí)，將會(huì)是考古信息獲取和資料后期整合、分析手段的一次具有重要意義的變革[2]。

一、蚌埠雙墩文化遺址結(jié)構(gòu)特征及文化內(nèi)涵分析

雙墩文化遺址具有典型的自身文化特征，其文化層堆積呈斜坡?tīng)?，層次分明，出土的文化遺物豐富多彩，主要有陶器、石器、蚌器、骨角器、紅燒土塊建筑遺存、動(dòng)物骨骼、蚌殼等，種類(lèi)繁多，其陶器以四鋬平底罐形釜、矮圈足或假圈足餅底碗、矮喇叭座豆、鳥(niǎo)首或牛鼻形耳系罐、底腹均有箅孔的甑及祖形支架等為組合，既有生產(chǎn)生活工具，又有大批的刻劃符號(hào)和泥塑藝術(shù)品。區(qū)別于其他文化的遺物群，特別是數(shù)量眾多、內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的象形、幾何行及其他各種單體、重體、組合體類(lèi)型的陶器刻劃符號(hào)，使雙墩遺址形成獨(dú)特而新穎的文化面貌，為探索7000多年前先民們的社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化生活，提供了大量信息[3]（1）。

雙墩文化遺址是淮河中游地區(qū)發(fā)現(xiàn)的年代最早的新石器時(shí)代文化遺存，對(duì)建立淮河中游地區(qū)史前文化年代分期框架和譜系研究具有特別重要的意義。其罕見(jiàn)的600多件刻劃符號(hào)表明它是一定地域范圍氏族部落之間表達(dá)特定含義的記錄符號(hào)，涵蓋古淮夷先民生產(chǎn)、生活和精神領(lǐng)域活動(dòng)的大量信息，呈現(xiàn)出獨(dú)特的、兼蓄南北方早中期原始文化內(nèi)涵，是研究中國(guó)文字起源的珍貴資料。為此，以雙墩古遺址為研究原型，以器物、地形、建筑殘留作為主要展示對(duì)象，結(jié)合Converse3D等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬還原展示對(duì)象，結(jié)合3D可視化虛擬技術(shù)，建立雙墩遺址生活場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)遺跡信息的數(shù)字化存儲(chǔ)，建立建筑物、植被、地形、及天空的虛擬反演，再現(xiàn)雙墩遺址、全面可視遺址成為可能，繼而了解古淮夷先民的生存環(huán)境和生產(chǎn)力發(fā)展水平，為雙墩遺址的研究和開(kāi)發(fā)創(chuàng)造條件，為考古信息數(shù)字虛擬提供新的方法，同時(shí)將考古成果以生動(dòng)的形象和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)內(nèi)涵展示出來(lái)，考古工作者利用3D數(shù)字建模獲取雙墩遺址的各種信息，探尋古淮夷先民與古環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系。

二、3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在考古發(fā)掘及考古研究上的應(yīng)用改變傳統(tǒng)信息的獲取方式，參與者及參觀者可以互動(dòng)雙向的對(duì)虛擬實(shí)體進(jìn)行對(duì)比研究和交互操縱，可以獲取更多交流與成果提取。為學(xué)術(shù)研究、美術(shù)考古、參觀游覽帶來(lái)更多的幫助。國(guó)內(nèi)外使用的數(shù)字技術(shù)主要有利用射線或核磁技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層攝影，如x計(jì)算機(jī)斷層攝影（X-CT）、超聲波計(jì)算機(jī)斷層攝：影（u-CT）及核磁共振計(jì)算機(jī)斷層攝影（NMR-CT）等；二是利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)，包括器物的色彩、紋樣、形狀的恢復(fù)還原；三是三維激光掃描建模技術(shù)，具有測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，非接觸性測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是文物信息采集、存儲(chǔ)的重要手段；三維激光掃描建模技術(shù)的核心是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，相關(guān)研究始于20世紀(jì)80年代，主要包括點(diǎn)云表面重建、多視點(diǎn)云拼接、模型的多分辨率表示和三維紋理映射等幾個(gè)方面。四虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR（Virtual Reality），也稱(chēng)靈境技術(shù)，它綜合利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感覺(jué)器官功能，實(shí)現(xiàn)歷史環(huán)境的真實(shí)體驗(yàn)。

目前，國(guó)外在考古領(lǐng)域廣泛應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)，較權(quán)威的國(guó)際考古探測(cè)會(huì)議（International meeting of archaeological exploration）[4]，對(duì)考古信息可視化的專(zhuān)題討論，如從2005年借助于3D成像技術(shù)展現(xiàn)了公元79年在維蘇威火山的怒吼聲中被厚厚的火山灰“活埋”之前的羅馬城龐貝，在游客面前展示一座完整、真實(shí)和自然的龐貝城[5]。3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用在考古領(lǐng)域，既有“修復(fù)”功能，又有助專(zhuān)家論證和辯論。國(guó)內(nèi)的數(shù)字復(fù)原及虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)雖不如西方發(fā)達(dá)國(guó)家成熟，但也取得不少成果，3D數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于考古工作取得豐碩的成果，2004年對(duì)金沙遺址出土文物運(yùn)用3D可視化技術(shù)進(jìn)行精確地?cái)?shù)字化復(fù)原，建立數(shù)字博物館[6]；秦俑博物館、敦煌莫高窟、洛陽(yáng)龍門(mén)石窟等利用虛擬三維數(shù)字建模項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬還原場(chǎng)景，建立遺址生活場(chǎng)景數(shù)據(jù)模型，以虛擬方式展示古人的生產(chǎn)、生活場(chǎng)景。

三、基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雙墩文化遺址復(fù)原展示

雙墩文化遺址文物實(shí)物修復(fù)已完成，對(duì)此進(jìn)行的學(xué)術(shù)研究已初見(jiàn)成效，目前對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化真實(shí)感建模還處于嘗試階段。其在實(shí)際數(shù)字研究工作中，首先建模問(wèn)題，對(duì)所有器物及環(huán)境場(chǎng)景進(jìn)行三維激光掃描技術(shù)，繼而精細(xì)建模，前期需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物信息采集工作，取得第一手實(shí)物詳細(xì)資料，然后再對(duì)采集到的信息進(jìn)行歸類(lèi)、取舍，設(shè)計(jì)方案。在建模過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到雙墩遺址文物還原的真實(shí)性，在文物的造型、色彩、紋樣、材質(zhì)等方面都應(yīng)做到認(rèn)真分析。

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雙墩文化遺址復(fù)原具體研究?jī)?nèi)容如下：1）可直接對(duì)獲取的精度點(diǎn)云模型進(jìn)行三維空間測(cè)量，通過(guò)三維掃描的方式，對(duì)文物環(huán)境數(shù)據(jù)高精度測(cè)繪及數(shù)字化拍攝，降低傳統(tǒng)方法中人工計(jì)算和推導(dǎo)的不確定性，從而為遺址的保護(hù)和修繕提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2）采用三維建模工具建立文物器型數(shù)字化三維模型，更好記錄雙墩遺址場(chǎng)景的空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)屬性，可以作為雙墩遺址真實(shí)的數(shù)字化副本保存；3）采用圖形圖像軟件建立能漫游的文物真實(shí)感虛擬場(chǎng)景，Converse3D核心引擎是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的核心部分，采用DirectX9.0和C++編寫(xiě)，包括場(chǎng)景管理、角色動(dòng)畫(huà)、Mesh物體生成、3D導(dǎo)出模塊、粒子系統(tǒng)，并支持頂點(diǎn)渲染和像素渲染；4）基于文物虛擬場(chǎng)景的文物造型、紋飾及色彩調(diào)查、確定文物材質(zhì)與歷史環(huán)境的吻合；5）采用3D、Maya、PR、AE等軟件建立支持文物保護(hù)修復(fù)技術(shù)（如使用3D中reactor動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)模擬真實(shí)的物理規(guī)律，進(jìn)而制作完全仿真的動(dòng)畫(huà)效果。包括剛體和軟體的碰撞模擬、各種約束的使用方法，以及諸如水面、風(fēng)力等物體的模擬，為器物對(duì)象指定物理屬性，如質(zhì)量、摩擦力、彈力等）。reactor中reactor Real-Time-Preview（實(shí)時(shí)模擬顯示）是非常奇特的交互平臺(tái)，與動(dòng)力學(xué)模擬中的器物對(duì)象進(jìn)行交互，調(diào)整場(chǎng)景布局及對(duì)象形態(tài)等。6）建立包含文物圖象、三維結(jié)構(gòu)模型及保護(hù)研究與修復(fù)檔案的多媒體文物保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立包含文物圖象、三維結(jié)構(gòu)模型及保護(hù)研究與修復(fù)檔案的多媒體文物保護(hù)支持。

雙墩遺址出土大量具有藝術(shù)價(jià)值的陶器、石器、裝飾藝術(shù)品、炊具、盛儲(chǔ)器等，并且陶器底部刻有600多個(gè)刻劃符號(hào)。如何將其完整，無(wú)損地記錄下來(lái)，是我們文物數(shù)字化信息獲取的主要目標(biāo)。根據(jù)獲取對(duì)象的不同特點(diǎn)分別采用不同的方法來(lái)進(jìn)行獲取工作。雙墩遺址的結(jié)構(gòu)數(shù)字化獲取：雙墩遺址有著極其特殊的遺跡現(xiàn)象：1）遺址地表為歷代亂葬堆，間隙為現(xiàn)代農(nóng)田，文化層由西北向東南為斜坡?tīng)畹寞B壓堆積[7]；2）陶器為多種造型，如網(wǎng)墜、拍形器、人面塑像等；3）石器、骨器凸顯生殖崇拜，我們從已知的測(cè)量數(shù)據(jù)直接使用三維建模工具進(jìn)行建模，把遺跡色彩采用投射貼圖的方法映射到遺址表面，采用凹凸貼圖的方法來(lái)模擬土丘與器物的紋理浮雕，并根據(jù)原始情況改變其凹凸度以增加真實(shí)感。遺址環(huán)境虛擬數(shù)字化獲?。豪矛F(xiàn)有成熟的3D軟件通過(guò)交互式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行建模，建模精度能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維圖形或虛擬環(huán)境生成技術(shù)。藝術(shù)裝飾品等器物的裝飾色彩及裝飾圖形符號(hào)數(shù)字化獲?。簩?duì)于陶器等帶有色彩且外形比較復(fù)雜，對(duì)記錄精度要求很高的三維對(duì)象，我們采用三維掃描技術(shù)來(lái)獲取其模型。使用專(zhuān)業(yè)的三維掃描儀可以容易地獲得三維物體的幾何模型，其記錄精度可以達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)。并針對(duì)帶有色彩且難以修復(fù)的特點(diǎn)研究了專(zhuān)門(mén)的模型拼接法。

四、3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行交互虛擬的難題及研究意義

雙墩文化遺址出土文物具有豐富的色彩、紋理信息，這兩點(diǎn)也是美術(shù)考古專(zhuān)家研究的重要內(nèi)容。三維掃描儀只能獲得物體的單色幾何模型，無(wú)法直接獲取色彩信息。為了彌補(bǔ)這種不足，我們研究了如何通過(guò)三維掃描儀掃描獲得的單色模型與圍繞著它所拍攝的一系列數(shù)字相片來(lái)獲取物體紋理貼圖的方法。該算法通過(guò)模型到圖像的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、幾何投射與變形和拼接等步驟來(lái)獲取物體圓柱貼圖紋理，具有直觀、對(duì)原始照片質(zhì)量要求小、允許運(yùn)行時(shí)編輯等優(yōu)點(diǎn)。雙墩文化遺址出土文物器型及色彩復(fù)原與演變模擬可以采用自動(dòng)或交互手段，對(duì)破碎、褪色、變色和脫落的殘破器物進(jìn)行復(fù)原，并模擬其脫落、殘破的發(fā)生和演變過(guò)程。器物復(fù)原演變模擬涉及的主要技術(shù)包括：器物特點(diǎn)、色彩分層、色彩風(fēng)格、類(lèi)比推理、色彩協(xié)調(diào)映射等方面。

本系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)為保護(hù)與研究雙墩文化遺址提供了有效的計(jì)算機(jī)輔助研究工具，對(duì)于以后淮河流域美術(shù)考古起到有效技術(shù)支持。雙墩文化遺址文物器型及色彩復(fù)原與演變模擬可根據(jù)出土器物造型及器物裝飾圖像的主要顏色，自動(dòng)將出土器型圖像劃分得到幾張單色圖像；利用出土器物的屬性檢索出與當(dāng)前器物相似的完好的器物作為復(fù)原的參考器物；同時(shí)應(yīng)用雙墩傳統(tǒng)用色知識(shí)，雙墩遺址出土器物造型風(fēng)格知識(shí)、雙墩研究專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，進(jìn)行色彩復(fù)原推理；最后，利用變色演示技術(shù)可以產(chǎn)生很多中間圖像，逼真地器物造型修復(fù)的全過(guò)程。應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)雙墩文化遺址進(jìn)行數(shù)字還原展示，制作一套準(zhǔn)確、生動(dòng)的遺址三維復(fù)原虛擬仿真系統(tǒng)，不僅會(huì)填補(bǔ)雙墩文物修復(fù)技術(shù)的空白，而且對(duì)遺址的保護(hù)、延續(xù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］記者孫秀麗.雙墩遺址及雙墩文化學(xué)術(shù)研討會(huì)在蚌埠召開(kāi)［N］.中國(guó)文物報(bào)，2005-11-18-（001）.

［2］趙昆.三維數(shù)字建模技術(shù)在考古遺址中的應(yīng)用及前景展望［N］.中國(guó)文物報(bào)，2006-5-26（007）.

［3］左雋，楊揚(yáng).“雙墩文化”：填補(bǔ)淮河流域史前文化空白［N］.安徽日?qǐng)?bào)，2005-12-9（C01）.

［4］DuXiao，F(xiàn)an Xiangtao，TanJⅠan，ZhuJunjie.Studyon 3D Visualization Application for the Grand Canal Heritage Site Research［C］.Ⅰnternational Symposium on Digital Earth：Data Processing and Applications，2009-9.

［5］何曉慶.史前聚落遺址的三維建模與可視化技術(shù)研究［D］.南京信息工程大學(xué)，碩士論文，2011：3-14.

［6］闞瑗珂.考古地層的三維可視化及應(yīng)用研究-以成都金沙遺址為例［D］.成都理工大學(xué)，碩士論文，2006：2-20.

［7］安徽省文物考古研究所.安徽省蚌埠博物館，安徽蚌埠雙墩新石器時(shí)代遺址發(fā)掘報(bào)告［J］.考古學(xué)報(bào)，2007，（1）：97-126.

［8］杜鶴民，楊君順.論中國(guó)民間工藝的數(shù)字化傳承.藝術(shù)空間（鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)）［J］.2006，（3）：75-76.

［9］（美）尼葛洛龐帝，胡泳.譯.數(shù)字化生存［M］.海南：海南出版社，1997：55.

［10］陳定方，羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：10.

［11］元鑫輝、王愷.Autodesk 3ds Max 2009 標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)教材［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，人民郵電出版社，2008：10.

［12］（英）理查德·布賴(lài)斯，史萍.譯.多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)工程［M］.中國(guó)電影出版社，2000：38.