多重影像建模技術(shù)在打制石器制圖及分析中的應(yīng)用

戰(zhàn)世佳 董 哲 林雪川

（1、3.吉林大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130012；2.安徽省文物考古研究所 安徽合肥 230061）

多重影像建模技術(shù)在打制石器制圖及分析中的應(yīng)用

戰(zhàn)世佳1董 哲2林雪川3

（1、3.吉林大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130012；2.安徽省文物考古研究所 安徽合肥 230061）

石器照相與繪圖工作是石器整理和研究工作的基礎(chǔ)，將多重影像建模技術(shù)應(yīng)用在石制品的整理工作當(dāng)中，可以促進(jìn)石器制圖和數(shù)字化影像記錄的精準(zhǔn)化，克服傳統(tǒng)制圖及拍照中存在的難點(diǎn)。運(yùn)用PhotoScan軟件進(jìn)行石器三維建模分兩步：一是獲取合適的照片作為參考數(shù)據(jù)來(lái)源，二是將拍攝的照片在軟件內(nèi)處理、建模并調(diào)整。獲得石器的三維模型后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行石器繪圖和后期研究。多重影像建模技術(shù)在多種類(lèi)型石器資料整理中優(yōu)勢(shì)明顯，在未來(lái)石器三維模型深入研究中意義重大。

多重影像建模 打制石器 繪圖 石器分析

在編寫(xiě)舊石器考古報(bào)告或進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，石器制圖一直都是一項(xiàng)既基礎(chǔ)又繁瑣的工作。因其在表現(xiàn)石器外輪廓及內(nèi)輪廓的基礎(chǔ)上仍需要運(yùn)用線條的變化表現(xiàn)出石器表面剝片疤痕的諸多特征，對(duì)繪圖者的舊石器基礎(chǔ)知識(shí)和繪畫(huà)功底均有較高要求。因而，石器在目前的考古繪圖中是主觀性強(qiáng)、難度大且費(fèi)時(shí)的繪圖對(duì)象。進(jìn)入21世紀(jì)后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助石器成像及繪圖已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，甚至于在部分簡(jiǎn)報(bào)及報(bào)告中出現(xiàn)了省略線圖而直接以器物照片作為單一圖版的表現(xiàn)方式。照片雖然生動(dòng)、絢麗和富有真實(shí)感，但無(wú)法突出器物的重點(diǎn)，一些關(guān)鍵的信息容易湮滅，而且無(wú)法用剖面來(lái)表現(xiàn)器物的體量［1］。器物線圖則可以平剖面相結(jié)合，過(guò)濾次要信息、突出主要信息，更好地向讀者傳遞石器的加工過(guò)程。但是，傳統(tǒng)石器繪圖方法具有其自身的局限性，故筆者在整理安徽地區(qū)調(diào)查采集和發(fā)掘出土舊石器時(shí)代石制品時(shí)，嘗試將數(shù)碼照片拍攝、照片建模技術(shù)及計(jì)算機(jī)繪圖等多種數(shù)字化手段相結(jié)合，以期更好地記錄和分析出土石制品的特質(zhì)和各項(xiàng)信息。

一、石器繪圖的特殊性及重要性

石器繪圖最大的特殊性就是其“先研究，后繪圖”的特殊要求，繪圖者需要對(duì)石器本身有著極為全面系統(tǒng)的分析和研究才能夠落筆制圖。石器線圖需要表現(xiàn)基本輪廓、疤痕位置、打擊點(diǎn)、打擊方式、剝片面、剝片方向、打擊力度、臺(tái)面類(lèi)型、同心波、結(jié)理面甚至石材質(zhì)感等細(xì)節(jié)。這些留存在石片、石核上的人工活動(dòng)痕跡非常重要，是石器鑒定的重要依據(jù)［2］，石器繪圖不只是對(duì)石器的影像記錄，更是對(duì)石器的一次研究過(guò)程。因此，石器繪圖通常由研究者本人完成，是舊石器研究者的基本功，屬于石器形態(tài)學(xué)分析的基本組成部分。

石器大體上可分為打制石器、磨制石器和琢制石器，三者表現(xiàn)方式既有相似又有差異。相似的是三者均需要表現(xiàn)出剝片位置及疤痕輪廓等基本要素。不同的是打制石器一般有細(xì)密的修理疤痕和使用痕跡，更強(qiáng)調(diào)打制方式和剝片順序；磨制石器側(cè)重磨制程度、磨制次序、磨制方向、是否存在先琢后磨或先磨后打的二次加工痕跡等，更強(qiáng)調(diào)器物表面的質(zhì)感差異；琢制石器需要點(diǎn)線結(jié)合，利用質(zhì)感點(diǎn)的不同大小及明暗分布，加之圖例說(shuō)明以表現(xiàn)其特殊的加工方式。因本文以安徽地區(qū)舊石器時(shí)代出土石制品為例，均為打制石器，故以下主要討論打制石器繪法。

二、傳統(tǒng)石器繪圖的方法及問(wèn)題

傳統(tǒng)石器繪圖的最大問(wèn)題是主觀性過(guò)強(qiáng)所帶來(lái)的準(zhǔn)確度降低，石器形狀多不規(guī)則，刃緣形態(tài)多樣，因而測(cè)量難度大，擺位標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一難，固定困難，多視圖對(duì)接難。關(guān)于石器的擺位，原則上是盡可能表現(xiàn)人工痕跡，在此基礎(chǔ)上保持工具刃緣和石片打擊點(diǎn)朝上。最常用的是2～3個(gè)視圖（正、背、側(cè)），如果各個(gè)面上都有需要表現(xiàn)的特征，可增加到4個(gè)以上視圖（俯、仰、斷面等），或者根據(jù)需求增加局部位置的不同視圖，如刃部、雕刻器小面等［3］。傳統(tǒng)石器繪圖步驟分起稿和清繪兩大部分，近年來(lái)因電子圖版排版需求和計(jì)算機(jī)制圖軟件的普及，增加了掃描硫酸紙線圖到計(jì)算機(jī)后利用PhotoShop軟件清潔美化，即“修圖”這一步驟［4］，以提高石器繪圖的美觀性和準(zhǔn)確性；亦已實(shí)現(xiàn)借助制圖軟件直接去掉米格紙、將鉛筆底圖轉(zhuǎn)換成鋼筆線圖效果，節(jié)約了繪圖的時(shí)間成本。

石器繪圖的起稿則主要分三部分：（1）畫(huà)外輪廓線、內(nèi)輪廓線；（2）繪剖面和必要的線條；（3）表現(xiàn)明暗組織（即表現(xiàn)方法）。外輪廓線的畫(huà)法主要有平面坐標(biāo)法、圍稿法、燈影法等［5］。實(shí)際工作中應(yīng)用最多的是圍稿法，但是石器難以放平，圍畫(huà)時(shí)鉛筆位置易偏移，造成幾毫米甚至幾厘米的偏差。若遇到較大、較厚的石器，如南方礫石工業(yè)中常見(jiàn)的砍砸器、手鎬等，需要對(duì)外輪廓進(jìn)行等比縮放，容易產(chǎn)生更大誤差。側(cè)視圖畫(huà)法需用橡皮泥將石器側(cè)面垂直固定，利用正視圖高度確定上下兩點(diǎn)，使用兩腳規(guī)確定突出點(diǎn)后根據(jù)曲度連接勾勒出外輪廓形狀。但因橡皮泥固定困難、容易晃動(dòng)、人工選擇的側(cè)視圖角度不能保證與正視圖呈90°、輪廓勾勒易偏差等原因，側(cè)視圖的內(nèi)外輪廓繪制實(shí)屬石器繪圖之難點(diǎn)。

繪制內(nèi)輪廓，即石器疤痕、石皮范圍、修理痕跡等細(xì)節(jié)。獲得內(nèi)輪廓尺寸的正確方式是利用平面坐標(biāo)法以獲得疤痕間的直線距離，但限于石器表面通常不規(guī)則且石片疤數(shù)量較多，測(cè)量數(shù)據(jù)獲取難度較高、準(zhǔn)確度受到影響，且一一測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因而，在實(shí)際工作中應(yīng)用最多的是確定內(nèi)、外輪廓線相交點(diǎn)并結(jié)合目測(cè)法，有時(shí)甚至?xí)苯硬捎猛耆繙y(cè)法［6］，不論是哪種方法均易對(duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。在分別完成多視圖的內(nèi)輪廓線后，需要進(jìn)行“對(duì)圖”，即保證不同視圖上石器的同一點(diǎn)、位、面位置一致，能夠一一對(duì)應(yīng)，以確保疤痕表現(xiàn)與實(shí)物一致。

石器內(nèi)部細(xì)節(jié)如打擊點(diǎn)、同心波等需要利用鋼筆畫(huà)畫(huà)法進(jìn)行表現(xiàn)，繪圖人員需要掌握基本鋼筆素描的原理及畫(huà)法。傳統(tǒng)手工繪圖在此步驟上的最大困難是修改難度大，硫酸紙清繪時(shí)則更是無(wú)法修改。近年來(lái)，多已借助繪圖軟件清理修改過(guò)的成圖，降低重繪的必要性。

三、多重影像建模技術(shù)的原理及應(yīng)用

近年來(lái)，基于動(dòng)態(tài)圖像時(shí)序（SFM，Structure from Motion）的多重影像建模技術(shù)開(kāi)始逐漸走向民用，國(guó)內(nèi)外的考古工作者開(kāi)始嘗試?yán)谜掌亩嘁暯浅上裨斫⒄嫒S模型，促使3D建模的難度和成本大幅降低。目前市面上已開(kāi)發(fā)推廣多款SFM軟件：（1）開(kāi)放資源軟件（Open Source Soft?ware），如Bundler、CMVS/PMVS2；（2）商業(yè)照片建模軟件（Photogrammetric Commercial Packages），如 PhotoModeler 2012 by EOS Systems Inc.、Photo?Scan by AgiSoft LL；（3）3D建模網(wǎng)站，如Autodesk 123D Catch、ARC 3D Webservice、Photosynth from Microsoft、Hypr3D［7］。

在多次分析比較后，筆者從拍攝難度、模型精度、紋理附著逼真程度、點(diǎn)云數(shù)量、誤差大小、文件大小、計(jì)算時(shí)間、硬件需求及操作難度等方面的綜合比較，選定了PhotoScan這一商用軟件作為此次石器建模的計(jì)算機(jī)軟件［8］。PhotoScan by AgiSoft LL是一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，通過(guò)控制點(diǎn)可生成真三維模型，航拍照片或高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像都可以使用，工作流程自動(dòng)化，無(wú)需依賴于網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式多樣，方便后期處理，考古學(xué)者也能夠生成專(zhuān)業(yè)級(jí)別的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)［9］。

目前，多重影像建模軟件已深入應(yīng)用到了考古學(xué)數(shù)字化記錄中。首先是基于航拍的古遺址全景成像［10］及大型墓葬的三維建模，如遼寧建昌縣東大杖子遺址M40［11］，此類(lèi)大面積發(fā)掘區(qū)的成功數(shù)字化及本土化已證明照片建模具有較之于傳統(tǒng)建模方法易于操作、成本低、速度快、紋理清晰、自然條件限制少、可輸出動(dòng)力效應(yīng)模型（DEM模型）的特點(diǎn)；再者，大型石質(zhì)文物如石雕也已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用［12］。然而受限于小型文物的表面光澤、體積、拍照方式及3D軟件的精確程度等原因，體積較小的文物如骨角器［13］、陶器［14］、木器［15］等可移動(dòng)文物的三維建模工具仍以激光、CT掃描儀或熱成像儀為主，以完成更深層次的統(tǒng)計(jì)學(xué)和形態(tài)學(xué)分析，但影像三維重建的方法也已逐漸引入并在部分條件適當(dāng)?shù)奈奈锷铣晒\(yùn)用［16］。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者借助PhotoScan軟件也已開(kāi)始嘗試對(duì)北美地區(qū)細(xì)石器建模，但對(duì)顏色較淺的蛋白色光滑燧石及反光率較高的黑曜石成像仍會(huì)不完整甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。國(guó)內(nèi)學(xué)者如周振宇、關(guān)瑩及趙海龍等具有舊石器考古學(xué)研究背景的專(zhuān)家學(xué)者帶領(lǐng)之下，也已經(jīng)在石制品多視角三維重建領(lǐng)域取得了一定成就［17］。

圖一//照片拍照?qǐng)鼍?/p>

四、多重影像建模及繪圖的步驟

（一）建模流程

運(yùn)用PhotoScan實(shí)現(xiàn)石器三維建模分兩步：一是獲取合適的照片作為參考數(shù)據(jù)來(lái)源，二是將拍攝的照片在軟件內(nèi)處理、建模并調(diào)整。

1.照片拍攝

照片建模的基礎(chǔ)是一組或多組恰當(dāng)、完整、細(xì)節(jié)豐富的數(shù)碼攝影照片，因而對(duì)拍攝工作有著較高的要求。首先將器物利用橡皮泥豎直固定在可旋轉(zhuǎn)的托盤(pán)上，盡可能將最長(zhǎng)邊直立以提供更多可銜接點(diǎn)，保證器物在托盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)移動(dòng)（圖一）；第二步利用三腳架、固定光源對(duì)石器進(jìn)行360°水平拍攝，根據(jù)器物大小不同每圈定焦拍攝至少8張照片，保證每張照片中器物的大小及顏色一致，在器物完整的前提下使石器盡可能充滿畫(huà)面；第三步將三腳架抬高與器物形成約45°仰角，拍攝一圈；第四步需將器物垂直翻轉(zhuǎn)180°后利用橡皮泥垂直固定在托盤(pán)上，45°俯拍一圈；最后將拍攝所得的三組照片導(dǎo)入到SFM軟件當(dāng)中，拍攝的角度、圈數(shù)、每圈的照片數(shù)量、光亮程度均需要根據(jù)器物體積及顏色等實(shí)際情況調(diào)整。

2.軟件工作流程

PhotoScan相對(duì)于其他SFM建模方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于其清晰簡(jiǎn)便的工作流程，按其“工作流程”這一菜單欄下的提示，逐步完成即可（圖二）。人工導(dǎo)入照片、設(shè)置蒙版、設(shè)置參數(shù)、調(diào)整限制框后軟件可自動(dòng)批處理多項(xiàng)工作，期間計(jì)算機(jī)直接自動(dòng)生成紋理。該功能省卻了其他建模方式需后期人工貼圖的復(fù)雜步驟，使建模這一過(guò)程最大限度地簡(jiǎn)化，節(jié)省時(shí)間的同時(shí)也節(jié)約了人員培訓(xùn)的成本。

（二）石器繪圖及后期研究

1.獲得正投影照片并繪圖

在獲得了石器的三維模型后，借用拍攝中的比例尺和已知點(diǎn)的三維坐標(biāo)可匹配模型與真實(shí)石器的尺寸。調(diào)整石器至所需的擺位角度，輸出圖片，獲得該側(cè)面的正投影截圖，在繪圖軟件中進(jìn)行排版，即可獲得帶有紋理與數(shù)碼照片近似的貼圖多視圖?；诖硕嘁晥D，結(jié)合實(shí)物觀察所得結(jié)論和測(cè)量數(shù)據(jù)，遵循傳統(tǒng)石器繪圖基本原則利用數(shù)位板或數(shù)位屏借助繪圖軟件對(duì)石器進(jìn)行上線、生成質(zhì)感、添加比例尺、排版。此時(shí)所得線圖已滿足發(fā)表標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需硫酸紙清繪，亦無(wú)需再掃描、更換比例尺、清理版面等，也可隨時(shí)根據(jù)需要局部修改調(diào)整。

2.模型導(dǎo)出

將所獲模型導(dǎo)出成后期加工或展示要求的格式，如OBJ、STL、3DS、U3D、PDF等。之后在其他三維模型平臺(tái)或建模軟件中打開(kāi)，進(jìn)行更深入的修改、加工、測(cè)量、分析、整合，然后再發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

五、照片建模在不同種石制品整理中的利弊分析

圖二//三維建模流程圖

圖三//遠(yuǎn)距離俯拍照片與三維導(dǎo)出正投影圖片對(duì)比圖

石制品的劃分方式多種多樣，本文以其體積為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)。劃分標(biāo)準(zhǔn)為最大直徑超過(guò)5厘米以上者為大石器，5厘米以下者為小石器，此二者在傳統(tǒng)手繪圖和正投影拍照等多媒體文物記錄上便存在著較大的方法差異。而在實(shí)際文物建模工作中，傳統(tǒng)的建模方式受限于石制品材質(zhì)及表面顏色影響經(jīng)常會(huì)成像困難，如透光度較高、顏色較淺白、雜質(zhì)較少的石英制品、玉石器、石膏等［18］，之前多以激光掃描儀掃描建模后再貼圖，過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)且需要專(zhuān)業(yè)人員操作。此外，還存在石球一類(lèi)的通體加工、疤痕分布均勻、擺位不定、對(duì)圖困難、三視圖無(wú)法完整展現(xiàn)細(xì)節(jié)的石制品，如何更好地將其呈現(xiàn)是長(zhǎng)期以來(lái)困擾相關(guān)研究人員的難點(diǎn)。

（一）大石器建模的利弊分析

本文中所指的大石器是以最大直徑超過(guò)5厘米、厚度多超過(guò)3厘米的石器，與石器工業(yè)傳統(tǒng)無(wú)關(guān)。此類(lèi)體積較大的石器，多出現(xiàn)于南方礫石工業(yè)，加工痕跡明顯、加工過(guò)程不復(fù)雜、打片疤痕較大、修理痕跡較少且使用痕跡不易于判斷，因而對(duì)于建模精度要求較之于疤痕細(xì)密、集中分布的細(xì)小石器來(lái)說(shuō)相對(duì)較低。在傳統(tǒng)繪圖工作中，此類(lèi)石器的準(zhǔn)確內(nèi)外輪廓不易獲得，而且不同大小的石器不同比例縮放后同心波疏密不易統(tǒng)一，影響出版圖版的美觀性。利用拍照手段對(duì)石器進(jìn)行多媒體記錄也遇到了透視變形的問(wèn)題，尤其是體積越大的石制品透視變形越大。為了矯正透視變形以得到大石器的正投影，國(guó)內(nèi)通常的做法是利用長(zhǎng)焦鏡頭在3米甚至6米外進(jìn)行拍攝，但這種做法會(huì)嚴(yán)重?fù)p失石制品細(xì)節(jié)；已知日本的石器攝影師會(huì)利用特殊的軟硬件技術(shù)和多焦點(diǎn)攝影方式校正，成本較高且未普及。以上兩種方法都對(duì)拍攝人員的攝影技術(shù)要求較高，加之石器擺位規(guī)則和固定困難，手動(dòng)擺放確定多視圖的位置與角度相一致極難達(dá)到（圖三）。尤其是側(cè)視圖拍攝時(shí)的石器既需要保持固定、與另兩視圖保持垂直，還需要確保橡皮泥、沙箱等固定物并沒(méi)有對(duì)石器形成大面積的遮擋影響器物的完整性。旋轉(zhuǎn)拍攝所得的多視圖，仍需要保持光源一致、照片中器物大小一致、顏色一致、疤痕位置能夠銜接等，數(shù)碼照片需經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的后期處理方能滿足研究及出版要求。

因而，相對(duì)于以上傳統(tǒng)手繪圖及石器攝影，照片建模優(yōu)勢(shì)明顯：（1）對(duì)拍攝者攝影技術(shù)要求低，硬件成本低，普通相機(jī)及鏡頭即可完成拍照；（2）可消除掉拍照引起的透視變形，直接形成正投影；（3）保持旋轉(zhuǎn)的正確角度，不受固定物的遮擋，排版時(shí)不需要考慮對(duì)圖問(wèn)題；（4）出圖光影、大小、顏色一致，后期工作少；（5）圖像清晰、真實(shí)、細(xì)節(jié)豐富，可直接根據(jù)其進(jìn)行繪圖、無(wú)需再對(duì)石器疤痕大小及位置進(jìn)行目測(cè)估量，也可關(guān)閉紋理效果、以灰度模式直接觀察石器的疤痕結(jié)構(gòu)以減少石料材質(zhì)干擾。從圖三可知，遠(yuǎn)距離平拍所得石器仍有透視變形且人工旋轉(zhuǎn)石器擺位不可能按照固定角度，而三維建模后導(dǎo)出的正投影圖片則可以滿足旋轉(zhuǎn)要求并消弭透視變形（圖四）。

（二）小石器建模的利弊分析

照片建模軟件最早是針對(duì)航拍的大型建筑基址或建筑設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)，其時(shí)建模物品體積較大，即使應(yīng)用在工業(yè)建模當(dāng)中如汽車(chē)制造業(yè)組件其體積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石器，因而為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度小于5厘米、厚度小于3厘米的小石器建模，需提高原始數(shù)碼照片信息源的精細(xì)度。筆者經(jīng)嘗試發(fā)現(xiàn)，若在拍攝照片使用微距鏡頭、增加照片張數(shù)、利用圖像處理軟件豐富照片細(xì)節(jié)并生成更多的密集點(diǎn)云，能夠在所得三維建模中完整地表現(xiàn)細(xì)小石器上細(xì)密疤痕。但是，這種方式提高了三維建模的成本和難度。而且，小石器本身體積較小，俯拍所獲得的照片透視變形已在可承受的范圍內(nèi)，基本呈正投影，石器固定的難度亦不大。在手動(dòng)擺位基本正確的前提下，如若目的只是為實(shí)現(xiàn)文物數(shù)字化影像建檔和報(bào)告出版，照片建模方法所耗費(fèi)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于正投影拍攝，邀請(qǐng)專(zhuān)業(yè)攝影師拍照亦可滿足需求，甚至能夠更好地突出人工痕跡。如若目的是借助石器三維模型，以達(dá)到操作鏈分析、厘清疤痕分布層次等更深入的研究目的，即使配備較好的攝影設(shè)備和更高配置的計(jì)算機(jī)，照片建模成本仍遠(yuǎn)低于CT掃描儀和手持三維掃描儀，精確程度可滿足研究需要，且對(duì)石料限制較少，可普及推廣（圖五）。

圖四//大石器正投影貼圖圖片、模型截圖及線圖

（三）石英等淺色半透明石制品建模的利弊分析

上文已經(jīng)提到，石英、玉石、黑曜石、蛋白石、石膏質(zhì)地的石制品或其他顏色較淺、透光率高的文物在利用其他三維掃描儀進(jìn)行成像時(shí)常會(huì)遇到問(wèn)題，如無(wú)法成像、成像錯(cuò)位或者無(wú)法貼圖等，事實(shí)上此類(lèi)問(wèn)題在照片建模過(guò)程當(dāng)中也存在。通用的解決方式有：（1）改變打光方式，減少透明度，但容易影響成像效果；（2）在器物表面貼附標(biāo)志點(diǎn)后掃描，若器物較小則很難添加；（3）在軟件中人為添加標(biāo)志點(diǎn)，但易造成較大誤差。

圖五//小石器正投影貼圖圖片、微距攝影照片及傳統(tǒng)手繪線圖之對(duì)比（微距照片拍攝：林雪川；線圖繪制：戰(zhàn)世佳）

因而此處推薦的方法分以下三步：（1）在拍攝時(shí)調(diào)整器物的打光角度、控制光圈和快門(mén)時(shí)間、合理利用鏡頭焦距變化，降低照片中器物的透明度、盡可能增加其細(xì)節(jié)、防止過(guò)度曝光；（2）利用圖像處理軟件處理照片，增加對(duì)比度、銳度及細(xì)節(jié)，盡可能突出石料的天然瑕疵，并以此彌補(bǔ)由于光斑減少、透光度降低而造成的人工痕跡不明顯；（3）將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的照片導(dǎo)入軟件按流程操作，必要時(shí)在“對(duì)齊照片”后借助照片中的比例尺手動(dòng)添加標(biāo)志點(diǎn)，如非必要并不推薦。石英、石英巖和黑曜石，是常見(jiàn)的石器加工原料，史前人類(lèi)在天然環(huán)境中很難尋找到?jīng)]有瑕疵的石料，所以以瑕疵作為標(biāo)志點(diǎn)的方式是可行的。但是此種方法仍存在其弊端，即處理后的照片偏色且瑕疵較多，影響美觀性，導(dǎo)致模型紋理可能會(huì)與實(shí)物存在視覺(jué)差異。此弊端亦可在PhotoScan軟件中得到解決，在菜單欄的“工具”中導(dǎo)出“紋理”后借助PhotoShop軟件進(jìn)行修改和處理，再重新導(dǎo)入到模型當(dāng)中，此步驟可重復(fù)進(jìn)行直至獲得滿意的效果（圖六、圖七）［20］。另外需要說(shuō)明的是，在實(shí)際工作當(dāng)中，這一類(lèi)石制品經(jīng)常因本身材質(zhì)問(wèn)題而節(jié)理發(fā)育、斷裂面較多，對(duì)人工打制痕跡的觀察分析和判斷干擾較多，因而重新貼圖、添加紋理十分必要，利用光影對(duì)比使人工痕跡在視覺(jué)效果上更突出，減少其他斷面造成的干擾。

照片建模的方法不僅解決了考古攝影中石英類(lèi)石制品的拍照困難，也更好地幫助了研究者深入觀察此前肉眼難以判定的石器打片方式、疤痕結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，此方法也可推廣到玉石器中，部分較珍貴的玉石器在懸吊等三維掃描方式中存在著較高的風(fēng)險(xiǎn)且建模效果常常不盡如人意，利用這種方式只需要將玉石器放置進(jìn)特制的沙箱內(nèi)拍攝即可，最大限度地保證了珍貴文物的安全。

圖七//石英材質(zhì)制品傳統(tǒng)手繪線圖與計(jì)算機(jī)輔助繪圖之對(duì)比（手繪線圖：戰(zhàn)世佳）

（四）石球等多面體石制品建模的利弊分析

目前我國(guó)已發(fā)現(xiàn)大量的石球、盤(pán)狀器等為代表的球體或多面體石器，此類(lèi)石器在之前的報(bào)告中通常只發(fā)表單視圖和兩視圖作為代表，而實(shí)際上很多石球通體加工，僅單視圖或兩視圖難以代表和涵蓋整個(gè)石球的加工情況。繪圖過(guò)程中因部分石球可能經(jīng)過(guò)琢制或磨制，質(zhì)感表現(xiàn)常常不準(zhǔn)確，手繪質(zhì)感點(diǎn)費(fèi)時(shí)，多種質(zhì)感差異不明。利用三維模型不僅可以截取獲得石球的五視圖、六視圖，在其基礎(chǔ)上準(zhǔn)確繪圖并直接利用制圖軟件生成質(zhì)感點(diǎn)，還可設(shè)置質(zhì)感點(diǎn)的疏密程度以突出加工方式之差異；可在計(jì)算機(jī)當(dāng)中對(duì)整個(gè)石球進(jìn)行完整、細(xì)致、多面的觀察，任意旋轉(zhuǎn)選擇需要的角度和擺位，甚至借助網(wǎng)絡(luò)三維平臺(tái)遠(yuǎn)程觀察（圖八）。

六、未來(lái)石器三維模型在分析中的深入應(yīng)用

（一）拍照與制圖

目前很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識(shí)到了三維模型在實(shí)際工作中對(duì)正投影數(shù)碼照片的獲取和計(jì)算機(jī)繪圖準(zhǔn)確性所起的重要作用，因而將其廣泛應(yīng)用在實(shí)際的器物整理工作中。筆者本次整理安徽地區(qū)出土舊石器時(shí)代石制品，借助照片建模，很大程度上提高了石器繪圖的準(zhǔn)確性和效率，尤其是解決了南方礫石工業(yè)中的粗大石器在拍照中遇到的變形問(wèn)題和繪圖中遇到的測(cè)量困難。這種方法不僅大幅提高了后期照片及線圖圖版的排版效率，也方便了研究者后期觀察、比較和統(tǒng)計(jì)。

（二）數(shù)字化管理與虛擬展示

考古成果數(shù)字化是數(shù)字化時(shí)代的大勢(shì)所趨，為強(qiáng)化互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，加強(qiáng)出土文物的管理，方便建檔、查閱和研究，豐富完善文物信息，突破傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)的不足，繪圖者可以嘗試在現(xiàn)有考古數(shù)字化平臺(tái)上加入文物三維信息。但傳統(tǒng)三維掃描儀建模方法設(shè)備囿于投入成本高、對(duì)人員專(zhuān)業(yè)技能要求高、處理時(shí)間長(zhǎng)、部分文物材質(zhì)及體積無(wú)法掃描建模、文物體積過(guò)大、后期處理應(yīng)用難等問(wèn)題，難以廣泛應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中。借助照片建模技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)石英巖、玉石、陶瓷、無(wú)法脫水的竹木器及絲織品等特殊材質(zhì)文物的三維化，也降低了對(duì)操作人員的技術(shù)要求、縮短了處理時(shí)間、方便了后期的統(tǒng)計(jì)分析、推進(jìn)了報(bào)告（簡(jiǎn)報(bào)）的出版。目前，多家考古學(xué)研究的國(guó)際雜志已經(jīng)在其線上出版物增加了可上傳OBJ等三維模型格式的選項(xiàng)，以便更好地說(shuō)明和推廣數(shù)字化技術(shù)。

數(shù)字化博物館的最重要的組成部分就是數(shù)字化文物模型，也是現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［21］。運(yùn)用照片建模軟件可以低成本、快速地實(shí)現(xiàn)大批量文物的數(shù)字化、三維化，繼而借助網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、二維碼標(biāo)識(shí)文物、三維平臺(tái)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維交互，建立文物數(shù)據(jù)庫(kù)與虛擬博物館，方便展示文物和公眾推廣［22］。

（三）利用三維建模深入分析

國(guó)外考古學(xué)家利用三維建模技術(shù)，對(duì)石制品的研究已經(jīng)取得了一系列階段性研究成果?？死锼埂た死–hris Clarkson）及其團(tuán)隊(duì)完成了一系列運(yùn)用三維建模技術(shù)進(jìn)行石器分析的研究，準(zhǔn)確計(jì)算臺(tái)面區(qū)域的面積，進(jìn)而判斷石片類(lèi)型是斷片（或裂片）還是修理臺(tái)面的石片［23］；通過(guò)判斷石核模型上片疤數(shù)量的差異，以推斷遺址不同時(shí)期石核剝片效率的差異［24］；借助三維模型判斷石核或石片上片疤的模式，明晰石核預(yù)制與剝片的技術(shù)，特別是當(dāng)石片厚且形制不規(guī)整時(shí)，三維建模技術(shù)操作更加便捷［25］。此外，努特·博茲基（Knut Brezke）和尼古拉斯·古納德（Nicholas J.Conard）計(jì)算石制品形制的多樣性，根據(jù)片疤反向與類(lèi)型判斷遺址早晚不同時(shí)間段技術(shù)的細(xì)小差異性［26］；哈羅德·迪布爾（Harold L.Dibble）和澤里克·雷塞克（Zeljko Rezek）利用三維建模技術(shù)判斷出石片形制與臺(tái)面角相關(guān)，而石片尺寸則與臺(tái)面角、臺(tái)面深度和打擊方向相關(guān)［27］；山姆·林（Sam C.H.Lin）、馬修·道格拉斯（Matthew J.Douglass）等則通過(guò)對(duì)石皮位置和比例的觀測(cè)，以操作鏈的視角推測(cè)最初石制品的尺寸［28］；近期，李?yuàn)W·格羅斯曼（Leore Grosman）等對(duì)石制品三維建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)做了總結(jié)，既獲得了石制品更為完整的信息，測(cè)量數(shù)據(jù)也更加精確，石器定位亦更加標(biāo)準(zhǔn)，并利于石器數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)［29］。借鑒國(guó)外已經(jīng)取得的一系列研究成果以及照片建模技術(shù)的不斷完善，筆者期待將石器三維模型應(yīng)用到石器分析的工作中，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定位、精確測(cè)量、細(xì)致判斷石片類(lèi)型和片疤數(shù)量及形態(tài)，推斷剝片、修理技術(shù)并重構(gòu)史前工具加工方式及組合等。

圖八//三維模型導(dǎo)出的石球正投影貼圖及模型截圖五視圖

七、結(jié)語(yǔ)

多重影像建模技術(shù)較之于激光掃描儀或CT掃描儀等大型儀器建模方式，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，不僅降低了建模的造價(jià)和時(shí)間成本，也簡(jiǎn)化了建模的流程，更易普及到大范圍的考古田野工作、可移動(dòng)文物普查及虛擬展示當(dāng)中。多重影像建模技術(shù)對(duì)舊石器的整理和報(bào)告出版工作，有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，不僅可以使線圖繪制更精確、數(shù)字化記錄更全面，也提供了石器測(cè)量和形態(tài)分析的新方法。

本文之所以以安徽地區(qū)出土部分舊石器時(shí)代石制品為例，是由于其發(fā)現(xiàn)時(shí)間距今已近20年，已有的具體測(cè)量數(shù)據(jù)和影像資料不全面，甚至因年代和多次遷移已缺失基本的采集和發(fā)掘環(huán)境信息，多數(shù)科技分析手段已無(wú)法應(yīng)用?，F(xiàn)存的最準(zhǔn)確、客觀的物化研究資料只存有出土石制品本身，故筆者嘗試?yán)矛F(xiàn)有技術(shù)手段，在經(jīng)費(fèi)有限的情況下最大限度地挖掘研究信息、提高研究的精度和準(zhǔn)度，利用石器三維模型以嘗試幾何形態(tài)學(xué)分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和數(shù)字化建檔。目前由于時(shí)間和人手的限制，只針對(duì)部分石器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拍攝、建模，但已很好地證明了照片建模這一方法在該地區(qū)實(shí)際工作當(dāng)中的優(yōu)勢(shì)，筆者認(rèn)為，考古界應(yīng)繼續(xù)推廣和完善這一技術(shù)以解決研究中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、滿足實(shí)際工作需要。

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Abstract:The lithic photogrammetry and plot are essential parts for lithic analysis and data consolida?ting.To improve the accuracy of lithic plot and digital data,archaeologists try to introduce the multi-image 3D reconstruction as a kind of new method into archaeological practice to avoid those problems met in tradi?tional illustration.Generally,it has two steps in the 3D-models building with PhotoScan by AgiSoft LL.The first step is to take images by digital cameras as basic data resources.After graphic processing,those images could be put into the multi-image software to build 3D-models,which are the sourcesfor next studies like photogrammetry,lithic painting and lithic analysis.The advantages of multi-image 3D reconstruction are low-cost,time-saving and higher accuracy.What’s more,it can also evaluate morphological variability in lithic assemblages and virtual exhibition.

Key words:multi-image 3D reconstruction；chipped stone tools；archaeological plot;lithic analysis

（責(zé)任編輯：黃 苑；校對(duì)：張平鳳）

Application of Multi-image 3D Reconstruction in Illustrating and Analyzing Chipped Stone Tools

ZHAN Shi-jia1DONG Zhe2LIN Xue-chuan1
(1.Jilin University,Changchun,Jilin,130012;2.Anhui Provincial Institute of Cultural Relics and Archaeology,Hefei,Anhui,230061)

K876.2

A

2017-05-09

戰(zhàn)世佳（1989—），女，吉林大學(xué)邊疆考古研究中心博士生，主要研究方向：考古學(xué)史、舊石器時(shí)代考古學(xué)。董 哲（1987—），男，安徽省文物考古研究所館員，主要研究方向：史前考古。林雪川（1969—），男，吉林大學(xué)文學(xué)院考古實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副研究館員，主要研究方向：數(shù)字化文物應(yīng)用技術(shù)。