三維激光掃描在考古 信息采集后期的應(yīng)用

許辰 李曼 焦谷雨

如今，數(shù)字化信息采集技術(shù)在文物考古工作中日益受到重視，這些信息在完善文物信息資源、文物數(shù)字化展示、復(fù)原考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)、虛擬博物館建設(shè)等方面發(fā)揮了重要作用。

作為現(xiàn)場(chǎng)考古發(fā)掘、手工繪圖和拍照等資料信息后期整理的延續(xù)，我們通過(guò)三維激光掃描技術(shù)來(lái)對(duì)器物信息采集工作進(jìn)行技術(shù)上的初步探索。我們的構(gòu)思是：取一件器物，通過(guò)三維激光掃描對(duì)它進(jìn)行全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和處理，將其完整、無(wú)損地記錄下來(lái)。

信息采集、處理、存儲(chǔ)、展示

河南鞏義花地嘴遺址是1992年河南省社會(huì)科學(xué)院河洛文化研究所和鞏義市文管所對(duì)河洛地區(qū)進(jìn)行文物普查時(shí)發(fā)現(xiàn)的，位于鞏義站街鎮(zhèn)北瑤灣村村南平坦的臺(tái)地上。2004年，鄭州市文物考古研究所與北京大學(xué)考古文博學(xué)院聯(lián)合對(duì)該遺址進(jìn)行了考古發(fā)掘，出土的陶器有深腹罐、高領(lǐng)罐、附加堆紋甕、淺盤(pán)豆等。我們使用HANDYSCAN3D手持式掃描儀，對(duì)花地嘴出土的高領(lǐng)罐進(jìn)行信息采集。

三維激光掃描信息采集的工作流程是：器物擺放、激光掃描、模型修復(fù)、燈光鋪設(shè)、數(shù)碼拍照、數(shù)字建模、模型貼圖等。

首先對(duì)手持激光掃描儀進(jìn)行掃描精度校準(zhǔn)等前期準(zhǔn)備工作。根據(jù)器物造型、大小等因素在不破壞文物本身的前提下進(jìn)行點(diǎn)網(wǎng)覆蓋、貼點(diǎn)定位。接下來(lái)掃描點(diǎn)云并對(duì)器物進(jìn)行360°全方位的數(shù)據(jù)采集，如果受工作環(huán)境影響，沒(méi)辦法一次性?huà)呙柰暾烧{(diào)整器物位置多次掃描，進(jìn)行合并，然后運(yùn)用VXelements軟件對(duì)掃描到的部分進(jìn)行0.2毫米的精確修復(fù)。接著進(jìn)行器物拼接、修補(bǔ)孔洞、網(wǎng)格修復(fù)等細(xì)節(jié)操作，最終完成網(wǎng)格清晰、去除雜質(zhì)、高清晰度、真實(shí)完整的掃描模型，將文件保存成OBJ格式。目前比較流行的三維數(shù)據(jù)保存格式有OBJ、DXF等，這些格式都可以在常用的三維軟件中打開(kāi)。

將生成的OBJ文件在數(shù)字雕刻軟件ZBrush里打開(kāi)，對(duì)模型進(jìn)行工作前的校對(duì)以及方位調(diào)整，而后再對(duì)器物進(jìn)行拓補(bǔ)，在后期貼圖時(shí)，幾千三角網(wǎng)格面就可以完美達(dá)到貼圖標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際操作過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)高精度的掃描使一件中等大小的器物能達(dá)到幾十萬(wàn)的面數(shù)，要想更易操作，需要將高精度模型降低為1%—5%去除細(xì)節(jié)面數(shù)后再進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)。為保證后期貼圖效果，我們先進(jìn)行器物拆分，因?yàn)槠魑镉泻穸惹視?huì)因?yàn)橘N圖映射到器物內(nèi)部。再進(jìn)行UV制作，將器物切分到可以滿(mǎn)足貼圖標(biāo)準(zhǔn)的面數(shù)， UV切分后如果造成器物網(wǎng)格扭曲、拉伸、變形，及時(shí)做出調(diào)整修正。

最后打開(kāi)源文件模型，將原器物的紋理結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)映射到復(fù)制修改過(guò)的模型上，完成整個(gè)模型工作。

信息采集過(guò)程中的拍照

拍照的主要目的是還原器物原本的顏色清晰度，增強(qiáng)紋飾立體感，這也是問(wèn)題最多的階段。拍照信息采集前期，初步摸索環(huán)境的局限性。貼圖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)模型貼圖有別于正常拍攝的器物照，會(huì)出現(xiàn)透視關(guān)系不對(duì)、光源和聚焦點(diǎn)有誤差、顏色不統(tǒng)一、器物紋飾變形等多種問(wèn)題。我們便選擇多種軟件結(jié)合，運(yùn)用Photoshop的手繪板操作，拼接接縫、修補(bǔ)紋路、調(diào)整照片色調(diào)等，修改后導(dǎo)入ZBrush測(cè)試檢查，再導(dǎo)入Photoshop繼續(xù)修改，進(jìn)一步完善。中后期又采用兩個(gè)柔光燈投射100°的白光進(jìn)行拍攝，效果仍然不理想，缺少頂光和后背投射光，拍攝出來(lái)的物體發(fā)灰，仍需要導(dǎo)入Photoshop里進(jìn)行大量調(diào)整、調(diào)色，消耗資源和時(shí)間。

器材方面，我們使用的是尼康D7000和標(biāo)配80—105mm鏡頭，這種配置用于拍攝全景照片效果很好，紋飾的機(jī)理清晰度也很高。但我們用這種方法對(duì)器物進(jìn)行局部取材，景深拉近時(shí)，出現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)虛弱、器物模糊等情況。于是我們把器物劃分成若干個(gè)區(qū)域進(jìn)行拍攝，并使相鄰照片有部分重疊以便進(jìn)行拼接，把器物的外形曲線(xiàn)及斷裂面凹凸起伏的特征輸入電腦，拍攝的器物圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，再合成為立體造型。

在進(jìn)行具體拍照貼圖之前，注意觀察器物的紋路造型、轉(zhuǎn)折等問(wèn)題才能在拍照時(shí)增加拍照后的量化。例如將器物拓補(bǔ)后進(jìn)行拆分的同時(shí)也將內(nèi)外部進(jìn)行拆分并分開(kāi)保存，這種方法類(lèi)似Photoshop里的分圖層，可以進(jìn)行局部雕刻和網(wǎng)格整理。即便是模型貼圖，由于器物貼圖在圖片拼合中容易接縫斷裂，需要用手繪板進(jìn)行細(xì)節(jié)刻畫(huà)。如果出現(xiàn)ZBrush軟件都完成不了的情況，前期要將模型設(shè)定好，因?yàn)樘幚鞺V分離曲面問(wèn)題的時(shí)候很難避免重疊問(wèn)題，導(dǎo)致中期延展UV時(shí)，UV看上去很不平整，貼圖工作很難快速進(jìn)行，循環(huán)出現(xiàn)這種問(wèn)題造成材質(zhì)粗糙、模糊。因此我們后期可以在Photoshop里將導(dǎo)出的UV圖片進(jìn)一步完善，最終將修改完善的圖片重新覆于器物表面。

一件器物需要上百?gòu)垐D片才能比較完整地運(yùn)用在貼圖里，以后的工作中需要引進(jìn)微距鏡頭和柔光箱，柔光箱的光線(xiàn)經(jīng)二次透射產(chǎn)生漫射光，柔和度非常好，對(duì)文物的造型透射具有包圍感，柔光箱的尺寸越大包圍感越顯著，文物的立體造型與光線(xiàn)的過(guò)渡有更好體現(xiàn)，可以解決顏色受光均勻，減少后期修圖時(shí)間甚至可以直接使用。

以三維激光掃描和信息處理技術(shù)為核心的科技考古信息采集，利用三維紅外激光掃描技術(shù)的高精度和高分辨率，可以對(duì)器物、壁畫(huà)、古建筑、石窟等進(jìn)行信息的全面獲取，已在考古領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

（作者許辰、焦谷雨為鄭州市文物考古研究院助理館員；李曼為鄭州市文物考古研究院館員）