利用計(jì)算機(jī)軟件繪制北魏平城板瓦考古線圖的新方法

陳洪萍 王娜 趙曉丹 尚美斌 王家鑫

內(nèi)容摘要：板瓦是北魏平城物質(zhì)文化遺存之一，山西省大同市的幾處北魏遺址均出土了大量板瓦。本文旨在介紹綜合利用計(jì)算機(jī)軟硬件繪制板瓦考古線圖的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程，批量化、規(guī)?；乩L制北魏平城種類豐富且數(shù)量可觀的板瓦考古線圖，并搭建北魏平城板瓦的考古線圖資料庫，最終匯入云岡石窟大數(shù)據(jù)庫——“數(shù)字云岡”，以擴(kuò)展考古繪圖的應(yīng)用，使其參與展覽、宣傳、開發(fā)文創(chuàng)等。

關(guān)鍵詞：北魏;板瓦;軟件;考古繪圖

中圖分類號(hào)：K876.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1000-4106（2020）05-0101-08

On the Application of Computer Software in

Drawing Diagrams of the Shingles from the Pingcheng

Era of the Northern Wei Dynasty

CHEN Hongping ? WANG Na ?ZHAO Xiaodan ?SHANG Meibin ?WANG Jiaxin

（Digital Center， Yungang Grottoes Academy， Datong， Shanxi 037007）

Abstract： Roof shingles are one of the key pieces of archaeological evidence from the Northern Wei dynasty in Pingcheng， and many such shingles have been unearthed in excavation sites in Datong， Shanxi province. This article introduces a set of standardized processes for drawing up diagrams of roof shingles with computer technology. By following the work flow presented by researchers， a data bank of diagrams and line drawings can be efficiently created that can be used to form the Yungang Grottoes Digital Intelligence System， or “Digital Yungang.” In addition， the archaeological diagrams collected in this digital system can easily be repurposed for museum exhibitions， publicity campaigns， and other creative and cultural projects.

Keywords： Northern Wei dynasty; shingles; software; archaeological diagram

一 引 言

板瓦是北魏平城物質(zhì)文化的重要遺存之一，大同操場(chǎng)城北魏建筑遺址[1-2]、云岡石窟窟前遺址及窟頂西部寺院遺址[3]、大同北魏平城明堂遺址[4]、大同方山思遠(yuǎn)佛寺遺址[5]等北魏平城時(shí)代遺址，均出土了大量板瓦，它是北魏遺址的典型特點(diǎn)和標(biāo)志[6]（圖1）。板瓦雖然只是一種基本建筑構(gòu)件，但是它的文化意義不可小覷。板瓦制作工藝與大小規(guī)格的不同，不僅與建筑物等級(jí)密切相關(guān)，而且能夠充分體現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的社會(huì)生產(chǎn)力水平。對(duì)板瓦的深入研究，能夠讓北魏政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活等各方面的歷史信息更加全面、立體地展現(xiàn)出來。因此，如何優(yōu)質(zhì)高效地為這些大量出土的板瓦繪制考古線圖已成為推動(dòng)北魏平城考古事業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

近年來，計(jì)算機(jī)輔助考古繪圖技術(shù)已不再是一個(gè)新鮮話題，在眾多實(shí)際工作中都有廣泛的應(yīng)用并取得累累碩果。2002年，王春斌先生根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用3D Studio Max軟件對(duì)遺跡、遺物進(jìn)行三維建模，探討了電腦三維建模技術(shù)在考古繪圖中的應(yīng)用前景[7];之后，韋荃、賀曉東先生著文，全面分析應(yīng)用CorelDRAW軟件繪制考古器物圖的原理與應(yīng)用平臺(tái)，詳細(xì)總結(jié)出利用CorelDRAW軟件完成考古器物繪圖的具體方法步驟[8]。付仲楊先生在利用Adobe Illustrator、Adobe Photoshop和 Agisoft PhotoScan軟件繪制田野考古遺跡遺物線圖的優(yōu)勢(shì)與方法步驟方面，有深入的研究與探討，其文章論述翔實(shí)，例證豐富，結(jié)論明確[9-11]。雖然學(xué)者們的主題探討認(rèn)識(shí)深入，但是針對(duì)所有不同種類的遺跡和遺物均使用一套相同的繪制方法。而每種遺跡與遺物都有其與眾不同的特質(zhì)，需要更有針對(duì)性的繪圖方案。

就本文關(guān)注的北魏平城板瓦而言，瓦身留有很多制作工藝信息，過去的考古繪圖就無法表現(xiàn)。從目前考古報(bào)告所應(yīng)用的板瓦線圖來看，還多是依靠手工繪制的，因而普遍存在著線圖精度不高、所記錄的板瓦信息不全以及繪圖效率偏低等問題。如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)有針對(duì)性地解決這些實(shí)際操作中遇到的問題，本文即是我們的考古繪圖團(tuán)隊(duì)在此方面進(jìn)行的嘗試與探索。

二 利用計(jì)算機(jī)軟硬件組合繪制

板瓦考古線圖的方案

傳統(tǒng)手工繪制板瓦線圖的方法通常是先在板瓦上選幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，手工量取尺寸，然后按比例縮小到米格紙上進(jìn)行繪制。繪制完成后再用硫酸紙加燈箱的方式進(jìn)行描圖，然后用掃描儀掃描。掃描生成的圖片需要修圖，最后還要運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件編輯成矢量圖，才能最終用于出版和使用。在這一過程中，無論是手工測(cè)量與繪制，還是硫酸紙的轉(zhuǎn)摹、保存與掃描，都會(huì)不同程度地產(chǎn)生誤差，線圖的精度無法保證。精度低、誤差大的線圖可能直接影響到后續(xù)研究成果的準(zhǔn)確性。我們利用計(jì)算機(jī)軟件繪制板瓦考古線圖所要解決的第一個(gè)問題就是精度升級(jí)。

除精度以外，板瓦考古線圖的信息完整性也亟待解決。傳統(tǒng)手工繪制的板瓦線圖，一般只是簡(jiǎn)單地表現(xiàn)板瓦凸面、剖面和瓦檐的輪廓（圖2）。北魏平城出土的板瓦，凸面大多被磨光，有的還有被拍打過的痕跡，凹面則在燒造時(shí)留下了細(xì)布紋和豎向壓痕，凹面兩邊還有切痕（見圖1）。這些制作板瓦時(shí)留下的人工痕跡，傳統(tǒng)手工繪圖無法表現(xiàn)，在制作考古報(bào)告時(shí)，通常需要補(bǔ)充照片或拓片進(jìn)行說明。這種簡(jiǎn)單的線圖，或許可以滿足當(dāng)下對(duì)板瓦的研究之用，卻為后續(xù)研究產(chǎn)生了障礙——人們很難了解到板瓦的完整信息，因此，在繪制線圖時(shí)，應(yīng)把板瓦的各面及這些面上的制作痕跡完全記錄和保存下來，使線圖能夠保留和反映盡可能多的信息，為后人研究提供更豐富的資料。

不過，相較于手繪線圖而言，目前的計(jì)算機(jī)繪圖也存在一定的問題，其中最為突出的就是如何保障線條的流暢性。除此之外，提高板瓦繪圖效率，推進(jìn)考古工作進(jìn)展，也是一個(gè)不容忽視的問題。

綜上所述，我們把升級(jí)精度提升信息完整性、保障線條流暢性與改善效率設(shè)定為利用計(jì)算機(jī)繪制板瓦線圖的標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)此標(biāo)準(zhǔn)，我們采取計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合的方案，充分發(fā)揮每種軟硬件的功能，針對(duì)板瓦特性一一解決實(shí)際問題。具體使用到的軟件是Agisoft Metashape Professional、Adobe Lightroom、Adobe Photoshop和Easy Paint Tool SAI，硬件設(shè)備是WACOM 新帝DTK-2400手繪屏與2048級(jí)超高壓感筆（表1）。

本方案的第一優(yōu)勢(shì)是精度升級(jí)。運(yùn)用Agisoft Metashape Professional和Adobe Lightroom軟件處理采集到的板瓦數(shù)據(jù)，生成三維模型并導(dǎo)出正射影像圖，其成果的精度可“優(yōu)于0.1毫米，能夠滿足繪制1∶1可移動(dòng)文物線圖的精度要求”[12]。雖然基于攝影測(cè)量的三維重建精度在實(shí)際操作中由于誤差的存在而達(dá)不到0.1毫米，但其誤差值應(yīng)小于人工測(cè)量和繪制所導(dǎo)致的誤差?？脊爬L圖最準(zhǔn)確的方法就是正投影作圖法，我們以此正射影像圖為底圖，繪制板瓦考古線圖，其精度較手工繪圖大幅提升。若用實(shí)物進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，也可以很好地進(jìn)行說明。我們把板瓦的手繪線圖放大至1∶1后打印出來，再把板瓦的正射影像圖打印出來，分別與實(shí)物進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)正射影像圖與實(shí)物匹配度更高。

其次是提升信息完整性。在加強(qiáng)板瓦考古線圖的信息完整度方面，主要利用Adobe Photoshop軟件生成板瓦表面紋理，解決傳統(tǒng)板瓦考古線圖信息過于簡(jiǎn)單的問題，完整再現(xiàn)板瓦的制作工藝信息。

在保障線條流暢性方面，我們的解決方案是，運(yùn)用Easy Paint Tool SAI繪圖軟件結(jié)合WACOM 新帝DTK-2400專業(yè)繪圖儀與2048級(jí)超高壓感筆，繪制出筆觸級(jí){1}的線條，克服計(jì)算機(jī)繪圖線條生硬的缺點(diǎn)。例如，板瓦瓦檐上手指壓出的波浪紋，如果用壓感筆描繪，可以很直觀地表現(xiàn)出手指抹過留下的痕跡。用這種方法繪制殘損線和切痕線時(shí)，也可取得良好效果。此外，直接運(yùn)用Easy Paint Tool SAI繪出的線圖清晰度很高，放大縮小后，線條的清晰度不受影響，而掃描硫酸紙得到的線圖清晰度會(huì)有所下降。

在改善板瓦考古線圖的繪制效率方面，傳統(tǒng)手工繪圖多是一人單槍匹馬地工作，由于繪畫水平不同，繪圖成果和效率會(huì)因人而異。計(jì)算機(jī)繪制是按操作流程分工合作，采集、處理數(shù)據(jù)與繪圖分開進(jìn)行，繪圖人員拿到處理好的數(shù)據(jù)后運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，半小時(shí)內(nèi)即完成一張滿足出版要求的板瓦考古線圖。采集和處理過的照片、模型、正射圖等數(shù)據(jù)還能服務(wù)于其他應(yīng)用。

按我們?cè)O(shè)計(jì)的方案繪制板瓦線圖，所繪線圖標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，有利于存儲(chǔ)和進(jìn)一步應(yīng)用，而個(gè)人獨(dú)立完成的手工線圖，標(biāo)準(zhǔn)可能缺乏統(tǒng)一性?？梢哉f這是針對(duì)板瓦器物特征最有效的一套解決方案，與傳統(tǒng)的手繪線圖相比，這種軟硬件組合繪圖的解決方案，不僅可以提高板瓦考古線圖的繪圖效率，而且通過紋理的再現(xiàn)和筆觸級(jí)線條的繪制，增加了線圖的信息覆蓋量，增強(qiáng)了線圖的表現(xiàn)力，從根本上提高了線圖的質(zhì)量。

下文將詳細(xì)介紹綜合方法的每個(gè)步驟及從中獲得的一些粗淺認(rèn)識(shí)，不足之處，還請(qǐng)方家指正。

三 繪圖方法與要求

（一）繪圖要求

Agisoft Metashape Professional軟件對(duì)計(jì)算機(jī)處理器、內(nèi)存和操作系統(tǒng)的要求很高，需要較高配置的計(jì)算機(jī)保障其運(yùn)行的流暢性。除此之外，繪圖時(shí)還應(yīng)配備高分辨率數(shù)碼相機(jī)及照相平臺(tái)、水平儀等輔助設(shè)備。

我們?cè)谶M(jìn)行考古制圖時(shí)，嚴(yán)格遵循國家文物局發(fā)布的田野考古制圖標(biāo)準(zhǔn)——《中華人民共和國文物保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)·田野考古制圖》，保證圖樣具有準(zhǔn)確性、科學(xué)性和規(guī)范性。在進(jìn)行考古圖樣的比例選擇、形式表現(xiàn)、線性處理時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況規(guī)范設(shè)置，以達(dá)到清晰、簡(jiǎn)明、真實(shí)的效果。我們所進(jìn)行的計(jì)算機(jī)制圖，采用正投影法中的第三角畫法，制圖內(nèi)容主要包括遺物的多面正投影圖、剖面（視）圖。第三角畫法的投影面處于觀察者與物體之間，六個(gè)基本投影面的展開（圖3、表2），各視圖的配置（圖4），均嚴(yán)格執(zhí)行制圖標(biāo)準(zhǔn)。制圖力求簡(jiǎn)便，在明確表達(dá)遺物特征的前提下，視圖數(shù)量以最少為宜[13]。

（二）繪制板瓦線圖的步驟

1. 獲取板瓦的正射影像圖

首先利用Agisoft Metashape Professional軟件為板瓦建三維模型，并導(dǎo)出板瓦各面正射影像圖。所謂正射影像圖是指平行光通過器物上各點(diǎn)垂直投射于平面上的影像，即器物的正投影。數(shù)碼相機(jī)的成像原理是通過點(diǎn)光源投影獲取圖像，存在一定的失真率，無論怎樣拍攝都無法獲得器物的正射影像圖。多視角三維重建技術(shù)是近幾年在考古領(lǐng)域應(yīng)用較多且發(fā)展較為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)幫助我們解決了器物正射影像圖的獲取問題。具體的操作方法是，先用高分辨率數(shù)碼相機(jī)對(duì)板瓦進(jìn)行拍攝。由于器物三維模型的清晰度和精度取決于器物的全方位多視角照片，所以拍攝應(yīng)布置在一個(gè)相同光線的環(huán)境中，并把器物分四層依次進(jìn)行多角度拍攝。板瓦側(cè)面邊緣較窄，拍攝時(shí)盡可能使用小光圈，并配合相應(yīng)快門速度，每張照片的重復(fù)率在50%左右。拍攝完一組后，將板瓦倒置，按相同方法再拍攝一組板瓦照片。

在使用相機(jī)采集器物照片時(shí)，因光學(xué)相機(jī)鏡頭自身設(shè)計(jì)存在鏡頭畸變，若直接使用未校對(duì)的數(shù)碼照片進(jìn)行三維建?？赡軙?huì)加大誤差，因此，拍攝完畢后可通過Adobe Lightroom來進(jìn)行鏡頭畸變校準(zhǔn)。校正后的照片應(yīng)用Agisoft Metashape Professional軟件分四步（對(duì)齊照片、建立密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格和生成紋理操作）實(shí)現(xiàn)三維影像模型的重建。兩組照片要分別生成兩個(gè)三維模型，裁切后合并兩組模型，得到板瓦的完整三維模型。在得到完整的板瓦三維模型后，根據(jù)繪制板瓦的需要，先導(dǎo)出板瓦凸面、凹面的正射影像圖，然后裁切三維影像，導(dǎo)出縱向剖視及瓦檐的正射影像圖（圖5）。

2. 布圖并獲取表面紋理

繪制板瓦線圖的第二步是在Adobe Photoshop中進(jìn)行布圖。首先在Adobe Photoshop軟件中建立一張空白圖紙，導(dǎo)入各部分正射圖像后，按視圖配置方式排列好，注意器物各部位一一對(duì)應(yīng)，做到真實(shí)反映器物信息（也可根據(jù)繪圖需要，將正射圖像按比例縮小至二分之一或四分之一后再進(jìn)行繪制）。然后通過改進(jìn)Adobe Photoshop軟件的一些功能，生成板瓦凸面與凹面的紋理圖，器物上留存信息即被真實(shí)完整地記錄下來（圖6）。但是器物的輪廓線并不能自動(dòng)生成，還需要選擇合適的軟硬件繪制器物輪廓線。

3. 繪制板瓦各面輪廓線

軟硬件匹配能更大程度提高工作效率，可應(yīng)用專業(yè)手繪屏支持繪圖軟件合力完成考古線圖的繪制工作。我們使用的專業(yè)手繪屏是WACOM 新帝DTK-2400與2048級(jí)超高壓感筆，其觸控液晶數(shù)位屏具有1920×1200的最大分辨率，并支持多檔不同分辨率調(diào)節(jié)，0.27毫米的大點(diǎn)距有利于清晰瀏覽細(xì)節(jié)，2048級(jí)超高壓感筆可真實(shí)表現(xiàn)細(xì)膩筆觸。

繪圖軟件方面通過對(duì)比，我們最終選擇了Easy Paint Tool SAI，在繪制板瓦時(shí)，它的一些繪畫功能比Adobe Photoshop軟件的鋼筆工具和Adobe Illustrator軟件的筆畫工具都更易操作與修改。比如其鋼筆工具，用WACOM的壓感筆能一筆畫出有筆觸的流暢曲線，再用錨點(diǎn)和筆壓工具做局部彎度和粗細(xì)調(diào)整，增強(qiáng)線條的表現(xiàn)力（圖7）。Easy Paint Tool SAI的鉛筆工具沒有錨點(diǎn)和筆壓工具，修改線條的便捷性略差，所以我們選擇使用Easy Paint Tool SAI的鋼筆工具進(jìn)行繪圖。具體操作方法如下：

在Adobe Photoshop中完成第二步并保存好后，把保存好的文件拖入Easy Paint Tool SAI 中打開。首先要建立一個(gè)鋼筆圖層，然后選擇使用鋼筆工具，沿著器物外輪廓開始描繪。凸面一般僅描出外輪廓線，注意線條一定要與器物輪廓盡量重合，可用錨點(diǎn)工具拉動(dòng)線條上的錨點(diǎn)做局部調(diào)整，保證所繪輪廓的準(zhǔn)確性。調(diào)整好后，一條完整的器物輪廓線就描繪出來了。其他視圖的輪廓線采用同樣的方法進(jìn)行描繪。凹面除外輪廓線外，還要描出切痕線，切痕線要細(xì)于外輪廓線。縱向剖視圖的切面輪廓線一般使用較粗的線條。瓦檐要畫輪廓線和指捏的波浪紋。在描繪切痕線、殘破線與波浪線時(shí)，用筆壓工具調(diào)整立體感（圖8）。

4. 添加信息

在各面的線條描繪好后，把保存好的SAI文件再次拖入Adobe Photoshop中打開，進(jìn)行繪制板瓦考古線圖的第四步，即做線圖的最后處理并添加信息。凹面兩側(cè)切痕的紋理也可刪除，以表現(xiàn)出刀切后的光滑表面。然后給剖視圖填充45°正斜線，給線圖添加比例尺、視圖連線、器物編號(hào)等信息。最后要把所繪圖片與器物進(jìn)行仔細(xì)核對(duì)，看有無細(xì)節(jié)需要修改與調(diào)整。再利用參考線功能檢查各視圖是否對(duì)齊、尺寸是否準(zhǔn)確。檢查完成后，一張完整的板瓦考古線圖就完成了（圖9）。利用Adobe Photoshop和Easy Paint Tool SAI還能很方便地對(duì)所繪線圖進(jìn)行修改，有利于提高繪圖效率。雖然最后完成的線圖并非矢量圖，但由于板瓦本身尺寸不大，而所成線圖精度高，因此足以滿足使用要求。

四 數(shù)字化考古繪圖技術(shù)

應(yīng)用展望

標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程是規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)。在工作實(shí)踐中，我們把如上繪圖步驟定為繪制板瓦的標(biāo)準(zhǔn)流程（圖10），所有繪圖人員均按流程操作，建立起一套高效的繪圖工作機(jī)制，為種類豐富且數(shù)量可觀的板瓦批量化、規(guī)?；乩L制出考古線圖，從而搭建起一個(gè)北魏平城板瓦的考古線圖資料庫。在考古發(fā)掘報(bào)告整理與發(fā)表時(shí)，就可以直接進(jìn)入資料庫進(jìn)行檢索、拷貝和使用，從而大大提高各項(xiàng)考古工作的效率和質(zhì)量。該方法也不止適用于板瓦，與板瓦類似的筒瓦和其他小型可移動(dòng)文物均可參考此方法進(jìn)行考古線圖的繪制。

近年來數(shù)字化考古繪圖還常用于博物館的陳列展覽中，達(dá)到文字渲染力不能及的影響效果。大同市博物館“詩中吉金 其華灼灼——渾源彝器回鄉(xiāng)暨《詩經(jīng)》中的青銅器特展”即利用數(shù)字化考古線圖成果，幫助觀眾梳理青銅器華麗繁縟的紋理信息。觀眾輕觸屏幕便可了解器物上哪些是饕餮紋、鳳紋等動(dòng)物紋飾，以及各種紋飾之間是如何銜接與組合的。屏幕上的線條隨著觀眾的手指移動(dòng)而變化，讓沉睡在器物身上的動(dòng)物靈動(dòng)起來，為觀眾創(chuàng)造了一種更為生機(jī)勃勃、富于活力的觀展體驗(yàn)，成為展覽中的熱點(diǎn)之一。這種新的解讀手段，體現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)與文化科普的完美結(jié)合，在給觀眾提供討論和分享考古工作成果、提高觀眾對(duì)考古工作認(rèn)知水平上的作用也不容忽視。除此之外，考古線圖資料庫的作用還能輻射到文創(chuàng)領(lǐng)域，成為文創(chuàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)秀素材庫。

板瓦考古線圖資料庫將作為一個(gè)分支匯入到云岡石窟的大數(shù)據(jù)庫——“數(shù)字云岡”，使板瓦從數(shù)字化走向數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)文物的永久保存和永續(xù)利用。希望云岡石窟數(shù)字化智能數(shù)據(jù)庫的建立，不僅能為石窟寺、古建筑等考古事業(yè)的發(fā)展提供 “一劑良方”，而且能夠在其他相關(guān)領(lǐng)域起到拋磚引玉的作用。

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收稿日期：2019-04-26

作者簡(jiǎn)介：陳洪萍（1980— ），女，山西省大同市人，云岡石窟研究院文博館員，文物與博物館專業(yè)碩士研究生，主要從事石窟寺考古與數(shù)字化考古繪圖。

王娜（1990— ），女，山西省大同市人，云岡石窟研究院文博助理館員，主要從事數(shù)字化考古繪圖。

趙曉丹（1992— ），女，山西省大同市人，云岡石窟研究院文博助理館員，主要從事數(shù)字化考古繪圖。

尚美斌（1983— ），男，山西省大同市人，云岡石窟研究院文博助理館員，主要從事文物數(shù)字化。

王家鑫（1991— ），男，山西省大同市人，云岡石窟研究院科員，主要從事文物數(shù)字化。