紋理映射技術(shù)在青銅器數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

呂杰

摘要：青銅器是我國和世界珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，也是中國古代藝術(shù)的瑰寶。由于人類活動的增加、環(huán)境的持續(xù)變化等原因，大量的文物正在迅速遭到破壞。如何運用傳統(tǒng)方法，并結(jié)合現(xiàn)代科技來保護和恢復(fù)文化遺產(chǎn)，已成為藝術(shù)品文物保護工作者需要共同面對的問題。隨著計算機應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展，特別是三維掃描技術(shù)在文保工作中的應(yīng)用，文物數(shù)字化保護已成為學(xué)術(shù)屆研究的一個重要方向。在這些新興的數(shù)字修復(fù)手段中，紋理映射技術(shù)因其特有的紋理表現(xiàn)能力，發(fā)揮了突出的作用。利用3D建模、數(shù)字修復(fù)和紋理映射技術(shù)對其進行修復(fù)，能夠再現(xiàn)其藝術(shù)價值。本文旨在探索利用紋理映射技術(shù)，將文物山西省春秋趙墓出土的青銅器高柄小方壺的紋理信息更多的展示在3D模型上，以求充分反映青銅器豐富的信息內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞：3D建模 青銅器 紋理映射 數(shù)字修復(fù)

目前文物保護領(lǐng)域面臨諸多問題，一方面，文保環(huán)境的變化及不可預(yù)知的自然災(zāi)害等諸多方面的原因，文物會受到相當(dāng)程度的損害甚至損毀。另一方面，考古過程中，也會發(fā)掘出土大量殘缺的文物，特別是青銅制品，器型、紋飾均能保存完好的十分罕見。想要將這些破損嚴重的的文物修復(fù)，傳統(tǒng)做法需要文保工作者完成測量、記錄、存儲、接等一系列繁瑣的修復(fù)工序，特別是面對碎片數(shù)量多或者紋飾復(fù)雜的器物時，如果修復(fù)師沒有經(jīng)過長期訓(xùn)練，有時修復(fù)不當(dāng)反而會對文物產(chǎn)生不可逆的二次傷害，影響到修復(fù)進度。所以，傳統(tǒng)的人工修復(fù)手段對修復(fù)人員專業(yè)素質(zhì)要求過高，且修復(fù)時間過長，不能滿足日益增長的文物修復(fù)的需求。因此，如何結(jié)合新技術(shù)，為文物的保護提供新方法，已經(jīng)成為近年來文物保護工作面臨的突出問題。

一、數(shù)字化修復(fù)

文物數(shù)字化修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的文物保護方式相比，能夠盡可能的實現(xiàn)文物的再生性修復(fù)，高度還原文物的客觀外形和顏色紋理，且數(shù)字化修復(fù)的非接觸的方式，最大限度的減少了對文物的二次傷害，對文物實現(xiàn)了最大限度的保護。利用3D掃描和3D打印技術(shù)陸續(xù)進入應(yīng)用領(lǐng)域，三維信息提取、文物高精度模型重塑和修復(fù)等文物數(shù)字化保護方面，取得了一定的積累，使得文物3D修復(fù)，同時又效減少實際修復(fù)工作中對文物的頻繁接觸，避免不當(dāng)修復(fù)對文物造成二次損害。

1.數(shù)字化修復(fù)中紋理映射技術(shù)

各地博物館的數(shù)字展示技術(shù)通常是對文物進行單純的虛擬展示，對文物的面層級的展現(xiàn)還處于相對初級階段，文物特別是青銅文物的斷層表現(xiàn)和紋理信息沒有能夠得到充分展示，于是，所采用的紋理映射技術(shù)來收集對象的紋理信息，彌補當(dāng)前在文物信息展示方面表現(xiàn)的不足，從而能夠提升展示層級，傳遞文物更多的內(nèi)在信息。系統(tǒng)利用建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和紋理映射技術(shù)，將青銅器高柄小方壺中的紋理信息植入數(shù)字模型中，展示了青銅器高柄小方壺豐富的紋理內(nèi)容，為青銅器學(xué)者的研究工作提供更多、更為直觀的數(shù)字資料。青銅高柄小方壺是春秋趙卿墓出土的晉國青銅器中的精品，表面有一層黑褐色涂料，填充在花紋間凹槽中，極具歷史與藝術(shù)研究價值。同時，青銅器表面的凹槽也提升了數(shù)字修復(fù)的難度。由于小方壺表面紋理繁復(fù)，對掃描設(shè)備提出很高的要求，且青銅器表面顆粒感較明顯，所以，對其進行適用于研究的高精度修復(fù)是一個很大的挑戰(zhàn)。

2.在數(shù)字化修復(fù)手段

這些新的數(shù)字化修復(fù)手段中，紋理映射技術(shù)具有突出的地位。紋理映射技術(shù)主要應(yīng)用在文物破損局部的高精度再生。其可將二維數(shù)據(jù)的信息映射到三維模型中來，將有效的提升修復(fù)質(zhì)量。之所以不直接采用三維彩色掃描，主要因為實踐過程中無法做到為三維彩色掃描提供優(yōu)質(zhì)的掃描環(huán)境，產(chǎn)生過多的點云數(shù)據(jù)，后期配準(zhǔn)工作量大，錯誤率高;另一方面是因為彩色掃描會為每一個云點賦予固定的RGB值，但是我們知道，相同的點由于觀察角度和光線照射的不同，RGB值也是不同的，所以，固定的RGB值會導(dǎo)致后期出現(xiàn)大量異值。

3.青銅器三維模型虛擬修復(fù)的研究進展

文物的數(shù)字化修復(fù)，難點在于文物三維數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確提取。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是一切工作的基礎(chǔ)，所以一般都要經(jīng)過多次數(shù)據(jù)采集，以求獲得盡可能準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但是，模型三維數(shù)據(jù)本身數(shù)量很大，如運用高精度掃描儀Romer對秦始皇陵兵馬俑的7尊人俑、1尊馬俑進行精細掃描與紋理采集，所獲點云原始數(shù)據(jù)總量即為44.07GB，紋理照片數(shù)據(jù)1.12TB。數(shù)量越大，三維模型的點云預(yù)處理、三維建模、紋理映射構(gòu)建工作量越大，設(shè)備質(zhì)量要求也越高，一般的電腦很難支撐，同時，數(shù)據(jù)體量過大直接影響到后續(xù)文物模型數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，影響工作進度紋理映射修復(fù)技術(shù)最早源起于生物領(lǐng)域，主要應(yīng)用于細胞修復(fù)、骨骼重建等。隨著計算機應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展，虛擬修復(fù)技術(shù)開始進入文物修復(fù)領(lǐng)域，近年來三維掃描、三維建模、數(shù)字攝影等新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，利用數(shù)字化手段對文物進行修復(fù)已由理念開始成為現(xiàn)實。虛擬修復(fù)技術(shù)開始大規(guī)模的走進文物保護領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)庫中，以“文物、數(shù)字化”為關(guān)鍵詞進行檢索可知，相關(guān)研究成果從2010年起呈現(xiàn)遞增的趨勢如（圖1），這表明“文物數(shù)字化修復(fù)”已日漸成為研究熱點。

二、青銅器高柄小方壺三維修復(fù)流程

山西博物院春秋時期青銅器高柄小方壺為基礎(chǔ)，探索青銅器數(shù)字化修復(fù)的方法，以期為未來的文物數(shù)字化修復(fù)發(fā)展提供借鑒。

如何將高柄小方壺的真實紋理在數(shù)字化環(huán)境中再現(xiàn)是本文描述的重點。首先是通過手持掃描設(shè)備，多角度掃描青銅對象，提取對象數(shù)字信息后，進行建模和點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)生成三維青銅器數(shù)字模型。本文系統(tǒng)的整體框架如（圖2）。

1.青銅器高柄小方壺數(shù)字化修復(fù)

客觀物體在計算機上通常呈現(xiàn)三種顯示方式，分別是架構(gòu)圖、素模圖和效果圖。結(jié)構(gòu)圖是指用線表示出物體結(jié)構(gòu)的形狀。素模圖是在結(jié)構(gòu)圖上增加對象之間的陰影關(guān)系，進而解決結(jié)構(gòu)圖的二義性。但是，結(jié)構(gòu)圖和素模圖都不能具體表現(xiàn)出對象的紋理特征，而這些元素在效果圖上都可以相對明確的表現(xiàn)出來，所以，要想更好的反映對象的客觀現(xiàn)狀，就必須制作效果圖。我們采用數(shù)碼相機攝影的方法，對青銅器高柄小方壺的數(shù)字信息進行提取，整套數(shù)字提取設(shè)備包括：可旋轉(zhuǎn)的攝像平臺一個，數(shù)碼相機一臺，相機三腳架一支、燈光支撐框架方框若干。

小方壺本身的狀態(tài)和位置對于拍攝的影響可分為如下兩類：第一類是瓶身部分，這部分表面紋理相對完整;第二類是壺頂和壺底部分，這部分表面具有一定的雕飾并伴有嚴重磨損，且雕飾處于表面折轉(zhuǎn)處。針對不同的情況，我們搭建了兩組拍攝平臺，一，普通拍攝平臺，將高柄小方壺放置在攝像臺上，布置攝像機及燈光等，旋轉(zhuǎn)攝像臺即可獲得壺身數(shù)據(jù)，二，對于壺頂和壺底部分，將攝像機掛在水平搭建的滑桿上，從上方攝錄壺頂和壺底數(shù)據(jù)。

2.青銅器高柄小方壺三維掃描

本次實驗青銅器高柄小方壺由于其形體復(fù)雜，所以我們采用FastSCAN實時三維手持激光掃描儀提取其三維信息。FastSCAN其掃描工作原理為調(diào)變光，調(diào)變光掃描是依靠不間斷的調(diào)整光線，觀察每個像素點的位置和亮度差異，計算對象體積。

本次掃描距離設(shè)為2m，掃描間隔為1×1mm，對預(yù)定區(qū)域完成掃描后，數(shù)據(jù)將自動存儲。開始后，確定對象掃描角度，依次旋轉(zhuǎn)對象，采集點云數(shù)據(jù)，對象平臺設(shè)置需有一定的俯仰度，方便掃描青銅紋飾縫隙的信息。如此反復(fù)操作，直至提取青銅小方壺完整的點云數(shù)據(jù)。

本次試驗掃描對象為青銅器，器型與紋飾相對復(fù)雜，因此需要進行多角度的掃描，并將各個角度掃描所得數(shù)據(jù)進行拼合。確認掃描結(jié)果達到目標(biāo)要求后，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維工程軟件，將所得點云數(shù)據(jù)進行處理并生成初步的建構(gòu)模型。

3.點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于小方壺的三維數(shù)據(jù)是通過激光掃描儀獲取的，而掃描儀在掃描對象時，受光照和角度原因，點云數(shù)據(jù)會出現(xiàn)一定的偏差和遺漏，模型的部分面會出現(xiàn)孔洞或破損，需要及時處理，以免影響之后的成像質(zhì)量。在一般表面平坦的結(jié)構(gòu)上，紋理簡單，沒有損失過多的表面細節(jié)，可以在逆向工具上直接修補孔洞，而對于青銅器這種具有表面紋理復(fù)雜且曲率差異大的情況，只靠逆向工程軟件的修補算法，無法推算出正確的表面結(jié)構(gòu)。所以在做成三維模型數(shù)據(jù)庫前，需預(yù)先對3D數(shù)據(jù)庫進行處理，及時調(diào)整平滑插值和點插值方式，手動封閉孔洞。此外，掃描所得數(shù)據(jù)還包含展示臺、燈光組及環(huán)境背景，因此還需要對不必要得數(shù)據(jù)進行刪減，提取有效數(shù)據(jù)，如（圖3）展示了預(yù)處理操作前后的模型效果。

高柄小方壺模型構(gòu)建的關(guān)鍵步驟是模型樣本中頂點對應(yīng)。首先，由于青銅器每個面的結(jié)構(gòu)不一樣，因此每個面樣本包含的頂點以及三角網(wǎng)格數(shù)目不一致;其次，由于紋飾的高度和結(jié)構(gòu)磨損，青銅器面的位置坐標(biāo)信息不統(tǒng)一，因此我們在應(yīng)用三維數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)前，需要對三維數(shù)據(jù)進行預(yù)對齊操作，來保證數(shù)據(jù)中的每個面的頂點與實際想對應(yīng)，從而實現(xiàn)特征對應(yīng)。

4.模型的紋理映射

掃描儀在掃描青銅器時會丟失紋理信息數(shù)據(jù)，而文物的紋理信息數(shù)據(jù)卻是文物研究的重要對象，紋理映射技術(shù)正是為解決這個矛盾而提出來的。文物紋理映射目的是為對象模型的所有頂點賦予彩色、高度和粗糙值。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于從二維平面數(shù)據(jù)中獲得紋理的三維數(shù)據(jù)。本文利用幾何頂點替換方式闡述紋理映射對應(yīng)方法。先設(shè)立一個簡單的幾何形體，在紋理空間與幾何體中建立映射關(guān)系，利用頂點對齊的方法，將小方壺二維數(shù)據(jù)信息對應(yīng)到三維坐標(biāo)軸上，確認坐標(biāo)，再將紋理信息對應(yīng)到相應(yīng)的坐標(biāo)上，保持二位數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的頂點對齊，對于照片數(shù)據(jù)中部分紋理缺失的地方，利用鄰近插值的方法進行恢復(fù)，這樣能最大程度的修復(fù)文物的表面紋理信息如（圖4），并為對應(yīng)的三維模型進行紋理貼圖。

為更好的體現(xiàn)青銅小方壺上的紋飾是凹凸紋，我們可以將紋理頂點和對象頂點對齊后，直接粘貼上紋理貼圖，大大減少因為貼圖紋理渲染而花費的計算時間，降低了制作難度。

5.三維模型結(jié)果分析

青銅小方壺的局部數(shù)字照片作為基礎(chǔ)，再將數(shù)字照片處理為紋理圖片。與其他青銅模型的搭建效果相比，本次實驗采用的方法，時間效率高，紋理特征好，滿足文物快速修復(fù)的需求。如（圖5）是青銅器數(shù)字修復(fù)后的效果圖，從此圖可以看出，與其它方法相比，我們算法在真實紋理表現(xiàn)上更加逼真，細節(jié)表現(xiàn)得更加完整，模型修復(fù)效果良好。

結(jié)語

隨著文物圖形學(xué)和計算機應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紋理映射技術(shù)將更加廣泛的應(yīng)用于文保領(lǐng)域，同時，也深刻的影響著許多行業(yè)的發(fā)展。但是，面對紋飾復(fù)雜的青銅器，三維修復(fù)技術(shù)仍面臨諸多難題。為了探索快速修復(fù)青銅器的方法，本文以山西春秋青銅小方壺數(shù)字建模為基礎(chǔ)，提出一種新的文物數(shù)字修復(fù)技術(shù)，主要內(nèi)容如下：

面對形變后的青銅模型，本次實驗采用了鄰域四邊形平面優(yōu)化方法，依據(jù)三維網(wǎng)格與平面參數(shù)域的映射關(guān)系，確定位置，再用頂點對齊的方法粘貼紋理貼圖，最后獲得青銅器三維模型。同時，研究仍有許多需要進一步探索的地方。一是文物的數(shù)字化修復(fù)的關(guān)鍵是掃描信息的準(zhǔn)確度，目前的這種依靠三維掃描加對象旋轉(zhuǎn)的掃描方法，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度方面存在不可避免的誤差。二是本文的青銅器修復(fù)精度受青銅器特征點的準(zhǔn)確度影響，對于破損比較嚴重的青銅器不太適用，對此，今后仍需加大力度探索更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)、特征點提取方法，以求最大限度的實現(xiàn)青銅器的數(shù)字化保護。

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注：本文系安徽省教學(xué)研究項目（2019xjy25）。