考古發(fā)掘及出土文物的數(shù)字化技術與應用

南竣祥 李季真 周 磊 鄭智成 喬曉亮 申茂盛 武麗娜

(1.自然資源部第二地形測量隊 陜西西安 710054；2.陜西省文物測繪工程技術中心 陜西西安 710054；3.秦始皇帝陵博物院 陜西西安 710600)

中國作為文明古國，悠久的歷史長河賦予了中華民族博大而豐富的文化遺產(chǎn)。這些遺產(chǎn)是文化傳承的載體，是文化發(fā)展的依托，也是世界文明的重要組成部分，保護不可再生的歷史文化遺產(chǎn)是全人類共同的責任?？脊虐l(fā)掘是文化遺產(chǎn)研究與保護的基礎工作，出土文物是文物修復、研究、展示的最初實物。由于考古發(fā)掘與文物修復在物理上具有不可逆性，因此獲取其準確、翔實的數(shù)字化信息，作為原始信息數(shù)據(jù)進行保存和備份，對考古與文物保護工作過程信息的追溯與還原具有重要意義。

目前，三維激光掃描、無人機航空攝影測量、數(shù)字化測圖及地理信息系統(tǒng)等測繪技術已廣泛應用于文化遺產(chǎn)保護，影像化、故事化及互動化信息已成為當前公眾認識世界的重要方式，而數(shù)字化信息具有真實完整、精度高、測量周期短、易長期保存[1]、便于深層次開發(fā)等特點。本文基于秦始皇帝陵博物院兵馬俑坑考古發(fā)掘數(shù)字化成果，總結三維激光掃描技術服務考古發(fā)掘及出土文物的技術及常用成果，并對測繪科技的發(fā)展在提升文化遺產(chǎn)保護工作方面的前景進行展望。

1 三維激光掃描技術服務考古發(fā)掘及出土文物的工藝流程

通常情況下，三維激光掃描技術服務于考古發(fā)掘及出土文物，首先分別利用地面三維激光掃描儀及手持三維激光掃描儀對考古現(xiàn)場和出土文物進行數(shù)字化信息采集，然后使用數(shù)碼單反像機進行文物紋理信息采集，再通過建模軟件和貼圖軟件進行文物的數(shù)字化建模，形成帶有彩色信息的三維模型，總體工藝流程見圖1。

圖1 三維建模工藝流程Fig.1 Process Flow of 3D Modeling

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 地面三維激光掃描

地面三維激光掃描儀適合考古現(xiàn)場大范圍的場景記錄，能夠同時獲取空間三維點云和彩色數(shù)字圖像兩種數(shù)據(jù)[2]。為了全面、準確地獲取發(fā)掘現(xiàn)場的三維點云數(shù)據(jù)，可根據(jù)掃描現(xiàn)場的環(huán)境靈活架設掃描測站，但要保證掃描主題與掃描儀之間的距離控制在10 m 內(nèi)。后期數(shù)據(jù)處理采用球形標靶對掃描數(shù)據(jù)進行配準[3]，要求拼接點云測量精度大于等于0.5 cm，三維模型點云密度大于等于100 000個/平方米。

2.2 手持三維激光掃描

手持三維掃描儀分為白光和激光兩種類型，考慮到兩種設備采集數(shù)據(jù)原理的差別，宜采用手持三維激光掃描儀對文物本體進行掃描測量，并通過軟件進行實時瀏覽。根據(jù)現(xiàn)場實際情況有時需要掃描多面數(shù)據(jù)，通過拼接軟件對數(shù)據(jù)進行拼接(通常情況下拼接點云精度需達到毫米級)，生成高精度網(wǎng)格模型[4]，并配合后期采集的紋理照片信息，制作完成真彩色三維模型。

2.3 數(shù)碼單反像機采集紋理信息

后期真彩色模型的目視效果，很大一部分來自紋理照片數(shù)據(jù)的美觀度，因此，紋理照片數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定最終真彩色模型的視覺效果[5]。紋理采集盡可能在較強的光線下拍攝，避免跑焦，要求紋理采集精度不低于2 000萬個像素/平方米。出土文物的紋理采集需要配合旋轉云臺，并使用柔光燈保障各個方向所拍攝的照片色彩均勻，且相鄰紋理照片的重疊度應大于等于30%。

3 三維建模

采用貼圖軟件(Model Painter)進行真三維文物模型貼圖，主要步驟包括導入模型、紋理貼圖、紋理調(diào)整、重新計算UV和導出模型。

1)貼圖匹配。分別在紋理照片與生成的多邊形模型數(shù)據(jù)上選擇同名點進行紋理匹配，見圖2。同名點誤差盡量控制在5 mm以內(nèi)。如果部分控制點誤差較大，可手動刪除誤差較大的控制點，重新調(diào)整控制點映射區(qū)域。

圖2 貼圖匹配Fig.2 Mapping Matching

2)紋理調(diào)整。接縫調(diào)整包括兩種方式：PS無縫化調(diào)整和軟件本身的無縫化調(diào)整。其中，PS調(diào)整方式更直觀，適合較大區(qū)域或者接縫偏移較大時的調(diào)整；軟件本身無縫化調(diào)整適合小區(qū)域的局部調(diào)整，可以通過設置影響半徑的大小來改變被影響的紋理區(qū)域。紋理調(diào)整后拼接縫通常需在控制在3個像素之內(nèi)。

3)重新計算UV。UV是將二維紋理圖像上的每個點精確對應到三維模型的表面[6]，在點與點之間的間隙位置利用軟件進行圖像光滑插值處理。由于最初制作的真三維模型，紋理是利用原始圖像直接投影而獲取的，存在壓蓋、拉伸及冗余等問題，在真三維模型制作完成后，需要通過重新計算UV和重采樣貼圖來降低紋理貼圖的數(shù)量。采樣貼圖在保證分辨率的前提下，可采樣成單張或者多張貼圖，像素應為 2n×2n個。

4 成果應用

目前，三維激光掃描成果在考古領域一般有考古現(xiàn)場還原、數(shù)字化展示、數(shù)字化拼接、模型虛擬修復、紋理虛擬修復、色彩虛擬修復、俯視圖制作和平(剖)面圖制作等幾方面應用。

4.1 考古現(xiàn)場還原

首先，傳統(tǒng)的還原方法很難記錄考古現(xiàn)場復雜的信息，不僅記錄時間長，而且極易出現(xiàn)信息不完善的情況；其次，傳統(tǒng)方法獲取的信息誤差較大，只能粗略展現(xiàn)某些參數(shù)信息，而且各種方式獲取的數(shù)據(jù)很難整合到一起。利用三維激光掃描儀加內(nèi)置的工業(yè)像機，可以真實、360°還原考古現(xiàn)場狀況，后期通過點云數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)實時瀏覽，利用特征點、特征線提取文物尺寸信息、分布位置信息及其他具有科考價值的信息數(shù)據(jù)[7]。

考古現(xiàn)場還原示例見圖3。

圖3 考古現(xiàn)場還原Fig.3 Archaeological Site Restoration

4.2 數(shù)字化展示

制作完成的單體文物真彩色三維模型，是數(shù)字化存檔、展示的最有效單元，它不但可以滿足最基本的瀏覽及數(shù)據(jù)量測要求，而且在博物館場景設計、布展等方面具有其獨特的優(yōu)勢[8]。由于數(shù)字化產(chǎn)品具有易復制、易縮放和不怕破壞的特點，以其為參考設計制作的文創(chuàng)產(chǎn)品更真實、形象、美觀。數(shù)字化展示效果見圖4。

圖4 真彩色模型展示Fig.4 Display of True Color Model

4.3 數(shù)字化拼接

目前，主流虛擬拼接方式主要有2種：基于表面紋理特征的虛擬拼接和基于三維表面形態(tài)的虛擬拼接。在文物保護工作中，大量文物或者損壞時間長，或者經(jīng)長時間的侵蝕、氧化，存在碎片邊緣腐蝕、磨損和茬口不完整等情況，均造成計算機難以自動虛擬拼接。對于茬口完整的破碎文物可以通過平移、旋轉、拼接和比對等人機交互方式進行虛擬拼接和修復，拼接和修復的效果見圖5。

圖5 人機交互數(shù)字化拼接Fig.5 Digital Mosaic of Human- Computer Interaction

4.4 模型虛擬修復

通過三維激光掃描技術，可詳細記錄文物表面破損缺失狀況，便于文物工作者根據(jù)文物現(xiàn)狀，利用碎片的外形曲線、切線和斷裂面凹凸起伏的特征，通過模型架橋、局部非剛性變形等技術方法，在計算機中模擬復原文物原狀。這一過程可以根據(jù)不同方案進行多次調(diào)整，直到復原的效果滿意為止。模擬復原文物原狀的效果見圖6。

圖6 虛擬修復Fig.6 Virtual Restoration

4.5 紋理虛擬修復

破壞、長時間氧化、風蝕均可造成文物表面紋理缺失，根據(jù)采集的紋理圖片現(xiàn)狀，推斷出文物表面所缺失的紋理信息，利用PS將缺失紋理進行補充，完成修復后的紋理圖像[9]，再將修復后的模型與紋理圖像進行紋理映射，可以得到復原之后的文物真三維模型，見圖7。

圖7 紋理修復前(后)模型顯示效果Fig.7 Effect of Model Display before (after) Texture Restoration

4.6 色彩虛擬修復

許多帶有色彩的出土文物，彩繪通常很難長時間保留，人們看到的往往是彩色脫落后的現(xiàn)狀。如今，雖然可以運用現(xiàn)有的科學技術復制和復原出許多出土文物的彩繪原貌，但由于文物的單一性，不易在實物上面隨意操作。利用建模后的三維模型，通過在貼圖紋理上設計并修改圖片顏色來還原文物原狀。這個過程是基于電子數(shù)據(jù)進行的操作，易復制，不怕破壞，能夠完成多種復原方案。色彩虛擬修復顯示效果見圖8。

圖8 色彩虛擬修復前(后)模型顯示效果Fig.8 Effect of Display Model before (after) Color Virtual Restoration

4.7 俯視圖制作

部分考古現(xiàn)場由于周邊環(huán)境的限制，無法利用無人機航攝獲取正射影像數(shù)據(jù)，但通過三維激光掃描來采集高密度三維點云數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)考古現(xiàn)場俯視圖的制作，以達到正射影像的效果，見圖9。

圖9 考古現(xiàn)場俯視圖Fig.9 Top View of Archaeological Site

另外，還可以將文物壓蓋狀況分層次進行掃描，便于文物工作者更清楚地分析文物破損現(xiàn)狀。文物壓蓋比對如圖10所示。

圖10 文物壓蓋比對Fig.10 Contrast of Pressure Covers of Cultural Relics

4.8 平面圖和剖面圖制作

利用處理好的三維點云數(shù)據(jù)，在垂直投影方向上提取特征線及外圍輪廓線，并標注尺寸信息及圖廓整飾，繪制文物平面圖；將三維點云成果數(shù)據(jù)進行切片，采用曲線擬合方式進行編輯，得到剖切點云數(shù)據(jù)的外圍輪廓線，形成剖面圖，如圖11所示。

圖11 發(fā)掘現(xiàn)場剖面圖Fig.11 Section Drawing of Excavation Site

5 結 語

在科技發(fā)展日新月異的今天，非接觸式掃描技術因其獨特的技術優(yōu)勢，已成為文化遺產(chǎn)保護及管理的最有效測繪技術手段[10]。數(shù)字化成果作為電子資料，可以多次備份、便捷調(diào)用、有效編輯，在文化遺產(chǎn)保護中具有良好的應用前景[11]，測繪技術手段的不斷進步，必將為文化遺產(chǎn)保護帶來革命性的變革。

本文以三維激光掃描技術在秦始皇帝陵博物院兵馬俑坑考古發(fā)掘現(xiàn)場的實際應用為基礎，全面梳理了目前三維激光掃描技術在考古發(fā)掘及出土文物方面應用的技術方法，為類似項目提供技術參考。