考古文物繪圖輪廓線提取及繪圖流程研究

蘭靜

（云岡研究院，山西 大同 037000）

0 引言

在考古文物研究與保護的過程中，繪圖作為一種形象直觀、信息準(zhǔn)確的記錄方式，為我們再現(xiàn)文物的歷史風(fēng)采發(fā)揮著重要作用。雖然對于相關(guān)的文物特征以及所蘊含的文化，運用文字描述的方式能夠展現(xiàn)出表面的形狀特征，但是文字描述無法給人以直觀形象的感覺，無法做到精確和再現(xiàn)。此外在科學(xué)技術(shù)的支撐下，照片能夠較為真實直觀地反映出相應(yīng)的文物形狀和特征，但是照片對于文物的空間特征和尺寸很難反映精確，無法做到對相應(yīng)文物的原貌進行復(fù)古還原。而文物繪圖則能夠發(fā)揮文字和照片所無法起到的作用，通過幾何制圖結(jié)合投影原理，運用線條直觀形象地反映出文物的外形尺寸與空間位置，同時對于文物的特征、結(jié)構(gòu)信息進行表現(xiàn)，這就使得相應(yīng)的文物借助于繪圖能向我們傳遞更準(zhǔn)確更詳細的文化信息。然而也正是因為考古文物繪圖的重要性，使得我們在繪圖的過程中對于相應(yīng)的繪圖技術(shù)及要求更高，輪廓線提取作為文物繪圖的重要環(huán)節(jié)，決定著文物的繪圖效果。本文將對輪廓線的提取方法進行研究，總結(jié)文物繪圖的方法與流程。

1 文物繪圖中輪廓線概述

輪廓線是文物繪圖的基本前提，它是由按照文物幾何特征所形成的幾何線條構(gòu)成的，借助于輪廓線能夠充分反映出文物的外圍輪廓信息，同時在文物考古工作中，考古工作人員借助于輪廓線來記錄和反映文物實體的特征，借助于輪廓線能夠更充分地表現(xiàn)出文物本身的幾何信息，也是后期文物復(fù)原工作的基礎(chǔ)。按照輪廓線相應(yīng)線條所界定的輪廓內(nèi)容不同，我們將其分為4種類型。第一類輪廓線即文物繪圖過程中所應(yīng)用到的邊緣輪廓線。邊緣輪廓線是指物體前后表面交匯所生成的外部輪廓線條，這類邊緣輪廓線能夠充分反映出文物的邊緣輪廓信息，是文物空間外形的具體表象，代表著文物的形狀。應(yīng)用邊緣輪廓線能夠?qū)⑽奈飯D與背景區(qū)分開來，同時對于物體內(nèi)部間斷的部分也能夠借助于輪廓線展現(xiàn)出來。外部輪廓線與文物的擺放位置和朝向相關(guān)，根據(jù)不同的位置與朝向繪制出不同的文物外部輪廓線。第二類輪廓線為褶皺邊，褶皺邊反映的是在文物表面不同面相互重疊或交接過程中形成的輪廓，此時在文物表面相鄰的兩個片面夾角超過一定范圍之后就會產(chǎn)生一條公共線，這條公共線就是褶皺邊。而在文物繪圖的過程中，若相應(yīng)兩個面的夾角低于設(shè)定的閾值，我們就將畫出的輪廓線稱之為凸邊，而如果相應(yīng)兩個面的夾角高于某個閾值時，我們就將畫出的輪廓線稱之為凹邊。褶皺邊是文物特征的基本體現(xiàn)，不會隨著文物的擺放位置以及朝向產(chǎn)生變化，它是表現(xiàn)文物表面固有屬性的輪廓線。第三類輪廓線屬于邊界線，即表示文物的邊界，但是像球體或者全封閉的文物則沒有邊界線。第四類輪廓線屬于物體表面陰影所造成的輪廓線，或者相應(yīng)文物的不同材質(zhì)分界線也采用該類輪廓線。

2 文物輪廓線的提取與處理

2.1 輪廓線的表示

隨著三維技術(shù)在文物繪圖中的應(yīng)用，文物輪廓線的表示也基于三維模型以幾何表現(xiàn)形式呈現(xiàn)。假設(shè)對某一文物多邊形片面進行輪廓線表示，通常多邊形頁面某一點記為V，以向量N作為法向量，多邊形的頂點個數(shù)記為q，V作為視點的方向，向量N1、N2則表示所要提取輪廓兩個片面的法向量，V0則表示該多邊形片面中的任何一個點，用θ1和θ2表示兩個片面夾角的閾值，閾值的范圍為：-1≤閾值≤1。

2.2 輪廓線的三維檢測算法

基于三維立體空間的輪廓線檢測方法可按照三維空間的特點分為點云模式和網(wǎng)格模式，同時這兩種檢測模式在應(yīng)用的過程中又可以相互轉(zhuǎn)化。在進行檢測的過程中也可按照檢測方法分為直接檢測和間接檢測兩種。

2.2.1 直接檢測

對于輪廓線的直接檢測是指相應(yīng)的視點在確定之后，通過計算網(wǎng)格模型中片面和視點的夾角，可基于邊遍歷和邊緩存獲得兩種檢測算法：基于邊遍歷就是指在進行計算的過程中對網(wǎng)格模型中的每一條邊都逐一遍歷，而在遍歷之后對于輪廓線則獲取，而非輪廓線則放棄，當(dāng)對所要繪圖的文物各條邊都遍歷完成之后即完成了相應(yīng)的輪廓線檢測。在采用這種方法進行計算的過程中，需要針對所有涉及文物的每個面的幾何信息進行計算，計算量較大。在進行以視點為基準(zhǔn)的計算過程中，若視點出現(xiàn)變化，后期計算的幾何信息就會無效。而基于邊緩存的檢測算法則是在邊遍歷的檢測算法基礎(chǔ)之上，進行改進優(yōu)化，如果出現(xiàn)視點變化的情況，則只計算未改變視點的相應(yīng)片面部位輪廓邊。這種方法有效減少了計算量，同時也不會受視點改變的影響，對于提高輪廓線的計算效率有非常重要的優(yōu)勢。但是大量實踐研究顯示，該方法在全封閉的文物三維模型中應(yīng)用能夠獲得良好的效果，而在未全封閉的文物三維模型應(yīng)用則效果不佳，很可能產(chǎn)生錯誤的輪廓線。

2.2.2 間接檢測

基于三維圖形的輪廓線間接檢測方法也稱為“隨機檢測法”，運用該方法進行計算的過程中不需要對多邊形片面的所有輪廓邊進行檢測，只需要獲取一小段輪廓邊緣，觀察其是否滿足輪廓線模型，如果滿足相應(yīng)的模型則進一步判斷該輪廓線周圍是否存在小段輪廓也滿足相應(yīng)的條件，當(dāng)符合某個設(shè)定的閾值則停止迭代。采用該方法進行檢測計算的過程中，當(dāng)視角發(fā)生輕微的變化時，在網(wǎng)絡(luò)模型上就會反映出局部連續(xù)性的空間變化。這種方法在使用的過程中屬于隨機檢測，微小的輪廓線可能無法檢測到。

基于三維圖形的輪廓線檢測方法對輪廓線提取發(fā)揮了重要的基礎(chǔ)性作用，其具有操作簡單、方便可行的優(yōu)勢。不同的輪廓線檢測方法在應(yīng)用的過程中各有優(yōu)缺點。考慮到考古文物繪圖過程中大多三維模型較為復(fù)雜，而且所出土的文物也具有形狀不規(guī)則的特點，在進行輪廓線提取的過程中大多為第一類和第二類輪廓線，為有效規(guī)避輪廓線檢測計算過程中的不足，本文在研究輪廓線提取的過程中運用基于視相關(guān)的顯示嵴線作為文物輪廓線提取方式。

2.2.3 基于視相關(guān)的顯示嵴線輪廓線提取

基于視相關(guān)的顯示嵴線輪廓線提取也屬于一種三維輪廓線檢測算法，但是相較于常用的三維輪廓線檢測方法在應(yīng)用的過程中具有檢測速度更快、定位更加準(zhǔn)確、輪廓線繪制效率更高的應(yīng)用優(yōu)勢，嵴線是三維模型表面連接幾何特征點的曲線，即模型表面幾個特征點的行走軌跡，運用這類特征曲線能夠更好地完成模型匹配和展示功能。對于這些特征點在應(yīng)用的過程中可通過轉(zhuǎn)折點過渡點進行計算，而采用該方法進行輪廓線檢測計算的過程中，對于輪廓表面部分細小的特征線可忽略。運用嵴線檢測計算輪廓線，在考古文物繪圖中發(fā)揮著重要的作用，尤其是對于已經(jīng)損壞或變形的輪廓模型提取突出特征時能夠發(fā)揮更顯著的作用。

2.3 嵴線提取

在參數(shù)曲面上嵴線的提取方法可大致分為兩類：第一類是將所有嵴線作為同種類型直接計算；第二類是根據(jù)模型表面參數(shù)條件和特征點位置有選擇地進行計算。第一類嵴線計算方法用一個單一的多項式統(tǒng)一計算參數(shù)曲面上所有的嵴線和臍點，提出了一種利用代數(shù)方法解決多項式方程的算法，得到了正確的嵴線。第一類方法針對一般規(guī)則性的模型或者框架較簡單的三維模型所得嵴線效果較為滿意，且平均處理效率較高、線條明顯。但同時也相應(yīng)暴露了其缺點，由于將所有嵴線視作同一類型進行直接計算，導(dǎo)致對復(fù)雜或不規(guī)則的模型處理效果不理想，且此時的算法執(zhí)行效率較低。由于曲面上的嵴線對同一代數(shù)多項式的計算結(jié)果不甚相同，有些較為細致的線條被忽略，導(dǎo)致繪制出的嵴線線條部分出現(xiàn)斷點等現(xiàn)象，不符合人類的視覺感知。

第二類嵴線計算方法主要是基于概率論的抽樣方法，在參數(shù)曲面上抽樣一部分滿足嵴線條件的曲線和一些孤立的特征點的集合進行嵴線繪制。這種方法簡化了計算嵴線的流程，很好地解決了嵴線的多重繪制問題，針對復(fù)雜的三維模型提高了繪制效率。

可見性問題在文物三維模型輪廓線繪制中至關(guān)重要。人類視覺的成像原理中，當(dāng)前可視面與背面之間存在重疊關(guān)系時，會導(dǎo)致只有部分的外輪廓線是可見的。這就需要在圖像繪制過程將不可見的部分進行屏蔽，由此引發(fā)了輪廓線的可見性問題。一般情況下，遇到輪廓線的可見性問題往往需要簡單而有效的解決方法，如采用圖像空間的檢測算法，而不采用圖形空間的復(fù)雜的輪廓線解析算法。為了獲得更好的可見性處理結(jié)果，往往需要融合上述兩種方法的優(yōu)勢，從而達到用時少、質(zhì)量好的理想效果。例如，Markosian等人提出的基于ID參考映像的方法，使用此方法，可以剔除很多重疊的輪廓線，一定程度上解決了輪廓線的可見性問題（圖1）。

圖1 某文物原始模型（左圖）與嵴線提取后的文物線圖（右圖）比較

2.4 輪廓線的風(fēng)格化處理

按照上述步驟獲得輪廓線之后，為了使相應(yīng)的文物線圖更加美觀，保障相應(yīng)線圖的連續(xù)性和完整性，需要進一步進行輪廓線的風(fēng)格化處理。這種風(fēng)格化處理就是基于計算機模擬出的手工繪圖，按照相應(yīng)輪廓線的繪制方法和風(fēng)格要求，以筆畫的抖動、紋理寬度來體現(xiàn)出不同的輪廓線效果，即通過輪廓線的風(fēng)格化繪制達到更理想的輪廓線提取效果（圖2）。

圖2 輪廓線的風(fēng)格化處理前（左圖）與風(fēng)格化處理后（右圖）比較

3 考古文物繪圖流程

按照實踐經(jīng)驗進行總結(jié)，考古文物繪圖總體可按照以下幾個步驟實施：第一步為獲取文物的三維模型，然后對三維模型進行預(yù)處理，使其能夠符合輪廓線提取以及后期的文物線圖區(qū)域分割相關(guān)要求。第二步就是結(jié)合三維模型進行文物的輪廓線提取，該環(huán)節(jié)作為文物提取的關(guān)鍵步驟和核心內(nèi)容，其輪廓線提取的質(zhì)量直接影響到文物繪圖的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)型效果（以下將不做贅述）?；谌S模型做好了輪廓線的提取之后，第三步就是對文物線圖進行區(qū)域分割，該步驟是為了后期進行紋理貼圖奠定基礎(chǔ)，以保障在第四步完成紋理貼圖的過程中能夠結(jié)合不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同風(fēng)格的貼圖，使相應(yīng)的文物繪圖展現(xiàn)出更立體、更形象、更直觀的效果。

3.1 文物繪圖的三維模型獲取

隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在文物繪圖過程中三維模型的獲取主要是通過三維掃描儀快速生成。它基于計算機數(shù)字處理技術(shù)，將我們掃描到的實際物體空間信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，進而以精度高、速度快的優(yōu)勢將相應(yīng)文物的三維模型展現(xiàn)在我們眼前。通過三維掃描進行三維模型的構(gòu)建，相較于傳統(tǒng)的人工圖像建模在掃描進度和視覺展現(xiàn)效果方面都有著無法比擬的優(yōu)勢，可以說三維掃描儀在三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用使文物三維模型建設(shè)水平大大提高。運用三維掃描儀進行三維模型構(gòu)建是借助于激光掃描原理，在不接觸文物本體的情況下運用激光掃描獲取相應(yīng)文物圖像的三維坐標(biāo)信息。而且隨著三維掃描儀技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段在進行三維模型構(gòu)建的過程中能夠通過文物表面的色彩信息進行模型構(gòu)建，這為后期的紋理貼圖也奠定了相應(yīng)的基礎(chǔ)。

3.2 文物線圖的區(qū)域分割

在進行考古文物線圖區(qū)域分割的過程中可按照線條法和撒點法兩種模式來進行，線條法是指在進行分割的過程中按照所繪制線條的粗細、疏密、整段、曲直以及走向進行相應(yīng)文物的原始狀態(tài)描繪，沒有達到相應(yīng)文物線圖分割的效果。而撒點法則是基于文物線圖各種風(fēng)格的點來達到對線圖進行補充和描繪，使文物的質(zhì)感和美感得到提升。通過區(qū)域分割，能夠使文物圖像相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的像素點按照相同屬性與其他部分進行區(qū)分，滿足相應(yīng)圖片不同風(fēng)格的貼圖要求。

3.3 紋理貼圖

紋理貼圖是考古文物繪圖輪廓線提取之后的重要步驟，是將相應(yīng)的輪廓線以更加形象直觀的圖片展現(xiàn)出來。紋理貼圖的流程也較為復(fù)雜：首先，確定紋理，結(jié)合紋理貼圖的要求和相關(guān)文物的特點制定出紋理的映射方式。其次，確定紋理坐標(biāo)，使后期貼圖過程中相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系能夠建立。最后，建立紋理坐標(biāo)之后繼續(xù)建立坐標(biāo)映射關(guān)系確定圖像的二維坐標(biāo)，建立紋理貼圖映射，實現(xiàn)紋理貼圖。

進行紋理貼圖時，按照文物的不同片面要求，在正視面較為平整的情況下可貼稀疏點紋理圖，而正視面存在較為嚴(yán)重的凹陷、斷裂時，其個性化特征較為突出，文物的側(cè)面則需要貼上細密點紋理圖，文物輪廓線附近在貼圖時則以中等點紋理圖為主，以更有效地凸現(xiàn)出文物的輪廓形狀。

4 結(jié)語

在幾千年的中華民族歷史發(fā)展過程中，華夏子孫創(chuàng)造了偉大的歷史文化和優(yōu)秀的物質(zhì)文明。文化遺產(chǎn)作為古代優(yōu)秀文化的重要佐證和代表，是古代先賢智慧的結(jié)晶和沉淀，不同的文化遺產(chǎn)代表著不同時期、不同政治環(huán)境、不同自然環(huán)境下的生命密碼和社會狀態(tài)。中國在幾千年的歷史長河中留下了豐富的文物古跡，對于這些文物古跡只有繼續(xù)保護與傳承，才能夠使中華歷史文明得以延續(xù)與發(fā)展?？脊盼奈锢L圖輪廓線提取是文物繪圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文通過分析文物繪圖輪廓線的提取方法，總結(jié)文物繪圖基本流程與步驟，進一步豐富了考古文物繪圖的經(jīng)驗與相關(guān)理論。