西安鳳棲原家族墓出土漆箱外形數(shù)字化復原研究

王 瑩，趙西晨，于翰超，湯潤歷，朱建鋒，羅宏杰

(1． 陜西科技大學材料科學與工程學院，陜西西安 710021； 2． 陜西省考古研究院，陜西西安 710054；3． 上海大學文化遺產(chǎn)保護基礎(chǔ)科學研究院，上海 200444)

0 引 言

兩漢時期是中國歷史上漆器繁盛時期，該時期漆器具有普遍的實用性，并以其高超的漆器技藝和精美的紋飾技法聞名于世[1-2]。西漢時期漆器風格質(zhì)樸典雅，造型大方優(yōu)美，漆質(zhì)瑩潔光潤，體現(xiàn)出相應的時代與地域特征，使得漆器文物研究成為了解與研究該時期中國傳統(tǒng)文化、傳統(tǒng)藝術(shù)的重要途徑[3]。

“西安鳳棲原西漢家族墓地”于2010年被評為全國十大考古新發(fā)現(xiàn)之一。2011年4月在墓葬群中未被盜擾的M1墓室的耳室中出土的一件大型木胎彩繪漆箱(圖1a)，引起各方高度關(guān)注[4-5]。考古人員在考古現(xiàn)場采集了彩繪漆箱二維平面圖像和三維立體模型信息。隨即漆箱經(jīng)過科學的保護和提取，進入專門制作的保護箱，在實驗室恒溫恒濕條件下保存至今。圖1b為保存于密閉的樹脂玻璃箱中的漆箱。

圖1 漆箱出土現(xiàn)場及實驗室保護現(xiàn)場Fig.1 Excavation site and conservation laboratory of the lacquer box

針對該漆器胎體坍塌變形嚴重，漆皮開裂、折疊、重疊等問題，根據(jù)考古人員采集的漆箱二維和三維信息，提出利用多信息融合、三維空間建模和分析等數(shù)字化和信息化處理技術(shù)，通過圖像識別和圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了出土彩色漆箱外形的數(shù)字化復原，再現(xiàn)了這件西漢珍貴文物的原貌。

1 漆箱出土概況

目前發(fā)掘并修復的漢代漆木器多見于南方，如揚州漆器博物館、荊州漆器博物館的大量楚漢漆器。北方漆木器與南方漆木器不同之處在于其胎骨因缺乏足量的水分充填在胎木的空隙中，加之外部缺少水浮力承托，使得漆胎在腐朽過程中失衡坍塌，漆皮因無處依附而變形或嚴重扭曲，甚至部分漆皮開裂成碎片。

鳳棲原漢墓出土的大型彩繪漆箱為同時期的精品，其紋樣精美，紋飾飽滿且富于變化。箱體尺寸較大，塌陷后的漆器箱體長度約為900 mm，寬度約為600 mm，厚度約為150 mm[6]，相當于現(xiàn)代32寸行李箱大小，為同時期出土比較大的衣箱。其外形輪廓基本完整，漆皮有折疊，剛出土時期漆箱頂部無明顯漆皮開裂(圖1a)。目前與大多數(shù)出土的漢代漆器一樣，變形嚴重，具體情況如下：

1) 漆箱為木胎，胎體糟朽嚴重，器物內(nèi)部呈海綿狀，已經(jīng)喪失了原有的機械強度；

2) 箱體塌陷，但憑留存信息可以看出漆箱上部為覆斗型，下部為長方形箱體；

3) 漆皮雖然大部分部完整，但局部相鄰漆皮之出現(xiàn)相互疊壓，箱體底部漆皮開裂；

4) 漆膜表面灰化嚴重，失去塑性，接觸即潰，任何接觸都會破壞漆膜原有紋飾圖案，甚至較大的氣流都可能導致漆膜表面的顏料脫落，因此漆膜修復也無法進行。

會同荊州漆器研究院專家分析：鳳棲原漢墓出土漆箱在北方長期失水狀態(tài)下，木胎全朽，漆膜灰化，目前漆箱木胎及漆膜都無法實物復原，而漆箱外觀及紋飾仍然清晰地展示著其精美的工藝及造型。因此本研究團隊將近年來迅速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)運用到文物保護工作之中[7-10]，使得難以實物復原的漆器以數(shù)字化的方式留存下來，并通過數(shù)字化虛擬復原方式展示和傳播。這對于提升文物保護和傳承的整體水平意義重大。

2 漆箱形狀的數(shù)字化還原

研究工作以陜西省考古研究院考古發(fā)掘現(xiàn)場采集的二維和三維數(shù)字化信息數(shù)據(jù)為出發(fā)點，再結(jié)合實驗室現(xiàn)場采集的漆箱實物和數(shù)字化信息進行圖案復原。具體技術(shù)路線如圖2所示，包括二維和三維信息采集與處理、建立箱體形狀初級模型、利用三維模型計算箱體尺寸，以及實現(xiàn)箱體外形數(shù)字化還原等4個環(huán)節(jié)。

圖2 漆箱箱體外形復原技術(shù)路線Fig.2 Roadmap of the restoration technology for the lacquer box shape

2．1 漆箱二維和三維信息采集與處理

研究中采集的二維信息包括保存于實驗室的漆箱數(shù)碼照片(圖1b)，以及2011年陜西省考古研究院在文物發(fā)掘現(xiàn)場拍攝的漆箱二維數(shù)字圖像(圖3a)；三維信息是考古發(fā)掘人員使用手持式三維掃描儀在墓室現(xiàn)場掃描漆箱，獲得包含現(xiàn)場信息的點云數(shù)據(jù)。利用3Dmax軟件根據(jù)點云數(shù)據(jù)建立了漆箱遺跡的三維模型，其中部分的可視化模型如圖3b所示。

圖3 M1耳室中漆箱圖像Fig.3 2D and 3D images of the lacquer box at an ear chamber of M1

2．2 二維和三維信息融合建立箱體形狀的初級模型

利用二維平面圖像和三維掃描點云數(shù)據(jù)作為原始圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)圖像中漆箱箱體反映出的輪廓結(jié)構(gòu)、漆膜表面周期性出現(xiàn)的紋飾圖案，尤其是縱向和橫向幾何紋飾，通過外形分析可知漆箱由箱蓋、箱體兩部分組成。箱蓋上嵌有銅釘腳和銅鋪首銜環(huán)等配飾，箱蓋上部為平頂覆斗型，也可以稱為盝頂式箱蓋。箱蓋下部為長方體，箱蓋與底箱在下部有合箱縫，形成完整密合的漆箱。因此建立的箱體初級模型如圖4所示。同時提取鋪首、腳釘?shù)扰滹椀膱D像，建立配飾模型。

圖4 漆箱初級模型及箱體特征線段三維曲線Fig.4 Primary model of the lacquer box and characteristic 3D curve of the box body

要獲得彩繪漆器箱體的實際外形，需要確定箱體初級模型中幾個參數(shù)的大小，即圖4的箱體結(jié)構(gòu)中a、b、c、e、f、A、B、H、h等邊緣線的尺寸。其中a、b為箱體頂面的長和寬，e為盝頂斜面的寬度，c為盝頂斜面交線長，H為盝頂?shù)母?，f為箱體直立面的高，A、B為箱體長和寬，h為箱蓋和底箱的間距。

2．3 基于“特征線段”三維模型的箱體尺寸計算

由于漆箱具有規(guī)則形狀，可以通過測量箱體幾個主要邊緣線尺寸精確還原出漆箱的外形。然而目前的漆箱邊緣和頂部都發(fā)生了塌陷變形，頂面及各部分外形輪廓形成三維空間上的復雜扭曲的曲線，部分邊緣線還發(fā)生了折疊被臨近的漆膜覆蓋，使得研究人員無法對其直接進行測量。為此，在漆箱二維圖像和三維模型上尋找“特征線段”，所謂“特征線段”是以紋飾特征為定位參考點，選取與漆箱主要邊緣線共面(處于同一漆膜面)、平行、變形較小的完整或局部完整的橫向和縱向線段。由于“特征線段”隨著漆器塌陷發(fā)生變形，也成為曲線段，因此將“特征線段”長度測量過程分為選取“特征線段”、建立“特征線段”模型和計算“特征線段”長度等3個環(huán)節(jié)，具體步驟如下：

1) 循跡紋飾特征以選取“特征線段”，其對應的尺寸即為該位置的漆箱外形長度或者寬度。在二維圖像中標識出需要提取的箱體“特征線段”位置，如圖5所示，在漆箱頂部選取不同橫向和縱向的“特征線段”，其中，線段1和2為漆箱頂部縱向線段，3和4為頂部橫向線段，5為箱體縱向線段，6為箱體橫向線段，7為盝頂側(cè)斜面線段，8為盝頂兩個斜面共邊線段。

圖5 “特征線段”對應在漆箱中的位置Fig.5 Location of “characteristic line segments” on the surface of the lacquer box

2) 利用3Dmax建立箱體三維模型(圖3b)，以圖5中“特征線段”1和線段2為例，融合二維圖像和三維模型中取得的“特征線段”信息，利用Rhino軟件對三維模型做切面，可以得到“特征線段”三維曲線模型(圖6)。

圖6 “特征線段”1和2的線段三維模型圖Fig.6 3D model of Characteristic line segment 1 and 2

通過Rhino軟件導出“特征線段”的“．txt”格式的點云坐標數(shù)據(jù)，例如：

Rhino物體：曲線1

ON_PolyCurve segment count=531 Segment 1：(0，0．000430318)

ON_LineCurve：domain=[0，0．000430318]

start=(-0.78553080558776855，0.1453145295381546，-0.10120808333158493)

end=(-0.785103440284729，0.14536422491073608，-0.10121601819992065)

length=0.000430318

Segment 2：(0.000430318，0.000561649)gap=0

ON_LineCurve：domain=[0.000430318，0.000561649]

start=(-0.785103440284729，0.14536422491073608，-0.10121601819992065)

end=(-0.78497332334518433，0.14537936449050903，-0.10122540593147278)

length=0.000131331

Segment 3：(0.000561649，0.000825203)gap=0

ON_LineCurve：domain=[0.000561649，0.000825203]

start=(-0.78497332334518433，0.14537936449050903，-0.10122540593147278)

end=(-0.78471171855926514，0.14540977776050568，-0.10121547430753708)

length=0．000263554

……

3) 根據(jù)“特征線段”的三維模型，利用Matlab軟件根據(jù)歐式空間任意兩點距離的計算公式

(1)[11]

將模型中的三維坐標點代入，可以精確計算出“特征線段”1～8的長度，實際上就是a、b、c、A、B、e等漆箱初級模型參數(shù)的尺寸。

式(1)中，每根特征線段都是由I個順序排列三維坐標點組成的集合，其中點i的三維坐標為(xi，yi，zi)?！疤卣骶€段”1～8與圖4中箱體模型邊緣線a、b、c、A、B、e、f、H、h的尺寸與“特征線段”對應關(guān)系以及計算結(jié)果如表1所示。

表1 箱體模型主要尺寸的計算結(jié)果Table 1 Main dimensions of the box body model (mm)

2．4 實現(xiàn)箱體外形數(shù)字化還原

在箱體初級模型基礎(chǔ)上，根據(jù)計算出的特征線段長度，建立彩繪漆器箱體的數(shù)字模型；并將鋪首、腳釘?shù)扰滹椖Ｐ团c箱體的數(shù)字模型合并，獲得漆器外形的數(shù)字模型，從而實現(xiàn)彩色漆箱外形的數(shù)字化復原。利用自制的非接觸式激光測距儀器對漆箱頂面外形尺寸進行測量，以驗證本方法的準確性。

測量現(xiàn)場如圖7所示。在變形程度相對較小的箱體頂面，選取一塊比較平整的頂部區(qū)域，使用激光測距儀測量頂面寬度a，5組處理數(shù)據(jù)的平均值為309.38 mm，與本方法的計算值的絕對和相對差值分別為0.62 mm和0.20%，證明了本方法的準確性。

圖7 非接觸式激光測距儀的尺寸驗證Fig.7 Dimensional verification using a non-contact laser rangefinder

3 箱體紋飾復原研究

3．1 建立紋飾圖案的輪廓結(jié)構(gòu)

在箱體外觀還原的基礎(chǔ)上，根據(jù)漆箱的外形結(jié)構(gòu)，建立箱體紋飾圖形的輪廓結(jié)構(gòu)。首先，研究漆箱紋飾圖案的規(guī)律性結(jié)構(gòu)，重點研究紋飾圖案的周期性和對稱性(包括軸對稱和原點對稱)等結(jié)構(gòu)規(guī)律，從而將整體圖案表述為“框架圖形+單元圖案”的輪廓結(jié)構(gòu)。由圖8可見紋飾框架圖形和紋飾單元圖案，其中的框架圖形是漆箱紋飾圖案的“經(jīng)緯線”，勾勒出了漆箱紋飾整體圖案的總輪廓。

圖8 漆箱紋飾的“框架圖形+單元圖形”結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of “pattern framework + cell pattern” of ornamentation

3．2 還原單元紋飾圖案

紋飾單元圖案是構(gòu)成箱紋飾體圖案的基礎(chǔ)單元，古代漆箱匠人的藝術(shù)精華和時代信息莫不聚集于此，因此還原紋飾單元圖案至關(guān)重要。在漆箱紋飾圖案數(shù)字化信息提取的基礎(chǔ)上，根據(jù)漆箱紋飾圖案結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，對漆箱紋飾圖案進行逐層分解，直至分解到“無法再分”的獨立單元圖案。圖9所示就是一個獨立的單元紋飾圖案。

為了準確獲取完整圖案，在圖9中分別嘗試了超像素分割、分水嶺分割、閾值分割和FCM分割技術(shù)對漆箱紋飾圖案的單元結(jié)構(gòu)進行分割提取，因其中FCM法效果最好而采用該方法。由于漆箱箱體完全坍塌，漆箱表面凹凸不平，使得FCM分割得到的箱體紋飾單元圖案畸變嚴重，圖像畸變校正是當前數(shù)字圖形處理領(lǐng)域的技術(shù)難題，因此漆箱單元圖像的畸變校正成為了整個漆箱外觀還原中的核心技術(shù)。研究人員根據(jù)漆箱圖案的特點以及所具有的條件，利用箱體表面三維點云數(shù)據(jù)，提出了基于空間坐標變換的圖像畸變校正方法。該方法首先通過畸變圖像與校正圖像之間控制點對的映射關(guān)系建立幾何畸變模型，其次根據(jù)多項式擬合公式實現(xiàn)畸變圖像的校正，其核心的多項式校正算法為：

(2)

式(2)中，(u,v)和(x,y)分別是畸變矯正前后漆箱紋飾圖像的坐標，Tn是畸變矯正矩陣，由以下計算獲得：

(3)

式(3)中的參數(shù)分別是紋飾圖像中控制點A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)和D(x4，y4)和匹配點A’(u1，v1)、B’(u2，v2)、C’(u3，v3)和D’(u4，v4)的坐標，分別選取漆箱箱體紋飾圖案畸變區(qū)域的中心點，最后通過雙線性插值算法對圖像進行灰度重建。由圖10和圖11可見單元圖案畸變校正前后的效果。

圖10 紋飾扭轉(zhuǎn)畸變校正前后的單元圖案Fig.10 Cell patterns before and after the distortion correction of ornamentation torsion

圖11 漆膜開裂畸變矯正前后單元圖案Fig.11 Cell patterns before and after the distortion correction of lacquer film cracking

3．3 箱體紋飾圖案數(shù)字化還原

融合漆箱紋飾、箱體外形輪廓還原結(jié)果和箱體紋飾單元圖案的還原結(jié)果，結(jié)合圖案框架圖，利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，將多個單元圖進行整體拼接，多信息融合復原出箱體紋飾圖案。

在箱體數(shù)字模型基礎(chǔ)上，利用三維掃描獲得的配飾在箱體上的位置，將箱體數(shù)字模型與配飾模型合并，形成了完整的漆器箱體外型數(shù)字化模型。根據(jù)數(shù)字模型復原出漆箱的箱體透視圖如圖12所示。

圖12 漆箱外形數(shù)字化還原透視圖Fig.12 Digital restoration perspective of the lacquer box shape

4 結(jié) 論

近年來，文物數(shù)字化工作在文物信息保留、文化的傳播與傳承方面發(fā)揮著越來越重要的作用。針對2011年發(fā)掘于西安鳳棲原的西漢大司馬衛(wèi)將軍張安世家族墓室群中的一件變形嚴重的彩繪漆箱，利用數(shù)字處理技術(shù)進行數(shù)字化外形還原，建立了漆箱的外形模型。同時研究團隊在漆箱外形模型的基礎(chǔ)上，進一步進行漆箱紋飾圖案的復原，并利用數(shù)字化技術(shù)展示了對該文物的還原效果。