文化遺產(chǎn)數(shù)字化輕量開發(fā)模式研究
——以山西榆社鄧峪石塔為例

伍超逸 何泳葶

（1.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000；2.太原理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

基于圖像的三維掃描重建技術(shù)是通過對被攝物體進(jìn)行全方位、非接觸式的照片采集，利用圖像信息對物體進(jìn)行模型重建，從圖像序列中獲取三維模型。目前廣泛應(yīng)用在文物數(shù)字化保護(hù)、開發(fā)、傳播等領(lǐng)域。經(jīng)圖像掃描重建的模型，雖然與激光掃描重建模型相比精度較低，但可以由計(jì)算機(jī)直接生成紋理貼圖，同時(shí)對物體表面肌理材質(zhì)反映也較為真實(shí)，在視覺上仍可以取得逼真的效果。此外，該技術(shù)省去了后期的手動紋理映射環(huán)節(jié)。因此基于圖像的三維掃描重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護(hù)宣傳等，這些精度要求一般、視效要求較高的開發(fā)領(lǐng)域。如2018年文博類短片《如果國寶會說話》第一季，其中的《三星堆青銅神樹》《大克鼎》兩集，創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)就利用圖像掃描技術(shù)對文物進(jìn)行了三維模型重建，后期利用三維模型創(chuàng)作動畫鏡頭，降低了文物的拍攝難度，豐富了影片的鏡頭語言。然而，基于圖像的三維掃描重建技術(shù)目前仍有不小缺陷，主要存在模型布線亂、多邊形數(shù)量多、UV貼圖分散等問題，對數(shù)據(jù)后期的修復(fù)、美化、再創(chuàng)作都造成了困難。同時(shí)，模型拓?fù)潆y度高，體積難以壓縮，都限制了文物數(shù)據(jù)后期推廣應(yīng)用。本文針對這一問題，以山西榆社唐代佛塔——鄧峪石塔為例，總結(jié)一套高效便捷的模型輕量化處理方法，對模型進(jìn)行快速拓補(bǔ)處理，方便數(shù)據(jù)后期開發(fā)利用。

1 模型輕量化處理需求分析

圖像掃描模型的表達(dá)機(jī)制多服務(wù)于視覺展示設(shè)備，因此模型的優(yōu)化策略必須考慮展示設(shè)備的性能特點(diǎn)，針對設(shè)備性能瓶頸對模型進(jìn)行處理，使之可以滿足數(shù)字化后期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的創(chuàng)作需求。根據(jù)以上要求，模型優(yōu)化需要滿足以下幾個(gè)條件：

①模型貼圖豐富瀏覽環(huán)節(jié)體驗(yàn)性。掃描模型在視覺展示設(shè)備上的呈現(xiàn)，無論是移動設(shè)備還是桌面計(jì)算機(jī)，其模型的展示效果多是通過紋理貼圖呈現(xiàn)，包括模型的表面肌理質(zhì)感，也是通過模型紋理的凹凸貼圖、法線貼圖等貼圖來實(shí)現(xiàn)。為了使用戶有良好的瀏覽體驗(yàn)，模型在優(yōu)化過程中應(yīng)最大程度減少紋理貼圖的清晰度損失。

②模型UV保證修復(fù)環(huán)節(jié)可操作性。圖像掃描軟件在三維重建過程中，會自動展開UV并據(jù)此自動生成紋理貼圖的映射，這點(diǎn)看似簡化了模型的處理步驟，但對模型的修復(fù)與再利用卻造成了很大困擾。目前主流的圖像三維重建軟件展開的UV都排布混亂，生成的貼圖也缺乏規(guī)律，如本文范例鄧峪石塔，使用Photoscan軟件進(jìn)行三維重建后，可見生成UV排布呈碎片狀，貼圖分散（圖1）。這就導(dǎo)致了兩個(gè)問題：一是如果有模型修復(fù)需求，模型的更改會導(dǎo)致UV更改，使得紋理失效；二是針對模型表面的紋理創(chuàng)作困難，比如貼圖表面瑕疵修復(fù)，材質(zhì)肌理的制作，因?yàn)樽詣由少N圖沒有規(guī)律，難以定位，對模型紋理的優(yōu)化創(chuàng)作就十分困難。以往的解決方式多是手動將模型拓補(bǔ)展開新的UV，然后重新拍攝圖片進(jìn)行貼圖映射，工作量繁重，效率較低。因此本文研究的優(yōu)化方式需要解決UV和貼圖規(guī)范排布問題。

圖1 圖像掃描軟件生成的鄧峪石塔模型UV（左）和貼圖（右）

③模型規(guī)范實(shí)現(xiàn)交互環(huán)節(jié)兼容性。掃描重建后的模型包含大量三角面、多邊形，數(shù)量巨大且分布雜亂無章，這樣的模型在跨平臺使用時(shí)極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。不論是動畫渲染，還是交互構(gòu)建，布線混亂的模型都限制了模型數(shù)據(jù)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，因此優(yōu)化方法以高效對模型進(jìn)行拓補(bǔ)，規(guī)范模型布線。

④模型體積保證轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)效率性。掃描模型普遍有著較大的文件體積，在同等設(shè)備性能下，更小的模型體積可以獲得更快的渲染速度和顯示速度，能滿足用戶實(shí)時(shí)交互的需求。同時(shí)優(yōu)化模型體積有利于網(wǎng)絡(luò)的傳輸、節(jié)約內(nèi)存，在低性能移動設(shè)備上也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)演示需求。

2 鄧峪石塔重建模型輕量化流程

2.1 鄧峪石塔概況

鄧峪石塔為唐開元八年造四面佛塔，砂石材質(zhì)，為單層方形石塔，塔高3.2米，主體塔身高1.77米，由塔基、塔身、塔檐、塔剎四部分套合形成，塔剎部分被盜丟失，其余部分保存完好，紋樣清晰，塔身四周雕琢四尊造型各異佛像，造型精美。本次研究主要以鄧峪石塔塔身掃描模型為范例。

2.2 模型輕量化技術(shù)流程

本次優(yōu)化方案如下，首先對原模型進(jìn)行拓?fù)洌谱鞯兔鏀?shù)規(guī)范模型，然后將低模包裹在原掃描模型上，最后將原掃描模型貼圖紋理映射到低模上，實(shí)現(xiàn)規(guī)范簡化模型，同時(shí)不丟失原掃描模型貼圖紋理。研究以高效便捷為主要目的，在保證展示效果的前提下，盡量減少手動操作。該流程主要分為3個(gè)步驟：

①拓補(bǔ)模型制作低模、優(yōu)化模型布線、壓縮體積。鄧峪石塔塔身原模型包含30萬個(gè)多邊形面，如果采用手動拓?fù)涞男问?，無疑是一項(xiàng)十分繁重的工作，因此，針對鄧峪石塔模型拓?fù)?，嘗試采用Cinema 4D軟件中的Quad Remesher插件和Zbrush軟件中的ZRemesherGuides筆刷兩種方式進(jìn)行拓?fù)洌▓D2），將繁重的拓?fù)涔ぷ鹘唤o計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這兩種方式都可以快速地完成拓?fù)錅p面、規(guī)范布線、壓縮體積的任務(wù)。經(jīng)過對比分析，本次研究最終選用了ZRemesherGuides筆刷拓?fù)涞哪Ｐ?。因?yàn)樽詣佑?jì)算拓?fù)浞绞揭话銜谇娌糠之a(chǎn)生較大的誤差甚至發(fā)生錯(cuò)誤。Quad Remesher插件對轉(zhuǎn)折較大的曲面部分處理相對僵硬粗略，產(chǎn)生精度誤差。而ZRemesherGuides筆刷可以用對模型曲面部分手動標(biāo)記輔助線，靈活地處理模型曲折面的布線，讓模型在高效拓?fù)涞倪^程中兼顧準(zhǔn)確性。

圖2 掃描模型（左）與拓?fù)淠Ｐ停ㄓ遥┎季€對比

鄧峪石塔塔身模型經(jīng)過拓?fù)浜?，模型面?shù)由30萬面壓縮到3萬面，體積（obj格式）由54MB壓縮至5MB，壓縮率都達(dá)到了90%。同時(shí)，將排布混亂的多邊形面全部規(guī)范為四邊形面，修復(fù)了破面、漏洞等模型錯(cuò)誤，達(dá)到了移動設(shè)備性能的承載條件。

②展呈低模UV。經(jīng)過拓?fù)涞牡湍Ｖ谱骱靡院?，就需要對模型進(jìn)行展UV工作。經(jīng)過上一步驟模型已大量減少了面數(shù)，且布線十分規(guī)范，大大較低了展UV的工作難度，任何一款規(guī)范的三維軟件都可以沿布線將模型平鋪展開。本文研究的目的是在保證視覺呈現(xiàn)效果的前提下嘗試模型輕量化的極限模式，因此展UV的過程也盡量采用自動計(jì)算的方式，減少手動操作的環(huán)節(jié)，經(jīng)過對比嘗試，鄧峪石塔拓?fù)淠Ｐ偷恼筓V工作采用了RizomUV軟件進(jìn)行計(jì)算展開。

鄧峪石塔為四方棱柱石塔，六面體結(jié)構(gòu)。因此采用RizomUV的“框式結(jié)構(gòu)”算法，在6面正交平面上投影，形成多個(gè)多邊形組，展平排布UV，最后將展好的UV坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化整理，定位坐標(biāo)，減少失真。經(jīng)過這一環(huán)節(jié)后鄧峪石塔拓?fù)淠Ｐ陀辛伺挪家?guī)范合理的UV坐標(biāo)，極大方便了后期修復(fù)環(huán)節(jié)中對貼圖瑕疵的定位修復(fù)。

③利用原模映射紋理，制作低模貼圖。貼圖紋理的映射環(huán)節(jié)可以說是簡化流程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，以往映射貼圖多采用拍攝正攝圖像、手動映射的方式。這種方式工作量大，而且容易產(chǎn)生拉伸脫節(jié)的問題，如果能利用原掃描模型自帶的貼圖對低模進(jìn)行貼圖紋理映射，不僅可以簡化工作流程、提高效率，而且可以減少貼圖和模型之間的脫節(jié)問題。

要想利用原掃描模型的貼圖，先要解決的就是掃描模型自帶貼圖紋理混亂的問題。原模型貼圖幾乎無法直接利用，如果利用photoshop等軟件手動縫合修整，無疑是一個(gè)巨大的工作量。針對這個(gè)問題，筆者探究了一種新的紋理貼圖方式——利用R3DS.Wrap4D軟件對低模進(jìn)行紋理包裹，接下來將詳細(xì)闡述這種方式。

R3DS系列軟件是針對表演捕捉領(lǐng)域研發(fā)的一套強(qiáng)大系統(tǒng)，一直以來，精確的表演捕捉一直是少數(shù)高端工作室才可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。而R3DS系列軟件的出現(xiàn)，為表演捕捉開發(fā)了一系列簡單、高效、可控的方案，促進(jìn)了技術(shù)的下沉。尤其在面部表情捕捉領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從模型拓?fù)涞阶粉櫋秩经h(huán)節(jié)的大幅簡化。在2020年1月，Unity官方制作上映了特效短片《異教徒》，片中主角的表演鏡頭就使用了R3DS系列軟件進(jìn)行處理，我們可以看到，在短短7分鐘的影片中，刻畫了主角細(xì)致逼真的面部表情和動作，創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)用三維特效技術(shù)制作了直逼實(shí)拍鏡頭的視覺效果。根據(jù)R3DS官方的透露，該影片中最后的人物鏡頭動畫處理僅僅用了一天時(shí)間，這個(gè)效率是非常驚人的，這也讓我們看到了這個(gè)軟件的廣闊應(yīng)用前景。

這次研究方案使用的R3DS.Wrap4D軟件，是R3DS系列中的一個(gè)擴(kuò)展軟件，它可以輸入一系列帶有紋理的3D掃描模型，經(jīng)過處理后將具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型輸出，同時(shí)將原有掃描紋理縫合包裹在拓?fù)淠Ｐ蜕?。在操作模式上，該軟件采用了?jié)點(diǎn)式操作邏輯，清晰直觀。軟件還附帶了眼睛和嘴唇部分的檢測節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步簡化了操作流程。

既然R3DS.Wrap4D軟件在人物面部模型處理中展現(xiàn)出了強(qiáng)大功能，我們是否可以嘗試?yán)迷撥浖ξ奈飹呙枘Ｐ瓦M(jìn)行簡化處理呢？筆者使用該軟件對鄧峪石塔掃描模型進(jìn)行了拓?fù)鋰L試，具體流程如下。

首先將前期制作好帶UV坐標(biāo)的低模輸入軟件，因?yàn)閃rap4D本身不能制作拓?fù)浜玫哪Ｐ?，在處理面部模型時(shí)是使用了軟件自帶的面部模型與掃描模型進(jìn)行適配輸出。而我們想要處理的鄧峪石塔模型只能采用手動輸入低模的方式進(jìn)行適配，要注意的是Wrap4D對輸入的適配模型規(guī)范要求較高，需要模型全部為4邊型面，不能有破面、漏洞、重面。我們前期使用ZRemesherGuides筆刷拓?fù)涞哪Ｐ屯昝肋m應(yīng)了Wrap4D的規(guī)范需求。

其次輸入鄧峪石塔原掃描模型和原紋理貼圖，對低模與原模型添加適配標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行適配包裹計(jì)算。Wrap4D的處理邏輯是對原模型就行坐標(biāo)點(diǎn)定位計(jì)算，讓低模產(chǎn)生形變適配包裹高原模型，到達(dá)和原模型在外形上一致。因?yàn)槲覀兦捌谔幚淼耐負(fù)涞湍Ｔ谕庑紊吓c原模型誤差較小，所以只要手動添加很少的標(biāo)記點(diǎn)，就可以完成計(jì)算適配過程。經(jīng)過嘗試，在該環(huán)節(jié)中只需要在關(guān)鍵位置添加8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，鄧峪石塔低模和原模型就很好地完成了適配計(jì)算。

再次將原模、低模、標(biāo)記點(diǎn)信息輸入包裹（Wraping）節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最終計(jì)算。包裹節(jié)點(diǎn)是Wrap4D軟件的核心，它可以將輸入的各類信息進(jìn)行計(jì)算，將原模型紋理經(jīng)過縫合定位處理后重新包裹在低模上，最終以低模的UV坐標(biāo)輸出紋理貼圖。該環(huán)節(jié)中，細(xì)分參數(shù)設(shè)置為3，優(yōu)化迭代參數(shù)設(shè)置為20，控制點(diǎn)權(quán)重設(shè)置為10。

最后優(yōu)化輸出包裹計(jì)算后的拓?fù)淠Ｐ秃图y理貼圖，經(jīng)過包裹節(jié)點(diǎn)計(jì)算后，低模已經(jīng)被包裹了原模型紋理貼圖，但Wrap4D的貼圖包裹會不可避免地出現(xiàn)UV接縫處貼圖丟失問題。我們需要通過添加貼圖擴(kuò)邊節(jié)點(diǎn)，將接縫處進(jìn)行縫合處理，就可以得到一個(gè)清晰完整的新紋理貼圖了。接下來我們只需要將處理后的拓?fù)淠Ｐ秃唾N圖進(jìn)行打包輸出，就得到我們需要的輕量化文物模型了。

3 輕量化模型效果檢驗(yàn)

鄧峪石塔原掃描模型經(jīng)過輕量化處理后得到了規(guī)范的拓?fù)淠Ｐ停▓D3），那么這個(gè)輕量化方案能否是否能滿足文物數(shù)字化展示的需求呢？我們可以通過一些再創(chuàng)作案例進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖3 輕量化處理后的模型UV（左）和貼圖（右）

掃描模型整個(gè)輕量化處理流程都在一臺普通桌面計(jì)算機(jī)上完成，全部環(huán)節(jié)共耗時(shí)3個(gè)小時(shí)。大部分工作都交給計(jì)算機(jī)自動計(jì)算完成，只需稍微地手動調(diào)整，從效率和設(shè)備配置要求來看，該方案稱得上簡潔高效。處理后模型先面對的就是數(shù)字化修復(fù)需求，我們可看到規(guī)范后的模型、紋理貼圖與UV坐標(biāo)都可以清晰直觀的定位，方便進(jìn)行更改。我們可以對模型和紋理上的瑕疵進(jìn)行修復(fù)，對于一些不清晰題記部分，我們也可以加深處理，以呈現(xiàn)給觀眾更完善的效果。

在視覺呈現(xiàn)方面，我們以常用動畫渲染器Octane進(jìn)行嘗試，將原掃描模型和經(jīng)過處理的低模進(jìn)行動畫鏡頭渲染，兩個(gè)模型（圖4）在最終呈現(xiàn)效果上并無太大差異，處理后的低模不僅可以滿足視覺呈現(xiàn)要求，還獲得了更快的渲染速度，極大提升了工作效率。對于交互環(huán)節(jié)的兼容性和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的效率性需求檢驗(yàn)，我們?yōu)猷囉谱髁艘惶资謾C(jī)端App展示界面（圖5），經(jīng)過處理后的拓?fù)淠Ｐ腕w積小，布線規(guī)范，在交互構(gòu)建環(huán)有著良好的兼容性。而較小的體積也可以在移動端設(shè)備獲得迅捷的傳輸、響應(yīng)速度，減少了卡頓，讓用戶獲得了更好的瀏覽體驗(yàn)。

圖4 原模型（左）與輕量化模型（右）動畫渲染效果對比

圖5 鄧峪石塔移動端展示平臺

4 結(jié)語

本文主要針對目前文物掃描模型探尋了一種輕量化的處理方式，簡述了基本邏輯和操作流程。經(jīng)過處理后的文物掃描模型在數(shù)字化修復(fù)、視覺呈現(xiàn)、文件兼容性、便捷性、規(guī)范性方面都達(dá)到了要求。同時(shí)，這套輕量化方案也有著處理速度快、上手難度低、人力消耗少等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)該方案處理的掃描模型雖然犧牲了部分精度，但是在以文化推廣為目的的文物視覺展示領(lǐng)域，這套方案有著一定的優(yōu)勢，可以為文物三維掃描模型的處理應(yīng)用提供新的思路與方案。