數(shù)字仿真技術(shù)在文物數(shù)字化中的應(yīng)用研究

張維

摘 要：文章以曾侯乙銅冰鑒缶為例，研究了中國古代文物構(gòu)思巧妙的功能型結(jié)構(gòu)，分析了數(shù)字仿真技術(shù)在文物中的應(yīng)用場景。運(yùn)用Maya、Zbrush、Substance Painter等軟件使用次世代PBR流程對曾侯乙銅冰鑒缶進(jìn)行了數(shù)字化還原，探索了數(shù)字仿真技術(shù)在文物數(shù)字化中的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：數(shù)字仿真技術(shù)；PBR工作流程；文物數(shù)字化；曾侯乙銅冰鑒缶

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.24.012

1 研究意義

近年來，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，很多新媒體平臺快速涌現(xiàn)，它們改變了傳統(tǒng)的信息傳播方式。2014年發(fā)布的《關(guān)于推動傳統(tǒng)媒體和新興媒體融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，要推動新、舊媒體的融合發(fā)展。而要通過媒體傳播實(shí)現(xiàn)教育職能和服務(wù)的博物館，是國家大力倡導(dǎo)“讓文物活起來”“實(shí)施國家文化數(shù)字化戰(zhàn)略”“加大文物和文化遺產(chǎn)保護(hù)力度”，高度重視文物的保護(hù)與利用，強(qiáng)調(diào)文物在繼承和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化過程中的重要力量①。將文化和科技融合發(fā)展，根據(jù)信息數(shù)據(jù)建立文物三維模型﹐通過數(shù)字化展示幫助文物“活”起來，除了能有效保護(hù)文物，還能起到良好的展示與宣傳作用。通過各種高清視頻、交互裝置、3D造像、全息投影等新型手段，讓中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化與精妙悠久的工藝以更生動、更直觀的形式展現(xiàn)，可以讓觀展人既能沉浸式地體味千年古韻，又能與古人的智慧互動，在現(xiàn)代科技的輔助下大大提高觀展的沉浸感和互動性②。還可以將文物以動畫、電子版、網(wǎng)絡(luò)版等多種形式出現(xiàn)在大眾視野中，通過全方位、多層次的沉浸式體驗(yàn)，帶來傳統(tǒng)展覽中前所未有的交互新體驗(yàn)，使公眾更好地了解文物的歷史和文化。

2 曾侯乙銅冰鑒缶的研究價值

曾侯乙銅冰鑒缶是1978年在湖北隨州曾侯乙墓出土的戰(zhàn)國時期大型冰酒器具，全器均為青銅，采用混鑄、分鑄和焊鑄法鑄成。冰鑒缶以方形鑒為外殼，內(nèi)部含一方形缶，方形鑒內(nèi)底設(shè)有栓鉤，方形缶外有足，足上有眼，栓鉤恰好可插入缶足榫眼，穩(wěn)定方形缶。栓鉤裝有倒鉤，栓鉤插入缶足榫眼后，倒鉤立刻卡緊方形缶，使之不能搖動。方形鑒蓋頂部開口，將方形缶口部露出，配以缶蓋，灌酒、挹酒時只需打開缶蓋，設(shè)計(jì)巧妙。方形鑒四面和四角各有一條攀附狀的龍作耳，龍尾部又有小龍纏繞，并附有兩朵小花點(diǎn)綴其上，狀貌十分俏麗，鑄作精細(xì)。方形鑒外部表面附飾極為纖細(xì)、復(fù)雜，并有多層鏤空，紋飾豐滿多樣。此銅冰鑒缶是失蠟法鑄造的較早的典范作品，如圖1所示。

曾侯乙銅冰鑒缶的功能設(shè)計(jì)也頗為巧妙。曾侯乙銅冰鑒缶是古代暑天用來盛冰，并置食物于其中的容器（俗稱“古代的冰箱”）。青銅具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，可利用冰鑒與缶之間的冰塊快速降低缶內(nèi)溫度。冰鑒箱體兩側(cè)設(shè)提環(huán)，頂上有蓋板，上開雙錢孔，既是摳手，也是冷氣散發(fā)口。冰鑒的內(nèi)部放置缶，可以用于盛酒。缶與冰鑒是兩個獨(dú)立的器具，可分可合。當(dāng)組合使用時，兩者之間空間較大，用于放置冷卻酒水的冰塊。從頂部向下觀察，冰塊將缶包圍在中間，降低缶中酒水的溫度，如圖2所示。從冰鑒的側(cè)面觀察，冰塊的高度可調(diào)節(jié)至與酒水的高度一致?；⌒误颈谝苍黾恿吮鶋K與缶的接觸面積，對冰鑒內(nèi)部空間做如此設(shè)計(jì)，既能多盛酒，又能充分發(fā)揮冰塊的制冷效果，如圖3所示③。冰鑒箱體的厚度、內(nèi)部空間的尺寸及其分割方式，對于冷卻功能的實(shí)現(xiàn)是有決定性作用的，并且其外部的提手以及底座對其人機(jī)功效是有一定影響的。

曾侯乙銅冰鑒缶體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)器具精巧的結(jié)構(gòu)、精美的外觀、合理巧妙的功能、極高的工藝水準(zhǔn)和材料應(yīng)用水平。冰鑒缶是一種雙層組合器具，外層為青銅鑒，內(nèi)層放置一方形缶，在青銅鑒、方形缶之間的間隔內(nèi)放置冰塊，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代冰箱的冷藏功能。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)曾侯乙銅冰鑒缶時，利用其獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu)、分隔置冰與盛酒的空間，同時采用鑒蓋與缶蓋的組合，打破了傳統(tǒng)器具一個罐子一個蓋子的特點(diǎn)，將大蓋與小蓋套合使用，使冰塊的放置與舀酒相對獨(dú)立、互不影響，舀酒時只需要打開小蓋即可，不需打開大蓋，從而使冰塊一直處于密封狀態(tài)，保證冷凍能量的持久。該器充分體現(xiàn)了我國古代工匠杰出的設(shè)計(jì)智慧，蘊(yùn)含了構(gòu)思巧妙的功能型結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了在低技術(shù)時代中國古人對于解決生活中實(shí)際問題的巧思④。通過對曾侯乙銅冰鑒缶的研究，不僅對中國古代器物有了全面的了解和掌握，還能深入體會中國傳統(tǒng)造物智慧，掌握對其規(guī)律的運(yùn)用。

3 數(shù)字仿真技術(shù)在文物中的應(yīng)用

數(shù)字仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件將實(shí)際的物理模型或系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的模型，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對模型行為或功能的分析、預(yù)測和優(yōu)化的過程。這種技術(shù)可以用于博物館、文物保護(hù)機(jī)構(gòu)和考古學(xué)等領(lǐng)域，以保護(hù)、保存、展示和拆解文物。利用數(shù)字仿真技術(shù)創(chuàng)建文物的虛擬三維模型，并在數(shù)字展館中展示，可以突破傳統(tǒng)的展示方式，提供更為真實(shí)和生動的視覺體驗(yàn)。觀眾可以通過網(wǎng)絡(luò)或移動設(shè)備訪問這些虛擬展館，感受文物的細(xì)節(jié)和特征，通過交互操作來“觸摸”“感受”文物，360度欣賞文物，了解文物的內(nèi)部細(xì)節(jié)和構(gòu)造，觀察文物表面紋路細(xì)節(jié)。這一技術(shù)彌補(bǔ)了博物館中由于空間、燈光等原因造成的不利于參觀的缺憾，使觀眾獲得更直觀、更立體的觀感，并可根據(jù)自己的興趣和需求來選擇展示方式和參觀內(nèi)容，提高展示的針對性和效果。從2000年開始，故宮博物院一直在采集院內(nèi)古建筑和文物的三維數(shù)據(jù)資源。迄今為止，故宮博物院已完成1294件院藏文物三維數(shù)據(jù)的采集工作，這些高精度三維數(shù)據(jù)可以用來展示72萬平方米的紫禁城三維全景。故宮博物院根據(jù)這些三維數(shù)據(jù)利用全景VR技術(shù)推出了觀眾可以沉浸式欣賞360度故宮實(shí)景的游覽虛擬故宮項(xiàng)目。

通過利用數(shù)字仿真技術(shù)創(chuàng)建虛擬三維模型，還可以解決具有重要?dú)v史價值的文物不能反復(fù)拆解研究的問題。設(shè)計(jì)者可以直觀地對其進(jìn)行觀察、拆解、分析，方便設(shè)計(jì)者對文物進(jìn)行分析研究，提煉出中國傳統(tǒng)器具的造物智慧，并最終應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。南京藝術(shù)學(xué)院建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對長信宮燈、香熏球、冰鑒缶等文物的數(shù)字化。學(xué)習(xí)者通過該系統(tǒng)能對這些器物進(jìn)行全面的了解和掌握，直觀感受中國傳統(tǒng)造物智慧，掌握傳統(tǒng)造物的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點(diǎn)，以及發(fā)掘用戶需求，全面、綜合利用多種要素實(shí)現(xiàn)功能訴求，提出具有高度創(chuàng)新性的解決方案。

4 曾侯乙銅冰鑒缶模型制作及貼圖繪制技術(shù)

曾侯乙銅冰鑒缶數(shù)字化是通過數(shù)字化技術(shù)從幾何形狀到材質(zhì)屬性再現(xiàn)曾侯乙銅冰鑒缶原貌，除了滿足觀眾獲得真實(shí)和生動的視覺體驗(yàn)需求外，還要方便設(shè)計(jì)者通過網(wǎng)絡(luò)直觀地對冰鑒缶進(jìn)行觀察、拆解、分析，方便設(shè)計(jì)者對文物進(jìn)行分析研究，提煉中國傳統(tǒng)器具的造物智慧，并最終應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。因此，對曾侯乙銅冰鑒缶數(shù)字化不僅要考慮外觀、結(jié)構(gòu)的復(fù)原，還要控制數(shù)字模型數(shù)據(jù)量，保證網(wǎng)絡(luò)使用流暢度，保證使用者可以流暢地觀察、拆解、分析數(shù)字模型。因此，本案例采用PBR次世代技術(shù)完成曾侯乙銅冰鑒缶的數(shù)字化模型制作，通過高低模烘焙法線貼圖，通過法線貼圖在低模上表現(xiàn)曾侯乙銅冰鑒缶表面的紋理、破損等細(xì)節(jié)，減少模型數(shù)據(jù)量。

4.1 低精度模型大型制作

根據(jù)曾侯乙銅冰鑒缶的數(shù)字化需求，制作的模型必須要對器物進(jìn)行復(fù)原。曾侯乙銅冰鑒缶分為冰鑒、鑒蓋、缶、缶蓋、長勺五大部分，如圖4所示。方鑒通高632毫米，長、寬均760毫米，口部邊長628毫米。方形缶通高518毫米，口邊寬238毫米，底邊寬218毫米。銅勺長840毫米。我們按照曾侯乙銅冰鑒缶的尺寸制作大型。

因?yàn)橐ㄟ^觀察、拆解冰鑒缶了解其結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點(diǎn)，提煉元素用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，所以要分析冰鑒缶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并將結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在數(shù)字化模型上。鑒與缶的組合設(shè)計(jì)使用了上下固定法，巧妙地將缶頸與缶底固定在鑒體上。鑒蓋上留有一方孔，缶的口頸略高出鑒蓋，穿過方孔正好被鑒蓋卡住，使缶的上體不能晃動。鑒底部結(jié)構(gòu)共分兩層：外層有一圓餅形下凹，內(nèi)層為一圓盤狀銅件，鑄有呈“品”字形分布的三個彎鉤，附在外層下凹處。圓盤上鑄有呈“品”字形分布的三個彎鉤，其中前一彎鉤帶有可以活動的倒鉤。缶的圈足上有三個長方形榫眼，位置與圓盤上的三個彎鉤相對應(yīng)，鉤扣進(jìn)榫眼內(nèi)，其中一彎鉤上的活動倒鉤，即自動落下，缶便被牢牢固定了，如圖5、圖6所示。再依據(jù)功能結(jié)構(gòu)分析在數(shù)字模型上制作各種結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

從鑒身側(cè)視角度觀察，冰鑒的面和棱上共有八個拱曲攀伏的龍形耳紐，紐尾有小龍纏繞，有兩朵五瓣小花立于龍尾之上，圈座附四個獸形足。因?yàn)辇埿味~和獸形足造型比較復(fù)雜，只使用Maya不能很好地控制形態(tài)，于是我們在Maya中制作大致形態(tài)，然后導(dǎo)入Zbrush調(diào)整形態(tài)，制作了龍形耳紐和獸形足的大型，并將其放置到正確的位置，如圖8所示。如此則完成了曾侯乙銅冰鑒缶數(shù)字模型的大型制作。

4.2 高精度模型細(xì)節(jié)制作

曾侯乙銅冰鑒缶細(xì)節(jié)主要包含龍形耳紐、獸形足造型以及冰鑒缶身上的浮雕紋理。首先塑造龍形耳紐、獸形足的結(jié)構(gòu)。在Zbrush中使用Standard筆刷和DamStandard在龍形耳紐、獸形足大型上刻畫大致結(jié)構(gòu)，同時使用Smooth筆刷光滑雕刻后的表面，再使用TrimDynamic筆刷對龍形耳紐、獸形足邊緣進(jìn)行棱角的刻畫，如圖9所示。

接著塑造冰鑒缶的浮雕紋理，制作紋理的思路是先拆分?jǐn)?shù)字模型UV，然后根據(jù)UV制作Alpha，將Alpha導(dǎo)入Zbrush，利用Alpha對模型進(jìn)行遮罩，再使用Inflate將花紋擠出，如圖10所示。最終得到所需效果，如圖11所示。

4.3 貼圖繪制

模型制作完成后，導(dǎo)入Substance Painter，使用高精度模型和低精度模型烘焙出法線等貼圖，如圖12所示。將烘焙出的貼圖應(yīng)用于相對應(yīng)的通道，在低精度模型上呈現(xiàn)高精度模型的細(xì)節(jié)。

觀察曾侯乙銅冰鑒缶，繪制貼圖，通過材質(zhì)和貼圖細(xì)節(jié)的刻畫來還原曾侯乙銅冰鑒缶的質(zhì)感。最終效果如圖13所示。

5 數(shù)字仿真技術(shù)在文物數(shù)字化中應(yīng)用的思考

數(shù)字仿真技術(shù)必然是未來數(shù)字化的主流技術(shù)。利用數(shù)字仿真技術(shù)可以將各種文物更完整、真實(shí)地展現(xiàn)出來，增加觀者的“近距離”體驗(yàn)感，讓觀者真切地感受文物的魅力和價值，給人們以身臨其境的感受，實(shí)現(xiàn)文物價值真正的傳承。通過建立文物在虛擬世界中的鏡像或模型，可以對文物進(jìn)行多角度、多維度、全方位的模擬與仿真，預(yù)測和評估文物在未來的狀態(tài)和變化。這種數(shù)字孿生與仿真技術(shù)可以為文物保護(hù)和修復(fù)提供重要的參考與支持。數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，如數(shù)字模型的可視化和交互性的優(yōu)化、數(shù)字孿生與仿真的精度和可信度等。未來需要不斷加強(qiáng)技術(shù)研究和創(chuàng)新，提高數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用水平和效果，為文物保護(hù)事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

注釋

①賴亭杉.讓文物活起來：數(shù)字化助力博物館的融合傳播[J].傳媒，2022（4）：34-36.

②吳雨晗.科技文化的有機(jī)結(jié)合在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用：基于對敦煌文物的數(shù)字化的研究[J].中國市場，2023（24）：189-192.

③柳翔宇.基于傳統(tǒng)視角的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究[J].數(shù)位時尚（新視覺藝術(shù)），2013（3）：83-84，92.

④柳翔宇.基于傳統(tǒng)視角的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究[C]//長三角研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃協(xié)作委員會.時尚·創(chuàng)新·設(shè)計(jì)：第一屆上海暨長三角設(shè)計(jì)學(xué)研究生學(xué)術(shù)論壇論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：7.