淺談可視化技術(shù)在文物考古領(lǐng)域中的運(yùn)用

來源：中國文物報 時間：2017-02-16 15:26:13 作者：林雪川 胡子堯 周冰

　　概念與流程

　　可視化技術(shù)(Visualization)是利用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的相關(guān)理論、方法和技術(shù)。具體來說，可視化技術(shù)就是將采集所得的現(xiàn)實(shí)物體的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)的處理，使物體以兩維或三維展現(xiàn)在計算機(jī)上，并可以被觀察、測量及其他處理的一種技術(shù)。

　　文物考古領(lǐng)域中的可視化技術(shù)可以按照操作流程大體分為數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理或映射成三維模型、渲染成圖形圖像、交互應(yīng)用四個步驟。

　　數(shù)字化數(shù)據(jù)采集是指利用數(shù)字采集設(shè)備，以獲取遺物或遺跡數(shù)字化數(shù)據(jù)信息的過程。數(shù)字采集設(shè)備分為照相設(shè)備、掃描設(shè)備和輔助設(shè)備（如航拍器）。在獲取了數(shù)字化數(shù)據(jù)信息之后進(jìn)行數(shù)字化處理，可利用相關(guān)軟件進(jìn)行二維處理（如Photoshop、SAI 等） 或三維處理 （如 Agisoft PhotoScan、 ContextCapture Master、 Pix4D Mapper等）。

　　多重影像三維重建 （照片建模）的技術(shù)思想是模仿人的視覺系統(tǒng)，從采集的二維信息中恢復(fù)出物體的三維特征，并建立物體的三維幾何模型。即通過拍攝物體多焦點(diǎn)圖像，利用計算機(jī)三角運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)物體三維模型的重建。利用三維掃描儀進(jìn)行遺存的三維重建，采集和處理是同時進(jìn)行的，并在生成三維模型之后進(jìn)行直接或間接的紋理添加。最后，我們可以利用生成的三維模型，進(jìn)行各種交互應(yīng)用處理，如遺存的多視角展示、導(dǎo)出遺存的正投影像進(jìn)行測量及線圖的繪制等相關(guān)工作。

　　成果與實(shí)踐

　　經(jīng)過近三十多年的發(fā)展，可視化技術(shù)日臻成熟，并已在文物考古領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。針對此現(xiàn)狀，吉林大學(xué)邊疆考古研究中心在2016年11月18日~20日舉辦了“文物考古領(lǐng)域中的可視化技術(shù)”交流會，為考古學(xué)界就可視化技術(shù)的探討提供了平臺。近年來，以中國社會科學(xué)院考古研究所、吉林大學(xué)、中國人民大學(xué)、河北師范大學(xué)、吉林省文物考古研究所、遼寧省文物考古研究所等單位在此領(lǐng)域做了大量的工作，主要可以概括為以下幾個方面：

　　在文物考古科研中的應(yīng)用首先，客觀全面的記錄為考古科學(xué)研究提供了更為詳實(shí)合理的資料?？梢暬夹g(shù)在數(shù)據(jù)庫建設(shè)、田野考古調(diào)查與發(fā)掘、大遺址保護(hù)、三維古人容貌復(fù)原及后期整理等方面不僅大大提高了信息的全面性，同時還提高了效率。在田野考古調(diào)查與發(fā)掘中，可將遺存按面積分為超大范圍遺跡點(diǎn)（大面積區(qū)域考古調(diào)查）、大型遺跡 （遺址分布區(qū)）、中型遺跡（整個發(fā)掘區(qū)或大型墓葬）、小型遺跡（單個探方、單位或小型墓葬）、遺物等。不同規(guī)模和類型的遺存采用的技術(shù)手段往往存在一些差異。

　　超大規(guī)模遺跡的信息記錄可以采用考古數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)（GIS）、奧維地圖等技術(shù)手段進(jìn)行信息記錄。我們以吉林省聚落考古數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng) （GIS）的建設(shè)為基礎(chǔ)，通過空間考古學(xué)方法將考古遺存置于空間分布和地理環(huán)境的大背景中進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步了解和復(fù)原古代人類在不同時期對不同環(huán)境的適應(yīng)情況和方式，并分析人類活動在景觀形成中的影響，進(jìn)而探索吉林省境內(nèi)古代聚落分布和形態(tài)的歷時演變規(guī)律。具體應(yīng)用包括尹家窩堡和周圍遼金城址的位置關(guān)系、鎮(zhèn)賚縣古遺址的空間分布研究與調(diào)查資料分析、漢書遺址各個時代遺存分布狀態(tài)等。大型遺跡多采用固定翼航拍器垂直俯拍，通過搭載不同的設(shè)備來獲取信息，如影像、紅外、多光譜等。在乾安春捺缽遺址，通過固定翼航拍器拍攝獲取遺址的照片，使用后期軟件處理得出整個遺址的大比例平面俯拍照片，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)了大量在地面調(diào)查中不易發(fā)現(xiàn)的遺跡現(xiàn)象，為進(jìn)一步發(fā)掘、研究提供了參考。中型遺跡一般可采用多旋翼航拍器環(huán)繞遺址拍攝多角度照片，在一些無法使用多旋翼航拍器的特殊環(huán)境下，也可以采用獨(dú)腳架“挑桿”進(jìn)行拍攝。在大安后套木嘎遺址中，使用多旋翼航拍器多角度拍攝，通過計算得到整個遺址發(fā)掘區(qū)的三維模型。在前進(jìn)古城、龍?zhí)渡匠堑冗z址，因?yàn)榱值丨h(huán)境所限，使用照相機(jī)進(jìn)行多角度拍攝，通過計算，也成功得出了發(fā)掘區(qū)的三維模型，為后期測量、繪圖提供了便利條件。小型遺跡一般多使用相機(jī)進(jìn)行多角度拍攝，通過后期軟件的運(yùn)算，就能很全面的獲取遺跡的信息。如在長山遺址中，利用可視化技術(shù)重建墓葬的三維模型，在軟件里進(jìn)行虛擬剖切，可以得出該墓葬很準(zhǔn)確的的剖視圖。

　　在大遺址保護(hù)中，利用固定翼航拍器進(jìn)行垂直俯拍，并通過軟件計算可以得到遺址保護(hù)區(qū)域的大比例圖像?？梢院苋菀椎卦趫D上進(jìn)行遺址保護(hù)區(qū)和建筑控制地帶等的規(guī)劃，為大遺址保護(hù)提供了便利的條件。例如在山東龍興寺的遺址保護(hù)規(guī)劃中，使用固定翼航拍器對整個遺址保護(hù)范圍進(jìn)行航拍，計算得出遺址保護(hù)區(qū)域的大比例圖像，方便了遺址保護(hù)的規(guī)劃進(jìn)程。

　　在三維古人容貌復(fù)原中，可以利用多視角三維重建或三維掃描獲取顱骨的三維模型。相對于三維掃描儀來說，利用多視角三維重建技術(shù)獲取顱骨三維模型效率更高，而且自帶更加精細(xì)的貼圖。但是就精度而言目前還存有疑問，具體精度差別目前還處于實(shí)驗(yàn)比較階段。

　　在文物數(shù)字化記錄方面，基于傳統(tǒng)測量拍照繪圖基礎(chǔ)上引入三維模型作為更精確的輔助記錄方式。河北師范大學(xué)還嘗試?yán)檬謾C(jī)進(jìn)行圖像采集。遺物按體積可分為大型遺物和小型遺物，對于大型遺物需要遠(yuǎn)近結(jié)合多視角拍照，遠(yuǎn)距離大視角照片確定形狀，近距離照片增加細(xì)節(jié)；小型遺物則進(jìn)行多角度環(huán)繞拍照，器型越復(fù)雜，照片拍攝角度就應(yīng)越多。近年來吉林大學(xué)文物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室在此方面已經(jīng)進(jìn)行了多方面的嘗試，其中大型遺物方面成果比較突出的是大型佛像的三維建模及數(shù)字化建檔，小型遺物方面在青銅器、陶器、瓷器和石器等多種質(zhì)地不同年代的文物均有所嘗試，其中石器三維建模在實(shí)際工作中應(yīng)用最多且已形成了比較系統(tǒng)的專門化操作流程。石器根據(jù)其大小、質(zhì)地等特征的不同在前期信息源采集時對拍攝參數(shù)和數(shù)量均有不同要求，對所得數(shù)碼照片在相關(guān)圖像處理軟件中的標(biāo)準(zhǔn)亦有所不同。目前，實(shí)驗(yàn)室在結(jié)合石器分析及繪圖等專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，已成功在實(shí)際工作當(dāng)中解決了最大直徑長度小于五厘米的小型石器的建模精確度、黑曜石等折射率高石材的成像困難、石英等淺色石制品的貼圖、多面體石器（如石球）的表現(xiàn)方式等一系列難題，開始嘗試將所得到的可視化技術(shù)成果轉(zhuǎn)移到更深入的研究當(dāng)中去，嘗試?yán)檬破返娜S模型進(jìn)行石制品疤痕的分布、規(guī)律等統(tǒng)計學(xué)分析，拓展數(shù)字考古學(xué)（Digital Archaeology） 的研究領(lǐng)域并將其與我國考古學(xué)實(shí)踐相結(jié)合。

　　在博物館及文物修復(fù)中的應(yīng)用可視化技術(shù)在文物三維展示中，可通過不同視角的轉(zhuǎn)換及視距的調(diào)整，生動、立體、直觀地將遺物展現(xiàn)在觀眾面前?？脊胚z址現(xiàn)場虛擬展示則可以還原考古發(fā)掘現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，給人以身臨其境之感。此外，可視化技術(shù)也為博物館文物的數(shù)字修復(fù)、復(fù)制、仿制及推動文創(chuàng)產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)造了條件。在“互聯(lián)網(wǎng)＋”中的擴(kuò)展應(yīng)用可視化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合使遠(yuǎn)程可視化服務(wù)成為現(xiàn)實(shí)，網(wǎng)絡(luò)展示有利于文物考古的公眾推廣。例如，可以制作二維碼，通過掃描的方式方便快捷地將遺存的二維圖像、三維模型在手機(jī)等設(shè)備中展現(xiàn)。

　　在教學(xué)中的應(yīng)用將可視化技術(shù)引入本科生田野考古實(shí)踐教學(xué)，有利于學(xué)生在走上工作崗位之前，掌握過硬的專業(yè)技能，同時在就業(yè)過程中提高學(xué)生的競爭力。因此，在近兩年本科生的實(shí)習(xí)過程中，綜合考慮各方面因素，我們在可視化技術(shù)的實(shí)踐方面做了一些針對性的工作。例如2015年，我們首次將多視角三維重建技術(shù)運(yùn)用到隆德沙塘北塬遺址吉林大學(xué)考古系本科生田野實(shí)習(xí)基地（寧夏自治區(qū)文物考古研究所與吉林大學(xué)邊疆考古研究中心合作發(fā)掘項(xiàng)目），利用相機(jī)及多旋翼航拍器拍攝照片，通過軟件對照片進(jìn)行處理，制作出工地三維全景及探方三維重建模型。通過多視角三維重建探方模型，可以導(dǎo)出探方正投影及四壁圖像，并進(jìn)行平剖面線圖的繪制。

　　2016 年，在隆德沙塘北塬遺址及梨樹長山遺址 （吉林省田野考古實(shí)踐與遺址保護(hù)研究基地）本科生田野實(shí)習(xí)基地的發(fā)掘過程中，對三維重建技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。通過設(shè)置控制點(diǎn)，獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)等方法，進(jìn)一步縮小了三維重建模型的誤差。同時，將 Geo magic Studio軟件引入到田野繪圖工作中，利用該軟件對遺跡三維重建模型進(jìn)行剖切，由此繪制出的線圖可以更加精確。此外，還可以利用多視角三維重建模型直接獲得探方內(nèi)遺物的全站儀坐標(biāo)及傳統(tǒng)坐標(biāo)。

　　不足與展望

　　目前，雖然可視化技術(shù)在文物考古領(lǐng)域中的大量實(shí)踐已經(jīng)取得了較好的效果，但是在諸多方面仍然存在可進(jìn)行深入探討的余地。例如，在田野考古發(fā)掘中，如何更科學(xué)地對遺址發(fā)掘的動態(tài)過程進(jìn)行完整的信息記錄；在田野考古調(diào)查中，如何盡量降低植被、氣候等自然環(huán)境對可視化技術(shù)的操作過程及成果產(chǎn)生的不良影響；如何使可視化技術(shù)更好地服務(wù)于科研，在精確化記錄的基礎(chǔ)上增加可研究的范圍并提出新的問題等等。希望以此次會議為契機(jī)，促進(jìn)考古學(xué)界同仁對可視化技術(shù)的了解與認(rèn)識，并在今后加強(qiáng)彼此之間在該領(lǐng)域的交流與探討，使可視化技術(shù)在文物考古領(lǐng)域中的實(shí)踐運(yùn)用水平達(dá)到一個新的高度。

　?。ㄗ髡邌挝?吉林大學(xué)邊疆考古研究中心）

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責(zé)任編輯：陳近梅