三維激光掃描在考古 信息采集后期的應用

許辰 李曼 焦谷雨

如今，數字化信息采集技術在文物考古工作中日益受到重視，這些信息在完善文物信息資源、文物數字化展示、復原考古發掘現場、虛擬博物館建設等方面發揮了重要作用。

作為現場考古發掘、手工繪圖和拍照等資料信息后期整理的延續，我們通過三維激光掃描技術來對器物信息采集工作進行技術上的初步探索。我們的構思是：取一件器物，通過三維激光掃描對它進行全數字化數據采集和處理，將其完整、無損地記錄下來。

信息采集、處理、存儲、展示

河南鞏義花地嘴遺址是1992年河南省社會科學院河洛文化研究所和鞏義市文管所對河洛地區進行文物普查時發現的，位于鞏義站街鎮北瑤灣村村南平坦的臺地上。2004年，鄭州市文物考古研究所與北京大學考古文博學院聯合對該遺址進行了考古發掘，出土的陶器有深腹罐、高領罐、附加堆紋甕、淺盤豆等。我們使用HANDYSCAN3D手持式掃描儀，對花地嘴出土的高領罐進行信息采集。

三維激光掃描信息采集的工作流程是：器物擺放、激光掃描、模型修復、燈光鋪設、數碼拍照、數字建模、模型貼圖等。

首先對手持激光掃描儀進行掃描精度校準等前期準備工作。根據器物造型、大小等因素在不破壞文物本身的前提下進行點網覆蓋、貼點定位。接下來掃描點云并對器物進行360°全方位的數據采集，如果受工作環境影響，沒辦法一次性掃描完整，可調整器物位置多次掃描，進行合并，然后運用VXelements軟件對掃描到的部分進行0.2毫米的精確修復。接著進行器物拼接、修補孔洞、網格修復等細節操作，最終完成網格清晰、去除雜質、高清晰度、真實完整的掃描模型，將文件保存成OBJ格式。目前比較流行的三維數據保存格式有OBJ、DXF等，這些格式都可以在常用的三維軟件中打開。

將生成的OBJ文件在數字雕刻軟件ZBrush里打開，對模型進行工作前的校對以及方位調整，而后再對器物進行拓補，在后期貼圖時，幾千三角網格面就可以完美達到貼圖標準。

實際操作過程中，我們發現高精度的掃描使一件中等大小的器物能達到幾十萬的面數，要想更易操作，需要將高精度模型降低為1%—5%去除細節面數后再進行網格修復。為保證后期貼圖效果，我們先進行器物拆分，因為器物有厚度且會因為貼圖映射到器物內部。再進行UV制作，將器物切分到可以滿足貼圖標準的面數， UV切分后如果造成器物網格扭曲、拉伸、變形，及時做出調整修正。

最后打開源文件模型，將原器物的紋理結構細節映射到復制修改過的模型上，完成整個模型工作。

信息采集過程中的拍照

拍照的主要目的是還原器物原本的顏色清晰度，增強紋飾立體感，這也是問題最多的階段。拍照信息采集前期，初步摸索環境的局限性。貼圖過程中發現模型貼圖有別于正常拍攝的器物照，會出現透視關系不對、光源和聚焦點有誤差、顏色不統一、器物紋飾變形等多種問題。我們便選擇多種軟件結合，運用Photoshop的手繪板操作，拼接接縫、修補紋路、調整照片色調等，修改后導入ZBrush測試檢查，再導入Photoshop繼續修改，進一步完善。中后期又采用兩個柔光燈投射100°的白光進行拍攝，效果仍然不理想，缺少頂光和后背投射光，拍攝出來的物體發灰，仍需要導入Photoshop里進行大量調整、調色，消耗資源和時間。

器材方面，我們使用的是尼康D7000和標配80—105mm鏡頭，這種配置用于拍攝全景照片效果很好，紋飾的機理清晰度也很高。但我們用這種方法對器物進行局部取材，景深拉近時，出現對焦點虛弱、器物模糊等情況。于是我們把器物劃分成若干個區域進行拍攝，并使相鄰照片有部分重疊以便進行拼接，把器物的外形曲線及斷裂面凹凸起伏的特征輸入電腦，拍攝的器物圖像經過預處理后，再合成為立體造型。

在進行具體拍照貼圖之前，注意觀察器物的紋路造型、轉折等問題才能在拍照時增加拍照后的量化。例如將器物拓補后進行拆分的同時也將內外部進行拆分并分開保存，這種方法類似Photoshop里的分圖層，可以進行局部雕刻和網格整理。即便是模型貼圖，由于器物貼圖在圖片拼合中容易接縫斷裂，需要用手繪板進行細節刻畫。如果出現ZBrush軟件都完成不了的情況，前期要將模型設定好，因為處理UV分離曲面問題的時候很難避免重疊問題，導致中期延展UV時，UV看上去很不平整，貼圖工作很難快速進行，循環出現這種問題造成材質粗糙、模糊。因此我們后期可以在Photoshop里將導出的UV圖片進一步完善，最終將修改完善的圖片重新覆于器物表面。

一件器物需要上百張圖片才能比較完整地運用在貼圖里，以后的工作中需要引進微距鏡頭和柔光箱，柔光箱的光線經二次透射產生漫射光，柔和度非常好，對文物的造型透射具有包圍感，柔光箱的尺寸越大包圍感越顯著，文物的立體造型與光線的過渡有更好體現，可以解決顏色受光均勻，減少后期修圖時間甚至可以直接使用。

以三維激光掃描和信息處理技術為核心的科技考古信息采集，利用三維紅外激光掃描技術的高精度和高分辨率，可以對器物、壁畫、古建筑、石窟等進行信息的全面獲取，已在考古領域廣泛應用。

（作者許辰、焦谷雨為鄭州市文物考古研究院助理館員；李曼為鄭州市文物考古研究院館員）