考古發掘虛擬仿真實驗的建設與思考
——以體素模型應用為中心

陳 博，楊曉慶

(鄭州大學歷史學院，河南鄭州 450001)

0 引 言

在漫長的歲月中，中華民族創造了豐富多彩、彌足珍貴的文化遺產。“加強文物保護利用和文化遺產保護傳承”，“加強文物價值的挖掘闡釋和傳播利用，讓文物活起來”，是新時代文化遺產保護工作的更高要求。而文化遺產普遍具有稀缺性、脆弱性和不可再生性的特征，如何有效平衡保護與利用之間的矛盾是當前文保工作面臨的重要課題。采用虛擬仿真技術記錄、展示珍貴的文化遺產，充分開發其歷史與社會價值，助力相關人才培養與國家文化建設，為深化文化遺產保護工作提供了一條新途徑。

虛擬仿真是一種綜合計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術等多領域學科而發展起來的綜合性集成信息技術。它基于由數字信息構建的對于現實場景高精度模擬的模型，用戶可以通過不同途徑與之互動，并獲得接近真實環境下的感知體驗[1]。基于虛擬仿真技術開發的數字化實驗，也成為理論與實踐之外，高校等相關單位人才培養的一種創新性教學方式[2]。

1 考古虛擬仿真實驗發展

虛擬仿真技術在我國文化遺產保護工作中很早就得以應用。例如20世紀90年代末，敦煌研究院開展了莫高窟虛擬重現與壁畫修復模擬等工作[3]。近年來持續開發的“數字敦煌”全景資源庫，使觀眾可借助VR設備對洞窟進行720度全景漫游，獲得身臨其境的洞窟游覽體驗[4]。故宮博物院推出的“數字多寶閣”“數字文物庫”等在線數字資源，以虛擬形式展示文物的全貌與細部特征，使觀眾能夠近距離“觸摸”文物[5]。北京聯合大學、北京師范大學聯合開發的文物鑒賞虛擬仿真實驗，可以在不接觸文物本體的前提下，零距離全方位觀察文物特征，并模擬開展成分檢測、超景深顯微觀察等理化分析[6]。同濟大學運用虛擬仿真技術保存了大量古建筑的三維模型，為學習研究古代木構建筑結構、主要部件以及建造過程提供了重要資料[7]。而有關考古發掘的虛擬仿真實驗也有開展。西北大學建立的“沉浸式考古虛擬互動教學實驗室”，通過虛擬現實技術在實驗室重現了一些古代聚落、建筑、墓葬的結構，并嘗試模擬了調查、發掘、記錄等部分考古工作場景[8]。

這些案例充分展現了虛擬仿真技術在提升文化遺產保護與利用水平方面的重要價值，但也暴露出一些不足。例如，已有工作多數聚焦于可移動文物或石窟、古建筑等地面遺址的虛擬復原，但對埋藏于地下的古遺址則關注較少。數量龐大的古遺址(包括古墓葬)是我國文化遺產的重要組成部分，而我國古遺址大多數為“土遺址”，即以土為主要建材的遺跡埋藏于土質地層環境中，不容易辨識，又極易遭受自然或人為因素破壞。其中很大一部分又是經過不同時期層累堆積形成，即晚期地層、遺跡不斷疊壓并破壞早期地層、遺跡，因而具有非常復雜的立體空間結構。因此，古遺址必須經過科學嚴謹的考古發掘才能顯露原貌，又經常需要將上層的晚期遺跡進行破壞性發掘后，才能識別和清理下層的早期遺跡。這對考古發掘技術以及后續的保護利用工作都提出了更多的挑戰。此前以考古發掘為內容的虛擬仿真工作中往往只能提供考古發掘最終(或階段性)成果的記錄與展示，難以全面反映古遺址整體的堆積情況，據此開發的考古發掘實驗中也難以實現對發掘工作流程與操作技術的模擬，未能充分發揮虛擬仿真實驗應有的作用與優勢。

2 基于體素模型的實驗開發

考古發掘實驗發展所面臨的困難，究其根源是傳統三維模型構建技術存在一定局限性。獲取對象的數字三維模型是開展虛擬仿真實驗建設的基礎。在包括考古發掘在內的文化遺產保護領域中得到廣泛應用的三維建模方法主要有以下三種：1)使用圖形軟件進行三維建模起步較早。它是基于測繪數據，運用AutoCAD、3ds MAX等建模軟件，配合貼圖、紋理映射等操作，可以得到接近真實的模型。莫高窟早期的虛擬漫游建設就主要使用軟件建模技術構建三維模型。在構建可移動文物的三維模型時，圖形軟件建模技術也較為常用[9]。2)使用三維激光掃描設備獲取三維模型的技術較為成熟。它是通過測量目標物表面海量數據點的空間坐標，得到被測物體的點云模型，進而生成三角形網格模型，并進行貼圖與紋理映射操作。如云岡石窟研究院采用三維激光掃描方法對云岡石窟內的高浮雕的佛像和壁畫進行虛擬仿真記錄，并應用于展示、修復、監測等工作[10]。3)近年來，基于多視角圖像數據的三維建模技術得到快速發展。通過使用Agisoft Photoscan等軟件，可對大量二維圖像中被測物體特征進行提取和匹配，從而獲取其三維空間形態數據，生成點云、三角網等各種帶有紋理映射的三維模型[11]。因其具有操作簡便，無需專用設備支持的優勢，且便于生成正射影像圖、數字高程模型等常用展示、分析數據，已日漸成為文化遺產保護領域三維建模的主流技術[12]。

上述三維建模方法雖有差別，但從核心原理上看卻具有一致性，都是通過對目標對象的外表面信息進行記錄與重建，以具有空間信息的表面形態來模擬對象的立體特征，也就是僅用一層外殼來展現立體的對象。因此，所得的三維模型都是具有立體空間信息的面模型。面模型具有數據量相對較小、技術成熟等優點，可以滿足許多場景下對文物古跡立體展示的需求。但由于面模型只是一層外殼，在模擬諸如古遺址一類復雜對象的內部情況時則具有明顯缺陷，也就很難支持通過交互操作探究古遺址內部情況的考古發掘仿真實驗需求。

三維建模技術的另一種路線——體素模型，可為該問題的解決提供更為有效的方法。20世紀80年代，體素模型開始在計算機圖形學中興起。它是通過采用一系列連續排列的基元矩陣實現了對立體對象的表達。這些基元被稱為體素(Voxel)，如同海量的像素(Pixel)有序排列可以構成精細的二維圖像，當海量的體素如積木般被拼搭起來則可以最大限度還原立體對象的整體特征[13]。體素模型可以被認為是二維柵格模型在三維中的推廣，因此也被稱為三維柵格模型(圖1)。

圖1 體素模型原理示意圖[14]

雖然體素模型建模技術誕生很早，但在文化遺產保護領域的應用長期以來幾近空白。近年來，為滿足考古發掘虛擬仿真實驗中的古遺址建模需求，體素模型作為一種創新性方法開始得到研究者的關注。馬薩里克大學的帕維爾教授開發的水下考古發掘仿真實驗，在體素模型支持下實現了對虛擬水下發掘區內泥沙堆積情況的仿真模擬，并可以對泥沙進行清理，發現文物[15]。臺灣大學的研究者就如何在體素模型中實現根據不同土質、挖掘角度與力度參數而產生不同的坑洞與土塊的仿真效果進行了分析，并以此為基礎研究開發史前考古發掘虛擬仿真實驗[16]。

相比面模型，應用體素模型進行考古發掘虛擬仿真實驗開發的創新性與優勢主要體現在以下兩個方面。首先，體素模型可以實現對空間實體由表及里的整體模擬，所以在表達如古遺址等非均質對象復雜的內部結構關系時，在仿真度方面具有顯著優勢。如圖2所示，表面上相似的面模型與體素模型實際存在顯著差別。通過比較兩模型的剖面清楚可見，面模型僅能夠展示當前可見層面信息，該層面以下的所有堆積信息均缺失不見，而體素模型則不僅包含有當前層面，也包含之下的地層、遺跡，可以模擬遺址完整的堆積情況。其次，通過對體素單元的編輯，可以實現模型分解、重塑等面模型無法支持的互動操作，從而滿足模型根據用戶的隨機操作實時呈現非預設的高自由度變化的效果。形象來說，在由海量的體素單元堆疊形成的古遺址體素模型中自由選擇并去除部分體素單元，就像在由無數土壤顆粒堆積而成的古遺址中用手鏟隨機清理一撮土壤，可以實現對發掘過程的精細化模擬，并可以實時顯示清理后的結果。體素模型的可編輯性，如同引入“過程”維度，將常見的靜態三維模型升級成為動態的“超三維”模型。

圖2 古遺址面模型(左)與體素模型(右)結構比較

在體素模型的支持下，以真實田野考古發掘工作數據為基礎，鄭州大學歷史學院開發的“田野考古發掘虛擬仿真實驗”(以下簡稱考古發掘實驗)已經應用于考古文博等專業的人才培養，并通過“實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺”向全社會開放使用。

3 考古發掘實驗設計

考古發掘實驗基于體素模型技術開發，其特點在于能夠高準確度地還原遺址內的地層、遺跡等堆積的結構情況，支持高自由度的考古發掘仿真操作，并對整套工作流程進行系統化的完整模擬。以下將發掘實驗設計思路分為遺址模型構建與實驗操作設計兩部分進行說明。

3.1 遺址模型構建

遺址模型構建所使用的數據主要選用官莊遺址與車莊遺址兩處鄭州大學考古實習基地歷年來所獲取的真實考古發掘資料，并補充少量其它遺址公開發表的典型遺跡、遺物信息。數據源包括遺址的各類測繪圖，影像資料，三維模型數據，文物三維模型，工作記錄等。模型的構建過程可分為三個階段。

3.1.1遺址設計 為加強實驗效果，在參照真實遺址內地層、遺跡等堆積之間三維空間布局與相互關系的基礎上，進行適當的優化、調整，將商周至漢代的文化層與灰坑、墓葬、房址、窯址和水井等不同類型的遺跡單位共計50余個集中于虛擬遺址范圍內，并且合理設置仿真的地層與遺跡、遺跡與遺跡之間的疊壓打破關系，充分模擬古遺址的原始堆積狀態。

3.1.2幾何建模 首先，綜合使用各種常用建模方法獲取地層、遺跡的面三維模型。為滿足實驗要求，建模過程以最小堆積單位(如灰坑分層)分別進行，以實現對于遺跡內部堆積情況的復原。之后，使用這些素材搭建遺址幾何三維模型。按照投影原則，從遺跡最底層開始逐層建立分層模型后加以合并(圖3)。各地層、遺跡的空間位置及相互關系嚴格按照遺址設計方案，符合考古地層學原理。

圖3 古遺址分層模型結構

3.1.3體素建模及渲染 經過幾何建模后生成的遺址模型仍然只是構建物體表面形狀的面模型。為支持仿真發掘效果，需要將幾何模型轉換為體素模型，這個過程稱為體素建模或體素化。以x，y，z軸標記幾何模型所占據的空間，在x軸上分割成L個單元，在y軸上分割成M個單元，在z軸上分割成N個單元，則整個遺址轉化成為由L×M×N個體素所組成的體素模型[17]。每個體素按照其所處的空間位置(所屬堆積單位)被賦予不同的屬性，用以模擬不同土壤的顏色、密度、質地等堆積性質。為實現更為精準的仿真效果，三維體素模型的顯示需要進行渲染，渲染工具是采用基于Marching Cubes算法而開發的渲染引擎，通過該引擎可以實現將三角形網格模型轉換為體素模型，并對模型進行體素化賦值計算與渲染[18]。其原理是每個體素的整體屬性可以由一個小立方體的八個頂點的屬性值漸進表示，體素內任意一點的屬性由這三個角點通過差值算法來確定，如圖4所示。而后計算模型中任意等值面與立方體各邊相交情況，創建三角形面片。在等高線內的區域和等高線外的區域之間分割立方體。給立方體形態的體素單元的8個頂點進行賦值，通過連接等值面邊界上所有立方體的面片得到一個模型曲面。在曲面上通過體素頂點事先保存的像素值進行計算，得到與之相匹配的貼圖數值，進行平鋪渲染，從而實現對模型內部所有空間位置的屬性賦值。對平鋪貼圖進行處理，實現無縫渲染與顯示，是渲染過程中需要注意的要點(圖5)。

圖4 體素模型渲染原理示意圖[18]

圖5 遺跡渲染效果示例

3.1.4模型優化 在模擬對象給定的情況下，體素模型中L×M×N值越大，體素分辨率越高，模型及實驗仿真度就越高，但所需要的存儲及運算空間也越大。為了節省內存，提高運行速率，只將發掘區內的地層、遺跡的模型進行體素化，發掘區周邊環境采用面模型。此外，同樣以面模型模擬陶器、銅器等文物及人體骨骸、動物骨骼等標本，并置入合理的地層或遺跡堆積模型中。由此得到可供開展仿真發掘實驗的古遺址虛擬模型(圖6)。

圖6 虛擬遺址(左)與發掘場景(右)

3.2 操作設計

考古發掘實驗參照國家文物局頒布的《田野考古工作規程(2009)》與鄭州大學的《鄭州大學田野考古實習課程方案》設計主要實驗步驟如圖7。

圖7 考古發掘實驗內容

實驗者可以通過電腦或手機端登錄實驗平臺，在線開展實驗操作。實驗共分為理論學習與實踐操作兩個主要模塊。理論學習模塊提供多媒體形式的學習資料，系統介紹考古發掘基本原理與操作方法。完成學習并參加測試合格后，可進入實踐操作模塊開始仿真試驗。

實踐操作模塊的設計具有兩方面特色。其一，以高自由度交互式連續性發掘為核心的高仿真度發掘效果模擬。實驗中可以選擇不同發掘工具，設置單次挖掘的形狀、深度等參數，實現不同的挖掘效果。可以在發掘區域內任意選擇工作地點，自由設計地層與遺跡發掘清理方案，實現土質土色辨識、疊壓打破關系判斷、“找邊”等發掘技巧的仿真訓練，并充分暴露可能出現的操作錯誤。

其二，規范化的發掘工作過程模擬。在高度還原發掘效果的基礎之上，設計包括布設探方、堆積劃分與清理、人工遺物(陶片、小件等)與測試樣本采集、測量繪圖、影像記錄、文字記錄表填寫和報告編輯等步驟在內的一整套田野考古發掘的規范工作流程與操作的仿真模擬，實現促進現場教學，提升工作水平的實驗目的。

以田野考古工作中常見的灰坑發掘為例，設計發掘流程如下。布設探方后，使用鐵鍬等工具完成上部地層清理。根據仿真模型模擬的土質土色差異，辨識各類遺跡現象以及遺跡間打破關系。選擇劃線工具，標記灰坑及周邊遺跡范圍與打破關系，制定清理計劃。如按照考古規程要求，應從平面形狀最完整的晚期遺跡開始挖掘。使用相機工具拍攝發掘前的照片。選擇手鏟工具，按照二分之一法進行發掘，剖面位置可由使用者自由選擇。發掘過程中，通過觀察剖面的土質土色變化，及時劃分坑內分層，并分別采集遺物、標本，填寫采集標簽。第一部分挖掘完成后，使用測量工具架設基線，進行相關數據的測量與記錄，使用繪圖功能繪制灰坑剖面圖。繼續完成另一半灰坑的發掘工作，按照規范繼續進行遺物、標本采集工作。發掘最后階段，選擇手鏟工具進行“找邊”操作，將灰坑完全清理干凈(圖8)。完成發掘后再次使用測量、繪圖工具，完成灰坑平剖面圖繪制。發掘工作完成后，系統整理相關數據資料，填寫灰坑發掘記錄表，生成灰坑發掘記錄，加入遺址考古信息數據庫(圖9)。得益于體素模型的支持，使用者在灰坑清理中可能會出現發掘程序不正確、灰坑清理不徹底或清理范圍過大等錯誤，增加了實驗難度與仿真性。而當灰坑發掘完畢后，可在其坑壁及坑底清楚的觀察到周圍地層、遺跡的分布情況，與真實考古工作中所見的堆積層疊情況相似。

圖8 灰坑發掘流程(一)

圖9 灰坑發掘流程(二)

4 相關思考

利用虛擬仿真技術開展文化遺產保護領域的仿真實驗建設已取得許多重要進展，展現出巨大的價值和潛力。應用體素模型技術可以有效提升古遺址仿真水平與考古發掘實驗仿真效果，包括對遺址內部復雜的地層與遺跡現象堆積情況的完整化模擬，進而支持通過虛擬操作高仿真模擬考古發掘過程中判斷堆積范圍、打破關系以及逐層細致清理等核心工作內容，還允許操作者突破預設的地層、遺跡等堆積單位邊界，模擬“挖穿”“挖過”等常見工作錯誤。這些特點相比此前的考古發掘實驗具有明顯的技術優勢與創新性，對改進古遺址等復雜文化遺產的三維數字記錄與復原展示方法也有參考意義。

基于體素模型的考古發掘實驗已實現通過網絡平臺開放使用，支持虛擬現實設備的版本也正在開發。通過該實驗，可在有效保障文化遺產安全的前提下，為考古等相關專業學生提供不受時空等客觀條件限制，充分開展模擬考古發掘實習的機會。實驗也可用于向社會各界人士普及有關考古工作的科學知識，為大眾提供“親自”參加考古發掘的機會，直接服務于公眾考古宣傳、中小學傳統文化教育等領域，為國家文化建設貢獻力量。

現階段的實驗建設也還存在一些問題。例如遺址模型空間結構設計相對簡單，在對土壤堆積質地、顏色等細節因素的顯示效果模擬還比較粗糙，視覺仿真程度有待提高等。因此，在專業教學過程中虛擬仿真實驗并不能取代現場田野考古實習，而是作為后者的重要補充。學生通過虛擬實驗，在實習之前積累必要的操作經驗，降低因工作失誤導致文化遺產受損的風險；在實習后繼續復習鞏固相關知識，體會不同遺跡、遺址的發掘，由此提升學習效果，提高田野考古工作水平。實驗的后續建設中，將持續補充數據，充實實驗內容，并繼續優化可操作性與顯示效果，完善使用體驗。