X-CT結合AR技術在出土青銅文物修復中的應用

張珮琛

(上海博物館，上海 200003)

0 引 言

中國古代青銅器大多經出土而面世，長時期埋藏環境的腐蝕和擠壓，使得它們出土時往往都存在殘缺、斷裂、變形等病害，有些出土青銅器與泥土、附著物混合在一起，形成“包裹混合物”。不同材質、不同強度、不同損壞程度的物質混合在一起，對于文物后期保護方案制定、提取方法和清理等修復步驟來說，是最復雜、變量最大的。被包裹的青銅文物，其表面重要的紋飾、銘文信息不僅被嚴重掩蓋，甚至文物本身的物質存續也受到威脅，對后期研究和利用造成困難。精確而有效地消除和抑制青銅文物材料與結構的病害問題，使其滿足于藏品長期保存和利用需求，包括病害狀況的分析評估、保存修復處理和保存環境控制。這些已然成為現代青銅文物保護的目標與要求。

中國的青銅器修復是一門古老的傳統技藝，也是現代文物保護中不可或缺的門類。隨著科技檢測應用領域的橫向擴展，越來越多的科技檢測設備和手段融入到這項古老的技藝，使其操作變得更為安全與精確。

傳統青銅器修復方法中，對于“包裹混合物”的清理與提取，往往采用層層剝離、逐漸深入的方法，既費時費力，又存在安全隱患。因此，能在修復前，了解文物材質及其病變規律，探知青銅文物內部的工藝結構及病害的損傷，成為制定最合適的文物保護修復方案的先決條件。只有對文物有了深層的認知，才能更客觀地選用有針對性的、切合實際的保護方法和材料，從而大大降低保護行為當中的冒險性，避免“保護性破壞”的盲動，更加有效地保護人類的文化遺產。

20世紀50年代，X射線探傷技術開始被博物館方面應用于檢測古銅器。利用X射線穿透物體而形成的影像，可準確表現青銅物體的內部結構信息。不同物質由于其密度和結構不同，對X射線的吸收程度也不同，因此不同材質的文物適配不同的X射線能量范圍，可以很好地提高不同材質文物的成像準確度和清晰度，并獲得較好的檢測成果。但X射線照片是平面化的二維影像，即使多方位拍攝立體器物，也容易出現前后結構影像互相重疊的現象，而且存在盲區，無法穿透厚金屬。另外還存在數據量龐大、靈活性和便利性不足的問題[1]。

計算機斷層掃描(computed tomography,CT)技術的應用彌補了X射線探傷的不足。高精度工業CT又被稱為“工業用計算機斷層成像技術”，它能在對文物無損傷的條件下，采用輻射成像原理，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，實現對文物的非接觸式三維高精度掃描，清晰、準確和直觀地獲得被檢測文物的內部信息，對于文物保護與修復領域的無損檢測技術研究具有重要的實際意義。其應用主要有五個方面：1)對被檢測文物內部各組分相對位置狀況的判定；2)對被檢測文物功能分析；3)對被檢測文物結構尺寸的測量；4)密度測量；5)逆向工程應用。在青銅器修復保護領域，工業CT技術可以剖析古代青銅器的泥質芯撐、銅質墊片、范縫、加強筋等隱藏的工藝特征，探知文物內部的工藝結構及損傷，了解文物材質及其病變規律。

同時，工業CT不僅可以實現X射線探傷技術獲取文物信息，還能實現針對文物的定量無損檢測與評價，并通過軟件將高精度的斷層掃描數據和材料信息進行整合，精確地還原文物各方面的三維模型數據，是一個實物數字化的微分過程。憑借精確的斷層掃描數據作為建模基礎，工業CT成為最精確的文物三維掃描設備。

精確的三維模型數據，是一切后期數據化應用的基礎。本工作針對一件考古發掘的春秋時期青銅鼎，嘗試將高精度工業級CT技術運用到傳統青銅文物修復中，并將檢測影像數據與視覺增強現實(augmented reality，AR)相結合，為文物修復方案的制定提供更為準確的依據，為修復實施提供更為直觀與便利的操作環境，也是對傳統青銅器修復技藝的發展進行的新探索。

1 設備與工具

CT：德國YXLON公司，Y.CT Modular，用于對文物本體的斷層掃描；

XRF：布魯克BRUKER，型號為S1TITAN 300，用于對文物基體成分分析；

AR眼鏡：微軟HoloLens2(工業版)，用于文物清理和提取操作。

2 文物現狀與修復方案的制定

2.1 文物現狀

繩紋青銅鼎出土于南京市高淳區春秋土墩墓。從歷史歸屬地看，南京高淳地區先后屬吳、越和楚，湖熟文化、吳文化臺形聚落遺址和土墩墓分布密集。2015年下半年，南京市考古研究所對其中一座土墩墓進行了發掘。該土墩墓為一墩多墓，其中5座墓鋪設有石床，墓葬出土了銅鼎等隨葬器物。在江蘇為首次發現，對研究寧鎮地區春秋時期的青銅文化有著重要意義。

鼎身整體被泥土和石床上的石片包裹，由于墓室坍塌，青銅鼎身受到嚴重擠壓變形后出現斷裂。整體銹蝕嚴重，鼎的碎片、鼎腹內泥土與石片完全粘連板結在一起。通過CT檢測發現，三足不同程度地斷裂，碎片深陷鼎腹泥土中，鼎腹底部有較為特殊的“豐”字型鑄造痕跡，但鼎腹較薄，與腹內泥土與腹外石床邊界影像分離度較弱，病害情況較為復雜(圖1～圖3)。

圖1 鼎出土狀態Fig.1 State of the bronze Ding after excavation

圖2 青銅鼎身受到嚴重擠壓變形后出現斷裂Fig.2 Fracture of the bronze Ding due to severe squeezing and deformation

圖3 春秋青銅鼎的CT影像Fig.3 CT images of the bronze Ding of the Spring and Autumn Period

根據CT影像可看到多材質混合的青銅鼎內各物體間的大致結構和關系。有些在淺表層，有些卻在底部。但在實際青銅器清理過程中，依然要采用由外至內、多點局部試探性剝離、再逐漸連接成面深入的方法。增強現實(AR)技術的應用給原本看圖憑經驗清理的形式帶來了全新的改觀。

AR是實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術。AR將現實世界的一定時間和空間范圍內很難體驗到的實體信息通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加實物，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。AR技術具有3個突出的特點：真實世界和虛擬世界的信息集成；具有實時交互性；在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。

2.2 修復方案制定

AR技術最早與文物修復的結合是應用在文物古跡等不可移動文物的復原方案上。使用AR修復不可移動文物給游客們帶來了不一樣的感官體驗和震撼，但是真正將該技術應用到可移動文物修復上的案例還是極少的。

在AR制作過程中，器物外部尺寸的采集大都采用三維掃描儀測量的方式，然而三維掃描儀本身獲取數據的原理與局限性，使得它除了可掃描到表面外，無法準確獲取器物內部材料及結構的精準檢測信息，而且三維掃描對于器物本身固有色與反光率都有不同程度的要求。工業CT作為一種數字化無損檢測設備，能給出文物斷層數字圖像以及數字化透射圖像，可以對金屬和非金屬等材質的文物內部結構和尺寸進行檢測和病害評價，得到普通三維掃描儀不能獲取的立體數據，是文保行業內公認的一種精確可靠的新型檢測手段。

此次針對這件病害情況復雜的“包裹混合物”，嘗試將CT采集的原始數據導入AR技術，并通過軟件制作與可穿戴AR設備配合，給文物修復師提供一個更為清晰而直觀化的可視空間，為文物修復方案的制定、碎片提取以及不同材質附著物的分離提供更為精確的數據支持，也為后期的科普與展陳提供可視化創作空間。這樣的修復形式對于AR影像與實際文物結合的“黏性”以及互動性要求較高，且青銅器器壁較薄，鼎足碎片大小不均、分散在鼎腹內外，操作難度較大，故此在制定修復方案前，先采用“包裹混合物”模型來進行模擬操作。

3 CT技術結合AR技術的應用

3.1 模擬操作

此次設計的模型以出土多材質文物“包裹混合物”為原型，將青銅小獸、銅殘片與印章等四件復制樣品，不規則地埋藏于石膏與泥土的混合物內(圖4)，通過CT掃描得到模型內部清晰的CT影像。由于工業CT斷層圖像在一般軟件上無法讀取，必須轉存為STL(STereoLithography)格式導出。STL是在計算機圖形應用系統中，用于表示三角形網格的一種文件格式，是應用較為廣泛的快速原型系統(RP技術)標準文件類型。它被廣泛用于快速成型、3D打印和計算機輔助制造(CAM)。

圖4 文物“包裹體”模型Fig.4 “Inclusion” model of relics

由于CT掃描的文件噪聲干擾信息較多，因此導出的STL數據必需在UNITY、UE4等3D建模軟件中清理干擾，進行復原建模，生成可視化的AR效果。在操作過程中當“包裹混合物”進入軟件畫面，軟件會識別并自動激活對應的數碼復原模型。計算機會快速將復原模型與實物進行重疊與鎖定，并隨著實體模型的同步移動，具有較強的“黏性”(圖5)。通過軟件將石膏內的四件樣品分別用色彩和名稱標注。通過設置指令，可以選擇其中任何一件模型單獨觀測，并可計算和采集被選模型自身體積、位置以及離外層包裹體(石膏)邊緣的邊距等數據，為后期操作提供了直觀的數據支持。

圖5 在建模軟件中對數據進行復原建模，生成可視化的AR效果Fig.5 Restorative modeling of data in modeling software to generate visual AR effects

通過AR數據影像的輔助支持，可以有針對性地指示出想要最先提取的單體樣品的空間直接局部分離和清理，而無需從外而內整體逐層剔除，大大提高了“包裹混合物”清理的準確性和效率(圖6)。

圖6 在AR圖形的引導下，有效地分離樣品Fig.6 Efficient separation of samples under the guidance of AR graphics

3.2 實物修復

把文物實物進行分層掃描獲取三維數據模型是一個實物數字化的微分過程，而再將這組三維數據模型導入軟件修整是一個衍生應用過程。通過模型操作試驗，進一步證明了CT技術結合AR技術應用于青銅器修復方案制定的可行性。將出土春秋青銅鼎的CT原始數據轉換為STL格式導入UNITY3D軟件。

通過CT圖像可以觀測到青銅基體、泥土和石頭之間因密度和純凈度不同，呈現有差異的灰度：青銅基體密度最大，呈亮色；鼎腹下石頭質地較為純潔，呈現均勻的灰色；鼎腹內泥土成分較雜，呈現不均勻灰色。通過軟件將這三者的灰度反差在圖像上強化。由于此鼎器身較薄，鼎身最薄處只有1.5 mm，氧化脫胎較為嚴重，密度較為接近，CT灰度值較為接近，因此在軟件灰度強化過程中有些材質局部分界并不十分清晰，局部需通過手動模式分離，將分離后的數據按材質類型各自獨立編組成為獨立選區，并以各自的材質顯示，將手動分離后鼎腹內的泥土編組后，賦予藍色果凍狀材質標識，并可以通過軟件內測量的小工具，計算出每個碎片的實際尺寸與距離操作邊界的距離，便于鼎內殘足和碎片的尋找與辨識(圖7)。這直接為此件青銅鼎文物修復方案的制定與實施提供了有力的依據[2]。

圖7 CT數據通過軟件生成可視化多材質三維模型Fig.7 Generation of the visual multi-material 3D model from CT data using software

在眾多同類三維制作軟件中，此次操作選用UNITY3D進行后期制作，不僅是因為軟件本身易學、操作界面親和，而且主要還因為軟件的一些特色功能可以滿足文物修復創建的需求。首先，其支持多種格式導入，整合多種DCC文件格式，可以將一些信息或圖片導入到正在制作的作品當中，實現多功能操作。其次，綜合編輯是UNITY3D的基礎性特色，它能夠完成日常3D效果制作的一些最為基本的編輯過程。最后，圖形動力是軟件自帶的一個特色。UNITY3D渲染底層支持DirectX和OpenGL。內置的100組Shader系統，結合了簡單易用、靈活、高效等特點，支持NVIDIA PhysX物理引擎，可模擬包含剛體和柔體物質、機械物理等。UNITY3D將這三者的灰度在圖像上強化，通過手動分離將各自獨立編組，并以各自的材質顯示，將鼎腹內的泥土貼圖渲染成為藍色果凍狀材質并加以標識，便于鼎內殘足和碎片的尋找與辨識。這也成為了后期實時清理和分離工作的基礎，更為展陳以及科普工作保留了珍貴的數據。

3.3 穿戴式AR設備的應用

AR作為一個新的計算平臺及新的終端，強感知是其區別于PC、手機等傳統終端的一大核心能力。AR技術不僅在文物修復方案上提供了可視化的方案，對于實際文物修復的操作過程也起到了關鍵性作用。穿戴式的AR設備在不占用文物修復師雙手的同時，為修復師提供了全新的修復體驗。在硬件支持上，得力于攝像頭及傳感器等技術的不斷成熟，AR穿戴設備更接近于人的五官，可以時時刻刻對環境進行感知和探測，AR眼鏡無疑是其中最為普遍的設備[3]。基于拍攝、處理、顯示和交互等硬件模塊的相互配合，AR眼鏡可實現虛實融合、空間定位和虛實交互等功能：

1) 虛實融合。通過佩戴AR眼鏡，使用者可在不影響觀察現實世界的情況下，同時看到文字提示、輔助圖像與視頻以及三維模型等虛擬信息，進而實現對現實世界的增強。

2) 空間定位?？臻g定位是指在虛實融合的基礎上，通過智能識別技術與SLAM技術，可自動識別定位現實環境與虛擬信息的位置和方向，并能夠判斷用戶與現實環境的位置關系以及虛擬信息與現實環境的遮擋關系，進而將圖像、三維模型等虛擬信息顯示到正確的位置上，讓虛與實達到完美融合。

3) 虛實交互?；跀z像頭、麥克風、眼球追蹤傳感器、指環和腕帶等設備，AR眼鏡可通過多維度捕捉用戶意圖，使用戶可通過語音、手勢和眼動等方式與虛擬信息進行實時交互。比如用戶能夠像操作實物一樣，直接通過雙手對三維模型進行操作，同時三維模型還能做出相應改變。

AR設備作為人工智能的延伸，需要采集更多信息才能更好地理解環境和人的意圖。本次修復工作采用微軟公司Hololens全系智能眼鏡、4枚環境感知攝像頭、1枚普通RGB攝像頭和1顆深度攝像頭。這些攝像頭和傳感器利用紅外技術來進行手勢識別和環境場景的實時建模，為修復工作的實時提供了非常便利的操作空間[3-4](圖8)。

圖8 AR眼鏡在修復中實現虛實融合、空間定位和虛實交互等功能Fig.8 Realization of virtual-real integration， spatial positioning， virtual-real interaction and other functions using AR glasses during the restoration of cultural relics

佩戴上AR眼鏡后，透過雙層透明的AR眼鏡，可以清晰地看到眼前的一切實景。隨著頭部的移動，當青銅鼎實物進入AR眼鏡可視范圍內，計算機渲染的虛擬鼎即在內層鏡片中被激活播放，并與實物青銅鼎鎖定。此時目之所及，虛擬鼎與實物鼎是高度吻合的。視覺錯覺使得鼎腹內的泥土呈現藍色“果凍”狀態，“果凍”內疊壓、懸浮的青銅碎片和殘足清晰可見。此時，修復師就可以戴著AR眼鏡，雙手開始有計劃地開展清理尋找與分離提取工作。視覺可見的殘片位置使得提取碎片工作變得分外輕松和安全。還可以在修復過程中通過手勢與眨眼指令調動拍照、視頻錄制模塊，記錄眼鏡中的一切細節，作為文物修復檔案保存與研究，甚至可以通過網絡多人聯機，實現遠程文物病害會診、方案制定與修復研討[5](圖9)。

圖9 佩戴AR眼鏡后看到的虛擬與實物重疊鎖定后的影像Fig.9 Overlapping and locking of virtual and real objects seen via AR glasses

在AR技術輔助下，通過修復師的精心操作，終于安全地將青銅鼎與底部石床分離，鼎腹底部特殊的“豐”字型鑄造痕跡得以清理，并準確地提取出鼎腹內10塊殘片與斷足(圖10)。鼎身輕薄斷裂但仍有部分金屬彈性，通過適當加熱加壓的矯形方法，使得斷裂的鼎身得以合攏。碎片的拼接采取粘接方式，保證了輕薄的胎體在恢復的同時，不會承受過多的修復應力。修復完成后，在其鼎耳上還清晰地發現了少見的焚失法鑄造痕跡(圖11)。

圖10 鼎腹內10塊殘片與斷足Fig.10 Ten fragments and broken feet in the belly of the bronze Ding

圖11 修復完成的春秋青銅鼎Fig.11 Rrestored bronze Ding of the Spring and Autumn Period

4 結 論

CT檢測與AR技術的結合，不僅可以為前期文物修復方案的制定提供更為準確與直觀的依據，也為后期修復師的操作帶來更多便利，避免了僅憑經驗操作對文物帶來的修復隱患。隨著人工智能(artificial intelligence，AI)技術的不斷發展，更多的科技檢測數據可以結合于其中，例如器物的成分、壁厚和腐蝕情況等。依靠AI大量學習積累和算法分析，結合CT數據，建立AR輔助文物清理系統、三維引擎實時修復助手和文物修復應力模擬系統，使得AI可以為變形文物的矯形概率提供一個可行的矯正參數和方法。這可以為修復專家提供更為直觀的文物殘缺部分的圖像，從而提高修復的準確性和可靠性，也使得文物修復工作更具有效率。