考古发掘及出土文物的数字化技术与应用

南竣祥 李季真 周 磊 郑智成 乔晓亮 申茂盛 武丽娜

(1.自然资源部第二地形测量队 陕西西安 710054；2.陕西省文物测绘工程技术中心 陕西西安 710054；3.秦始皇帝陵博物院 陕西西安 710600)

中国作为文明古国，悠久的历史长河赋予了中华民族博大而丰富的文化遗产。这些遗产是文化传承的载体，是文化发展的依托，也是世界文明的重要组成部分，保护不可再生的历史文化遗产是全人类共同的责任。考古发掘是文化遗产研究与保护的基础工作，出土文物是文物修复、研究、展示的最初实物。由于考古发掘与文物修复在物理上具有不可逆性，因此获取其准确、翔实的数字化信息，作为原始信息数据进行保存和备份，对考古与文物保护工作过程信息的追溯与还原具有重要意义。

目前，三维激光扫描、无人机航空摄影测量、数字化测图及地理信息系统等测绘技术已广泛应用于文化遗产保护，影像化、故事化及互动化信息已成为当前公众认识世界的重要方式，而数字化信息具有真实完整、精度高、测量周期短、易长期保存[1]、便于深层次开发等特点。本文基于秦始皇帝陵博物院兵马俑坑考古发掘数字化成果，总结三维激光扫描技术服务考古发掘及出土文物的技术及常用成果，并对测绘科技的发展在提升文化遗产保护工作方面的前景进行展望。

1 三维激光扫描技术服务考古发掘及出土文物的工艺流程

通常情况下，三维激光扫描技术服务于考古发掘及出土文物，首先分别利用地面三维激光扫描仪及手持三维激光扫描仪对考古现场和出土文物进行数字化信息采集，然后使用数码单反像机进行文物纹理信息采集，再通过建模软件和贴图软件进行文物的数字化建模，形成带有彩色信息的三维模型，总体工艺流程见图1。

图1 三维建模工艺流程Fig.1 Process Flow of 3D Modeling

2 数据采集

2.1 地面三维激光扫描

地面三维激光扫描仪适合考古现场大范围的场景记录，能够同时获取空间三维点云和彩色数字图像两种数据[2]。为了全面、准确地获取发掘现场的三维点云数据，可根据扫描现场的环境灵活架设扫描测站，但要保证扫描主题与扫描仪之间的距离控制在10 m 内。后期数据处理采用球形标靶对扫描数据进行配准[3]，要求拼接点云测量精度大于等于0.5 cm，三维模型点云密度大于等于100 000个/平方米。

2.2 手持三维激光扫描

手持三维扫描仪分为白光和激光两种类型，考虑到两种设备采集数据原理的差别，宜采用手持三维激光扫描仪对文物本体进行扫描测量，并通过软件进行实时浏览。根据现场实际情况有时需要扫描多面数据，通过拼接软件对数据进行拼接(通常情况下拼接点云精度需达到毫米级)，生成高精度网格模型[4]，并配合后期采集的纹理照片信息，制作完成真彩色三维模型。

2.3 数码单反像机采集纹理信息

后期真彩色模型的目视效果，很大一部分来自纹理照片数据的美观度，因此，纹理照片数据的质量直接决定最终真彩色模型的视觉效果[5]。纹理采集尽可能在较强的光线下拍摄，避免跑焦，要求纹理采集精度不低于2 000万个像素/平方米。出土文物的纹理采集需要配合旋转云台，并使用柔光灯保障各个方向所拍摄的照片色彩均匀，且相邻纹理照片的重叠度应大于等于30%。

3 三维建模

采用贴图软件(Model Painter)进行真三维文物模型贴图，主要步骤包括导入模型、纹理贴图、纹理调整、重新计算UV和导出模型。

1)贴图匹配。分别在纹理照片与生成的多边形模型数据上选择同名点进行纹理匹配，见图2。同名点误差尽量控制在5 mm以内。如果部分控制点误差较大，可手动删除误差较大的控制点，重新调整控制点映射区域。

图2 贴图匹配Fig.2 Mapping Matching

2)纹理调整。接缝调整包括两种方式：PS无缝化调整和软件本身的无缝化调整。其中，PS调整方式更直观，适合较大区域或者接缝偏移较大时的调整；软件本身无缝化调整适合小区域的局部调整，可以通过设置影响半径的大小来改变被影响的纹理区域。纹理调整后拼接缝通常需在控制在3个像素之内。

3)重新计算UV。UV是将二维纹理图像上的每个点精确对应到三维模型的表面[6]，在点与点之间的间隙位置利用软件进行图像光滑插值处理。由于最初制作的真三维模型，纹理是利用原始图像直接投影而获取的，存在压盖、拉伸及冗余等问题，在真三维模型制作完成后，需要通过重新计算UV和重采样贴图来降低纹理贴图的数量。采样贴图在保证分辨率的前提下，可采样成单张或者多张贴图，像素应为 2n×2n个。

4 成果应用

目前，三维激光扫描成果在考古领域一般有考古现场还原、数字化展示、数字化拼接、模型虚拟修复、纹理虚拟修复、色彩虚拟修复、俯视图制作和平(剖)面图制作等几方面应用。

4.1 考古现场还原

首先，传统的还原方法很难记录考古现场复杂的信息，不仅记录时间长，而且极易出现信息不完善的情况；其次，传统方法获取的信息误差较大，只能粗略展现某些参数信息，而且各种方式获取的数据很难整合到一起。利用三维激光扫描仪加内置的工业像机，可以真实、360°还原考古现场状况，后期通过点云数据及影像数据实时浏览，利用特征点、特征线提取文物尺寸信息、分布位置信息及其他具有科考价值的信息数据[7]。

考古现场还原示例见图3。

图3 考古现场还原Fig.3 Archaeological Site Restoration

4.2 数字化展示

制作完成的单体文物真彩色三维模型，是数字化存档、展示的最有效单元，它不但可以满足最基本的浏览及数据量测要求，而且在博物馆场景设计、布展等方面具有其独特的优势[8]。由于数字化产品具有易复制、易缩放和不怕破坏的特点，以其为参考设计制作的文创产品更真实、形象、美观。数字化展示效果见图4。

图4 真彩色模型展示Fig.4 Display of True Color Model

4.3 数字化拼接

目前，主流虚拟拼接方式主要有2种：基于表面纹理特征的虚拟拼接和基于三维表面形态的虚拟拼接。在文物保护工作中，大量文物或者损坏时间长，或者经长时间的侵蚀、氧化，存在碎片边缘腐蚀、磨损和茬口不完整等情况，均造成计算机难以自动虚拟拼接。对于茬口完整的破碎文物可以通过平移、旋转、拼接和比对等人机交互方式进行虚拟拼接和修复，拼接和修复的效果见图5。

图5 人机交互数字化拼接Fig.5 Digital Mosaic of Human- Computer Interaction

4.4 模型虚拟修复

通过三维激光扫描技术，可详细记录文物表面破损缺失状况，便于文物工作者根据文物现状，利用碎片的外形曲线、切线和断裂面凹凸起伏的特征，通过模型架桥、局部非刚性变形等技术方法，在计算机中模拟复原文物原状。这一过程可以根据不同方案进行多次调整，直到复原的效果满意为止。模拟复原文物原状的效果见图6。

图6 虚拟修复Fig.6 Virtual Restoration

4.5 纹理虚拟修复

破坏、长时间氧化、风蚀均可造成文物表面纹理缺失，根据采集的纹理图片现状，推断出文物表面所缺失的纹理信息，利用PS将缺失纹理进行补充，完成修复后的纹理图像[9]，再将修复后的模型与纹理图像进行纹理映射，可以得到复原之后的文物真三维模型，见图7。

图7 纹理修复前(后)模型显示效果Fig.7 Effect of Model Display before (after) Texture Restoration

4.6 色彩虚拟修复

许多带有色彩的出土文物，彩绘通常很难长时间保留，人们看到的往往是彩色脱落后的现状。如今，虽然可以运用现有的科学技术复制和复原出许多出土文物的彩绘原貌，但由于文物的单一性，不易在实物上面随意操作。利用建模后的三维模型，通过在贴图纹理上设计并修改图片颜色来还原文物原状。这个过程是基于电子数据进行的操作，易复制，不怕破坏，能够完成多种复原方案。色彩虚拟修复显示效果见图8。

图8 色彩虚拟修复前(后)模型显示效果Fig.8 Effect of Display Model before (after) Color Virtual Restoration

4.7 俯视图制作

部分考古现场由于周边环境的限制，无法利用无人机航摄获取正射影像数据，但通过三维激光扫描来采集高密度三维点云数据，可以实现考古现场俯视图的制作，以达到正射影像的效果，见图9。

图9 考古现场俯视图Fig.9 Top View of Archaeological Site

另外，还可以将文物压盖状况分层次进行扫描，便于文物工作者更清楚地分析文物破损现状。文物压盖比对如图10所示。

图10 文物压盖比对Fig.10 Contrast of Pressure Covers of Cultural Relics

4.8 平面图和剖面图制作

利用处理好的三维点云数据，在垂直投影方向上提取特征线及外围轮廓线，并标注尺寸信息及图廓整饰，绘制文物平面图；将三维点云成果数据进行切片，采用曲线拟合方式进行编辑，得到剖切点云数据的外围轮廓线，形成剖面图，如图11所示。

图11 发掘现场剖面图Fig.11 Section Drawing of Excavation Site

5 结 语

在科技发展日新月异的今天，非接触式扫描技术因其独特的技术优势，已成为文化遗产保护及管理的最有效测绘技术手段[10]。数字化成果作为电子资料，可以多次备份、便捷调用、有效编辑，在文化遗产保护中具有良好的应用前景[11]，测绘技术手段的不断进步，必将为文化遗产保护带来革命性的变革。

本文以三维激光扫描技术在秦始皇帝陵博物院兵马俑坑考古发掘现场的实际应用为基础，全面梳理了目前三维激光扫描技术在考古发掘及出土文物方面应用的技术方法，为类似项目提供技术参考。