三维激光扫描在考古 信息采集后期的应用

许辰 李曼 焦谷雨

如今，数字化信息采集技术在文物考古工作中日益受到重视，这些信息在完善文物信息资源、文物数字化展示、复原考古发掘现场、虚拟博物馆建设等方面发挥了重要作用。

作为现场考古发掘、手工绘图和拍照等资料信息后期整理的延续，我们通过三维激光扫描技术来对器物信息采集工作进行技术上的初步探索。我们的构思是：取一件器物，通过三维激光扫描对它进行全数字化数据采集和处理，将其完整、无损地记录下来。

信息采集、处理、存储、展示

河南巩义花地嘴遗址是1992年河南省社会科学院河洛文化研究所和巩义市文管所对河洛地区进行文物普查时发现的，位于巩义站街镇北瑶湾村村南平坦的台地上。2004年，郑州市文物考古研究所与北京大学考古文博学院联合对该遗址进行了考古发掘，出土的陶器有深腹罐、高领罐、附加堆纹瓮、浅盘豆等。我们使用HANDYSCAN3D手持式扫描仪，对花地嘴出土的高领罐进行信息采集。

三维激光扫描信息采集的工作流程是：器物摆放、激光扫描、模型修复、灯光铺设、数码拍照、数字建模、模型贴图等。

首先对手持激光扫描仪进行扫描精度校准等前期准备工作。根据器物造型、大小等因素在不破坏文物本身的前提下进行点网覆盖、贴点定位。接下来扫描点云并对器物进行360°全方位的数据采集，如果受工作环境影响，没办法一次性扫描完整，可调整器物位置多次扫描，进行合并，然后运用VXelements软件对扫描到的部分进行0.2毫米的精确修复。接着进行器物拼接、修补孔洞、网格修复等细节操作，最终完成网格清晰、去除杂质、高清晰度、真实完整的扫描模型，将文件保存成OBJ格式。目前比较流行的三维数据保存格式有OBJ、DXF等，这些格式都可以在常用的三维软件中打开。

将生成的OBJ文件在数字雕刻软件ZBrush里打开，对模型进行工作前的校对以及方位调整，而后再对器物进行拓补，在后期贴图时，几千三角网格面就可以完美达到贴图标准。

实际操作过程中，我们发现高精度的扫描使一件中等大小的器物能达到几十万的面数，要想更易操作，需要将高精度模型降低为1%—5%去除细节面数后再进行网格修复。为保证后期贴图效果，我们先进行器物拆分，因为器物有厚度且会因为贴图映射到器物内部。再进行UV制作，将器物切分到可以满足贴图标准的面数， UV切分后如果造成器物网格扭曲、拉伸、变形，及时做出调整修正。

最后打开源文件模型，将原器物的纹理结构细节映射到复制修改过的模型上，完成整个模型工作。

信息采集过程中的拍照

拍照的主要目的是还原器物原本的颜色清晰度，增强纹饰立体感，这也是问题最多的阶段。拍照信息采集前期，初步摸索环境的局限性。贴图过程中发现模型贴图有别于正常拍摄的器物照，会出现透视关系不对、光源和聚焦点有误差、颜色不统一、器物纹饰变形等多种问题。我们便选择多种软件结合，运用Photoshop的手绘板操作，拼接接缝、修补纹路、调整照片色调等，修改后导入ZBrush测试检查，再导入Photoshop继续修改，进一步完善。中后期又采用两个柔光灯投射100°的白光进行拍摄，效果仍然不理想，缺少頂光和后背投射光，拍摄出来的物体发灰，仍需要导入Photoshop里进行大量调整、调色，消耗资源和时间。

器材方面，我们使用的是尼康D7000和标配80—105mm镜头，这种配置用于拍摄全景照片效果很好，纹饰的机理清晰度也很高。但我们用这种方法对器物进行局部取材，景深拉近时，出现对焦点虚弱、器物模糊等情况。于是我们把器物划分成若干个区域进行拍摄，并使相邻照片有部分重叠以便进行拼接，把器物的外形曲线及断裂面凹凸起伏的特征输入电脑，拍摄的器物图像经过预处理后，再合成为立体造型。

在进行具体拍照贴图之前，注意观察器物的纹路造型、转折等问题才能在拍照时增加拍照后的量化。例如将器物拓补后进行拆分的同时也将内外部进行拆分并分开保存，这种方法类似Photoshop里的分图层，可以进行局部雕刻和网格整理。即便是模型贴图，由于器物贴图在图片拼合中容易接缝断裂，需要用手绘板进行细节刻画。如果出现ZBrush软件都完成不了的情况，前期要将模型设定好，因为处理UV分离曲面问题的时候很难避免重叠问题，导致中期延展UV时，UV看上去很不平整，贴图工作很难快速进行，循环出现这种问题造成材质粗糙、模糊。因此我们后期可以在Photoshop里将导出的UV图片进一步完善，最终将修改完善的图片重新覆于器物表面。

一件器物需要上百张图片才能比较完整地运用在贴图里，以后的工作中需要引进微距镜头和柔光箱，柔光箱的光线经二次透射产生漫射光，柔和度非常好，对文物的造型透射具有包围感，柔光箱的尺寸越大包围感越显著，文物的立体造型与光线的过渡有更好体现，可以解决颜色受光均匀，减少后期修图时间甚至可以直接使用。

以三维激光扫描和信息处理技术为核心的科技考古信息采集，利用三维红外激光扫描技术的高精度和高分辨率，可以对器物、壁画、古建筑、石窟等进行信息的全面获取，已在考古领域广泛应用。

（作者许辰、焦谷雨为郑州市文物考古研究院助理馆员；李曼为郑州市文物考古研究院馆员）