浅谈可视化技术在文物考古领域中的运用

来源：中国文物报时间：2017-02-16 15:26:13 作者：林雪川胡子尧周冰

　　概念与流程

　　可视化技术(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的相关理论、方法和技术。具体来说，可视化技术就是将采集所得的现实物体的数字数据经过计算机的处理，使物体以两维或三维展现在计算机上，并可以被观察、测量及其他处理的一种技术。

　　文物考古领域中的可视化技术可以按照操作流程大体分为数字化数据采集、数据处理或映射成三维模型、渲染成图形图像、交互应用四个步骤。

　　数字化数据采集是指利用数字采集设备，以获取遗物或遗迹数字化数据信息的过程。数字采集设备分为照相设备、扫描设备和辅助设备（如航拍器）。在获取了数字化数据信息之后进行数字化处理，可利用相关软件进行二维处理（如Photoshop、SAI 等）或三维处理（如 Agisoft PhotoScan、 ContextCapture Master、 Pix4D Mapper等）。

　　多重影像三维重建（照片建模）的技术思想是模仿人的视觉系统，从采集的二维信息中恢复出物体的三维特征，并建立物体的三维几何模型。即通过拍摄物体多焦点图像，利用计算机三角运算，实现物体三维模型的重建。利用三维扫描仪进行遗存的三维重建，采集和处理是同时进行的，并在生成三维模型之后进行直接或间接的纹理添加。最后，我们可以利用生成的三维模型，进行各种交互应用处理，如遗存的多视角展示、导出遗存的正投影像进行测量及线图的绘制等相关工作。

　　成果与实践

　　经过近三十多年的发展，可视化技术日臻成熟，并已在文物考古领域中被广泛应用。针对此现状，吉林大学边疆考古研究中心在2016年11月18日~20日举办了“文物考古领域中的可视化技术”交流会，为考古学界就可视化技术的探讨提供了平台。近年来，以中国社会科学院考古研究所、吉林大学、中国人民大学、河北师范大学、吉林省文物考古研究所、辽宁省文物考古研究所等单位在此领域做了大量的工作，主要可以概括为以下几个方面：

　　在文物考古科研中的应用首先，客观全面的记录为考古科学研究提供了更为详实合理的资料。可视化技术在数据库建设、田野考古调查与发掘、大遗址保护、三维古人容貌复原及后期整理等方面不仅大大提高了信息的全面性，同时还提高了效率。在田野考古调查与发掘中，可将遗存按面积分为超大范围遗迹点（大面积区域考古调查）、大型遗迹（遗址分布区）、中型遗迹（整个发掘区或大型墓葬）、小型遗迹（单个探方、单位或小型墓葬）、遗物等。不同规模和类型的遗存采用的技术手段往往存在一些差异。

　　超大规模遗迹的信息记录可以采用考古数据库、地理信息系统（GIS）、奥维地图等技术手段进行信息记录。我们以吉林省聚落考古数据库和地理信息系统（GIS）的建设为基础，通过空间考古学方法将考古遗存置于空间分布和地理环境的大背景中进行比较分析，进一步了解和复原古代人类在不同时期对不同环境的适应情况和方式，并分析人类活动在景观形成中的影响，进而探索吉林省境内古代聚落分布和形态的历时演变规律。具体应用包括尹家窝堡和周围辽金城址的位置关系、镇赉县古遗址的空间分布研究与调查资料分析、汉书遗址各个时代遗存分布状态等。大型遗迹多采用固定翼航拍器垂直俯拍，通过搭载不同的设备来获取信息，如影像、红外、多光谱等。在乾安春捺钵遗址，通过固定翼航拍器拍摄获取遗址的照片，使用后期软件处理得出整个遗址的大比例平面俯拍照片，经过分析发现了大量在地面调查中不易发现的遗迹现象，为进一步发掘、研究提供了参考。中型遗迹一般可采用多旋翼航拍器环绕遗址拍摄多角度照片，在一些无法使用多旋翼航拍器的特殊环境下，也可以采用独脚架“挑杆”进行拍摄。在大安后套木嘎遗址中，使用多旋翼航拍器多角度拍摄，通过计算得到整个遗址发掘区的三维模型。在前进古城、龙潭山城等遗址，因为林地环境所限，使用照相机进行多角度拍摄，通过计算，也成功得出了发掘区的三维模型，为后期测量、绘图提供了便利条件。小型遗迹一般多使用相机进行多角度拍摄，通过后期软件的运算，就能很全面的获取遗迹的信息。如在长山遗址中，利用可视化技术重建墓葬的三维模型，在软件里进行虚拟剖切，可以得出该墓葬很准确的的剖视图。

　　在大遗址保护中，利用固定翼航拍器进行垂直俯拍，并通过软件计算可以得到遗址保护区域的大比例图像。可以很容易地在图上进行遗址保护区和建筑控制地带等的规划，为大遗址保护提供了便利的条件。例如在山东龙兴寺的遗址保护规划中，使用固定翼航拍器对整个遗址保护范围进行航拍，计算得出遗址保护区域的大比例图像，方便了遗址保护的规划进程。

　　在三维古人容貌复原中，可以利用多视角三维重建或三维扫描获取颅骨的三维模型。相对于三维扫描仪来说，利用多视角三维重建技术获取颅骨三维模型效率更高，而且自带更加精细的贴图。但是就精度而言目前还存有疑问，具体精度差别目前还处于实验比较阶段。

　　在文物数字化记录方面，基于传统测量拍照绘图基础上引入三维模型作为更精确的辅助记录方式。河北师范大学还尝试利用手机进行图像采集。遗物按体积可分为大型遗物和小型遗物，对于大型遗物需要远近结合多视角拍照，远距离大视角照片确定形状，近距离照片增加细节；小型遗物则进行多角度环绕拍照，器型越复杂，照片拍摄角度就应越多。近年来吉林大学文物保护实验室在此方面已经进行了多方面的尝试，其中大型遗物方面成果比较突出的是大型佛像的三维建模及数字化建档，小型遗物方面在青铜器、陶器、瓷器和石器等多种质地不同年代的文物均有所尝试，其中石器三维建模在实际工作中应用最多且已形成了比较系统的专门化操作流程。石器根据其大小、质地等特征的不同在前期信息源采集时对拍摄参数和数量均有不同要求，对所得数码照片在相关图像处理软件中的标准亦有所不同。目前，实验室在结合石器分析及绘图等专业知识的基础上，已成功在实际工作当中解决了最大直径长度小于五厘米的小型石器的建模精确度、黑曜石等折射率高石材的成像困难、石英等浅色石制品的贴图、多面体石器（如石球）的表现方式等一系列难题，开始尝试将所得到的可视化技术成果转移到更深入的研究当中去，尝试利用石制品的三维模型进行石制品疤痕的分布、规律等统计学分析，拓展数字考古学（Digital Archaeology）的研究领域并将其与我国考古学实践相结合。

　　在博物馆及文物修复中的应用可视化技术在文物三维展示中，可通过不同视角的转换及视距的调整，生动、立体、直观地将遗物展现在观众面前。考古遗址现场虚拟展示则可以还原考古发掘现场，实现人机交互，给人以身临其境之感。此外，可视化技术也为博物馆文物的数字修复、复制、仿制及推动文创产品开发创造了条件。在“互联网＋”中的扩展应用可视化与网络技术结合使远程可视化服务成为现实，网络展示有利于文物考古的公众推广。例如，可以制作二维码，通过扫描的方式方便快捷地将遗存的二维图像、三维模型在手机等设备中展现。

　　在教学中的应用将可视化技术引入本科生田野考古实践教学，有利于学生在走上工作岗位之前，掌握过硬的专业技能，同时在就业过程中提高学生的竞争力。因此，在近两年本科生的实习过程中，综合考虑各方面因素，我们在可视化技术的实践方面做了一些针对性的工作。例如2015年，我们首次将多视角三维重建技术运用到隆德沙塘北塬遗址吉林大学考古系本科生田野实习基地（宁夏自治区文物考古研究所与吉林大学边疆考古研究中心合作发掘项目），利用相机及多旋翼航拍器拍摄照片，通过软件对照片进行处理，制作出工地三维全景及探方三维重建模型。通过多视角三维重建探方模型，可以导出探方正投影及四壁图像，并进行平剖面线图的绘制。

　　2016 年，在隆德沙塘北塬遗址及梨树长山遗址（吉林省田野考古实践与遗址保护研究基地）本科生田野实习基地的发掘过程中，对三维重建技术进行了改进。通过设置控制点，获取控制点坐标等方法，进一步缩小了三维重建模型的误差。同时，将 Geo magic Studio软件引入到田野绘图工作中，利用该软件对遗迹三维重建模型进行剖切，由此绘制出的线图可以更加精确。此外，还可以利用多视角三维重建模型直接获得探方内遗物的全站仪坐标及传统坐标。

　　不足与展望

　　目前，虽然可视化技术在文物考古领域中的大量实践已经取得了较好的效果，但是在诸多方面仍然存在可进行深入探讨的余地。例如，在田野考古发掘中，如何更科学地对遗址发掘的动态过程进行完整的信息记录；在田野考古调查中，如何尽量降低植被、气候等自然环境对可视化技术的操作过程及成果产生的不良影响；如何使可视化技术更好地服务于科研，在精确化记录的基础上增加可研究的范围并提出新的问题等等。希望以此次会议为契机，促进考古学界同仁对可视化技术的了解与认识，并在今后加强彼此之间在该领域的交流与探讨，使可视化技术在文物考古领域中的实践运用水平达到一个新的高度。

　　（作者单位:吉林大学边疆考古研究中心）