【摘要】：考古遺產(chǎn)是古代先民在漫長的歷史發(fā)展過程中創(chuàng)造出來的文化遺存。這些遺存種類多樣，內(nèi)涵豐富，不但具有極高的學術(shù)價值，也是寶貴的社會資源。如何記錄保護好這些不可再生的寶貴資源并充分展示并發(fā)揮其學術(shù)價值和社會價值？這是當前考古文博工作者面臨的重要問題之一。本文通過安陽曹操高陵的虛擬再現(xiàn)項目的具體實踐，結(jié)合考古文博學科研究過程中的具體要求，談談3D激光掃描技術(shù)在考古遺產(chǎn)的發(fā)掘、整理、研究和展示利用過程中的具體應用，對3D激光掃描技術(shù)在考古文博領域中的應用前景和存在問題進行初步探討。由于作者的學識有限，在本文中存在的問題請老師斧正。

【關(guān)鍵詞】：考古遺產(chǎn)；3D激光掃描；記錄與再現(xiàn)

引言

在考古學的研究過程特別是田野考古發(fā)掘研究的過程中，發(fā)掘出土了大量種類繁多，內(nèi)涵豐富的古代遺址、遺跡和遺物。然而，由于田野發(fā)掘工作受時間、天氣、經(jīng)費以及參與人員的專業(yè)素養(yǎng)等多種因素的影響，發(fā)掘工作中往往會出現(xiàn)失誤，第一手資料的采集在一些細節(jié)問題上不夠詳實，對于進一步的研究產(chǎn)生影響。同時，在考古研究的過程中，大部分的遺址和遺跡在發(fā)掘后進行回填處理，而且發(fā)掘工作過程中也會對遺址和遺跡造成不同程度的破壞，大量的遺物由于保護條件、博物館展陳空間、文物修復技術(shù)等條件的限制無法進行展示。這些問題都會對進一步的研究和保護展示利用產(chǎn)生不良影響。3D激光掃描由于自身在信息采集、處理和展示方面的優(yōu)勢，對于考古學和博物館學的研究有很大的作用。

一、什么是考古遺產(chǎn)

1990年10月， 國際古跡遺址理事會全體大會第九屆會議在瑞士洛桑通過的《考古保護與管理憲章》規(guī)定， 考古遺產(chǎn)的定義“ 是根據(jù)考古方法提供主要資料實物遺產(chǎn)部分， 它包括人類生存的各種遺存， 它是由與人類活動各種表現(xiàn)有關(guān)的地點、被遺棄的結(jié)構(gòu)、各種各樣的遺跡（ 包括地下和水下的遺址） 以及與上述有關(guān)的各種可移動的文化資料所組成。”

李曉東先生在《關(guān)于考古遺產(chǎn)研究與保護的幾個問題》一文中指出：“考古遺產(chǎn)總的包括遺跡與遺物兩大類。遺跡有古文化遺址和古墓葬。前者包括洞穴遺址、聚落遺址、古城址、古窯址， 以及宮殿址、住宅址、寺廟址、礦冶址及有關(guān)設施，等等。后者包括單座墓葬、墓群、陵墓及有關(guān)設施。遺物的種類繁多， 有工具、武器、日用器具、裝飾品等， 每一類中都有若干小類。古代器物有石器、玉器、青銅器、鐵器、金銀器、陶瓷器、玻璃器、漆器、竹木牙雕器，以及紡織品、古錢幣、度量衡器、節(jié)符牌券、璽印、文具、簡犢、雕塑、畫象磚（石）， 等等。此外， 還有人工培育的農(nóng)作物、家畜、家禽， 以及漁獵、采集所獲的遺存?！盵1]

綜合上述觀點來看，考古遺產(chǎn)應該是考古學發(fā)掘和研究的對象即實物資料，包括古代人類活動遺留下來的遺跡、遺物及與人類活動相關(guān)的自然遺存。這與考古學的研究對象是一致的。

二、什么是3D數(shù)字建模

3D數(shù)字建模技術(shù)，又稱三維數(shù)字建模技術(shù)，是計算機技術(shù)與測繪技術(shù)等交流融合產(chǎn)生的新技術(shù)之一。

其總的技術(shù)路線是：3D 造型--成像和投影--真實感圖形處理--圖像輸出，主要包括兩部分工作，一是幾何建模，是指采用多邊形或三角形拼構(gòu)對象的立體外形，強調(diào)的是模型的精確度。二是圖形建模，是為逼近對象表面色彩、質(zhì)感而采取的紋理映射、顏色和光照等真實感技術(shù)，強調(diào)的是模型的逼真度。兩者的適當協(xié)調(diào)即可實現(xiàn)三維實體模型的構(gòu)建。[2]

具體的應用技術(shù)包括數(shù)字攝影測量、結(jié)構(gòu)光獲取及三維激光掃描等。由于其自身技術(shù)特色，該技術(shù)廣泛應用于地質(zhì)研究、城市規(guī)劃、地圖測繪等多個學科和領域內(nèi)。

而在考古遺產(chǎn)的保護和利用方面，主要是利用三維數(shù)字建模技術(shù)記錄考古遺產(chǎn)詳細信息并以數(shù)字化可視模型的形式展示考古遺產(chǎn)。其中應用較多的也是本文主要介紹的就是三維激光掃描技術(shù)。

三維掃描是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了相當方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)能實現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點。

本文所介紹的是斯蒂歐（Stereo）三維掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)光學是將光柵連續(xù)投射到物體表面，攝像頭同步采集圖像，然后對圖像進行計算，并利用相位穩(wěn)步極線實現(xiàn)兩幅圖像上的三維空間坐標（X、Y、Z），從而實現(xiàn)對物體表面三維輪廓的測量，進而通過后處理軟件處理采集數(shù)據(jù)完成三維模型構(gòu)建。該系統(tǒng)能在幾十秒的時間內(nèi)掃描精度較高的點云數(shù)據(jù)，并能完整的輸出相應的高清結(jié)果。

斯蒂歐（Stereo）三維掃描系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個部分。

硬件部分主要包括掃描儀（包含投影儀、相機和鏡頭），三腳架，電動旋轉(zhuǎn)平臺，平面標定板，圓柱標定塊，高清單反相機以及相關(guān)的電源和數(shù)據(jù)插線。。

軟件部要包括點云掃描軟件ZGScan，點云后處理軟件ZGWork，

相機標定軟件ZGCali，高分辨率影像配準軟件ZGTex。

ZGScan 軟件的主要功能是控制掃描儀進行掃描測量獲取點云數(shù)據(jù)，具體包括以下幾方面：

（1）掃描儀硬件的控制，包括結(jié)構(gòu)光投射、相機獲取影像、旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)等；

（2）掃描數(shù)據(jù)處理，包括特征提取、匹配、三維坐標的計算等；

（3）相機的標定，確定相機的焦距、像主點、畸變參數(shù)等；

（4）旋轉(zhuǎn)平臺的標定，確定旋轉(zhuǎn)平臺在相機坐標系的位置和姿態(tài)；

（5）基于旋轉(zhuǎn)平臺的點云拼接。

ZGWork 軟件的主要功能在于對獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理，生成需要的成果，具體包括以下幾方面：

（1）粗差剔除，檢測數(shù)據(jù)中的錯點并刪除；

（2）點云拼接，通過人工指定初始值，精確計算點云拼接參數(shù)；

（3）點云融合，將多片點云綜合成一片；

（4）三維構(gòu)網(wǎng)建模，確定三維點云中點與點之間的連接關(guān)系，構(gòu)成三角網(wǎng)，建立三維表面模型；

（5）模型簡化，進行數(shù)據(jù)抽稀減少數(shù)據(jù)量，在此過程中盡可能保持特征；

（6）紋理自動映射，將保存的紋理數(shù)據(jù)映射到表面模型上，生成具有真實紋理的逼真的三維模型。

ZGCali 軟件主要功能在于對相機的內(nèi)外參數(shù)進行計算，生成包含相機內(nèi)外參數(shù)的文件提供給ZGTex 進行調(diào)用。

ZGTex 軟件主要功能在于同步影像配準單反數(shù)碼相機拍攝的高清影像，根據(jù)高清影像生成無縫紋理模型。該模塊是對模型進行高質(zhì)量紋理重建的關(guān)鍵步驟。

使用斯蒂歐（Stereo） 3D 掃描系統(tǒng)進行三維重建時，首先要使用點云掃描軟件ZGScan 得到點云數(shù)據(jù)，然后將掃描得到的點云數(shù)據(jù)導入到后處理軟件ZGWork 中進行編輯（包括法向計算、粗差點剔除等）、拼接、融合、構(gòu)網(wǎng)建模、模型簡化、紋理映射等，得到所需的三維模型數(shù)據(jù)，再由ZGTex 進行高分辨率紋理影像配準，最終得到具有高清紋理影像的模型。

三、曹操高陵的工作成果

曹操高陵位于河南安陽市西北約15 公里的安陽縣安豐鄉(xiāng)西高穴村。該地西依太行， 北臨漳河， 南倚南嶺， 地勢較高。西高穴村向東7 公里為西門豹祠遺址， 14 公里余為鄴城遺址。東臨安陽固岸北朝墓地， 隔漳河向北為講武城遺址和磁縣北朝墓群。

墓葬平面呈甲字形， 為多室磚室墓。坐西向東， 方向110 度。墓壙平面呈前寬后窄的梯形， 東面最寬22、西面較窄處1915、東西長18 米， 面積近400 平方米。整個墓葬占地面積約740 平方米， 由墓道、磚砌護墻、墓門、封門墻、甬道、墓室和側(cè)室等部分組成，全長近60 米 。墓室、甬道和側(cè)室均用長48、寬24、厚12 厘米的大磚壘砌而成。

墓葬雖被多次盜掘， 破壞嚴重， 但仍出土了一批遺物。計有金器、銀器、銅器、鐵器、玉器、骨器、漆器、瓷器、釉陶器、陶器、石器等。據(jù)初步統(tǒng)計， 出土可復原的遺物約400件。其中，有反映墓主人身份的刻銘石牌和鐵甲、劍、鏃以及時代特征明顯的鐵帳架構(gòu)件等。另外， 還有銅帶鉤、 鎏金蓋弓帽和大量的云母片以及陶器殘片等。[3]

本次項目利用三維激光掃描系統(tǒng)，對安陽曹操高陵出土的部分文物進行掃描，提取點云數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建數(shù)字三維模型。

采集數(shù)據(jù)信息的文物從器型上分主要有豆、盆、罐、杯、鼎、瓶、盒等容器；還有勺、叉等生活用具；此外還有香爐、灶、倉、井、豬圈等隨葬冥器。棺釘、棺環(huán)、棺飾板等葬具，帶有銘文的石牌。從文物材質(zhì)上分主要有陶器、瓷器、石器、金屬器，其中主要部分為陶器。上述器型中在罐類中有瓷器，葬具為金屬器，瓦當、石刻、石牌小件為石器。其余器型均為陶器。以下為一些器物的掃描效果圖。

刻銘圭形石牌 2件，均長10.8、斜邊長2.5、寬3.2、厚0.6 厘米。尖部中間有穿孔， 孔內(nèi)有銅環(huán)， 銅環(huán)連以銅鏈。上面刻有“魏武王常所用挌虎大戟” 、“ 魏武王常所用挌虎短矛”字樣銘文。

釜形鼎 1件，泥質(zhì)灰陶，圓唇， 敞口， 低領， 折腹， 兩耳外撇， 三蹄形足。口徑10.4、高12.1 厘米。

耳杯 1 件，泥質(zhì)灰陶， 橢圓形口。圓唇， 敞口， 弧腹， 兩寬

耳。口長徑8、短徑6.3 厘米， 底長徑4.2、短徑2.4 厘米 。

尊 1 件，泥質(zhì)灰陶， 圓筒狀， 口略大于底部。方唇， 口沿下附

雙耳， 斜腹， 平底， 三低矮蹄形足?？趶?0.8、底徑9.3、通高10.2 厘米。

三足器 1 件，泥質(zhì)灰陶，方唇， 斂口， 寬沿， 圜底， 中有一空柱， 下有三獸形足?？趦?nèi)徑16.5、外徑21、底徑11.2、足高4.5 厘米。

四、關(guān)于三維數(shù)字建模技術(shù)應用的思考

3D掃描系統(tǒng)在考古學領域的應用前景很廣闊。三維數(shù)字化應該是未來考古學與博物館學的發(fā)展方向之一，也是考古遺產(chǎn)的保護和展示利用的重要手段。目前，三維激光掃描技術(shù)在考古文博領域中的應用主要朝著以下三個方向發(fā)展：（1）三維記錄：使用三維激光掃描技術(shù)來保存、記錄考古發(fā)掘過程中的信息數(shù)據(jù)，包括發(fā)掘現(xiàn)場、出土的文物、古跡、古建筑物等；（2）三維重現(xiàn)即使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，多媒體等技術(shù)對遺址進行建模、渲染；（3）三維傳播即通過網(wǎng)絡對遺址、文物進行瀏覽、漫游和展示。

考古學的研究與發(fā)現(xiàn)是建立在古代人類活動遺存的基礎之上，目標是為了重建古代人類的物質(zhì)和精神文化的面貌。要實現(xiàn)這一目標，就需要對古代人類活動遺留的遺跡和遺物（考古遺產(chǎn)）進行分析和研究，已提取其中所蘊含的的信息?？脊艑W的基本方法層位學和類型學就是有效提取和解讀信息的方法。

對考古學研究而言，信息提取的越全面、越深入，研究的廣度和深度就能增加，研究的結(jié)果更具可靠性。目前，科技考古的興起就是這一趨勢的體現(xiàn)。通過引入最新的科技成果，更準確、更快速、更全面的提取遺跡和遺物的信息，從而服務于考古學研究?？萍伎脊旁谛畔⒌奶崛〉娜嫘院蜏蚀_性較傳統(tǒng)考古有優(yōu)勢。這也是科技考古興起的緣由。數(shù)字化和信息化是科技發(fā)展的趨勢之一，同樣，也是科技考古發(fā)展的趨勢。這也符合考古學研究的需要。

對于考古遺產(chǎn)的保護和展示利用而言，記錄和展示是最基礎的部分。對于考古遺產(chǎn)來說，保護的基礎是記錄，利用的基礎是展示。不論是遺跡還是遺物保護的前提是掌握考古遺產(chǎn)的信息。信息的記錄的越全面越完善越有利于保護工作的進行，包括檔案的建立，修復工作等一系列保護工作都建立在信息記錄上。而要利用考古遺產(chǎn)，最主要的方式是展示，這是對考古遺產(chǎn)原貌的再現(xiàn)。由于部分的考古遺產(chǎn)如建筑、大型墓葬、石窟等具有空間大，不可移動的特點，要體現(xiàn)其整體面貌，就需要借助科技手段對其進行整體重現(xiàn)。三維建模技術(shù)在考古遺產(chǎn)信息的記錄以及展示與再現(xiàn)方面，有自身獨特的優(yōu)勢。

首先，考古學研究的成果以文字和圖片為主，三維數(shù)字化構(gòu)建的三維模型（在保證精確的前提下）比文字和線圖照片更直觀，更容易被認知，在展示和宣傳考古學成果和考古遺產(chǎn)方面更具優(yōu)勢。目前，電子博物館和虛擬游覽等展示手段對于博物館的展出效果和對考古遺產(chǎn)的宣傳效果要比靜態(tài)的文物展更有吸引力。

在國際上，很多國家已經(jīng)開始了對數(shù)字化考古工作的研究和應用，美國斯坦福大學、華盛頓大學與Cyberware公司合作完成的數(shù)字化米開朗基羅計劃使用三維掃描儀記錄了十座米開朗基羅所塑造的大型塑像，包括著名的大衛(wèi)像，并在旁建立了交互式的計算機環(huán)境供參觀者使用。近年來，我國在文物考古領域也開展了一系列三維激光掃描技術(shù)應用實踐工作，如故宮博物院正在開展的古建筑數(shù)字建模項目，洛陽龍門石窟研究院利用三維技術(shù)建立的數(shù)字檔案。這些實踐工作為三維激光掃描技術(shù)在考古文博領域的進一步深入開展都是有益的探索和實踐。而秦俑二號坑遺址三維數(shù)字建模項目的工作實踐表明，在考古發(fā)掘與文物保護展示利用工作的同時，引入三維數(shù)字化技術(shù)，對考古遺址的相關(guān)信息進行同步采集和處理，并進而建立數(shù)字模型，不僅可以滿足考古發(fā)掘過程中科學、準確獲取遺址各類信息的要求，同時也為后期研究、保護、展示、考古資源管理、公眾教育奠定了重要的基礎。[4]

另外，在確保精準度的前提下，三維數(shù)字模型完全可以替代實物進行類型學的排比研究。三維模型可以輕松的調(diào)整各種視角，進行放大縮小，并能實時測量各種細節(jié)數(shù)據(jù)，對于類型學的分類對比研究要優(yōu)于文字和圖片資料。

其次，考古學從田野調(diào)查到發(fā)掘再到室內(nèi)整理，一線考古工作者的田野工作水平對結(jié)果有很大影響，田野發(fā)掘中遇到諸如地層、遺跡的劃分等具體問題時一線考古工作者的主觀判斷會決定發(fā)掘結(jié)果，一旦發(fā)掘錯誤，其過程具有不可逆性，發(fā)掘的本身對遺跡也是一種損壞。這對于第一手的資料的詳細和準確程度就有要求。在這方面，三維數(shù)字建模相對于傳統(tǒng)的發(fā)掘筆記有優(yōu)勢，如果能在一線發(fā)掘過程中能有手持的三維掃描設備對發(fā)掘過程進行實時記錄，再配合文字和照片，就可以更大程度上還原發(fā)掘過程中的真實情況，對于后續(xù)的研究工作就能避免錯誤和疏漏，發(fā)掘的結(jié)果更接近真實情況。建立在這個基礎上的考古遺產(chǎn)保護和利用工作就更加方便快捷。

再次，三維數(shù)字化在信息的收集和處理方面能更方便快捷。在考古學研究中，三維建模系統(tǒng)能輕松展現(xiàn)文物細節(jié)，并能測量文物包括長、寬、高、厚度、口徑、內(nèi)徑以及各個細節(jié)角度在內(nèi)等實地不方便測量的數(shù)據(jù)，并能生成線圖，方便單個文物的對比研究。

三維建模系統(tǒng)可以構(gòu)建整個考古工地的三維模型，從地層到遺跡再到遺物能夠統(tǒng)一于一個三維坐標系內(nèi)部，其空間相對位置關(guān)系和時間序列都清楚明了，并能根據(jù)相關(guān)特征進行分類統(tǒng)計和檢索，形成電子版的發(fā)掘日記，在接近真實視野的條件下對于考古工地發(fā)掘報告的撰寫和后續(xù)研究都有幫助。同時，依據(jù)這樣的整體三維模型，對于整個遺址和具體的遺跡和遺物的保護工作就有了明確的依據(jù)，對于后續(xù)的保護規(guī)劃有較高的參考價值，能較為全面的展示和再現(xiàn)其風貌。

最后，三維數(shù)字化系統(tǒng)能直觀的展示從遺物到遺跡到整個遺址的時間和空間上的相互關(guān)系，這不僅方便了考古遺產(chǎn)對于公眾的宣傳和展示，也對于相關(guān)的考古學、博物館學等學科的教育和學習有幫助。

可探索實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實游覽和虛擬發(fā)掘、虛擬展示，這是考古與文博學科新的發(fā)展方向。

此外，在具體實踐中，三維數(shù)字建模技術(shù)的應用也存在兩方面的問題。一方面是需要相關(guān)的科技方面的技術(shù)支持。能夠提供精確、可靠、穩(wěn)定的相關(guān)的技術(shù)設備和處理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)考古文博以及考古遺產(chǎn)保護展示利用所需要的各項功能。這需要多學科聯(lián)合的科研攻關(guān)工作。另一方面是對于相關(guān)的技術(shù)人才的培養(yǎng)工作。既能夠熟練的掌握相關(guān)的技術(shù)設備與軟件的操作與使用，有對考古文博等學科有相應的基礎和認識。這需要多學科聯(lián)合的人才培養(yǎng)工作。

小結(jié)

3D掃描系統(tǒng)和三維數(shù)字建模在田野發(fā)掘、考古學文物研究和考古遺產(chǎn)的保護與展示利用方面中有很大的應用潛力，對于考古學、博物館學研究的多個方面都有很大的幫助，而且三維數(shù)字建模是很好的多學科合作的良好平臺?？萍伎脊盘貏e是三維數(shù)字建模與考古文博學可的結(jié)合點就是信息化。對考古遺產(chǎn)信息的精確全面采集記錄到快捷處理再到直觀的展示與再現(xiàn)，是考古遺產(chǎn)保護與利用的必由之路；也是考古文博學科與其他學科交流融合的方向之一。

注釋：

[1]李曉東：《關(guān)于關(guān)于考古遺產(chǎn)研究與保護的幾個問題》；《華夏考古》 1993年第4期。

[2] 龍勇，袁靜，康鳳舉，張志利，高欽和，李向陽：《可視化仿真中三維建模策略研究》；《系統(tǒng)仿真學報》2011年12月第23卷第12期。

[3] 潘偉斌：《河南安陽市西高穴曹操高陵》；《考古》2010年第8期。

[4] 劉江濤：《三維掃描技術(shù)在考古勘探中的應用》，首都師范大學碩士論文，2007年5月。