張珮琛

(上海博物館，上海 200003)

0 引 言

中國古代青銅器大多經(jīng)出土而面世，長時(shí)期埋藏環(huán)境的腐蝕和擠壓，使得它們出土?xí)r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(zhì)、不同強(qiáng)度、不同損壞程度的物質(zhì)混合在一起，對于文物后期保護(hù)方案制定、提取方法和清理等修復(fù)步驟來說，是最復(fù)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(yán)重掩蓋，甚至文物本身的物質(zhì)存續(xù)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(jié)構(gòu)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(fù)處理和保存環(huán)境控制。這些已然成為現(xiàn)代青銅文物保護(hù)的目標(biāo)與要求。

中國的青銅器修復(fù)是一門古老的傳統(tǒng)技藝，也是現(xiàn)代文物保護(hù)中不可或缺的門類。隨著科技檢測應(yīng)用領(lǐng)域的橫向擴(kuò)展，越來越多的科技檢測設(shè)備和手段融入到這項(xiàng)古老的技藝，使其操作變得更為安全與精確。

傳統(tǒng)青銅器修復(fù)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，又存在安全隱患。因此，能在修復(fù)前，了解文物材質(zhì)及其病變規(guī)律，探知青銅文物內(nèi)部的工藝結(jié)構(gòu)及病害的損傷，成為制定最合適的文物保護(hù)修復(fù)方案的先決條件。只有對文物有了深層的認(rèn)知，才能更客觀地選用有針對性的、切合實(shí)際的保護(hù)方法和材料，從而大大降低保護(hù)行為當(dāng)中的冒險(xiǎn)性，避免“保護(hù)性破壞”的盲動(dòng)，更加有效地保護(hù)人類的文化遺產(chǎn)。

20世紀(jì)50年代，X射線探傷技術(shù)開始被博物館方面應(yīng)用于檢測古銅器。利用X射線穿透物體而形成的影像，可準(zhǔn)確表現(xiàn)青銅物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。不同物質(zhì)由于其密度和結(jié)構(gòu)不同，對X射線的吸收程度也不同，因此不同材質(zhì)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(zhì)文物的成像準(zhǔn)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(xiàn)前后結(jié)構(gòu)影像互相重疊的現(xiàn)象，而且存在盲區(qū)，無法穿透厚金屬。另外還存在數(shù)據(jù)量龐大、靈活性和便利性不足的問題[1]。

計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)技術(shù)的應(yīng)用彌補(bǔ)了X射線探傷的不足。高精度工業(yè)CT又被稱為“工業(yè)用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)”，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(shí)現(xiàn)對文物的非接觸式三維高精度掃描，清晰、準(zhǔn)確和直觀地獲得被檢測文物的內(nèi)部信息，對于文物保護(hù)與修復(fù)領(lǐng)域的無損檢測技術(shù)研究具有重要的實(shí)際意義。其應(yīng)用主要有五個(gè)方面：1)對被檢測文物內(nèi)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(jié)構(gòu)尺寸的測量；4)密度測量；5)逆向工程應(yīng)用。在青銅器修復(fù)保護(hù)領(lǐng)域，工業(yè)CT技術(shù)可以剖析古代青銅器的泥質(zhì)芯撐、銅質(zhì)墊片、范縫、加強(qiáng)筋等隱藏的工藝特征，探知文物內(nèi)部的工藝結(jié)構(gòu)及損傷，了解文物材質(zhì)及其病變規(guī)律。

同時(shí)，工業(yè)CT不僅可以實(shí)現(xiàn)X射線探傷技術(shù)獲取文物信息，還能實(shí)現(xiàn)針對文物的定量無損檢測與評價(jià)，并通過軟件將高精度的斷層掃描數(shù)據(jù)和材料信息進(jìn)行整合，精確地還原文物各方面的三維模型數(shù)據(jù)，是一個(gè)實(shí)物數(shù)字化的微分過程。憑借精確的斷層掃描數(shù)據(jù)作為建?；A(chǔ)，工業(yè)CT成為最精確的文物三維掃描設(shè)備。

精確的三維模型數(shù)據(jù)，是一切后期數(shù)據(jù)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。本工作針對一件考古發(fā)掘的春秋時(shí)期青銅鼎，嘗試將高精度工業(yè)級CT技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)青銅文物修復(fù)中，并將檢測影像數(shù)據(jù)與視覺增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)相結(jié)合，為文物修復(fù)方案的制定提供更為準(zhǔn)確的依據(jù)，為修復(fù)實(shí)施提供更為直觀與便利的操作環(huán)境，也是對傳統(tǒng)青銅器修復(fù)技藝的發(fā)展進(jìn)行的新探索。

1 設(shè)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(yè)版)，用于文物清理和提取操作。

2 文物現(xiàn)狀與修復(fù)方案的制定

2.1 文物現(xiàn)狀

繩紋青銅鼎出土于南京市高淳區(qū)春秋土墩墓。從歷史歸屬地看，南京高淳地區(qū)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(jìn)行了發(fā)掘。該土墩墓為一墩多墓，其中5座墓鋪設(shè)有石床，墓葬出土了銅鼎等隨葬器物。在江蘇為首次發(fā)現(xiàn)，對研究寧鎮(zhèn)地區(qū)春秋時(shí)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(yán)重?cái)D壓變形后出現(xiàn)斷裂。整體銹蝕嚴(yán)重，鼎的碎片、鼎腹內(nèi)泥土與石片完全粘連板結(jié)在一起。通過CT檢測發(fā)現(xiàn)，三足不同程度地?cái)嗔?，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(nèi)泥土與腹外石床邊界影像分離度較弱，病害情況較為復(fù)雜(圖1～圖3)。

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

圖2 青銅鼎身受到嚴(yán)重?cái)D壓變形后出現(xiàn)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(jù)CT影像可看到多材質(zhì)混合的青銅鼎內(nèi)各物體間的大致結(jié)構(gòu)和關(guān)系。有些在淺表層，有些卻在底部。但在實(shí)際青銅器清理過程中，依然要采用由外至內(nèi)、多點(diǎn)局部試探性剝離、再逐漸連接成面深入的方法。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的應(yīng)用給原本看圖憑經(jīng)驗(yàn)清理的形式帶來了全新的改觀。

AR是實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的技術(shù)。AR將現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息通過電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加實(shí)物，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。AR技術(shù)具有3個(gè)突出的特點(diǎn)：真實(shí)世界和虛擬世界的信息集成；具有實(shí)時(shí)交互性；在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。

2.2 修復(fù)方案制定

AR技術(shù)最早與文物修復(fù)的結(jié)合是應(yīng)用在文物古跡等不可移動(dòng)文物的復(fù)原方案上。使用AR修復(fù)不可移動(dòng)文物給游客們帶來了不一樣的感官體驗(yàn)和震撼，但是真正將該技術(shù)應(yīng)用到可移動(dòng)文物修復(fù)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(shù)據(jù)的原理與局限性，使得它除了可掃描到表面外，無法準(zhǔn)確獲取器物內(nèi)部材料及結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)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(yè)CT作為一種數(shù)字化無損檢測設(shè)備，能給出文物斷層數(shù)字圖像以及數(shù)字化透射圖像，可以對金屬和非金屬等材質(zhì)的文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行檢測和病害評價(jià)，得到普通三維掃描儀不能獲取的立體數(shù)據(jù)，是文保行業(yè)內(nèi)公認(rèn)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(fù)雜的“包裹混合物”，嘗試將CT采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入AR技術(shù)，并通過軟件制作與可穿戴AR設(shè)備配合，給文物修復(fù)師提供一個(gè)更為清晰而直觀化的可視空間，為文物修復(fù)方案的制定、碎片提取以及不同材質(zhì)附著物的分離提供更為精確的數(shù)據(jù)支持，也為后期的科普與展陳提供可視化創(chuàng)作空間。這樣的修復(fù)形式對于AR影像與實(shí)際文物結(jié)合的“黏性”以及互動(dòng)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(nèi)外，操作難度較大，故此在制定修復(fù)方案前，先采用“包裹混合物”模型來進(jìn)行模擬操作。

3 CT技術(shù)結(jié)合AR技術(shù)的應(yīng)用

3.1 模擬操作

此次設(shè)計(jì)的模型以出土多材質(zhì)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(fù)制樣品，不規(guī)則地埋藏于石膏與泥土的混合物內(nèi)(圖4)，通過CT掃描得到模型內(nèi)部清晰的CT影像。由于工業(yè)CT斷層圖像在一般軟件上無法讀取，必須轉(zhuǎn)存為STL(STereoLithography)格式導(dǎo)出。STL是在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式，是應(yīng)用較為廣泛的快速原型系統(tǒng)(RP技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)文件類型。它被廣泛用于快速成型、3D打印和計(jì)算機(jī)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(dǎo)出的STL數(shù)據(jù)必需在UNITY、UE4等3D建模軟件中清理干擾，進(jìn)行復(fù)原建模，生成可視化的AR效果。在操作過程中當(dāng)“包裹混合物”進(jìn)入軟件畫面，軟件會(huì)識別并自動(dòng)激活對應(yīng)的數(shù)碼復(fù)原模型。計(jì)算機(jī)會(huì)快速將復(fù)原模型與實(shí)物進(jìn)行重疊與鎖定，并隨著實(shí)體模型的同步移動(dòng)，具有較強(qiáng)的“黏性”(圖5)。通過軟件將石膏內(nèi)的四件樣品分別用色彩和名稱標(biāo)注。通過設(shè)置指令，可以選擇其中任何一件模型單獨(dú)觀測，并可計(jì)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(shù)據(jù)，為后期操作提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。

圖5 在建模軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)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(shù)據(jù)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(nèi)整體逐層剔除，大大提高了“包裹混合物”清理的準(zhǔn)確性和效率(圖6)。

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

3.2 實(shí)物修復(fù)

把文物實(shí)物進(jìn)行分層掃描獲取三維數(shù)據(jù)模型是一個(gè)實(shí)物數(shù)字化的微分過程，而再將這組三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入軟件修整是一個(gè)衍生應(yīng)用過程。通過模型操作試驗(yàn)，進(jìn)一步證明了CT技術(shù)結(jié)合AR技術(shù)應(yīng)用于青銅器修復(fù)方案制定的可行性。將出土春秋青銅鼎的CT原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL格式導(dǎo)入U(xiǎn)NITY3D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(xiàn)有差異的灰度：青銅基體密度最大，呈亮色；鼎腹下石頭質(zhì)地較為純潔，呈現(xiàn)均勻的灰色；鼎腹內(nèi)泥土成分較雜，呈現(xiàn)不均勻灰色。通過軟件將這三者的灰度反差在圖像上強(qiáng)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(yán)重，密度較為接近，CT灰度值較為接近，因此在軟件灰度強(qiáng)化過程中有些材質(zhì)局部分界并不十分清晰，局部需通過手動(dòng)模式分離，將分離后的數(shù)據(jù)按材質(zhì)類型各自獨(dú)立編組成為獨(dú)立選區(qū)，并以各自的材質(zhì)顯示，將手動(dòng)分離后鼎腹內(nèi)的泥土編組后，賦予藍(lán)色果凍狀材質(zhì)標(biāo)識，并可以通過軟件內(nèi)測量的小工具，計(jì)算出每個(gè)碎片的實(shí)際尺寸與距離操作邊界的距離，便于鼎內(nèi)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(fù)方案的制定與實(shí)施提供了有力的依據(jù)[2]。

圖7 CT數(shù)據(jù)通過軟件生成可視化多材質(zhì)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(jìn)行后期制作，不僅是因?yàn)檐浖旧硪讓W(xué)、操作界面親和，而且主要還因?yàn)檐浖囊恍┨厣δ芸梢詽M足文物修復(fù)創(chuàng)建的需求。首先，其支持多種格式導(dǎo)入，整合多種DCC文件格式，可以將一些信息或圖片導(dǎo)入到正在制作的作品當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)多功能操作。其次，綜合編輯是UNITY3D的基礎(chǔ)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(dòng)力是軟件自帶的一個(gè)特色。UNITY3D渲染底層支持DirectX和OpenGL。內(nèi)置的100組Shader系統(tǒng)，結(jié)合了簡單易用、靈活、高效等特點(diǎn)，支持NVIDIA PhysX物理引擎，可模擬包含剛體和柔體物質(zhì)、機(jī)械物理等。UNITY3D將這三者的灰度在圖像上強(qiáng)化，通過手動(dòng)分離將各自獨(dú)立編組，并以各自的材質(zhì)顯示，將鼎腹內(nèi)的泥土貼圖渲染成為藍(lán)色果凍狀材質(zhì)并加以標(biāo)識，便于鼎內(nèi)殘足和碎片的尋找與辨識。這也成為了后期實(shí)時(shí)清理和分離工作的基礎(chǔ)，更為展陳以及科普工作保留了珍貴的數(shù)據(jù)。

3.3 穿戴式AR設(shè)備的應(yīng)用

AR作為一個(gè)新的計(jì)算平臺及新的終端，強(qiáng)感知是其區(qū)別于PC、手機(jī)等傳統(tǒng)終端的一大核心能力。AR技術(shù)不僅在文物修復(fù)方案上提供了可視化的方案，對于實(shí)際文物修復(fù)的操作過程也起到了關(guān)鍵性作用。穿戴式的AR設(shè)備在不占用文物修復(fù)師雙手的同時(shí)，為修復(fù)師提供了全新的修復(fù)體驗(yàn)。在硬件支持上，得力于攝像頭及傳感器等技術(shù)的不斷成熟，AR穿戴設(shè)備更接近于人的五官，可以時(shí)時(shí)刻刻對環(huán)境進(jìn)行感知和探測，AR眼鏡無疑是其中最為普遍的設(shè)備[3]?；谂臄z、處理、顯示和交互等硬件模塊的相互配合，AR眼鏡可實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合、空間定位和虛實(shí)交互等功能：

1) 虛實(shí)融合。通過佩戴AR眼鏡，使用者可在不影響觀察現(xiàn)實(shí)世界的情況下，同時(shí)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。

2) 空間定位?？臻g定位是指在虛實(shí)融合的基礎(chǔ)上，通過智能識別技術(shù)與SLAM技術(shù)，可自動(dòng)識別定位現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬信息的位置和方向，并能夠判斷用戶與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的位置關(guān)系以及虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的遮擋關(guān)系，進(jìn)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(shí)達(dá)到完美融合。

3) 虛實(shí)交互?；跀z像頭、麥克風(fēng)、眼球追蹤傳感器、指環(huán)和腕帶等設(shè)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(dòng)等方式與虛擬信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。比如用戶能夠像操作實(shí)物一樣，直接通過雙手對三維模型進(jìn)行操作，同時(shí)三維模型還能做出相應(yīng)改變。

AR設(shè)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(huán)境和人的意圖。本次修復(fù)工作采用微軟公司Hololens全系智能眼鏡、4枚環(huán)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(shù)來進(jìn)行手勢識別和環(huán)境場景的實(shí)時(shí)建模，為修復(fù)工作的實(shí)時(shí)提供了非常便利的操作空間[3-4](圖8)。

圖8 AR眼鏡在修復(fù)中實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合、空間定位和虛實(shí)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(shí)景。隨著頭部的移動(dòng)，當(dāng)青銅鼎實(shí)物進(jìn)入AR眼鏡可視范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)渲染的虛擬鼎即在內(nèi)層鏡片中被激活播放，并與實(shí)物青銅鼎鎖定。此時(shí)目之所及，虛擬鼎與實(shí)物鼎是高度吻合的。視覺錯(cuò)覺使得鼎腹內(nèi)的泥土呈現(xiàn)藍(lán)色“果凍”狀態(tài)，“果凍”內(nèi)疊壓、懸浮的青銅碎片和殘足清晰可見。此時(shí)，修復(fù)師就可以戴著AR眼鏡，雙手開始有計(jì)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(fù)過程中通過手勢與眨眼指令調(diào)動(dòng)拍照、視頻錄制模塊，記錄眼鏡中的一切細(xì)節(jié)，作為文物修復(fù)檔案保存與研究，甚至可以通過網(wǎng)絡(luò)多人聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程文物病害會(huì)診、方案制定與修復(fù)研討[5](圖9)。

圖9 佩戴AR眼鏡后看到的虛擬與實(shí)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(shù)輔助下，通過修復(fù)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(zhǔn)確地提取出鼎腹內(nèi)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(dāng)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(fù)的同時(shí)，不會(huì)承受過多的修復(fù)應(yīng)力。修復(fù)完成后，在其鼎耳上還清晰地發(fā)現(xiàn)了少見的焚失法鑄造痕跡(圖11)。

圖10 鼎腹內(nèi)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(fù)完成的春秋青銅鼎Fig.11 Rrestored bronze Ding of the Spring and Autumn Period

4 結(jié) 論

CT檢測與AR技術(shù)的結(jié)合，不僅可以為前期文物修復(fù)方案的制定提供更為準(zhǔn)確與直觀的依據(jù)，也為后期修復(fù)師的操作帶來更多便利，避免了僅憑經(jīng)驗(yàn)操作對文物帶來的修復(fù)隱患。隨著人工智能(artificial intelligence，AI)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的科技檢測數(shù)據(jù)可以結(jié)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(xué)習(xí)積累和算法分析，結(jié)合CT數(shù)據(jù)，建立AR輔助文物清理系統(tǒng)、三維引擎實(shí)時(shí)修復(fù)助手和文物修復(fù)應(yīng)力模擬系統(tǒng)，使得AI可以為變形文物的矯形概率提供一個(gè)可行的矯正參數(shù)和方法。這可以為修復(fù)專家提供更為直觀的文物殘缺部分的圖像，從而提高修復(fù)的準(zhǔn)確性和可靠性，也使得文物修復(fù)工作更具有效率。