文 圖∕聶凡

明代周懿王墓位于河南滎陽賈峪鎮(zhèn)魯莊村，為配合鄭州豫能熱電有限公司的建設(shè)工作，河南省文物考古研究院于2016 年7—12月對其進(jìn)行了考古發(fā)掘。發(fā)掘表明，周懿王墓由寢園建筑、主墓、祔葬墓等多部分組成。其中周懿王墓及夫人王氏墓各出土漢白玉描金墓志一合，蔡夫人墓出土青石墓志一合。因兩合漢白玉墓志字口內(nèi)描金，傳統(tǒng)拓印技術(shù)不利于文物保護(hù)，所以利用三維掃描技術(shù)制作數(shù)字拓片。

數(shù)字拓片是利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)，對石碑、石刻本體的輪廓和凹凸信息進(jìn)行圖像處理，而獲得具有傳統(tǒng)拓片視覺特征的數(shù)字圖像。對這種技術(shù)及方法的研究可以解決墓志、石碑、畫像石等浮雕類型文物數(shù)字拓片的采集難題。

三維激光掃描技術(shù)是最近幾年迅速發(fā)展并成熟的一項(xiàng)高新技術(shù)，激光三維掃描設(shè)備的精度日益提升。通過激光掃描設(shè)備，可以在無接觸的條件下，對碑刻文物進(jìn)行掃描。這種方法不會損害碑刻文物，不受表面復(fù)雜程度的影響，可以將掃描到的空間數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)，并且具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，數(shù)字化程度高，信息獲取、加工和表達(dá)容易。通過三維激光掃描系統(tǒng)，能夠快速獲取物體的三維空間信息，進(jìn)行三維模型重建。

周懿王漢白玉墓志蓋

周懿王夫人王氏墓志蓋

通過三維掃描儀對碑刻進(jìn)行掃描，將掃描獲得的碑刻點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入軟件，經(jīng)處理后獲得三角網(wǎng)格模型，建立起碑刻的3D 模型。在3D 模型上進(jìn)行手工選點(diǎn)，勾勒出整個碑刻的形狀特征；獲得三維模型頂點(diǎn)的深度圖后，通過圖形圖像處理技術(shù)填充三角面片，獲得對應(yīng)的數(shù)字拓片。

數(shù)字拓片技術(shù)

數(shù)字拓片依托結(jié)構(gòu)光掃描，獲取高精度的三維網(wǎng)格模型，通過表面紋理提取技術(shù)，將三維紋理轉(zhuǎn)化為二維紋理，從而獲取數(shù)字拓片。整個工藝流程對石碑石刻無接觸、無損害，提取紋理效率高。

數(shù)字拓片技術(shù)流程包括四個方面。一是在采集階段要掃描獲取高精度的點(diǎn)云模型和三維網(wǎng)格模型。二是在抽取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過三維網(wǎng)格簡化獲取服帖與高精度網(wǎng)格模型之上的三維網(wǎng)格簡化模型。三是在三維烘焙的技術(shù)下獲取置換位移映射通道、表面曲率通道、環(huán)境閉塞通道等。四是在平面處理軟件中，對平面紋理進(jìn)行高反差保留、濾波紋理提取、仿紙工藝處理等操作，獲取高精度的數(shù)字拓片。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段使用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，對墓志進(jìn)行高精度的三維掃描，建議選擇采用藍(lán)光或者結(jié)構(gòu)光工藝的掃描儀，其掃描精度應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.01mm。三維掃描現(xiàn)場工作應(yīng)采用正面采集的工藝，減少數(shù)據(jù)的拉伸情況，掃描的單幀幅面不宜過大。對于數(shù)據(jù)的幅面拼接，應(yīng)采用ICP 特征點(diǎn)自動拼接，拼接精度≤0.02mm。

三維網(wǎng)格簡化數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集獲取的高精度三維模型，因精度高，通常數(shù)據(jù)量4—10G 不等，為提高后續(xù)處理的效率，對高精度的網(wǎng)格模型提取網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的三維網(wǎng)格簡化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維網(wǎng)格簡化烘焙模型是提取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后獲得的模型，數(shù)據(jù)應(yīng)控制在300M 左右。通過三維網(wǎng)格簡化工藝獲取的三維網(wǎng)格簡化結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)當(dāng)盡量避免結(jié)構(gòu)點(diǎn)在碑刻的文字和主要花紋之中，應(yīng)當(dāng)將點(diǎn)線面結(jié)構(gòu)置于碑刻的雕刻平面之上，避免與碑刻模型的穿插。三維網(wǎng)格簡化點(diǎn)線面結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)布線均勻，充分考慮雕刻平面并不是絕對平整的特點(diǎn)。三維網(wǎng)格簡化模型應(yīng)當(dāng)服帖于碑刻模型之上，保持與雕刻平面統(tǒng)一的距離。

三維烘焙紋理

“烘焙”是計算機(jī)圖形學(xué)（CG）行業(yè)中經(jīng)常使用的術(shù)語，涉及游戲開發(fā)和傳統(tǒng)的非實(shí)時渲染使用三維烘焙紋理，采用置換位移映射的工藝。3D 物體屬性上將多種組合的特性烘焙成單個紋理，然后又可以使用對象的UV 坐標(biāo)將圖像紋理重新映射到模型對象。

置換位移映射是與凹凸貼圖、法線貼圖、切線貼圖相區(qū)別的另一種制造凹凸細(xì)節(jié)的技術(shù)，它使用一個高度貼圖制造出幾何物體表面上點(diǎn)的位置被替換到另一位置的效果。這種效果通常讓點(diǎn)的位置沿面法線移動一個貼圖中定義的距離。它使得貼圖具備了表現(xiàn)細(xì)節(jié)和深度的能力，且可以同時允許自我遮蓋、自我投影和呈現(xiàn)邊緣輪廓。

置換位移映射在此工藝流程中，通過與拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)合，通過二進(jìn)制求值法，獲取烘焙目標(biāo)物體和烘焙參考物體的空間距離關(guān)系。烘焙閾值內(nèi)，空間距離較遠(yuǎn)的參考點(diǎn)以接近“0”的數(shù)值計算呈現(xiàn)，空間位置比較近的參考點(diǎn)以接近“1”的數(shù)值計算呈現(xiàn)，并對獲取的數(shù)值以平面紋理圖的方式示意呈現(xiàn)。由此烘焙獲取的紋理，稱之為置換位移映射紋理。

平面紋理處理

對于獲取的置換位移映射紋理、環(huán)境閉塞紋理，以及表面曲率紋理，均采用32 位通道，保留平面紋理的色域。采用高反差保留、濾波紋理提取、仿紙工藝處理的方式，來獲取高保真的數(shù)字拓片紋理。

因石碑石刻并不是絕對平面，受石質(zhì)碑刻制作工藝的影響，通常獲取的紋理表面會出現(xiàn)部分色值不均勻的情況，不利于數(shù)字拓片的提取。通過高反差保留的工藝，過濾非正常的紋理，使碑面和刻字部分灰度值區(qū)分明顯，且平面紋理均勻。高反差工藝獲取的紋理一般特征為，遠(yuǎn)離拓?fù)淦矫娴念伾坪谏?，貼近拓?fù)淦矫娴念伾瓢咨?。為了與拓片色彩表現(xiàn)相同，采用反轉(zhuǎn)顏色的命令，可使紋理部分表現(xiàn)為白色，雕刻基礎(chǔ)平面表現(xiàn)為黑色。

置換位移映射示意

拓片反轉(zhuǎn)顏色示意

獲取反轉(zhuǎn)紋理后，對于紋理采用濾色取值，采用色階的命令獲取在不同閾值范圍內(nèi)的紋理對比成果。在此步驟中參照實(shí)物碑刻文字的具體尺寸效果，獲取適合的色域值，用以還原拓片的紋飾。當(dāng)閾值選擇過高則會出現(xiàn)白色色溢過多的情況。但閾值選擇過小時黑色色溢過多，則提取范圍達(dá)不到花紋與雕刻平面的交界位置，為正常色域范圍的效果，碑刻紋飾清晰，平面與轉(zhuǎn)折自然，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的拓片還原效果。

為了進(jìn)一步呈現(xiàn)與拓片一致的效果，通過仿紙紋理的添加可以使原有計算機(jī)生成的紋理，具有更強(qiáng)的紋理感，參照紙質(zhì)紋理的生成方式和原理，不同的紙質(zhì)紋理可以應(yīng)用于數(shù)字拓片的效果中，增強(qiáng)數(shù)字拓片的真實(shí)感。

技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)字拓片技術(shù)有眾多的技術(shù)優(yōu)勢：

第一，采集處理輸出效率高。通過對數(shù)字拓片工藝的研究，一次采集之后，數(shù)字化工藝流程提取表面紋理，無需長時間與文物結(jié)合，且無需像傳統(tǒng)拓片一樣需要復(fù)雜的工藝流程。提取表面紋理可以不受現(xiàn)場環(huán)境的影響，獲取紋理更加便捷高效。特別是對于一些外部拓制環(huán)境困難的現(xiàn)場，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速采集、內(nèi)業(yè)快速處理的高效工作流程。

第二，成果線性可控。在每個工藝流程中，均可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化線性控制，對于特殊部分可以采取分步操作的方式。真正做到成果線性可控，提取區(qū)間自由的目的，對于不理想的區(qū)域，可以以數(shù)字化方式采取合理數(shù)值區(qū)間。相較傳統(tǒng)工藝，一旦拓印流程出現(xiàn)失誤，整個工藝需要重新開始，而數(shù)字化的成果具有可操作性，在最大程度上保證了數(shù)據(jù)完整性。

第三，工藝適用性高。數(shù)字拓片的工藝可以廣泛地應(yīng)用于各種石碑石刻，且三維采集工藝不受設(shè)備的影響，可采用三維結(jié)構(gòu)光掃描儀、三維藍(lán)光掃描儀、三維白光掃描儀等，為石質(zhì)文物的研究和保護(hù)提供了更為便捷的數(shù)字化工藝流程。

第四，可實(shí)現(xiàn)二維矢量紋理轉(zhuǎn)換。獲取的數(shù)字拓片紋理因工藝的優(yōu)異性，輸出文件的尺寸具有較大的自由性。通過高清紋理的矢量轉(zhuǎn)換，可以獲取無損的矢量文件，為拓片的打印提供了高清的數(shù)據(jù)支撐。

第五，成果數(shù)字化。為便于存儲研究整個數(shù)字拓片工藝流程，獲取的三維網(wǎng)絡(luò)模型、烘焙紋理、平面處理的數(shù)據(jù)均為數(shù)字形式。相較于傳統(tǒng)拓片，這樣一方面節(jié)省了原料和材料，另一方面數(shù)字成果在數(shù)據(jù)保存和研究方面更加便捷。

與傳統(tǒng)拓片對比，數(shù)字拓片的效果圖更佳，紋飾線刻、字體線刻更加具體豐富，立體感更強(qiáng)。篆刻分為陽刻、陰刻、陽刻加陰刻三種表現(xiàn)形式，陽刻與陰刻數(shù)字拓片的制作方法相同，陽刻加陰刻的拓片制作程序復(fù)雜，一直是數(shù)字拓片的技術(shù)難題。周懿王墓志蓋和周懿王夫人王氏墓志蓋屬于陽刻加陰刻相結(jié)合的篆刻手法，在制作數(shù)字拓片時，基本上解決了這類碑刻不易獲取的難題。與傳統(tǒng)拓片對比，數(shù)字拓片墨色輕重變化均勻自然，線條粗細(xì)變化清晰流暢。

周懿王墓志蓋及墓志數(shù)字拓片

周懿王夫人蔡氏墓志蓋“懿”字和周懿王墓志蓋“誌”字?jǐn)?shù)字拓片與傳統(tǒng)拓片對比

周懿王夫人王氏墓志邊框紋飾數(shù)字拓片與傳統(tǒng)拓片對比

數(shù)字拓片應(yīng)用

數(shù)字化成果可以與其他行業(yè)結(jié)合，這是傳統(tǒng)拓片工藝所不具備的。獲取的數(shù)字信息，可用于數(shù)字拓片的紋理提取與制作；所獲取的三維掃描數(shù)據(jù)，不僅起到了數(shù)據(jù)留存的作用，而且通過三維數(shù)據(jù)與3D 打印的結(jié)合可以用于文物復(fù)制和修復(fù)，對文物的保護(hù)意義重大。三維數(shù)據(jù)采集后，三維模型與文化創(chuàng)意相結(jié)合可以對文化創(chuàng)意產(chǎn)生推動作用，真正做到讓文物火起來，讓歷史文化元素融入我們的生活當(dāng)中。

觀眾可以通過電腦或手機(jī)在線多形式瀏覽數(shù)字拓片的三維模型，可以真切地觸摸到“真實(shí)”的文物，實(shí)現(xiàn)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、與真實(shí)文物進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)了文物與觀眾的多效互動。此外，還體驗(yàn)到電子拓片的介紹、高清圖片欣賞等功能，突破了藏品在空間展示上的限制，增強(qiáng)了趣味性，促進(jìn)了歷史文化在公眾中的傳播。