双墩文化遗址的3D建模技术与虚拟现实还原展示探讨

万惠玲

（蚌埠学院 艺术设计系，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠双墩文化遗址位于蚌埠市淮河北岸的双墩村，三次进行抢救性考古发掘，出土大量风格独特的珍贵文物，经碳14测定该遗址距今约7300年，1991年国家文物局在合肥召开的“苏鲁豫皖先秦考古”工作座谈会上，认为该遗址是淮河中游地区史前文化的代表，在中国古代文明起源中具有重要地位和巨大影响[1]（1）。出土的特色文物论证蚌埠双墩遗址的特殊价值，丰富中华文化的内涵，同时对于区域特色文化产业注入良好的文化基础。对此，通过3D虚拟现实技术为纽带，综合图形处理、人机交互技术等多种数字技术，对蚌埠双墩文化遗址进行三维虚拟现实展示技术探讨，为双墩文化遗址的保护、研究、修复以及虚拟旅游提供一种新的方法。实践证明，在考古遗址应用3D数字建模技术，不仅可以完全达到这些目的，同时，将会是考古信息获取和资料后期整合、分析手段的一次具有重要意义的变革[2]。

一、蚌埠双墩文化遗址结构特征及文化内涵分析

双墩文化遗址具有典型的自身文化特征，其文化层堆积呈斜坡状，层次分明，出土的文化遗物丰富多彩，主要有陶器、石器、蚌器、骨角器、红烧土块建筑遗存、动物骨骼、蚌壳等，种类繁多，其陶器以四鋬平底罐形釜、矮圈足或假圈足饼底碗、矮喇叭座豆、鸟首或牛鼻形耳系罐、底腹均有箅孔的甑及祖形支架等为组合，既有生产生活工具，又有大批的刻划符号和泥塑艺术品。区别于其他文化的遗物群，特别是数量众多、内容丰富、结构复杂的象形、几何行及其他各种单体、重体、组合体类型的陶器刻划符号，使双墩遗址形成独特而新颖的文化面貌，为探索7000多年前先民们的社会经济文化生活，提供了大量信息[3]（1）。

双墩文化遗址是淮河中游地区发现的年代最早的新石器时代文化遗存，对建立淮河中游地区史前文化年代分期框架和谱系研究具有特别重要的意义。其罕见的600多件刻划符号表明它是一定地域范围氏族部落之间表达特定含义的记录符号，涵盖古淮夷先民生产、生活和精神领域活动的大量信息，呈现出独特的、兼蓄南北方早中期原始文化内涵，是研究中国文字起源的珍贵资料。为此，以双墩古遗址为研究原型，以器物、地形、建筑残留作为主要展示对象，结合Converse3D等技术实现虚拟还原展示对象，结合3D可视化虚拟技术，建立双墩遗址生活场景三维数据模型，实现遗迹信息的数字化存储，建立建筑物、植被、地形、及天空的虚拟反演，再现双墩遗址、全面可视遗址成为可能，继而了解古淮夷先民的生存环境和生产力发展水平，为双墩遗址的研究和开发创造条件，为考古信息数字虚拟提供新的方法，同时将考古成果以生动的形象和严谨的科学内涵展示出来，考古工作者利用3D数字建模获取双墩遗址的各种信息，探寻古淮夷先民与古环境的内在联系。

二、3D虚拟现实技术国内外研究现状分析

3D虚拟现实技术在考古发掘及考古研究上的应用改变传统信息的获取方式，参与者及参观者可以互动双向的对虚拟实体进行对比研究和交互操纵，可以获取更多交流与成果提取。为学术研究、美术考古、参观游览带来更多的帮助。国内外使用的数字技术主要有利用射线或核磁技术进行计算机断层摄影，如x计算机断层摄影（X-CT）、超声波计算机断层摄：影（u-CT）及核磁共振计算机断层摄影（NMR-CT）等；二是利用数字技术进行文物修复，包括器物的色彩、纹样、形状的恢复还原；三是三维激光扫描建模技术，具有测量数据精度高，非接触性测量等优点，是文物信息采集、存储的重要手段；三维激光扫描建模技术的核心是点云数据处理，相关研究始于20世纪80年代，主要包括点云表面重建、多视点云拼接、模型的多分辨率表示和三维纹理映射等几个方面。四虚拟现实技术VR（Virtual Reality），也称灵境技术，它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，实现历史环境的真实体验。

目前，国外在考古领域广泛应用3D虚拟现实可视化技术，较权威的国际考古探测会议（International meeting of archaeological exploration）[4]，对考古信息可视化的专题讨论，如从2005年借助于3D成像技术展现了公元79年在维苏威火山的怒吼声中被厚厚的火山灰“活埋”之前的罗马城庞贝，在游客面前展示一座完整、真实和自然的庞贝城[5]。3D虚拟现实技术用在考古领域，既有“修复”功能，又有助专家论证和辩论。国内的数字复原及虚拟开发技术虽不如西方发达国家成熟，但也取得不少成果，3D数字技术应用于考古工作取得丰硕的成果，2004年对金沙遗址出土文物运用3D可视化技术进行精确地数字化复原，建立数字博物馆[6]；秦俑博物馆、敦煌莫高窟、洛阳龙门石窟等利用虚拟三维数字建模项目，实现数字虚拟还原场景，建立遗址生活场景数据模型，以虚拟方式展示古人的生产、生活场景。

三、基于3D虚拟现实技术对双墩文化遗址复原展示

双墩文化遗址文物实物修复已完成，对此进行的学术研究已初见成效，目前对于实现三维数字化真实感建模还处于尝试阶段。其在实际数字研究工作中，首先建模问题，对所有器物及环境场景进行三维激光扫描技术，继而精细建模，前期需要进行大量的现场实物信息采集工作，取得第一手实物详细资料，然后再对采集到的信息进行归类、取舍，设计方案。在建模过程中，应充分考虑到双墩遗址文物还原的真实性，在文物的造型、色彩、纹样、材质等方面都应做到认真分析。

3D虚拟现实技术对双墩文化遗址复原具体研究内容如下：1）可直接对获取的精度点云模型进行三维空间测量，通过三维扫描的方式，对文物环境数据高精度测绘及数字化拍摄，降低传统方法中人工计算和推导的不确定性，从而为遗址的保护和修缮提供精确的基础数据；2）采用三维建模工具建立文物器型数字化三维模型，更好记录双墩遗址场景的空间形态及结构属性，可以作为双墩遗址真实的数字化副本保存；3）采用图形图像软件建立能漫游的文物真实感虚拟场景，Converse3D核心引擎是整个虚拟现实的核心部分，采用DirectX9.0和C++编写，包括场景管理、角色动画、Mesh物体生成、3D导出模块、粒子系统，并支持顶点渲染和像素渲染；4）基于文物虚拟场景的文物造型、纹饰及色彩调查、确定文物材质与历史环境的吻合；5）采用3D、Maya、PR、AE等软件建立支持文物保护修复技术（如使用3D中reactor动力学系统来模拟真实的物理规律，进而制作完全仿真的动画效果。包括刚体和软体的碰撞模拟、各种约束的使用方法，以及诸如水面、风力等物体的模拟，为器物对象指定物理属性，如质量、摩擦力、弹力等）。reactor中reactor Real-Time-Preview（实时模拟显示）是非常奇特的交互平台，与动力学模拟中的器物对象进行交互，调整场景布局及对象形态等。6）建立包含文物图象、三维结构模型及保护研究与修复档案的多媒体文物保护数据库建立包含文物图象、三维结构模型及保护研究与修复档案的多媒体文物保护支持。

双墩遗址出土大量具有艺术价值的陶器、石器、装饰艺术品、炊具、盛储器等，并且陶器底部刻有600多个刻划符号。如何将其完整，无损地记录下来，是我们文物数字化信息获取的主要目标。根据获取对象的不同特点分别采用不同的方法来进行获取工作。双墩遗址的结构数字化获取：双墩遗址有着极其特殊的遗迹现象：1）遗址地表为历代乱葬堆，间隙为现代农田，文化层由西北向东南为斜坡状的叠压堆积[7]；2）陶器为多种造型，如网坠、拍形器、人面塑像等；3）石器、骨器凸显生殖崇拜，我们从已知的测量数据直接使用三维建模工具进行建模，把遗迹色彩采用投射贴图的方法映射到遗址表面，采用凹凸贴图的方法来模拟土丘与器物的纹理浮雕，并根据原始情况改变其凹凸度以增加真实感。遗址环境虚拟数字化获取：利用现有成熟的3D软件通过交互式对目标进行建模，建模精度能够满足实际应用的要求，实现实时三维图形或虚拟环境生成技术。艺术装饰品等器物的装饰色彩及装饰图形符号数字化获取：对于陶器等带有色彩且外形比较复杂，对记录精度要求很高的三维对象，我们采用三维扫描技术来获取其模型。使用专业的三维扫描仪可以容易地获得三维物体的几何模型，其记录精度可以达到毫米数量级。并针对带有色彩且难以修复的特点研究了专门的模型拼接法。

四、3D虚拟现实技术进行交互虚拟的难题及研究意义

双墩文化遗址出土文物具有丰富的色彩、纹理信息，这两点也是美术考古专家研究的重要内容。三维扫描仪只能获得物体的单色几何模型，无法直接获取色彩信息。为了弥补这种不足，我们研究了如何通过三维扫描仪扫描获得的单色模型与围绕着它所拍摄的一系列数字相片来获取物体纹理贴图的方法。该算法通过模型到图像的对准技术、几何投射与变形和拼接等步骤来获取物体圆柱贴图纹理，具有直观、对原始照片质量要求小、允许运行时编辑等优点。双墩文化遗址出土文物器型及色彩复原与演变模拟可以采用自动或交互手段，对破碎、褪色、变色和脱落的残破器物进行复原，并模拟其脱落、残破的发生和演变过程。器物复原演变模拟涉及的主要技术包括：器物特点、色彩分层、色彩风格、类比推理、色彩协调映射等方面。

本系统的研究与开发为保护与研究双墩文化遗址提供了有效的计算机辅助研究工具，对于以后淮河流域美术考古起到有效技术支持。双墩文化遗址文物器型及色彩复原与演变模拟可根据出土器物造型及器物装饰图像的主要颜色，自动将出土器型图像划分得到几张单色图像；利用出土器物的属性检索出与当前器物相似的完好的器物作为复原的参考器物；同时应用双墩传统用色知识，双墩遗址出土器物造型风格知识、双墩研究专家的经验知识，进行色彩复原推理；最后，利用变色演示技术可以产生很多中间图像，逼真地器物造型修复的全过程。应用3D虚拟现实技术对双墩文化遗址进行数字还原展示，制作一套准确、生动的遗址三维复原虚拟仿真系统，不仅会填补双墩文物修复技术的空白，而且对遗址的保护、延续具有重要的现实意义。

［1］记者孙秀丽.双墩遗址及双墩文化学术研讨会在蚌埠召开［N］.中国文物报，2005-11-18-（001）.

［2］赵昆.三维数字建模技术在考古遗址中的应用及前景展望［N］.中国文物报，2006-5-26（007）.

［3］左隽，杨扬.“双墩文化”：填补淮河流域史前文化空白［N］.安徽日报，2005-12-9（C01）.

［4］DuXiao，Fan Xiangtao，TanJⅠan，ZhuJunjie.Studyon 3D Visualization Application for the Grand Canal Heritage Site Research［C］.Ⅰnternational Symposium on Digital Earth：Data Processing and Applications，2009-9.

［5］何晓庆.史前聚落遗址的三维建模与可视化技术研究［D］.南京信息工程大学，硕士论文，2011：3-14.

［6］阚瑗珂.考古地层的三维可视化及应用研究-以成都金沙遗址为例［D］.成都理工大学，硕士论文，2006：2-20.

［7］安徽省文物考古研究所.安徽省蚌埠博物馆，安徽蚌埠双墩新石器时代遗址发掘报告［J］.考古学报，2007，（1）：97-126.

［8］杜鹤民，杨君顺.论中国民间工艺的数字化传承.艺术空间（郑州轻工业学院学报）［J］.2006，（3）：75-76.

［9］（美）尼葛洛庞帝，胡泳.译.数字化生存［M］.海南：海南出版社，1997：55.

［10］陈定方，罗亚波.虚拟设计［M］.北京：机械工业出版社，2002：10.

［11］元鑫辉、王恺.Autodesk 3ds Max 2009 标准培训教材［M］.机械工业出版社，人民邮电出版社，2008：10.

［12］（英）理查德·布赖斯，史萍.译.多媒体与虚拟现实工程［M］.中国电影出版社，2000：38.