利用计算机软件绘制北魏平城板瓦考古线图的新方法

2020-05-12陈洪萍王娜赵晓丹尚美斌王家鑫

敦煌研究 2020年5期

陈洪萍王娜赵晓丹尚美斌王家鑫

内容摘要：板瓦是北魏平城物质文化遗存之一，山西省大同市的几处北魏遗址均出土了大量板瓦。本文旨在介绍综合利用计算机软硬件绘制板瓦考古线图的标准化工作流程，批量化、规模化地绘制北魏平城种类丰富且数量可观的板瓦考古线图，并搭建北魏平城板瓦的考古线图资料库，最终汇入云冈石窟大数据库——“数字云冈”，以扩展考古绘图的应用，使其参与展览、宣传、开发文创等。

关键词：北魏;板瓦;软件;考古绘图

中图分类号：K876.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2020）05-0101-08

On the Application of Computer Software in

Drawing Diagrams of the Shingles from the Pingcheng

Era of the Northern Wei Dynasty

CHEN Hongping WANG Na ZHAO Xiaodan SHANG Meibin WANG Jiaxin

（Digital Center， Yungang Grottoes Academy， Datong， Shanxi 037007）

Abstract： Roof shingles are one of the key pieces of archaeological evidence from the Northern Wei dynasty in Pingcheng， and many such shingles have been unearthed in excavation sites in Datong， Shanxi province. This article introduces a set of standardized processes for drawing up diagrams of roof shingles with computer technology. By following the work flow presented by researchers， a data bank of diagrams and line drawings can be efficiently created that can be used to form the Yungang Grottoes Digital Intelligence System， or “Digital Yungang.” In addition， the archaeological diagrams collected in this digital system can easily be repurposed for museum exhibitions， publicity campaigns， and other creative and cultural projects.

Keywords： Northern Wei dynasty; shingles; software; archaeological diagram

一引言

板瓦是北魏平城物质文化的重要遗存之一，大同操场城北魏建筑遗址[1-2]、云冈石窟窟前遗址及窟顶西部寺院遗址[3]、大同北魏平城明堂遗址[4]、大同方山思远佛寺遗址[5]等北魏平城时代遗址，均出土了大量板瓦，它是北魏遗址的典型特点和标志[6]（图1）。板瓦虽然只是一种基本建筑构件，但是它的文化意义不可小觑。板瓦制作工艺与大小规格的不同，不仅与建筑物等级密切相关，而且能够充分體现出当时的社会生产力水平。对板瓦的深入研究，能够让北魏政治、经济、社会生活等各方面的历史信息更加全面、立体地展现出来。因此，如何优质高效地为这些大量出土的板瓦绘制考古线图已成为推动北魏平城考古事业发展的重要环节。

近年来，计算机辅助考古绘图技术已不再是一个新鲜话题，在众多实际工作中都有广泛的应用并取得累累硕果。2002年，王春斌先生根据实测数据，运用3D Studio Max软件对遗迹、遗物进行三维建模，探讨了电脑三维建模技术在考古绘图中的应用前景[7];之后，韦荃、贺晓东先生著文，全面分析应用CorelDRAW软件绘制考古器物图的原理与应用平台，详细总结出利用CorelDRAW软件完成考古器物绘图的具体方法步骤[8]。付仲杨先生在利用Adobe Illustrator、Adobe Photoshop和 Agisoft PhotoScan软件绘制田野考古遗迹遗物线图的优势与方法步骤方面，有深入的研究与探讨，其文章论述翔实，例证丰富，结论明确[9-11]。虽然学者们的主题探讨认识深入，但是针对所有不同种类的遗迹和遗物均使用一套相同的绘制方法。而每种遗迹与遗物都有其与众不同的特质，需要更有针对性的绘图方案。

就本文关注的北魏平城板瓦而言，瓦身留有很多制作工艺信息，过去的考古绘图就无法表现。从目前考古报告所应用的板瓦线图来看，还多是依靠手工绘制的，因而普遍存在着线图精度不高、所记录的板瓦信息不全以及绘图效率偏低等问题。如何利用计算机技术有针对性地解决这些实际操作中遇到的问题，本文即是我们的考古绘图团队在此方面进行的尝试与探索。

二利用计算机软硬件组合绘制

板瓦考古线图的方案

传统手工绘制板瓦线图的方法通常是先在板瓦上选几个关键点，手工量取尺寸，然后按比例缩小到米格纸上进行绘制。绘制完成后再用硫酸纸加灯箱的方式进行描图，然后用扫描仪扫描。扫描生成的图片需要修图，最后还要运用计算机软件编辑成矢量图，才能最终用于出版和使用。在这一过程中，无论是手工测量与绘制，还是硫酸纸的转摹、保存与扫描，都会不同程度地产生误差，线图的精度无法保证。精度低、误差大的线图可能直接影响到后续研究成果的准确性。我们利用计算机软件绘制板瓦考古线图所要解决的第一个问题就是精度升级。

除精度以外，板瓦考古线图的信息完整性也亟待解决。传统手工绘制的板瓦线图，一般只是简单地表现板瓦凸面、剖面和瓦檐的轮廓（图2）。北魏平城出土的板瓦，凸面大多被磨光，有的还有被拍打过的痕迹，凹面则在烧造时留下了细布纹和竖向压痕，凹面两边还有切痕（见图1）。这些制作板瓦时留下的人工痕迹，传统手工绘图无法表现，在制作考古报告时，通常需要补充照片或拓片进行说明。这种简单的线图，或许可以满足当下对板瓦的研究之用，却为后续研究产生了障碍——人们很难了解到板瓦的完整信息，因此，在绘制线图时，应把板瓦的各面及这些面上的制作痕迹完全记录和保存下来，使线图能够保留和反映尽可能多的信息，为后人研究提供更丰富的资料。

不过，相较于手绘线图而言，目前的计算机绘图也存在一定的问题，其中最为突出的就是如何保障线条的流畅性。除此之外，提高板瓦绘图效率，推进考古工作进展，也是一个不容忽视的问题。

综上所述，我们把升级精度提升信息完整性、保障线条流畅性与改善效率设定为利用计算机绘制板瓦线图的标准。为达此标准，我们采取计算机软硬件相结合的方案，充分发挥每种软硬件的功能，针对板瓦特性一一解决实际问题。具体使用到的软件是Agisoft Metashape Professional、Adobe Lightroom、Adobe Photoshop和Easy Paint Tool SAI，硬件设备是WACOM 新帝DTK-2400手绘屏与2048级超高压感笔（表1）。

本方案的第一优势是精度升级。运用Agisoft Metashape Professional和Adobe Lightroom軟件处理采集到的板瓦数据，生成三维模型并导出正射影像图，其成果的精度可“优于0.1毫米，能够满足绘制1∶1可移动文物线图的精度要求”[12]。虽然基于摄影测量的三维重建精度在实际操作中由于误差的存在而达不到0.1毫米，但其误差值应小于人工测量和绘制所导致的误差。考古绘图最准确的方法就是正投影作图法，我们以此正射影像图为底图，绘制板瓦考古线图，其精度较手工绘图大幅提升。若用实物进行对比实验，也可以很好地进行说明。我们把板瓦的手绘线图放大至1∶1后打印出来，再把板瓦的正射影像图打印出来，分别与实物进行对比，发现正射影像图与实物匹配度更高。

其次是提升信息完整性。在加强板瓦考古线图的信息完整度方面，主要利用Adobe Photoshop软件生成板瓦表面纹理，解决传统板瓦考古线图信息过于简单的问题，完整再现板瓦的制作工艺信息。

在保障线条流畅性方面，我们的解决方案是，运用Easy Paint Tool SAI绘图软件结合WACOM 新帝DTK-2400专业绘图仪与2048级超高压感笔，绘制出笔触级{1}的线条，克服计算机绘图线条生硬的缺点。例如，板瓦瓦檐上手指压出的波浪纹，如果用压感笔描绘，可以很直观地表现出手指抹过留下的痕迹。用这种方法绘制残损线和切痕线时，也可取得良好效果。此外，直接运用Easy Paint Tool SAI绘出的线图清晰度很高，放大缩小后，线条的清晰度不受影响，而扫描硫酸纸得到的线图清晰度会有所下降。

在改善板瓦考古线图的绘制效率方面，传统手工绘图多是一人单枪匹马地工作，由于绘画水平不同，绘图成果和效率会因人而异。计算机绘制是按操作流程分工合作，采集、处理数据与绘图分开进行，绘图人员拿到处理好的数据后运用计算机软硬件技术，半小时内即完成一张满足出版要求的板瓦考古线图。采集和处理过的照片、模型、正射图等数据还能服务于其他应用。

按我们设计的方案绘制板瓦线图，所绘线图标准统一，有利于存储和进一步应用，而个人独立完成的手工线图，标准可能缺乏统一性。可以说这是针对板瓦器物特征最有效的一套解决方案，与传统的手绘线图相比，这种软硬件组合绘图的解决方案，不仅可以提高板瓦考古线图的绘图效率，而且通过纹理的再现和笔触级线条的绘制，增加了线图的信息覆盖量，增强了线图的表现力，从根本上提高了线图的质量。

下文将详细介绍综合方法的每个步骤及从中获得的一些粗浅认识，不足之处，还请方家指正。

三绘图方法与要求

（一）绘图要求

Agisoft Metashape Professional软件对计算机处理器、内存和操作系统的要求很高，需要较高配置的计算机保障其运行的流畅性。除此之外，绘图时还应配备高分辨率数码相机及照相平台、水平仪等辅助设备。

我们在进行考古制图时，严格遵循国家文物局发布的田野考古制图标准——《中华人民共和国文物保护行业标准·田野考古制图》，保证图样具有准确性、科学性和规范性。在进行考古图样的比例选择、形式表现、线性处理时，根据实际情况规范设置，以达到清晰、简明、真实的效果。我们所进行的计算机制图，采用正投影法中的第三角画法，制图内容主要包括遗物的多面正投影图、剖面（视）图。第三角画法的投影面处于观察者与物体之间，六个基本投影面的展开（图3、表2），各视图的配置（图4），均严格执行制图标准。制图力求简便，在明确表达遗物特征的前提下，视图数量以最少为宜[13]。

（二）绘制板瓦线图的步骤

1. 获取板瓦的正射影像图

首先利用Agisoft Metashape Professional软件为板瓦建三维模型，并导出板瓦各面正射影像图。所谓正射影像图是指平行光通过器物上各点垂直投射于平面上的影像，即器物的正投影。数码相机的成像原理是通过点光源投影获取图像，存在一定的失真率，无论怎样拍摄都无法获得器物的正射影像图。多视角三维重建技术是近几年在考古领域应用较多且发展较为成熟的一项技术。这项技术帮助我们解决了器物正射影像图的获取问题。具体的操作方法是，先用高分辨率数码相机对板瓦进行拍摄。由于器物三维模型的清晰度和精度取决于器物的全方位多视角照片，所以拍摄应布置在一个相同光线的环境中，并把器物分四层依次进行多角度拍摄。板瓦侧面边缘较窄，拍摄时尽可能使用小光圈，并配合相应快门速度，每张照片的重复率在50%左右。拍摄完一组后，将板瓦倒置，按相同方法再拍摄一组板瓦照片。

在使用相机采集器物照片时，因光学相机镜头自身设计存在镜头畸变，若直接使用未校对的数码照片进行三维建模可能会加大误差，因此，拍摄完毕后可通过Adobe Lightroom来进行镜头畸变校准。校正后的照片应用Agisoft Metashape Professional软件分四步（对齐照片、建立密集点云、生成网格和生成纹理操作）实现三维影像模型的重建。两组照片要分别生成两个三维模型，裁切后合并两组模型，得到板瓦的完整三维模型。在得到完整的板瓦三维模型后，根据绘制板瓦的需要，先导出板瓦凸面、凹面的正射影像图，然后裁切三维影像，导出纵向剖视及瓦檐的正射影像图（图5）。

2. 布图并获取表面纹理

绘制板瓦线图的第二步是在Adobe Photoshop中进行布图。首先在Adobe Photoshop软件中建立一张空白图纸，导入各部分正射图像后，按视图配置方式排列好，注意器物各部位一一对应，做到真实反映器物信息（也可根据绘图需要，将正射图像按比例缩小至二分之一或四分之一后再进行绘制）。然后通过改进Adobe Photoshop软件的一些功能，生成板瓦凸面与凹面的纹理图，器物上留存信息即被真实完整地记录下来（图6）。但是器物的轮廓线并不能自动生成，还需要选择合适的软硬件绘制器物轮廓线。

3. 绘制板瓦各面轮廓线

软硬件匹配能更大程度提高工作效率，可应用专业手绘屏支持绘图软件合力完成考古线图的绘制工作。我们使用的专业手绘屏是WACOM 新帝DTK-2400与2048级超高压感笔，其触控液晶数位屏具有1920×1200的最大分辨率，并支持多档不同分辨率调节，0.27毫米的大点距有利于清晰浏览细节，2048级超高压感笔可真实表现细腻笔触。

绘图软件方面通过对比，我们最终选择了Easy Paint Tool SAI，在绘制板瓦时，它的一些绘画功能比Adobe Photoshop软件的钢笔工具和Adobe Illustrator软件的笔画工具都更易操作与修改。比如其钢笔工具，用WACOM的压感笔能一笔画出有笔触的流畅曲线，再用锚点和笔压工具做局部弯度和粗细调整，增强线条的表现力（图7）。Easy Paint Tool SAI的铅笔工具没有锚点和笔压工具，修改线条的便捷性略差，所以我们选择使用Easy Paint Tool SAI的钢笔工具进行绘图。具体操作方法如下：

在Adobe Photoshop中完成第二步并保存好后，把保存好的文件拖入Easy Paint Tool SAI 中打开。首先要建立一个钢笔图层，然后选择使用钢笔工具，沿着器物外轮廓开始描绘。凸面一般仅描出外轮廓线，注意线条一定要与器物轮廓尽量重合，可用锚点工具拉动线条上的锚点做局部调整，保证所绘轮廓的准确性。调整好后，一条完整的器物轮廓线就描绘出来了。其他视图的轮廓线采用同样的方法进行描绘。凹面除外轮廓线外，还要描出切痕线，切痕线要细于外轮廓线。纵向剖视图的切面轮廓线一般使用较粗的线条。瓦檐要画轮廓线和指捏的波浪纹。在描绘切痕线、残破线与波浪线时，用笔压工具调整立体感（图8）。

4. 添加信息

在各面的线条描绘好后，把保存好的SAI文件再次拖入Adobe Photoshop中打开，进行绘制板瓦考古线图的第四步，即做线图的最后处理并添加信息。凹面两侧切痕的纹理也可删除，以表现出刀切后的光滑表面。然后给剖视图填充45°正斜线，给线图添加比例尺、视图连线、器物编号等信息。最后要把所绘图片与器物进行仔细核对，看有无细节需要修改与调整。再利用参考线功能检查各视图是否对齐、尺寸是否准确。检查完成后，一张完整的板瓦考古线图就完成了（图9）。利用Adobe Photoshop和Easy Paint Tool SAI还能很方便地对所绘线图进行修改，有利于提高绘图效率。虽然最后完成的线图并非矢量图，但由于板瓦本身尺寸不大，而所成线图精度高，因此足以满足使用要求。

四数字化考古绘图技术

应用展望

标准化作业流程是规模化生产的基础。在工作实践中，我们把如上绘图步骤定为绘制板瓦的标准流程（图10），所有绘图人员均按流程操作，建立起一套高效的绘图工作机制，为种类丰富且数量可观的板瓦批量化、规模化地绘制出考古线图，从而搭建起一个北魏平城板瓦的考古线图资料库。在考古发掘报告整理与发表时，就可以直接进入资料库进行检索、拷贝和使用，从而大大提高各项考古工作的效率和质量。该方法也不止适用于板瓦，与板瓦类似的筒瓦和其他小型可移动文物均可参考此方法进行考古线图的绘制。

近年来数字化考古绘图还常用于博物馆的陈列展览中，达到文字渲染力不能及的影响效果。大同市博物馆“诗中吉金其华灼灼——浑源彝器回乡暨《诗经》中的青铜器特展”即利用数字化考古线图成果，帮助观众梳理青铜器华丽繁缛的纹理信息。观众轻触屏幕便可了解器物上哪些是饕餮纹、凤纹等动物纹饰，以及各种纹饰之间是如何衔接与组合的。屏幕上的线条随着观众的手指移动而变化，让沉睡在器物身上的动物灵动起来，为观众创造了一种更为生机勃勃、富于活力的观展体验，成为展览中的热点之一。这种新的解读手段，体现了数字技术与文化科普的完美结合，在给观众提供讨论和分享考古工作成果、提高观众对考古工作认知水平上的作用也不容忽视。除此之外，考古线图资料库的作用还能辐射到文创领域，成为文创設计的优秀素材库。

板瓦考古线图资料库将作为一个分支汇入到云冈石窟的大数据库——“数字云冈”，使板瓦从数字化走向数据化，实现文物的永久保存和永续利用。希望云冈石窟数字化智能数据库的建立，不仅能为石窟寺、古建筑等考古事业的发展提供 “一剂良方”，而且能够在其他相关领域起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

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[3]谷敏，张庆捷，张焯，等.云冈石窟窟顶二区北魏辽金佛教寺院遗址[J].考古学报，2019（1）：119-124.

[4]王银田，曹臣明，韩生存.山西大同市北魏平城明堂遗址1995年的发掘[J].考古，2001（3）：26-34.

[5]胡平.大同北魏方山思远佛寺遗址发掘报告[J].文物，2007（4）：4-26.

[6]徐国栋，林海慧.北魏平城时期的板瓦和筒瓦[J].华夏考古，2014（4）：110.

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[8]韦荃，贺晓东.利用CorelDRAW软件绘制考古器物图[J].四川文物，2003（5）：92-95.

[9]付仲杨.浅谈应用Adobe Illustrator 和Adobe Photoshop软件考古器物绘图新方法[J].三代考古，2015（6）：495-505.

[10]付仲杨.Agisoft Photoscan 和 Adobe Illustrator 软件在田野考古绘图中的综合应用[J].四川文物，2016（4）：88-96.