考古发掘虚拟仿真实验的建设与思考——以体素模型应用为中心

陈 博，杨晓庆

(郑州大学历史学院，河南郑州 450001)

0 引 言

在漫长的岁月中，中华民族创造了丰富多彩、弥足珍贵的文化遗产。“加强文物保护利用和文化遗产保护传承”，“加强文物价值的挖掘阐释和传播利用，让文物活起来”，是新时代文化遗产保护工作的更高要求。而文化遗产普遍具有稀缺性、脆弱性和不可再生性的特征，如何有效平衡保护与利用之间的矛盾是当前文保工作面临的重要课题。采用虚拟仿真技术记录、展示珍贵的文化遗产，充分开发其历史与社会价值，助力相关人才培养与国家文化建设，为深化文化遗产保护工作提供了一条新途径。

虚拟仿真是一种综合计算机图形学、人机交互技术、传感技术等多领域学科而发展起来的综合性集成信息技术。它基于由数字信息构建的对于现实场景高精度模拟的模型，用户可以通过不同途径与之互动，并获得接近真实环境下的感知体验[1]。基于虚拟仿真技术开发的数字化实验，也成为理论与实践之外，高校等相关单位人才培养的一种创新性教学方式[2]。

1 考古虚拟仿真实验发展

虚拟仿真技术在我国文化遗产保护工作中很早就得以应用。例如20世纪90年代末，敦煌研究院开展了莫高窟虚拟重现与壁画修复模拟等工作[3]。近年来持续开发的“数字敦煌”全景资源库，使观众可借助VR设备对洞窟进行720度全景漫游，获得身临其境的洞窟游览体验[4]。故宫博物院推出的“数字多宝阁”“数字文物库”等在线数字资源，以虚拟形式展示文物的全貌与细部特征，使观众能够近距离“触摸”文物[5]。北京联合大学、北京师范大学联合开发的文物鉴赏虚拟仿真实验，可以在不接触文物本体的前提下，零距离全方位观察文物特征，并模拟开展成分检测、超景深显微观察等理化分析[6]。同济大学运用虚拟仿真技术保存了大量古建筑的三维模型，为学习研究古代木构建筑结构、主要部件以及建造过程提供了重要资料[7]。而有关考古发掘的虚拟仿真实验也有开展。西北大学建立的“沉浸式考古虚拟互动教学实验室”，通过虚拟现实技术在实验室重现了一些古代聚落、建筑、墓葬的结构，并尝试模拟了调查、发掘、记录等部分考古工作场景[8]。

这些案例充分展现了虚拟仿真技术在提升文化遗产保护与利用水平方面的重要价值，但也暴露出一些不足。例如，已有工作多数聚焦于可移动文物或石窟、古建筑等地面遗址的虚拟复原，但对埋藏于地下的古遗址则关注较少。数量庞大的古遗址(包括古墓葬)是我国文化遗产的重要组成部分，而我国古遗址大多数为“土遗址”，即以土为主要建材的遗迹埋藏于土质地层环境中，不容易辨识，又极易遭受自然或人为因素破坏。其中很大一部分又是经过不同时期层累堆积形成，即晚期地层、遗迹不断叠压并破坏早期地层、遗迹，因而具有非常复杂的立体空间结构。因此，古遗址必须经过科学严谨的考古发掘才能显露原貌，又经常需要将上层的晚期遗迹进行破坏性发掘后，才能识别和清理下层的早期遗迹。这对考古发掘技术以及后续的保护利用工作都提出了更多的挑战。此前以考古发掘为内容的虚拟仿真工作中往往只能提供考古发掘最终(或阶段性)成果的记录与展示，难以全面反映古遗址整体的堆积情况，据此开发的考古发掘实验中也难以实现对发掘工作流程与操作技术的模拟，未能充分发挥虚拟仿真实验应有的作用与优势。

2 基于体素模型的实验开发

考古发掘实验发展所面临的困难，究其根源是传统三维模型构建技术存在一定局限性。获取对象的数字三维模型是开展虚拟仿真实验建设的基础。在包括考古发掘在内的文化遗产保护领域中得到广泛应用的三维建模方法主要有以下三种：1)使用图形软件进行三维建模起步较早。它是基于测绘数据，运用AutoCAD、3ds MAX等建模软件，配合贴图、纹理映射等操作，可以得到接近真实的模型。莫高窟早期的虚拟漫游建设就主要使用软件建模技术构建三维模型。在构建可移动文物的三维模型时，图形软件建模技术也较为常用[9]。2)使用三维激光扫描设备获取三维模型的技术较为成熟。它是通过测量目标物表面海量数据点的空间坐标，得到被测物体的点云模型，进而生成三角形网格模型，并进行贴图与纹理映射操作。如云冈石窟研究院采用三维激光扫描方法对云冈石窟内的高浮雕的佛像和壁画进行虚拟仿真记录，并应用于展示、修复、监测等工作[10]。3)近年来，基于多视角图像数据的三维建模技术得到快速发展。通过使用Agisoft Photoscan等软件，可对大量二维图像中被测物体特征进行提取和匹配，从而获取其三维空间形态数据，生成点云、三角网等各种带有纹理映射的三维模型[11]。因其具有操作简便，无需专用设备支持的优势，且便于生成正射影像图、数字高程模型等常用展示、分析数据，已日渐成为文化遗产保护领域三维建模的主流技术[12]。

上述三维建模方法虽有差别，但从核心原理上看却具有一致性，都是通过对目标对象的外表面信息进行记录与重建，以具有空间信息的表面形态来模拟对象的立体特征，也就是仅用一层外壳来展现立体的对象。因此，所得的三维模型都是具有立体空间信息的面模型。面模型具有数据量相对较小、技术成熟等优点，可以满足许多场景下对文物古迹立体展示的需求。但由于面模型只是一层外壳，在模拟诸如古遗址一类复杂对象的内部情况时则具有明显缺陷，也就很难支持通过交互操作探究古遗址内部情况的考古发掘仿真实验需求。

三维建模技术的另一种路线——体素模型，可为该问题的解决提供更为有效的方法。20世纪80年代，体素模型开始在计算机图形学中兴起。它是通过采用一系列连续排列的基元矩阵实现了对立体对象的表达。这些基元被称为体素(Voxel)，如同海量的像素(Pixel)有序排列可以构成精细的二维图像，当海量的体素如积木般被拼搭起来则可以最大限度还原立体对象的整体特征[13]。体素模型可以被认为是二维栅格模型在三维中的推广，因此也被称为三维栅格模型(图1)。

图1 体素模型原理示意图[14]

虽然体素模型建模技术诞生很早，但在文化遗产保护领域的应用长期以来几近空白。近年来，为满足考古发掘虚拟仿真实验中的古遗址建模需求，体素模型作为一种创新性方法开始得到研究者的关注。马萨里克大学的帕维尔教授开发的水下考古发掘仿真实验，在体素模型支持下实现了对虚拟水下发掘区内泥沙堆积情况的仿真模拟，并可以对泥沙进行清理，发现文物[15]。台湾大学的研究者就如何在体素模型中实现根据不同土质、挖掘角度与力度参数而产生不同的坑洞与土块的仿真效果进行了分析，并以此为基础研究开发史前考古发掘虚拟仿真实验[16]。

相比面模型，应用体素模型进行考古发掘虚拟仿真实验开发的创新性与优势主要体现在以下两个方面。首先，体素模型可以实现对空间实体由表及里的整体模拟，所以在表达如古遗址等非均质对象复杂的内部结构关系时，在仿真度方面具有显著优势。如图2所示，表面上相似的面模型与体素模型实际存在显著差别。通过比较两模型的剖面清楚可见，面模型仅能够展示当前可见层面信息，该层面以下的所有堆积信息均缺失不见，而体素模型则不仅包含有当前层面，也包含之下的地层、遗迹，可以模拟遗址完整的堆积情况。其次，通过对体素单元的编辑，可以实现模型分解、重塑等面模型无法支持的互动操作，从而满足模型根据用户的随机操作实时呈现非预设的高自由度变化的效果。形象来说，在由海量的体素单元堆叠形成的古遗址体素模型中自由选择并去除部分体素单元，就像在由无数土壤颗粒堆积而成的古遗址中用手铲随机清理一撮土壤，可以实现对发掘过程的精细化模拟，并可以实时显示清理后的结果。体素模型的可编辑性，如同引入“过程”维度，将常见的静态三维模型升级成为动态的“超三维”模型。

图2 古遗址面模型(左)与体素模型(右)结构比较

在体素模型的支持下，以真实田野考古发掘工作数据为基础，郑州大学历史学院开发的“田野考古发掘虚拟仿真实验”(以下简称考古发掘实验)已经应用于考古文博等专业的人才培养，并通过“实验空间——国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台”向全社会开放使用。

3 考古发掘实验设计

考古发掘实验基于体素模型技术开发，其特点在于能够高准确度地还原遗址内的地层、遗迹等堆积的结构情况，支持高自由度的考古发掘仿真操作，并对整套工作流程进行系统化的完整模拟。以下将发掘实验设计思路分为遗址模型构建与实验操作设计两部分进行说明。

3.1 遗址模型构建

遗址模型构建所使用的数据主要选用官庄遗址与车庄遗址两处郑州大学考古实习基地历年来所获取的真实考古发掘资料，并补充少量其它遗址公开发表的典型遗迹、遗物信息。数据源包括遗址的各类测绘图，影像资料，三维模型数据，文物三维模型，工作记录等。模型的构建过程可分为三个阶段。

3.1.1遗址设计 为加强实验效果，在参照真实遗址内地层、遗迹等堆积之间三维空间布局与相互关系的基础上，进行适当的优化、调整，将商周至汉代的文化层与灰坑、墓葬、房址、窑址和水井等不同类型的遗迹单位共计50余个集中于虚拟遗址范围内，并且合理设置仿真的地层与遗迹、遗迹与遗迹之间的叠压打破关系，充分模拟古遗址的原始堆积状态。

3.1.2几何建模 首先，综合使用各种常用建模方法获取地层、遗迹的面三维模型。为满足实验要求，建模过程以最小堆积单位(如灰坑分层)分别进行，以实现对于遗迹内部堆积情况的复原。之后，使用这些素材搭建遗址几何三维模型。按照投影原则，从遗迹最底层开始逐层建立分层模型后加以合并(图3)。各地层、遗迹的空间位置及相互关系严格按照遗址设计方案，符合考古地层学原理。

图3 古遗址分层模型结构

3.1.3体素建模及渲染 经过几何建模后生成的遗址模型仍然只是构建物体表面形状的面模型。为支持仿真发掘效果，需要将几何模型转换为体素模型，这个过程称为体素建模或体素化。以x，y，z轴标记几何模型所占据的空间，在x轴上分割成L个单元，在y轴上分割成M个单元，在z轴上分割成N个单元，则整个遗址转化成为由L×M×N个体素所组成的体素模型[17]。每个体素按照其所处的空间位置(所属堆积单位)被赋予不同的属性，用以模拟不同土壤的颜色、密度、质地等堆积性质。为实现更为精准的仿真效果，三维体素模型的显示需要进行渲染，渲染工具是采用基于Marching Cubes算法而开发的渲染引擎，通过该引擎可以实现将三角形网格模型转换为体素模型，并对模型进行体素化赋值计算与渲染[18]。其原理是每个体素的整体属性可以由一个小立方体的八个顶点的属性值渐进表示，体素内任意一点的属性由这三个角点通过差值算法来确定，如图4所示。而后计算模型中任意等值面与立方体各边相交情况，创建三角形面片。在等高线内的区域和等高线外的区域之间分割立方体。给立方体形态的体素单元的8个顶点进行赋值，通过连接等值面边界上所有立方体的面片得到一个模型曲面。在曲面上通过体素顶点事先保存的像素值进行计算，得到与之相匹配的贴图数值，进行平铺渲染，从而实现对模型内部所有空间位置的属性赋值。对平铺贴图进行处理，实现无缝渲染与显示，是渲染过程中需要注意的要点(图5)。

图4 体素模型渲染原理示意图[18]

图5 遗迹渲染效果示例

3.1.4模型优化 在模拟对象给定的情况下，体素模型中L×M×N值越大，体素分辨率越高，模型及实验仿真度就越高，但所需要的存储及运算空间也越大。为了节省内存，提高运行速率，只将发掘区内的地层、遗迹的模型进行体素化，发掘区周边环境采用面模型。此外，同样以面模型模拟陶器、铜器等文物及人体骨骸、动物骨骼等标本，并置入合理的地层或遗迹堆积模型中。由此得到可供开展仿真发掘实验的古遗址虚拟模型(图6)。

图6 虚拟遗址(左)与发掘场景(右)

3.2 操作设计

考古发掘实验参照国家文物局颁布的《田野考古工作规程(2009)》与郑州大学的《郑州大学田野考古实习课程方案》设计主要实验步骤如图7。

图7 考古发掘实验内容

实验者可以通过电脑或手机端登录实验平台，在线开展实验操作。实验共分为理论学习与实践操作两个主要模块。理论学习模块提供多媒体形式的学习资料，系统介绍考古发掘基本原理与操作方法。完成学习并参加测试合格后，可进入实践操作模块开始仿真试验。

实践操作模块的设计具有两方面特色。其一，以高自由度交互式连续性发掘为核心的高仿真度发掘效果模拟。实验中可以选择不同发掘工具，设置单次挖掘的形状、深度等参数，实现不同的挖掘效果。可以在发掘区域内任意选择工作地点，自由设计地层与遗迹发掘清理方案，实现土质土色辨识、叠压打破关系判断、“找边”等发掘技巧的仿真训练，并充分暴露可能出现的操作错误。

其二，规范化的发掘工作过程模拟。在高度还原发掘效果的基础之上，设计包括布设探方、堆积划分与清理、人工遗物(陶片、小件等)与测试样本采集、测量绘图、影像记录、文字记录表填写和报告编辑等步骤在内的一整套田野考古发掘的规范工作流程与操作的仿真模拟，实现促进现场教学，提升工作水平的实验目的。

以田野考古工作中常见的灰坑发掘为例，设计发掘流程如下。布设探方后，使用铁锹等工具完成上部地层清理。根据仿真模型模拟的土质土色差异，辨识各类遗迹现象以及遗迹间打破关系。选择划线工具，标记灰坑及周边遗迹范围与打破关系，制定清理计划。如按照考古规程要求，应从平面形状最完整的晚期遗迹开始挖掘。使用相机工具拍摄发掘前的照片。选择手铲工具，按照二分之一法进行发掘，剖面位置可由使用者自由选择。发掘过程中，通过观察剖面的土质土色变化，及时划分坑内分层，并分别采集遗物、标本，填写采集标签。第一部分挖掘完成后，使用测量工具架设基线，进行相关数据的测量与记录，使用绘图功能绘制灰坑剖面图。继续完成另一半灰坑的发掘工作，按照规范继续进行遗物、标本采集工作。发掘最后阶段，选择手铲工具进行“找边”操作，将灰坑完全清理干净(图8)。完成发掘后再次使用测量、绘图工具，完成灰坑平剖面图绘制。发掘工作完成后，系统整理相关数据资料，填写灰坑发掘记录表，生成灰坑发掘记录，加入遗址考古信息数据库(图9)。得益于体素模型的支持，使用者在灰坑清理中可能会出现发掘程序不正确、灰坑清理不彻底或清理范围过大等错误，增加了实验难度与仿真性。而当灰坑发掘完毕后，可在其坑壁及坑底清楚的观察到周围地层、遗迹的分布情况，与真实考古工作中所见的堆积层叠情况相似。

图8 灰坑发掘流程(一)

图9 灰坑发掘流程(二)

4 相关思考

利用虚拟仿真技术开展文化遗产保护领域的仿真实验建设已取得许多重要进展，展现出巨大的价值和潜力。应用体素模型技术可以有效提升古遗址仿真水平与考古发掘实验仿真效果，包括对遗址内部复杂的地层与遗迹现象堆积情况的完整化模拟，进而支持通过虚拟操作高仿真模拟考古发掘过程中判断堆积范围、打破关系以及逐层细致清理等核心工作内容，还允许操作者突破预设的地层、遗迹等堆积单位边界，模拟“挖穿”“挖过”等常见工作错误。这些特点相比此前的考古发掘实验具有明显的技术优势与创新性，对改进古遗址等复杂文化遗产的三维数字记录与复原展示方法也有参考意义。

基于体素模型的考古发掘实验已实现通过网络平台开放使用，支持虚拟现实设备的版本也正在开发。通过该实验，可在有效保障文化遗产安全的前提下，为考古等相关专业学生提供不受时空等客观条件限制，充分开展模拟考古发掘实习的机会。实验也可用于向社会各界人士普及有关考古工作的科学知识，为大众提供“亲自”参加考古发掘的机会，直接服务于公众考古宣传、中小学传统文化教育等领域，为国家文化建设贡献力量。

现阶段的实验建设也还存在一些问题。例如遗址模型空间结构设计相对简单，在对土壤堆积质地、颜色等细节因素的显示效果模拟还比较粗糙，视觉仿真程度有待提高等。因此，在专业教学过程中虚拟仿真实验并不能取代现场田野考古实习，而是作为后者的重要补充。学生通过虚拟实验，在实习之前积累必要的操作经验，降低因工作失误导致文化遗产受损的风险；在实习后继续复习巩固相关知识，体会不同遗迹、遗址的发掘，由此提升学习效果，提高田野考古工作水平。实验的后续建设中，将持续补充数据，充实实验内容，并继续优化可操作性与显示效果，完善使用体验。