文化遗产数字化轻量开发模式研究——以山西榆社邓峪石塔为例

伍超逸 何泳葶

（1.太原工业学院，山西 太原 030000；2.太原理工大学艺术学院，山西 晋中 030600）

基于图像的三维扫描重建技术是通过对被摄物体进行全方位、非接触式的照片采集，利用图像信息对物体进行模型重建，从图像序列中获取三维模型。目前广泛应用在文物数字化保护、开发、传播等领域。经图像扫描重建的模型，虽然与激光扫描重建模型相比精度较低，但可以由计算机直接生成纹理贴图，同时对物体表面肌理材质反映也较为真实，在视觉上仍可以取得逼真的效果。此外，该技术省去了后期的手动纹理映射环节。因此基于图像的三维扫描重建技术广泛应用于文化遗产保护宣传等，这些精度要求一般、视效要求较高的开发领域。如2018年文博类短片《如果国宝会说话》第一季，其中的《三星堆青铜神树》《大克鼎》两集，创作团队就利用图像扫描技术对文物进行了三维模型重建，后期利用三维模型创作动画镜头，降低了文物的拍摄难度，丰富了影片的镜头语言。然而，基于图像的三维扫描重建技术目前仍有不小缺陷，主要存在模型布线乱、多边形数量多、UV贴图分散等问题，对数据后期的修复、美化、再创作都造成了困难。同时，模型拓扑难度高，体积难以压缩，都限制了文物数据后期推广应用。本文针对这一问题，以山西榆社唐代佛塔——邓峪石塔为例，总结一套高效便捷的模型轻量化处理方法，对模型进行快速拓补处理，方便数据后期开发利用。

1 模型轻量化处理需求分析

图像扫描模型的表达机制多服务于视觉展示设备，因此模型的优化策略必须考虑展示设备的性能特点，针对设备性能瓶颈对模型进行处理，使之可以满足数字化后期设计环节中的创作需求。根据以上要求，模型优化需要满足以下几个条件：

①模型贴图丰富浏览环节体验性。扫描模型在视觉展示设备上的呈现，无论是移动设备还是桌面计算机，其模型的展示效果多是通过纹理贴图呈现，包括模型的表面肌理质感，也是通过模型纹理的凹凸贴图、法线贴图等贴图来实现。为了使用户有良好的浏览体验，模型在优化过程中应最大程度减少纹理贴图的清晰度损失。

②模型UV保证修复环节可操作性。图像扫描软件在三维重建过程中，会自动展开UV并据此自动生成纹理贴图的映射，这点看似简化了模型的处理步骤，但对模型的修复与再利用却造成了很大困扰。目前主流的图像三维重建软件展开的UV都排布混乱，生成的贴图也缺乏规律，如本文范例邓峪石塔，使用Photoscan软件进行三维重建后，可见生成UV排布呈碎片状，贴图分散（图1）。这就导致了两个问题：一是如果有模型修复需求，模型的更改会导致UV更改，使得纹理失效；二是针对模型表面的纹理创作困难，比如贴图表面瑕疵修复，材质肌理的制作，因为自动生成贴图没有规律，难以定位，对模型纹理的优化创作就十分困难。以往的解决方式多是手动将模型拓补展开新的UV，然后重新拍摄图片进行贴图映射，工作量繁重，效率较低。因此本文研究的优化方式需要解决UV和贴图规范排布问题。

图1 图像扫描软件生成的邓峪石塔模型UV（左）和贴图（右）

③模型规范实现交互环节兼容性。扫描重建后的模型包含大量三角面、多边形，数量巨大且分布杂乱无章，这样的模型在跨平台使用时极易出现错误。不论是动画渲染，还是交互构建，布线混乱的模型都限制了模型数据的进一步转化，因此优化方法以高效对模型进行拓补，规范模型布线。

④模型体积保证转化环节效率性。扫描模型普遍有着较大的文件体积，在同等设备性能下，更小的模型体积可以获得更快的渲染速度和显示速度，能满足用户实时交互的需求。同时优化模型体积有利于网络的传输、节约内存，在低性能移动设备上也可以实现数据演示需求。

2 邓峪石塔重建模型轻量化流程

2.1 邓峪石塔概况

邓峪石塔为唐开元八年造四面佛塔，砂石材质，为单层方形石塔，塔高3.2米，主体塔身高1.77米，由塔基、塔身、塔檐、塔刹四部分套合形成，塔刹部分被盗丢失，其余部分保存完好，纹样清晰，塔身四周雕琢四尊造型各异佛像，造型精美。本次研究主要以邓峪石塔塔身扫描模型为范例。

2.2 模型轻量化技术流程

本次优化方案如下，首先对原模型进行拓扑，制作低面数规范模型，然后将低模包裹在原扫描模型上，最后将原扫描模型贴图纹理映射到低模上，实现规范简化模型，同时不丢失原扫描模型贴图纹理。研究以高效便捷为主要目的，在保证展示效果的前提下，尽量减少手动操作。该流程主要分为3个步骤：

①拓补模型制作低模、优化模型布线、压缩体积。邓峪石塔塔身原模型包含30万个多边形面，如果采用手动拓扑的形式，无疑是一项十分繁重的工作，因此，针对邓峪石塔模型拓扑，尝试采用Cinema 4D软件中的Quad Remesher插件和Zbrush软件中的ZRemesherGuides笔刷两种方式进行拓扑（图2），将繁重的拓扑工作交给计算机进行计算。这两种方式都可以快速地完成拓扑减面、规范布线、压缩体积的任务。经过对比分析，本次研究最终选用了ZRemesherGuides笔刷拓扑的模型。因为自动计算拓扑方式一般会在曲面部分产生较大的误差甚至发生错误。Quad Remesher插件对转折较大的曲面部分处理相对僵硬粗略，产生精度误差。而ZRemesherGuides笔刷可以用对模型曲面部分手动标记辅助线，灵活地处理模型曲折面的布线，让模型在高效拓扑的过程中兼顾准确性。

图2 扫描模型（左）与拓扑模型（右）布线对比

邓峪石塔塔身模型经过拓扑后，模型面数由30万面压缩到3万面，体积（obj格式）由54MB压缩至5MB，压缩率都达到了90%。同时，将排布混乱的多边形面全部规范为四边形面，修复了破面、漏洞等模型错误，达到了移动设备性能的承载条件。

②展呈低模UV。经过拓扑的低模制作好以后，就需要对模型进行展UV工作。经过上一步骤模型已大量减少了面数，且布线十分规范，大大较低了展UV的工作难度，任何一款规范的三维软件都可以沿布线将模型平铺展开。本文研究的目的是在保证视觉呈现效果的前提下尝试模型轻量化的极限模式，因此展UV的过程也尽量采用自动计算的方式，减少手动操作的环节，经过对比尝试，邓峪石塔拓扑模型的展UV工作采用了RizomUV软件进行计算展开。

邓峪石塔为四方棱柱石塔，六面体结构。因此采用RizomUV的“框式结构”算法，在6面正交平面上投影，形成多个多边形组，展平排布UV，最后将展好的UV坐标进行优化整理，定位坐标，减少失真。经过这一环节后邓峪石塔拓扑模型有了排布规范合理的UV坐标，极大方便了后期修复环节中对贴图瑕疵的定位修复。

③利用原模映射纹理，制作低模贴图。贴图纹理的映射环节可以说是简化流程中最为关键的环节，以往映射贴图多采用拍摄正摄图像、手动映射的方式。这种方式工作量大，而且容易产生拉伸脱节的问题，如果能利用原扫描模型自带的贴图对低模进行贴图纹理映射，不仅可以简化工作流程、提高效率，而且可以减少贴图和模型之间的脱节问题。

要想利用原扫描模型的贴图，先要解决的就是扫描模型自带贴图纹理混乱的问题。原模型贴图几乎无法直接利用，如果利用photoshop等软件手动缝合修整，无疑是一个巨大的工作量。针对这个问题，笔者探究了一种新的纹理贴图方式——利用R3DS.Wrap4D软件对低模进行纹理包裹，接下来将详细阐述这种方式。

R3DS系列软件是针对表演捕捉领域研发的一套强大系统，一直以来，精确的表演捕捉一直是少数高端工作室才可以实现的技术。而R3DS系列软件的出现，为表演捕捉开发了一系列简单、高效、可控的方案，促进了技术的下沉。尤其在面部表情捕捉领域，实现了从模型拓扑到追踪、渲染环节的大幅简化。在2020年1月，Unity官方制作上映了特效短片《异教徒》，片中主角的表演镜头就使用了R3DS系列软件进行处理，我们可以看到，在短短7分钟的影片中，刻画了主角细致逼真的面部表情和动作，创作团队用三维特效技术制作了直逼实拍镜头的视觉效果。根据R3DS官方的透露，该影片中最后的人物镜头动画处理仅仅用了一天时间，这个效率是非常惊人的，这也让我们看到了这个软件的广阔应用前景。

这次研究方案使用的R3DS.Wrap4D软件，是R3DS系列中的一个扩展软件，它可以输入一系列带有纹理的3D扫描模型，经过处理后将具有拓扑结构的网格模型输出，同时将原有扫描纹理缝合包裹在拓扑模型上。在操作模式上，该软件采用了节点式操作逻辑，清晰直观。软件还附带了眼睛和嘴唇部分的检测节点，进一步简化了操作流程。

既然R3DS.Wrap4D软件在人物面部模型处理中展现出了强大功能，我们是否可以尝试利用该软件对文物扫描模型进行简化处理呢？笔者使用该软件对邓峪石塔扫描模型进行了拓扑尝试，具体流程如下。

首先将前期制作好带UV坐标的低模输入软件，因为Wrap4D本身不能制作拓扑好的模型，在处理面部模型时是使用了软件自带的面部模型与扫描模型进行适配输出。而我们想要处理的邓峪石塔模型只能采用手动输入低模的方式进行适配，要注意的是Wrap4D对输入的适配模型规范要求较高，需要模型全部为4边型面，不能有破面、漏洞、重面。我们前期使用ZRemesherGuides笔刷拓扑的模型完美适应了Wrap4D的规范需求。

其次输入邓峪石塔原扫描模型和原纹理贴图，对低模与原模型添加适配标记点，进行适配包裹计算。Wrap4D的处理逻辑是对原模型就行坐标点定位计算，让低模产生形变适配包裹高原模型，到达和原模型在外形上一致。因为我们前期处理的拓扑低模在外形上与原模型误差较小，所以只要手动添加很少的标记点，就可以完成计算适配过程。经过尝试，在该环节中只需要在关键位置添加8个标记点，邓峪石塔低模和原模型就很好地完成了适配计算。

再次将原模、低模、标记点信息输入包裹（Wraping）节点进行最终计算。包裹节点是Wrap4D软件的核心，它可以将输入的各类信息进行计算，将原模型纹理经过缝合定位处理后重新包裹在低模上，最终以低模的UV坐标输出纹理贴图。该环节中，细分参数设置为3，优化迭代参数设置为20，控制点权重设置为10。

最后优化输出包裹计算后的拓扑模型和纹理贴图，经过包裹节点计算后，低模已经被包裹了原模型纹理贴图，但Wrap4D的贴图包裹会不可避免地出现UV接缝处贴图丢失问题。我们需要通过添加贴图扩边节点，将接缝处进行缝合处理，就可以得到一个清晰完整的新纹理贴图了。接下来我们只需要将处理后的拓扑模型和贴图进行打包输出，就得到我们需要的轻量化文物模型了。

3 轻量化模型效果检验

邓峪石塔原扫描模型经过轻量化处理后得到了规范的拓扑模型（图3），那么这个轻量化方案能否是否能满足文物数字化展示的需求呢？我们可以通过一些再创作案例进行检验。

图3 轻量化处理后的模型UV（左）和贴图（右）

扫描模型整个轻量化处理流程都在一台普通桌面计算机上完成，全部环节共耗时3个小时。大部分工作都交给计算机自动计算完成，只需稍微地手动调整，从效率和设备配置要求来看，该方案称得上简洁高效。处理后模型先面对的就是数字化修复需求，我们可看到规范后的模型、纹理贴图与UV坐标都可以清晰直观的定位，方便进行更改。我们可以对模型和纹理上的瑕疵进行修复，对于一些不清晰题记部分，我们也可以加深处理，以呈现给观众更完善的效果。

在视觉呈现方面，我们以常用动画渲染器Octane进行尝试，将原扫描模型和经过处理的低模进行动画镜头渲染，两个模型（图4）在最终呈现效果上并无太大差异，处理后的低模不仅可以满足视觉呈现要求，还获得了更快的渲染速度，极大提升了工作效率。对于交互环节的兼容性和转化环节的效率性需求检验，我们为邓峪石塔制作了一套手机端App展示界面（图5），经过处理后的拓扑模型体积小，布线规范，在交互构建环有着良好的兼容性。而较小的体积也可以在移动端设备获得迅捷的传输、响应速度，减少了卡顿，让用户获得了更好的浏览体验。

图4 原模型（左）与轻量化模型（右）动画渲染效果对比

图5 邓峪石塔移动端展示平台

4 结语

本文主要针对目前文物扫描模型探寻了一种轻量化的处理方式，简述了基本逻辑和操作流程。经过处理后的文物扫描模型在数字化修复、视觉呈现、文件兼容性、便捷性、规范性方面都达到了要求。同时，这套轻量化方案也有着处理速度快、上手难度低、人力消耗少等优点。经该方案处理的扫描模型虽然牺牲了部分精度，但是在以文化推广为目的的文物视觉展示领域，这套方案有着一定的优势，可以为文物三维扫描模型的处理应用提供新的思路与方案。