数字仿真技术在文物数字化中的应用研究

张维

摘 要：文章以曾侯乙铜冰鉴缶为例，研究了中国古代文物构思巧妙的功能型结构，分析了数字仿真技术在文物中的应用场景。运用Maya、Zbrush、Substance Painter等软件使用次世代PBR流程对曾侯乙铜冰鉴缶进行了数字化还原，探索了数字仿真技术在文物数字化中的应用方式。

关键词：数字仿真技术；PBR工作流程；文物数字化；曾侯乙铜冰鉴缶

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2023.24.012

1 研究意义

近年来，随着信息化技术的发展，很多新媒体平台快速涌现，它们改变了传统的信息传播方式。2014年发布的《关于推动传统媒体和新兴媒体融合发展的指导意见》指出，要推动新、旧媒体的融合发展。而要通过媒体传播实现教育职能和服务的博物馆，是国家大力倡导“让文物活起来”“实施国家文化数字化战略”“加大文物和文化遗产保护力度”，高度重视文物的保护与利用，强调文物在继承和弘扬中华优秀传统文化过程中的重要力量①。将文化和科技融合发展，根据信息数据建立文物三维模型﹐通过数字化展示帮助文物“活”起来，除了能有效保护文物，还能起到良好的展示与宣传作用。通过各种高清视频、交互装置、3D造像、全息投影等新型手段，让中华优秀传统文化与精妙悠久的工艺以更生动、更直观的形式展现，可以让观展人既能沉浸式地体味千年古韵，又能与古人的智慧互动，在现代科技的辅助下大大提高观展的沉浸感和互动性②。还可以将文物以动画、电子版、网络版等多种形式出现在大众视野中，通过全方位、多层次的沉浸式体验，带来传统展览中前所未有的交互新体验，使公众更好地了解文物的历史和文化。

2 曾侯乙铜冰鉴缶的研究价值

曾侯乙铜冰鉴缶是1978年在湖北随州曾侯乙墓出土的战国时期大型冰酒器具，全器均为青铜，采用混铸、分铸和焊铸法铸成。冰鉴缶以方形鉴为外壳，内部含一方形缶，方形鉴内底设有栓钩，方形缶外有足，足上有眼，栓钩恰好可插入缶足榫眼，稳定方形缶。栓钩装有倒钩，栓钩插入缶足榫眼后，倒钩立刻卡紧方形缶，使之不能摇动。方形鉴盖顶部开口，将方形缶口部露出，配以缶盖，灌酒、挹酒时只需打开缶盖，设计巧妙。方形鉴四面和四角各有一条攀附状的龙作耳，龙尾部又有小龙缠绕，并附有两朵小花点缀其上，状貌十分俏丽，铸作精细。方形鉴外部表面附饰极为纤细、复杂，并有多层镂空，纹饰丰满多样。此铜冰鉴缶是失蜡法铸造的较早的典范作品，如图1所示。

曾侯乙铜冰鉴缶的功能设计也颇为巧妙。曾侯乙铜冰鉴缶是古代暑天用来盛冰，并置食物于其中的容器（俗称“古代的冰箱”）。青铜具有优良的热传导性，可利用冰鉴与缶之间的冰块快速降低缶内温度。冰鉴箱体两侧设提环，顶上有盖板，上开双钱孔，既是抠手，也是冷气散发口。冰鉴的内部放置缶，可以用于盛酒。缶与冰鉴是两个独立的器具，可分可合。当组合使用时，两者之间空间较大，用于放置冷却酒水的冰块。从顶部向下观察，冰块将缶包围在中间，降低缶中酒水的温度，如图2所示。从冰鉴的侧面观察，冰块的高度可调节至与酒水的高度一致。弧形缶壁也增加了冰块与缶的接触面积，对冰鉴内部空间做如此設计，既能多盛酒，又能充分发挥冰块的制冷效果，如图3所示③。冰鉴箱体的厚度、内部空间的尺寸及其分割方式，对于冷却功能的实现是有决定性作用的，并且其外部的提手以及底座对其人机功效是有一定影响的。

曾侯乙铜冰鉴缶体现了中国传统器具精巧的结构、精美的外观、合理巧妙的功能、极高的工艺水准和材料应用水平。冰鉴缶是一种双层组合器具，外层为青铜鉴，内层放置一方形缶，在青铜鉴、方形缶之间的间隔内放置冰块，实现了现代冰箱的冷藏功能。设计者在设计曾侯乙铜冰鉴缶时，利用其独特的外形结构、分隔置冰与盛酒的空间，同时采用鉴盖与缶盖的组合，打破了传统器具一个罐子一个盖子的特点，将大盖与小盖套合使用，使冰块的放置与舀酒相对独立、互不影响，舀酒时只需要打开小盖即可，不需打开大盖，从而使冰块一直处于密封状态，保证冷冻能量的持久。该器充分体现了我国古代工匠杰出的设计智慧，蕴含了构思巧妙的功能型结构，体现了在低技术时代中国古人对于解决生活中实际问题的巧思④。通过对曾侯乙铜冰鉴缶的研究，不仅对中国古代器物有了全面的了解和掌握，还能深入体会中国传统造物智慧，掌握对其规律的运用。

3 数字仿真技术在文物中的应用

数字仿真技术是指利用计算机和相关软件将实际的物理模型或系统模型转化为数字化的模型，在计算机中进行仿真计算，实现对模型行为或功能的分析、预测和优化的过程。这种技术可以用于博物馆、文物保护机构和考古学等领域，以保护、保存、展示和拆解文物。利用数字仿真技术创建文物的虚拟三维模型，并在数字展馆中展示，可以突破传统的展示方式，提供更为真实和生动的视觉体验。观众可以通过网络或移动设备访问这些虚拟展馆，感受文物的细节和特征，通过交互操作来“触摸”“感受”文物，360度欣赏文物，了解文物的内部细节和构造，观察文物表面纹路细节。这一技术弥补了博物馆中由于空间、灯光等原因造成的不利于参观的缺憾，使观众获得更直观、更立体的观感，并可根据自己的兴趣和需求来选择展示方式和参观内容，提高展示的针对性和效果。从2000年开始，故宫博物院一直在采集院内古建筑和文物的三维数据资源。迄今为止，故宫博物院已完成1294件院藏文物三维数据的采集工作，这些高精度三维数据可以用来展示72万平方米的紫禁城三维全景。故宫博物院根据这些三维数据利用全景VR技术推出了观众可以沉浸式欣赏360度故宫实景的游览虚拟故宫项目。

通过利用数字仿真技术创建虚拟三维模型，还可以解决具有重要历史价值的文物不能反复拆解研究的问题。设计者可以直观地对其进行观察、拆解、分析，方便设计者对文物进行分析研究，提炼出中国传统器具的造物智慧，并最终应用于产品创新设计。南京艺术学院建设的虚拟仿真实验教学系统，实现了对长信宫灯、香熏球、冰鉴缶等文物的数字化。学习者通过该系统能对这些器物进行全面的了解和掌握，直观感受中国传统造物智慧，掌握传统造物的结构、工作原理和性能特点，以及发掘用户需求，全面、综合利用多种要素实现功能诉求，提出具有高度创新性的解决方案。

4 曾侯乙铜冰鉴缶模型制作及贴图绘制技术

曾侯乙铜冰鉴缶数字化是通过数字化技术从几何形状到材质属性再现曾侯乙铜冰鉴缶原貌，除了满足观众获得真实和生动的视觉体验需求外，还要方便设计者通过网络直观地对冰鉴缶进行观察、拆解、分析，方便设计者对文物进行分析研究，提炼中国传统器具的造物智慧，并最终应用于产品创新设计。因此，对曾侯乙铜冰鉴缶数字化不仅要考虑外观、结构的复原，还要控制数字模型数据量，保证网络使用流畅度，保证使用者可以流畅地观察、拆解、分析数字模型。因此，本案例采用PBR次世代技术完成曾侯乙铜冰鉴缶的数字化模型制作，通过高低模烘焙法线贴图，通过法线贴图在低模上表现曾侯乙铜冰鉴缶表面的纹理、破损等细节，减少模型数据量。

4.1 低精度模型大型制作

根据曾侯乙铜冰鉴缶的数字化需求，制作的模型必须要对器物进行复原。曾侯乙铜冰鉴缶分为冰鉴、鉴盖、缶、缶盖、长勺五大部分，如图4所示。方鉴通高632毫米，长、宽均760毫米，口部边长628毫米。方形缶通高518毫米，口边宽238毫米，底边宽218毫米。铜勺长840毫米。我们按照曾侯乙铜冰鉴缶的尺寸制作大型。

因为要通过观察、拆解冰鉴缶了解其结构、工作原理和性能特点，提炼元素用于产品设计，所以要分析冰鉴缶结构设计思路，并将结构体现在数字化模型上。鉴与缶的组合设计使用了上下固定法，巧妙地将缶颈与缶底固定在鉴体上。鉴盖上留有一方孔，缶的口颈略高出鉴盖，穿过方孔正好被鉴盖卡住，使缶的上体不能晃动。鉴底部结构共分两层：外层有一圆饼形下凹，内层为一圆盘状铜件，铸有呈“品”字形分布的三个弯钩，附在外层下凹处。圆盘上铸有呈“品”字形分布的三个弯钩，其中前一弯钩带有可以活动的倒钩。缶的圈足上有三个长方形榫眼，位置与圆盘上的三个弯钩相对应，钩扣进榫眼内，其中一弯钩上的活动倒钩，即自动落下，缶便被牢牢固定了，如图5、图6所示。再依据功能结构分析在数字模型上制作各种结构，如图7所示。

从鉴身侧视角度观察，冰鉴的面和棱上共有八个拱曲攀伏的龙形耳纽，纽尾有小龙缠绕，有两朵五瓣小花立于龙尾之上，圈座附四个兽形足。因为龙形耳纽和兽形足造型比较复杂，只使用Maya不能很好地控制形态，于是我们在Maya中制作大致形态，然后导入Zbrush调整形态，制作了龙形耳纽和兽形足的大型，并将其放置到正确的位置，如图8所示。如此则完成了曾侯乙铜冰鉴缶数字模型的大型制作。

4.2 高精度模型细节制作

曾侯乙铜冰鉴缶细节主要包含龙形耳纽、兽形足造型以及冰鉴缶身上的浮雕纹理。首先塑造龙形耳纽、兽形足的结构。在Zbrush中使用Standard笔刷和DamStandard在龙形耳纽、兽形足大型上刻画大致结构，同时使用Smooth笔刷光滑雕刻后的表面，再使用TrimDynamic笔刷对龙形耳纽、兽形足边缘进行棱角的刻画，如图9所示。

接着塑造冰鉴缶的浮雕纹理，制作纹理的思路是先拆分数字模型UV，然后根据UV制作Alpha，将Alpha导入Zbrush，利用Alpha对模型进行遮罩，再使用Inflate将花纹挤出，如图10所示。最终得到所需效果，如图11所示。

4.3 贴图绘制

模型制作完成后，导入Substance Painter，使用高精度模型和低精度模型烘焙出法线等贴图，如图12所示。将烘焙出的贴图应用于相对应的通道，在低精度模型上呈现高精度模型的细节。

观察曾侯乙铜冰鉴缶，绘制贴图，通过材质和贴图细节的刻画来还原曾侯乙铜冰鉴缶的质感。最终效果如图13所示。

5 数字仿真技术在文物数字化中应用的思考

数字仿真技术必然是未来数字化的主流技术。利用数字仿真技术可以将各种文物更完整、真实地展现出来，增加观者的“近距离”体验感，让观者真切地感受文物的魅力和价值，给人们以身临其境的感受，实现文物价值真正的传承。通过建立文物在虚拟世界中的镜像或模型，可以对文物进行多角度、多维度、全方位的模拟与仿真，预测和评估文物在未来的状态和变化。这种数字孪生与仿真技术可以为文物保护和修复提供重要的参考与支持。数字仿真技术的应用也面临着一些挑战和难点，如数字模型的可视化和交互性的优化、数字孪生与仿真的精度和可信度等。未来需要不断加强技术研究和创新，提高数字仿真技术的应用水平和效果，为文物保护事业做出更大的贡献。

注释

①赖亭杉.让文物活起来：數字化助力博物馆的融合传播[J].传媒，2022（4）：34-36.

②吴雨晗.科技文化的有机结合在文化遗产保护中的应用：基于对敦煌文物的数字化的研究[J].中国市场，2023（24）：189-192.

③柳翔宇.基于传统视角的产品创新设计方法研究[J].数位时尚（新视觉艺术），2013（3）：83-84，92.

④柳翔宇.基于传统视角的产品创新设计方法研究[C]//长三角研究生教育创新计划协作委员会.时尚·创新·设计：第一届上海暨长三角设计学研究生学术论坛论文集.北京：中国建筑工业出版社，2012：7.