墓志数字拓片制作与虚拟展示 以周懿王及夫人墓志为例

文 图∕聂凡

明代周懿王墓位于河南荥阳贾峪镇鲁庄村，为配合郑州豫能热电有限公司的建设工作，河南省文物考古研究院于2016 年7—12月对其进行了考古发掘。发掘表明，周懿王墓由寝园建筑、主墓、祔葬墓等多部分组成。其中周懿王墓及夫人王氏墓各出土汉白玉描金墓志一合，蔡夫人墓出土青石墓志一合。因两合汉白玉墓志字口内描金，传统拓印技术不利于文物保护，所以利用三维扫描技术制作数字拓片。

数字拓片是利用计算机图像处理技术，对石碑、石刻本体的轮廓和凹凸信息进行图像处理，而获得具有传统拓片视觉特征的数字图像。对这种技术及方法的研究可以解决墓志、石碑、画像石等浮雕类型文物数字拓片的采集难题。

三维激光扫描技术是最近几年迅速发展并成熟的一项高新技术，激光三维扫描设备的精度日益提升。通过激光扫描设备，可以在无接触的条件下，对碑刻文物进行扫描。这种方法不会损害碑刻文物，不受表面复杂程度的影响，可以将扫描到的空间数据快速转换成计算机可以处理的数据，并且具有很多独特的优点，如实时获取数据，数字化程度高，信息获取、加工和表达容易。通过三维激光扫描系统，能够快速获取物体的三维空间信息，进行三维模型重建。

周懿王汉白玉墓志盖

周懿王夫人王氏墓志盖

通过三维扫描仪对碑刻进行扫描，将扫描获得的碑刻点云数据输入软件，经处理后获得三角网格模型，建立起碑刻的3D 模型。在3D 模型上进行手工选点，勾勒出整个碑刻的形状特征；获得三维模型顶点的深度图后，通过图形图像处理技术填充三角面片，获得对应的数字拓片。

数字拓片技术

数字拓片依托结构光扫描，获取高精度的三维网格模型，通过表面纹理提取技术，将三维纹理转化为二维纹理，从而获取数字拓片。整个工艺流程对石碑石刻无接触、无损害，提取纹理效率高。

数字拓片技术流程包括四个方面。一是在采集阶段要扫描获取高精度的点云模型和三维网格模型。二是在抽取关键结构的基础上，通过三维网格简化获取服帖与高精度网格模型之上的三维网格简化模型。三是在三维烘焙的技术下获取置换位移映射通道、表面曲率通道、环境闭塞通道等。四是在平面处理软件中，对平面纹理进行高反差保留、滤波纹理提取、仿纸工艺处理等操作，获取高精度的数字拓片。

数据采集

数据采集阶段使用结构光三维扫描仪，对墓志进行高精度的三维扫描，建议选择采用蓝光或者结构光工艺的扫描仪，其扫描精度应当达到0.01mm。三维扫描现场工作应采用正面采集的工艺，减少数据的拉伸情况，扫描的单帧幅面不宜过大。对于数据的幅面拼接，应采用ICP 特征点自动拼接，拼接精度≤0.02mm。

三维网格简化数据处理

数据采集获取的高精度三维模型，因精度高，通常数据量4—10G 不等，为提高后续处理的效率，对高精度的网格模型提取网络关键结构，为后续的三维网格简化提供基础数据。三维网格简化烘焙模型是提取关键结构后获得的模型，数据应控制在300M 左右。通过三维网格简化工艺获取的三维网格简化结构模型，应当尽量避免结构点在碑刻的文字和主要花纹之中，应当将点线面结构置于碑刻的雕刻平面之上，避免与碑刻模型的穿插。三维网格简化点线面结构应当布线均匀，充分考虑雕刻平面并不是绝对平整的特点。三维网格简化模型应当服帖于碑刻模型之上，保持与雕刻平面统一的距离。

三维烘焙纹理

“烘焙”是计算机图形学（CG）行业中经常使用的术语，涉及游戏开发和传统的非实时渲染使用三维烘焙纹理，采用置换位移映射的工艺。3D 物体属性上将多种组合的特性烘焙成单个纹理，然后又可以使用对象的UV 坐标将图像纹理重新映射到模型对象。

置换位移映射是与凹凸贴图、法线贴图、切线贴图相区别的另一种制造凹凸细节的技术，它使用一个高度贴图制造出几何物体表面上点的位置被替换到另一位置的效果。这种效果通常让点的位置沿面法线移动一个贴图中定义的距离。它使得贴图具备了表现细节和深度的能力，且可以同时允许自我遮盖、自我投影和呈现边缘轮廓。

置换位移映射在此工艺流程中，通过与拓扑网络模型的结合，通过二进制求值法，获取烘焙目标物体和烘焙参考物体的空间距离关系。烘焙阈值内，空间距离较远的参考点以接近“0”的数值计算呈现，空间位置比较近的参考点以接近“1”的数值计算呈现，并对获取的数值以平面纹理图的方式示意呈现。由此烘焙获取的纹理，称之为置换位移映射纹理。

平面纹理处理

对于获取的置换位移映射纹理、环境闭塞纹理，以及表面曲率纹理，均采用32 位通道，保留平面纹理的色域。采用高反差保留、滤波纹理提取、仿纸工艺处理的方式，来获取高保真的数字拓片纹理。

因石碑石刻并不是绝对平面，受石质碑刻制作工艺的影响，通常获取的纹理表面会出现部分色值不均匀的情况，不利于数字拓片的提取。通过高反差保留的工艺，过滤非正常的纹理，使碑面和刻字部分灰度值区分明显，且平面纹理均匀。高反差工艺获取的纹理一般特征为，远离拓扑平面的颜色近似黑色，贴近拓扑平面的颜色近似白色。为了与拓片色彩表现相同，采用反转颜色的命令，可使纹理部分表现为白色，雕刻基础平面表现为黑色。

置换位移映射示意

拓片反转颜色示意

获取反转纹理后，对于纹理采用滤色取值，采用色阶的命令获取在不同阈值范围内的纹理对比成果。在此步骤中参照实物碑刻文字的具体尺寸效果，获取适合的色域值，用以还原拓片的纹饰。当阈值选择过高则会出现白色色溢过多的情况。但阈值选择过小时黑色色溢过多，则提取范围达不到花纹与雕刻平面的交界位置，为正常色域范围的效果，碑刻纹饰清晰，平面与转折自然，实现准确的拓片还原效果。

为了进一步呈现与拓片一致的效果，通过仿纸纹理的添加可以使原有计算机生成的纹理，具有更强的纹理感，参照纸质纹理的生成方式和原理，不同的纸质纹理可以应用于数字拓片的效果中，增强数字拓片的真实感。

技术优势

数字拓片技术有众多的技术优势：

第一，采集处理输出效率高。通过对数字拓片工艺的研究，一次采集之后，数字化工艺流程提取表面纹理，无需长时间与文物结合，且无需像传统拓片一样需要复杂的工艺流程。提取表面纹理可以不受现场环境的影响，获取纹理更加便捷高效。特别是对于一些外部拓制环境困难的现场，可以实现现场快速采集、内业快速处理的高效工作流程。

第二，成果线性可控。在每个工艺流程中，均可以实现参数化线性控制，对于特殊部分可以采取分步操作的方式。真正做到成果线性可控，提取区间自由的目的，对于不理想的区域，可以以数字化方式采取合理数值区间。相较传统工艺，一旦拓印流程出现失误，整个工艺需要重新开始，而数字化的成果具有可操作性，在最大程度上保证了数据完整性。

第三，工艺适用性高。数字拓片的工艺可以广泛地应用于各种石碑石刻，且三维采集工艺不受设备的影响，可采用三维结构光扫描仪、三维蓝光扫描仪、三维白光扫描仪等，为石质文物的研究和保护提供了更为便捷的数字化工艺流程。

第四，可实现二维矢量纹理转换。获取的数字拓片纹理因工艺的优异性，输出文件的尺寸具有较大的自由性。通过高清纹理的矢量转换，可以获取无损的矢量文件，为拓片的打印提供了高清的数据支撑。

第五，成果数字化。为便于存储研究整个数字拓片工艺流程，获取的三维网络模型、烘焙纹理、平面处理的数据均为数字形式。相较于传统拓片，这样一方面节省了原料和材料，另一方面数字成果在数据保存和研究方面更加便捷。

与传统拓片对比，数字拓片的效果图更佳，纹饰线刻、字体线刻更加具体丰富，立体感更强。篆刻分为阳刻、阴刻、阳刻加阴刻三种表现形式，阳刻与阴刻数字拓片的制作方法相同，阳刻加阴刻的拓片制作程序复杂，一直是数字拓片的技术难题。周懿王墓志盖和周懿王夫人王氏墓志盖属于阳刻加阴刻相结合的篆刻手法，在制作数字拓片时，基本上解决了这类碑刻不易获取的难题。与传统拓片对比，数字拓片墨色轻重变化均匀自然，线条粗细变化清晰流畅。

周懿王墓志盖及墓志数字拓片

周懿王夫人蔡氏墓志盖“懿”字和周懿王墓志盖“誌”字数字拓片与传统拓片对比

周懿王夫人王氏墓志边框纹饰数字拓片与传统拓片对比

数字拓片应用

数字化成果可以与其他行业结合，这是传统拓片工艺所不具备的。获取的数字信息，可用于数字拓片的纹理提取与制作；所获取的三维扫描数据，不仅起到了数据留存的作用，而且通过三维数据与3D 打印的结合可以用于文物复制和修复，对文物的保护意义重大。三维数据采集后，三维模型与文化创意相结合可以对文化创意产生推动作用，真正做到让文物火起来，让历史文化元素融入我们的生活当中。

观众可以通过电脑或手机在线多形式浏览数字拓片的三维模型，可以真切地触摸到“真实”的文物，实现放大、缩小、旋转、与真实文物进行对比，实现了文物与观众的多效互动。此外，还体验到电子拓片的介绍、高清图片欣赏等功能，突破了藏品在空间展示上的限制，增强了趣味性，促进了历史文化在公众中的传播。