萬惠玲

（蚌埠學院 藝術(shù)設(shè)計系，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠雙墩文化遺址位于蚌埠市淮河北岸的雙墩村，三次進行搶救性考古發(fā)掘，出土大量風格獨特的珍貴文物，經(jīng)碳14測定該遺址距今約7300年，1991年國家文物局在合肥召開的“蘇魯豫皖先秦考古”工作座談會上，認為該遺址是淮河中游地區(qū)史前文化的代表，在中國古代文明起源中具有重要地位和巨大影響[1]（1）。出土的特色文物論證蚌埠雙墩遺址的特殊價值，豐富中華文化的內(nèi)涵，同時對于區(qū)域特色文化產(chǎn)業(yè)注入良好的文化基礎(chǔ)。對此，通過3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)為紐帶，綜合圖形處理、人機交互技術(shù)等多種數(shù)字技術(shù)，對蚌埠雙墩文化遺址進行三維虛擬現(xiàn)實展示技術(shù)探討，為雙墩文化遺址的保護、研究、修復以及虛擬旅游提供一種新的方法。實踐證明，在考古遺址應用3D數(shù)字建模技術(shù)，不僅可以完全達到這些目的，同時，將會是考古信息獲取和資料后期整合、分析手段的一次具有重要意義的變革[2]。

一、蚌埠雙墩文化遺址結(jié)構(gòu)特征及文化內(nèi)涵分析

雙墩文化遺址具有典型的自身文化特征，其文化層堆積呈斜坡狀，層次分明，出土的文化遺物豐富多彩，主要有陶器、石器、蚌器、骨角器、紅燒土塊建筑遺存、動物骨骼、蚌殼等，種類繁多，其陶器以四鋬平底罐形釜、矮圈足或假圈足餅底碗、矮喇叭座豆、鳥首或牛鼻形耳系罐、底腹均有箅孔的甑及祖形支架等為組合，既有生產(chǎn)生活工具，又有大批的刻劃符號和泥塑藝術(shù)品。區(qū)別于其他文化的遺物群，特別是數(shù)量眾多、內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)復雜的象形、幾何行及其他各種單體、重體、組合體類型的陶器刻劃符號，使雙墩遺址形成獨特而新穎的文化面貌，為探索7000多年前先民們的社會經(jīng)濟文化生活，提供了大量信息[3]（1）。

雙墩文化遺址是淮河中游地區(qū)發(fā)現(xiàn)的年代最早的新石器時代文化遺存，對建立淮河中游地區(qū)史前文化年代分期框架和譜系研究具有特別重要的意義。其罕見的600多件刻劃符號表明它是一定地域范圍氏族部落之間表達特定含義的記錄符號，涵蓋古淮夷先民生產(chǎn)、生活和精神領(lǐng)域活動的大量信息，呈現(xiàn)出獨特的、兼蓄南北方早中期原始文化內(nèi)涵，是研究中國文字起源的珍貴資料。為此，以雙墩古遺址為研究原型，以器物、地形、建筑殘留作為主要展示對象，結(jié)合Converse3D等技術(shù)實現(xiàn)虛擬還原展示對象，結(jié)合3D可視化虛擬技術(shù)，建立雙墩遺址生活場景三維數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)遺跡信息的數(shù)字化存儲，建立建筑物、植被、地形、及天空的虛擬反演，再現(xiàn)雙墩遺址、全面可視遺址成為可能，繼而了解古淮夷先民的生存環(huán)境和生產(chǎn)力發(fā)展水平，為雙墩遺址的研究和開發(fā)創(chuàng)造條件，為考古信息數(shù)字虛擬提供新的方法，同時將考古成果以生動的形象和嚴謹?shù)目茖W內(nèi)涵展示出來，考古工作者利用3D數(shù)字建模獲取雙墩遺址的各種信息，探尋古淮夷先民與古環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系。

二、3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)在考古發(fā)掘及考古研究上的應用改變傳統(tǒng)信息的獲取方式，參與者及參觀者可以互動雙向的對虛擬實體進行對比研究和交互操縱，可以獲取更多交流與成果提取。為學術(shù)研究、美術(shù)考古、參觀游覽帶來更多的幫助。國內(nèi)外使用的數(shù)字技術(shù)主要有利用射線或核磁技術(shù)進行計算機斷層攝影，如x計算機斷層攝影（X-CT）、超聲波計算機斷層攝：影（u-CT）及核磁共振計算機斷層攝影（NMR-CT）等；二是利用數(shù)字技術(shù)進行文物修復，包括器物的色彩、紋樣、形狀的恢復還原；三是三維激光掃描建模技術(shù)，具有測量數(shù)據(jù)精度高，非接觸性測量等優(yōu)點，是文物信息采集、存儲的重要手段；三維激光掃描建模技術(shù)的核心是點云數(shù)據(jù)處理，相關(guān)研究始于20世紀80年代，主要包括點云表面重建、多視點云拼接、模型的多分辨率表示和三維紋理映射等幾個方面。四虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR（Virtual Reality），也稱靈境技術(shù)，它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，實現(xiàn)歷史環(huán)境的真實體驗。

目前，國外在考古領(lǐng)域廣泛應用3D虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)，較權(quán)威的國際考古探測會議（International meeting of archaeological exploration）[4]，對考古信息可視化的專題討論，如從2005年借助于3D成像技術(shù)展現(xiàn)了公元79年在維蘇威火山的怒吼聲中被厚厚的火山灰“活埋”之前的羅馬城龐貝，在游客面前展示一座完整、真實和自然的龐貝城[5]。3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)用在考古領(lǐng)域，既有“修復”功能，又有助專家論證和辯論。國內(nèi)的數(shù)字復原及虛擬開發(fā)技術(shù)雖不如西方發(fā)達國家成熟，但也取得不少成果，3D數(shù)字技術(shù)應用于考古工作取得豐碩的成果，2004年對金沙遺址出土文物運用3D可視化技術(shù)進行精確地數(shù)字化復原，建立數(shù)字博物館[6]；秦俑博物館、敦煌莫高窟、洛陽龍門石窟等利用虛擬三維數(shù)字建模項目，實現(xiàn)數(shù)字虛擬還原場景，建立遺址生活場景數(shù)據(jù)模型，以虛擬方式展示古人的生產(chǎn)、生活場景。

三、基于3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雙墩文化遺址復原展示

雙墩文化遺址文物實物修復已完成，對此進行的學術(shù)研究已初見成效，目前對于實現(xiàn)三維數(shù)字化真實感建模還處于嘗試階段。其在實際數(shù)字研究工作中，首先建模問題，對所有器物及環(huán)境場景進行三維激光掃描技術(shù)，繼而精細建模，前期需要進行大量的現(xiàn)場實物信息采集工作，取得第一手實物詳細資料，然后再對采集到的信息進行歸類、取舍，設(shè)計方案。在建模過程中，應充分考慮到雙墩遺址文物還原的真實性，在文物的造型、色彩、紋樣、材質(zhì)等方面都應做到認真分析。

3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雙墩文化遺址復原具體研究內(nèi)容如下：1）可直接對獲取的精度點云模型進行三維空間測量，通過三維掃描的方式，對文物環(huán)境數(shù)據(jù)高精度測繪及數(shù)字化拍攝，降低傳統(tǒng)方法中人工計算和推導的不確定性，從而為遺址的保護和修繕提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2）采用三維建模工具建立文物器型數(shù)字化三維模型，更好記錄雙墩遺址場景的空間形態(tài)及結(jié)構(gòu)屬性，可以作為雙墩遺址真實的數(shù)字化副本保存；3）采用圖形圖像軟件建立能漫游的文物真實感虛擬場景，Converse3D核心引擎是整個虛擬現(xiàn)實的核心部分，采用DirectX9.0和C++編寫，包括場景管理、角色動畫、Mesh物體生成、3D導出模塊、粒子系統(tǒng)，并支持頂點渲染和像素渲染；4）基于文物虛擬場景的文物造型、紋飾及色彩調(diào)查、確定文物材質(zhì)與歷史環(huán)境的吻合；5）采用3D、Maya、PR、AE等軟件建立支持文物保護修復技術(shù)（如使用3D中reactor動力學系統(tǒng)來模擬真實的物理規(guī)律，進而制作完全仿真的動畫效果。包括剛體和軟體的碰撞模擬、各種約束的使用方法，以及諸如水面、風力等物體的模擬，為器物對象指定物理屬性，如質(zhì)量、摩擦力、彈力等）。reactor中reactor Real-Time-Preview（實時模擬顯示）是非常奇特的交互平臺，與動力學模擬中的器物對象進行交互，調(diào)整場景布局及對象形態(tài)等。6）建立包含文物圖象、三維結(jié)構(gòu)模型及保護研究與修復檔案的多媒體文物保護數(shù)據(jù)庫建立包含文物圖象、三維結(jié)構(gòu)模型及保護研究與修復檔案的多媒體文物保護支持。

雙墩遺址出土大量具有藝術(shù)價值的陶器、石器、裝飾藝術(shù)品、炊具、盛儲器等，并且陶器底部刻有600多個刻劃符號。如何將其完整，無損地記錄下來，是我們文物數(shù)字化信息獲取的主要目標。根據(jù)獲取對象的不同特點分別采用不同的方法來進行獲取工作。雙墩遺址的結(jié)構(gòu)數(shù)字化獲取：雙墩遺址有著極其特殊的遺跡現(xiàn)象：1）遺址地表為歷代亂葬堆，間隙為現(xiàn)代農(nóng)田，文化層由西北向東南為斜坡狀的疊壓堆積[7]；2）陶器為多種造型，如網(wǎng)墜、拍形器、人面塑像等；3）石器、骨器凸顯生殖崇拜，我們從已知的測量數(shù)據(jù)直接使用三維建模工具進行建模，把遺跡色彩采用投射貼圖的方法映射到遺址表面，采用凹凸貼圖的方法來模擬土丘與器物的紋理浮雕，并根據(jù)原始情況改變其凹凸度以增加真實感。遺址環(huán)境虛擬數(shù)字化獲取：利用現(xiàn)有成熟的3D軟件通過交互式對目標進行建模，建模精度能夠滿足實際應用的要求，實現(xiàn)實時三維圖形或虛擬環(huán)境生成技術(shù)。藝術(shù)裝飾品等器物的裝飾色彩及裝飾圖形符號數(shù)字化獲?。簩τ谔掌鞯葞в猩是彝庑伪容^復雜，對記錄精度要求很高的三維對象，我們采用三維掃描技術(shù)來獲取其模型。使用專業(yè)的三維掃描儀可以容易地獲得三維物體的幾何模型，其記錄精度可以達到毫米數(shù)量級。并針對帶有色彩且難以修復的特點研究了專門的模型拼接法。

四、3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行交互虛擬的難題及研究意義

雙墩文化遺址出土文物具有豐富的色彩、紋理信息，這兩點也是美術(shù)考古專家研究的重要內(nèi)容。三維掃描儀只能獲得物體的單色幾何模型，無法直接獲取色彩信息。為了彌補這種不足，我們研究了如何通過三維掃描儀掃描獲得的單色模型與圍繞著它所拍攝的一系列數(shù)字相片來獲取物體紋理貼圖的方法。該算法通過模型到圖像的對準技術(shù)、幾何投射與變形和拼接等步驟來獲取物體圓柱貼圖紋理，具有直觀、對原始照片質(zhì)量要求小、允許運行時編輯等優(yōu)點。雙墩文化遺址出土文物器型及色彩復原與演變模擬可以采用自動或交互手段，對破碎、褪色、變色和脫落的殘破器物進行復原，并模擬其脫落、殘破的發(fā)生和演變過程。器物復原演變模擬涉及的主要技術(shù)包括：器物特點、色彩分層、色彩風格、類比推理、色彩協(xié)調(diào)映射等方面。

本系統(tǒng)的研究與開發(fā)為保護與研究雙墩文化遺址提供了有效的計算機輔助研究工具，對于以后淮河流域美術(shù)考古起到有效技術(shù)支持。雙墩文化遺址文物器型及色彩復原與演變模擬可根據(jù)出土器物造型及器物裝飾圖像的主要顏色，自動將出土器型圖像劃分得到幾張單色圖像；利用出土器物的屬性檢索出與當前器物相似的完好的器物作為復原的參考器物；同時應用雙墩傳統(tǒng)用色知識，雙墩遺址出土器物造型風格知識、雙墩研究專家的經(jīng)驗知識，進行色彩復原推理；最后，利用變色演示技術(shù)可以產(chǎn)生很多中間圖像，逼真地器物造型修復的全過程。應用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)對雙墩文化遺址進行數(shù)字還原展示，制作一套準確、生動的遺址三維復原虛擬仿真系統(tǒng)，不僅會填補雙墩文物修復技術(shù)的空白，而且對遺址的保護、延續(xù)具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］記者孫秀麗.雙墩遺址及雙墩文化學術(shù)研討會在蚌埠召開［N］.中國文物報，2005-11-18-（001）.

［2］趙昆.三維數(shù)字建模技術(shù)在考古遺址中的應用及前景展望［N］.中國文物報，2006-5-26（007）.

［3］左雋，楊揚.“雙墩文化”：填補淮河流域史前文化空白［N］.安徽日報，2005-12-9（C01）.

［4］DuXiao，F(xiàn)an Xiangtao，TanJⅠan，ZhuJunjie.Studyon 3D Visualization Application for the Grand Canal Heritage Site Research［C］.Ⅰnternational Symposium on Digital Earth：Data Processing and Applications，2009-9.

［5］何曉慶.史前聚落遺址的三維建模與可視化技術(shù)研究［D］.南京信息工程大學，碩士論文，2011：3-14.

［6］闞瑗珂.考古地層的三維可視化及應用研究-以成都金沙遺址為例［D］.成都理工大學，碩士論文，2006：2-20.

［7］安徽省文物考古研究所.安徽省蚌埠博物館，安徽蚌埠雙墩新石器時代遺址發(fā)掘報告［J］.考古學報，2007，（1）：97-126.

［8］杜鶴民，楊君順.論中國民間工藝的數(shù)字化傳承.藝術(shù)空間（鄭州輕工業(yè)學院學報）［J］.2006，（3）：75-76.

［9］（美）尼葛洛龐帝，胡泳.譯.數(shù)字化生存［M］.海南：海南出版社，1997：55.

［10］陳定方，羅亞波.虛擬設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：10.

［11］元鑫輝、王愷.Autodesk 3ds Max 2009 標準培訓教材［M］.機械工業(yè)出版社，人民郵電出版社，2008：10.

［12］（英）理查德·布賴斯，史萍.譯.多媒體與虛擬現(xiàn)實工程［M］.中國電影出版社，2000：38.