淺談可視化技術在文物考古領域中的運用

概念與流程

可視化技術(Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在螢幕上顯示出來，並進行交互處理的相關理論、方法和技術。

具體來說，可視化技術就是將採集所得的現實物體的數字數據經過計算機的處理，使物體以兩維或三維展現在計算機上，並可以被觀察、測量及其他處理的一種技術。

文物考古領域中的可視化技術可以按照操作流程大體分為數字化數據採集、數據處理或映射成三維模型、渲染成圖形圖像、交互應用四個步驟。

數字化數據採集是指利用數字採集設備，以獲取遺物或遺蹟數字化數據信息的過程。

數字採集設備分為照相設備、掃描設備和輔助設備（如航拍器）。

在獲取了數字化數據信息之後進行數字化處理，可利用相關軟體進行二維處理 （如Photoshop、SAI 等） 或三維處理 （如 Agisoft PhotoScan、 ContextCapture Master、 Pix4D Mapper等）。

多重影像三維重建 （照片建模） 的技術思想是模仿人的視覺系統，從採集的二維信息中恢復出物體的三維特徵，並建立物體的三維幾何模型。

即通過拍攝物體多焦點圖像，利用計算機三角運算，實現物體三維模型的重建。

利用三維掃描儀進行遺存的三維重建，採集和處理是同時進行的，並在生成三維模型之後進行直接或間接的紋理添加。

最後，我們可以利用生成的三維模型，進行各種交互應用處理，如遺存的多視角展示、導出遺存的正投影像進行測量及線圖的繪製等相關工作。

成果與實踐

經過近三十多年的發展，可視化技術日臻成熟，並已在文物考古領域中被廣泛應用。

針對此現狀，吉林大學邊疆考古研究中心在2016年11月18日~20日舉辦了「文物考古領域中的可視化技術」交流會，為考古學界就可視化技術的探討提供了平台。

近年來，以中國社會科學院考古研究所、吉林大學、中國人民大學、河北師範大學、吉林省文物考古研究所、遼寧省文物考古研究所等單位在此領域做了大量的工作，主要可以概括為以下幾個方面：

在文物考古科研中的應用 首先，客觀全面的記錄為考古科學研究提供了更為詳實合理的資料。

可視化技術在資料庫建設、田野考古調查與發掘、大遺址保護、三維古人容貌復原及後期整理等方面不僅大大提高了信息的全面性，同時還提高了效率。

在田野考古調查與發掘中，可將遺存按面積分為超大範圍遺蹟點 （大面積區域考古調查）、大型遺蹟 （遺址分布區）、中型遺蹟（整個發掘區或大型墓葬）、小型遺蹟 （單個探方、單位或小型墓葬）、遺物等。

不同規模和類型的遺存採用的技術手段往往存在一些差異。

超大規模遺蹟的信息記錄可以採用考古資料庫、地理信息系統 （GIS）、奧維地圖等技術手段進行信息記錄。

我們以吉林省聚落考古資料庫和地理信息系統 （GIS） 的建設為基礎，通過空間考古學方法將考古遺存置於空間分布和地理環境的大背景中進行比較分析，進一步了解和復原古代人類在不同時期對不同環境的適應情況和方式，並分析人類活動在景觀形成中的影響，進而探索吉林省境內古代聚落分布和形態的歷時演變規律。

具體應用包括尹家窩堡和周圍遼金城址的位置關係、鎮賚縣古遺址的空間分布研究與調查資料分析、漢書遺址各個時代遺存分布狀態等。

大型遺蹟多採用固定翼航拍器垂直俯拍，通過搭載不同的設備來獲取信息，如影像、紅外、多光譜等。

在乾安春捺缽遺址，通過固定翼航拍器拍攝獲取遺址的照片，使用後期軟體處理得出整個遺址的大比例平面俯拍照片，經過分析發現了大量在地面調查中不易發現的遺蹟現象，為進一步發掘、研究提供了參考。

中型遺蹟一般可採用多旋翼航拍器環繞遺址拍攝多角度照片，在一些無法使用多旋翼航拍器的特殊環境下，也可以採用獨腳架「挑杆」進行拍攝。

在大安後套木嘎遺址中，使用多旋翼航拍器多角度拍攝，通過計算得到整個遺址發掘區的三維模型。

在前進古城、龍潭山城等遺址，因為林地環境所限，使用照相機進行多角度拍攝，通過計算，也成功得出了發掘區的三維模型，為後期測量、繪圖提供了便利條件。

小型遺蹟一般多使用相機進行多角度拍攝，通過後期軟體的運算，就能很全面的獲取遺蹟的信息。

如在長山遺址中，利用可視化技術重建墓葬的三維模型，在軟體里進行虛擬剖切，可以得出該墓葬很準確的的剖視圖。

在大遺址保護中，利用固定翼航拍器進行垂直俯拍，並通過軟體計算可以得到遺址保護區域的大比例圖像。

可以很容易地在圖上進行遺址保護區和建築控制地帶等的規劃，為大遺址保護提供了便利的條件。

例如在山東龍興寺的遺址保護規劃中，使用固定翼航拍器對整個遺址保護範圍進行航拍，計算得出遺址保護區域的大比例圖像，方便了遺址保護的規划進程。

在三維古人容貌復原中，可以利用多視角三維重建或三維掃描獲取顱骨的三維模型。

相對於三維掃描儀來說，利用多視角三維重建技術獲取顱骨三維模型效率更高，而且自帶更加精細的貼圖。

但是就精度而言目前還存有疑問，具體精度差別目前還處於實驗比較階段。

在文物數字化記錄方面，基於傳統測量拍照繪圖基礎上引入三維模型作為更精確的輔助記錄方式。

河北師範大學還嘗試利用手機進行圖像採集。

遺物按體積可分為大型遺物和小型遺物，對於大型遺物需要遠近結合多視角拍照，遠距離大視角照片確定形狀，近距離照片增加細節；小型遺物則進行多角度環繞拍照，器型越複雜，照片拍攝角度就應越多。

近年來吉林大學文物保護實驗室在此方面已經進行了多方面的嘗試，其中大型遺物方面成果比較突出的是大型佛像的三維建模及數字化建檔，小型遺物方面在青銅器、陶器、瓷器和石器等多種質地不同年代的文物均有所嘗試，其中石器三維建模在實際工作中應用最多且已形成了比較系統的專門化操作流程。

石器根據其大小、質地等特徵的不同在前期信息源採集時對拍攝參數和數量均有不同要求，對所得數碼照片在相關圖像處理軟體中的標準亦有所不同。

目前，實驗室在結合石器分析及繪圖等專業知識的基礎上，已成功在實際工作當中解決了最大直徑長度小於五厘米的小型石器的建模精確度、黑曜石等折射率高石材的成像困難、石英等淺色石製品的貼圖、多面體石器 （如石球） 的表現方式等一系列難題，開始嘗試將所得到的可視化技術成果轉移到更深入的研究當中去，嘗試利用石製品的三維模型進行石製品疤痕的分布、規律等統計學分析，拓展數字考古學 （Digital Archaeology） 的研究領域並將其與我國考古學實踐相結合。

在博物館及文物修復中的應用 可視化技術在文物三維展示中，可通過不同視角的轉換及視距的調整，生動、立體、直觀地將遺物展現在觀眾面前。

考古遺址現場虛擬展示則可以還原考古發掘現場，實現人機互動，給人以身臨其境之感。

此外，可視化技術也為博物館文物的數字修復、複製、仿製及推動文創產品開發創造了條件。

在「網際網路＋」中的擴展應用 可視化與網絡技術結合使遠程可視化服務成為現實，網絡展示有利於文物考古的公眾推廣。

例如，可以製作二維碼，通過掃描的方式方便快捷地將遺存的二維圖像、三維模型在手機等設備中展現。

在教學中的應用 將可視化技術引入本科生田野考古實踐教學，有利於學生在走上工作崗位之前，掌握過硬的專業技能，同時在就業過程中提高學生的競爭力。

因此，在近兩年本科生的實習過程中，綜合考慮各方面因素，我們在可視化技術的實踐方面做了一些針對性的工作。

例如2015年，我們首次將多視角三維重建技術運用到隆德沙塘北塬遺址吉林大學考古系本科生田野實習基地（寧夏自治區文物考古研究所與吉林大學邊疆考古研究中心合作發掘項目），利用相機及多旋翼航拍器拍攝照片，通過軟體對照片進行處理，製作出工地三維全景及探方三維重建模型。

通過多視角三維重建探方模型，可以導出探方正投影及四壁圖像，並進行平剖面線圖的繪製。

2016 年，在隆德沙塘北塬遺址及梨樹長山遺址 （吉林省田野考古實踐與遺址保護研究基地） 本科生田野實習基地的發掘過程中，對三維重建技術進行了改進。

通過設置控制點，獲取控制點坐標等方法，進一步縮小了三維重建模型的誤差。

同時，將 Geo?magic Studio軟體引入到田野繪圖工作中，利用該軟體對遺蹟三維重建模型進行剖切，由此繪製出的線圖可以更加精確。

此外，還可以利用多視角三維重建模型直接獲得探方內遺物的全站儀坐標及傳統坐標。

不足與展望

目前，雖然可視化技術在文物考古領域中的大量實踐已經取得了較好的效果，但是在諸多方面仍然存在可進行深入探討的餘地。

例如，在田野考古發掘中，如何更科學地對遺址發掘的動態過程進行完整的信息記錄；在田野考古調查中，如何儘量降低植被、氣候等自然環境對可視化技術的操作過程及成果產生的不良影響；如何使可視化技術更好地服務於科研，在精確化記錄的基礎上增加可研究的範圍並提出新的問題等等。

希望以此次會議為契機，促進考古學界同仁對可視化技術的了解與認識，並在今後加強彼此之間在該領域的交流與探討，使可視化技術在文物考古領域中的實踐運用水平達到一個新的高度。

（作者單位:吉林大學邊疆考古研究中心）