前 言

传统方法记录出土遗迹和遗物因操作者的水平差异，记录效果往往参差不齐，有些甚至不能准确反映遗存原貌。近年来，随着数字技术的发展，三维数据采集与分析技术被引入考古工作当中，在一定程度上实现了考古数据的全方位、高精度留存。

三维采集技术是通过数字化扫描或拍摄的方式，记录对象物体的实体信息，利用计算机软件进行数据拼接和后期处理加工，最终生成被测物体的三维数据模型。主要技术手段包括三维激光扫描、光栅投影、倾斜摄影测量等。前两类是利用专业三维设备获取三维数据；后一类为影像合成的三维模型，是目前考古工作主要使用的三维数据采集手段。对于考古工作而言，三类三维采集技术各有特点，概述如下：

三维激光扫描主要是利用激光测距的原理获取被测物体表面的三维信息，利用扫描仪发射激光脉冲（激光线）到被测物体表面，接收反射激光信号，获取激光往返时间和速度计算它与被测物体之间的距离，以获取大量点的三维坐标、反射率和纹理信息等，从而重现被测物体的三维模型数据。

光栅（结构光）扫描主要是利用投影移相法，将光栅图样投射到被测对象的表面，由于被测对象表面的几何尺寸分布不同，光栅发生不同的形变，通过解调物面高度信息的相位变化和光学三角原理，得出相位与物面高度的关系，从而解析出被测物表面的三维坐标，最终得到被测物体的三维数据模型。

倾斜摄影测量的三维重建主要是利用双目视觉原理，通过数码相机拍摄被测物体的二维影像，利用相邻影像的特征点，建立影像之间的对应关系，结合相机标定的参数得到空间三维坐标并生成点云数据，构建三角网格模型，从而得到被测物体的三维模型。此种方法具有操作灵活、成本较低的特点，所以被广泛应用于田野考古工作当中。

上述三维数据采集方法虽已广泛应用于考古工作之中，但是对于不同的考古现场其应用范围则大不相同，例如基于摄影测量的三维重建方法（包括倾斜摄影测量）更加侧重应用于大型遗址或遗迹，采集速度快，生成三维模型的操作相对简单，但是其数据精度并不是很高，误差多为厘米级。因设备采集范围受限，利用三维扫描设备（大场景三维扫描仪除外）直接获取三维数据的方式则一般应用于小型遗迹或者出土文物的三维数据采集，其数据精度较高，能够更加清晰地还原出土遗存的原貌。其数据精度一般能够达到毫米级。

一

三维数据采集与处理

2021年5月，中国国家博物馆、山西省考古研究院及运城市文物保护中心组成的联合考古队，在山西绛县西吴壁遗址发现一座商代初期灰坑，其中瘗埋20余个完整的兽骨个体。该坑位于冶铜生产区南部，应属冶铜生产过程中的祭祀遗存，具有十分重要的学术意义。坑中的兽骨叠错放置，密度十分大，难以通过手工绘图予以准确记录。考虑到利用倾斜摄影存在误差大、画面不够清晰的缺点，遂采用高精度三维扫描设备进行现场测绘。以下简述现场数据采集及后期处理过程：

（一）所用设备及工作原理

遗迹开口线略呈圆形，开口面积约6平方米，周壁略向外扩，其中空间多被兽骨占据，部分兽骨已清理出来，还有少量被叠压。所见兽骨形态复杂，细节部位较多，需使用高精度三维扫描设备方能达到较好的效果。采集现场位于发掘区北部，附近还有其他遗迹，不适合大型仪器作业。因此，所用设备还需具有一定的可操作性和灵活性。基于上述因素，我们同时选用两款不同精度的手持三维扫描仪进行三维数据采集。所用设备分别为ARTIC EVA、ARTIC SPIDER。前者的扫描精度为0.1mm，用于扫描兽骨坑的整体形态；后者扫描精度为0.03mm，用于呈现兽骨坑中细节较多的部分。两种设备同时使用，既保证最终的数据量不会太大，数据可操作性较强，同时又能较好地还原重要的细节部分。同时，为了清晰、真实地还原兽骨坑的颜色，利用佳能5DRS相机进行兽骨坑的高清纹理拍摄。

（二）采集过程

三维数据的采集一般包含几何数据的获取和纹理影像的拍摄，虽然很多三维扫描仪在进行几何数据采集的同时，能够获取其表面纹理数据，但因其纹理数据的分辨率较低，不能满足后续研究、展示的应用，因此一般情况下都需要利用数码相机单独拍摄纹理影像数据。因此，采集过程分为三维数据采集和纹理影像数据的拍摄两个部分。

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三维采集

根据考古遗迹的现场勘查，为了便于三维扫描，进行现场搭建，在三维扫描工作开始前，进行设备校准，该遗迹为圆形，首先利用ARTIC EVA手持扫描设备，从遗迹边缘向中心逐行进行扫描，保证整体轮廓的数据完整性在98%以上，对于兽骨细节不必过于完整，以外形为主。对于细节较多的地方采用ARTIC SPIDER设备，进行兽骨细节的扫描。具体步骤如下：

（1）电脑放置在安全位置，设备电源线及数据传输线与电脑连接，调整参数，根据现场光源环境调整亮度，注意控制好电脑与设备之间的距离，因扫描速度较快，所以扫描人员需看到扫描的实时画面，以便更好地采集高质量的数据，打开设备操作软件，使用Artec Eva设备扫描整体数据，从坑内边缘开始扫描，预览确认扫描仪与被测物的距离，并开始进行扫描。扫描期间注意脚下，采用“弓”字形路线进行采集作业，将能满足扫描距离的位置扫描完整，确保扫描到的数据能覆盖坑底的各个角落。可以通过调整手腕的角度和身体的姿势来达到这一目的。同时，要注意保持扫描仪的稳定，避免因晃动或抖动对扫描结果产生影响。为了确保遗迹的安全，每挪动一次位置都需重新建立一个序列进行采集，两个相邻的序列最好达到30%以上的重叠率。

（2）重复以上步骤，直至采集完整，扫描侧壁和地面之间拐角处的数据，要保证拐角与侧壁、地面处数据重叠率在30%以上。

（3）整体扫描完成后切换设备Artec Space Spider，使用Spider扫描仪对细节部分进行精细扫描。将Spider设备与软件连接，查看考古坑内细节部位，将Spider扫描仪对准细节部位，按下设备上的开始按钮，开始进行扫描。

（4）完成扫描后，检查扫描数据的质量和完整性。如果发现有遗漏或不清晰的部分，可以进行补充扫描或调整扫描参数，以确保获取到准确、完整的三维数据。保存项目数据，完成三维数据扫描。

扫描完成后，要对所获取的数据进行拼接、去噪、补洞等处理，并将点云数据生成最终的网格数据，之后才能获得完整可用的三维模型数据。大致步骤可分为对点云数据对齐、配准、融合、导出。然后使用模型处理软件处理网格数据、建立坐标系、进行补洞等。具体过程如下：

（1）点云数据对齐，对两帧数据进行特征点的拼接处理，因两幅数据具有重叠部分，通过选取相同的特征点即可完成数据拼接，至少找到三个共同特征点，拼合时要注意特征点准确无误。

（2）数据配准，数据拼接完成后，为确保数据拼接更精准，需要进行点云数据的整合配准，因扫描数据涵盖几何体数据及纹理数据，故注册算法应选择几何体和纹理，整体配准完成后，可查验配准结果，偏差过大则可调整相关参数重新配准。

（3）尖锐融合，因为兽骨坑细节较多，为防止细节圆角化，故使用尖锐融合命令进行数据封装，封装完成后得到完整的三角面片数据，将三角面片数据导出为通用格式.STL或者.OBJ。

（4）封装模型数据处理，因该兽骨坑面积较大，采集形成的数据量庞大，故使用GOM Inspect软件进行修补，该软件可以运行数据量庞大的模型无须分块，打开GOM Inspect，将导出的stl模型导入软件，导入成功后建立模型坐标系。因扫描数据的完整性能够达到95%以上，因此模型上需要修补的孔洞较小，使用交互式补孔、创建网格桥等命令进行修补数据即可，交互补孔中的填补结果可按照模型的粗糙度进行选择，为避免模型失真、数据圆角化，删除邻域为0。

完成上述操作之后，利用软件检查数据模型无孔洞、缺失、错层等问题后即可导出最终扫描的成果数据。由此，该遗迹的三维数据扫描及几何模型的数据处理工作全部完成。

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纹理拍摄

在室外进行拍摄工作，为了保障数据在色彩上的真实性和均匀性，要考虑光照情况，因遗迹现场搭有简单的彩条遮阳棚，为了避免拍摄过程中的阴影，重新在遮阳棚上遮盖黑色遮阳布，尽量选择在下午三点以后，太阳光照射较弱，阴影面积较少的情况下拍摄。同时利用摄影灯进行均匀布光，根据布置好的灯光环境对相机进行测光，调整相机参数，直至相机曝光值达到合适的数值。为了使照片准确还原遗迹本身的颜色信息，对相机校准白平衡，采用24色标准色卡进行颜色还原。颜色还原控制：照片拍摄至少4张各角度附带校色卡的影像数据，包含前后左右4个视图带色卡的颜色控制照片。根据拍摄现场遗迹的特点，制定拍摄方案；从上向下，由左至右进行局部拍摄。在遗迹拍摄过程中，使用定焦镜头，首先拍摄四个角度的全貌数据，并按照摄影测量规范要求进行纹理拍摄，照片之间的重叠率在80%以上。保证纹理的有效分辨率≥16384×16384像素；拍摄单张纹理影像像素≥5000万，且影像采集无损RAW格式文件及JPG格式文件；照片在数量上要保持一定的冗余度，为三维材质模型的材质贴图，提供挑选余地。拍摄完成后，检查数据是否完整、缺失、遗漏，以及数据是否达到以下后期制作标准。

二

后期处理

在完成数据采集工作之后，需要将所拍摄的纹理影像数据映射到几何模型数据上，才能形成最终带有纹理信息的三维数据模型。在进行后期数据处理操作之前，要考虑该数据的应用范围，根据不同的数据使用需求，对数据进行分级，因该遗迹的数据既要满足遗迹的复原，同时也要满足数据研究、展示等需求，因此将该数据划分为三个级别，分别为复制级、研究级、浏览级，针对不同级别的数据其后期处理的方式不同。复制级数据一般为扫描处理完成后的最终成果数据，因未进行任何简化处理，其数据量较大，细节还原度最高，且不带有颜色贴图，主要用于3D打印，通过3D打印实现遗迹的复原；研究级数据是在复制级数据的基础上对几何模型进行了简化处理，经过简化后的数据要尽可能保留细节的清晰度，并带有纹理贴图信息，可用于研究和高清展示。浏览级数据是在研究级数据的基础上进行了三维模型数据的UV拆分、模型简化，其数据量大小一般控制在10M以内，因模型简化程度较大，几何模型数据细节会缺失较多，纹理分辨率保持不变，主要用于移动端、网络上的数据浏览。具体后期数据处理过程如下：

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纹理影像数据色彩处理

利用色卡照片，对原始RAW格式照片进行颜色还原处理，处理完成后存储为JPG格式，用以摄影测量计算和后期纹理贴图。

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摄影测量算法合成

利用Magic 3D软件进行摄影测量数据自动合成，本次合成共选用248张影像，选择依据为照片清晰、角度完整、重叠率高。合成完成后，利用该软件，将摄影测量的模型与三维扫描获取的研究级三维模型进行映射。并导出带有纹理的三维模型。Magic 3D纹理魔法师贴图软件采用虚拟相机、控制点相结合的方式进行纹理映射。首先在影像和模型上指定对应的位置，然后在三维模型和照片上一一对应点击控制点，并通过软件自动算法进行位置调整。当迭代误差趋近于0时，即可将照片映射到模型上，以确保纹理贴图的位置精准。

使用多种微调功能将每张映射的图片衔接得更加还原实物，再使用删除碎片、删除拉伸等功能将多余纹理进行自动筛选和删除。

重复以上贴图步骤，直至将纹理映射到模型的可见区域覆盖率大于98%后，即可进行数据导出。

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贴图大师进行细节贴图

将上述带有纹理的研究级三维模型导入贴图大师软件中，对于摄影测量合成存在问题的部分，利用该软件重新进行纹理贴图。尤其是兽骨细节部分，为保障高度还原，大部分需要单独进行纹理贴图，所用处理时间较长。全部完成后将模型导出，其单张贴图分辨率≥8192×8192。

经上述数据处理后，即可得到完整的带有纹理信息的研究级三维数据模型。

结 语

本文以考古发掘遗迹为对象，简述了文物三维数据采集技术在考古工作中的应用。目前，三维采集设备种类较多，数据采集方法也较多，最重要的还是要结合实际的数据需求，制定可行的数据采集方案。但是随着数字技术的不断发展，高精度的三维数据的应用会越来越广泛，数据质量将会决定未来数据使用场景。对于考古工作本身而言，其发掘的过程就属于一种破坏性的发掘，从文物保护的角度来说，其发掘过程应进行全面的、精细化的数据记录和留存，从而保留更加完整和真实的数据，为未来的遗址、遗迹的复原、学术研究、成果展示、数字化传播与应用等提供可靠的数据支撑。以本案例为例，在完成高精度的三维数据采集之后，考古人员对该遗迹进行了清理和深度挖掘，数据影像就成了保留该遗迹场景最重要的手段。因此，对于此类型的遗迹来说，应采用最高质量数据留存的方法开展数据采集工作，所以在设备的选择、数据的处理方式上都尽可能遵循高精度、小误差的原则，从而保障更加全面、真实地留存数据，但是对于大的遗址而言，该设备的使用则存在局限性。因此，为了更加规范化、科学化地开展面向考古遗存的数据采集工作，可以结合采集设备及数据处理算法进一步研究针对不同考古遗存的数据采集方法，为考古工作提供更加全面的数据支撑。