面向滇王國青銅器的3D可視化研究

董紅娟+龔萍+和耀麗+李自識

摘要：本文以云南李家山青銅器博物館為例，運用青銅器三維模型建構(gòu)及繪制方案，試圖通過三維建模技術(shù)繪制部分青銅器，運用簡單的交互操作渲染青銅器上的紋理裝飾和銹跡腐蝕效果，從多個側(cè)面還原古滇國青銅器的神韻，以期找回遺失的古老滇青銅文化。

關(guān)鍵詞：滇王國；青銅器；3D可視化；3D數(shù)字建模；繪制；銹蝕

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）07-0079-05

● 前言

大量滇國青銅器文物的出土，向世人證明了古滇王國的存在。古滇國青銅器，外觀別樣精致，制作工藝粗獷奔放，造型奇特，構(gòu)思新穎，將藝術(shù)審美與使用功能完美結(jié)合是一種獨具風格的青銅文化，尤其是李家山青銅器文物的出土將云南工藝美術(shù)史和神秘古滇文化推至鼎盛時期。青銅文物經(jīng)過漫長的歷史沉淀，外觀和材質(zhì)方面由于受到自然環(huán)境以及人為因素破壞，青銅銹蝕問題已經(jīng)威脅到這些文化載體的生命，能否很好地利用計算機3D數(shù)字技術(shù)對文物進行臨摹和重建，還原出殘缺的實物模型并讓民族文化重現(xiàn)，是當前需要解決的首要問題。

● 云南李家山博物館青銅器考古發(fā)掘現(xiàn)狀

歷經(jīng)半個多世紀的考古發(fā)掘，在滇中及滇東北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的四十多個滇文化遺址描繪出了古滇國的疆域輪廓，其中著名的李家山古墓群為戰(zhàn)國至東漢初期的墓群，是全國重點文物保護單位，有著悠久的歷史。考古學家對古墓群進行考古挖掘，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)了多個墓地，最具云南民族文化標志物的“牛虎銅案”24號古墓以及最具考古價值的85號墓地出自其中。古墓出土的大部分文物都收于江川縣李家山青銅器博物館中，館藏中的青銅器用“情景再現(xiàn)”方式有力地證明了滇王國存在的史實以及絢麗多彩的滇國文化神韻。銅編鐘、銅鼓、貯貝器、男女銅俑、銅爐、銅扣飾文物極致地表現(xiàn)了當時云南奴隸社會的古滇國形態(tài)。

● 青銅器模型繪制方案

3Ds Max相對于其他三維建模軟件具有獨特的以面建模，通過定點層級調(diào)整模型外觀的優(yōu)勢，筆者所要建構(gòu)的青銅器模型均具有這些特點，故本文主要以李家山青銅器為建模對象，使用“Autodesk 3Ds Max 2010 32 位”為建模工具，形成了系統(tǒng)的繪制方案。[1]

三維實體模型的建構(gòu)和繪制從制作初期到完成，方案有多種，根據(jù)不同模型可選用基礎(chǔ)建模、組合形體建模、NURBS建模、網(wǎng)格建模和面片建模等方式。所有的模型都遵循點、線、面、體的基本幾何組成規(guī)則，如果建模方式不對，則會造成工作量巨大、繁瑣等諸多問題。因而，制作前進行一定的模型方案設(shè)定是有必要的。本文基于3Ds Max提出了一種青銅器模型的建構(gòu)和繪制方案，并從青銅器模型數(shù)據(jù)的采集優(yōu)化、模型外觀的框架繪制步驟，到后期的優(yōu)化處理工作做了詳細說明，青銅器模型建構(gòu)方案流程如圖1所示。

從青銅模型建構(gòu)方案來看，最核心的內(nèi)容包含以下三方面。

①青銅模型數(shù)據(jù)分析。繪制更加精確仿真的三維青銅器模型，不同于CG計算機繪制圖形，它需要更精準的模型數(shù)據(jù)信息。因此，模型制作前期的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)優(yōu)化就顯得至關(guān)重要。

②創(chuàng)建模型外觀框架。采集精確模型數(shù)據(jù)進行模型的初步繪制是建模過程的第一個步驟，其中對整體模型進行局部分隔處理可以簡化模型，并根據(jù)實際物體做出模型外觀的參數(shù)設(shè)置是完成外觀精細處理的前提。

③模型后期加工處理。后期的特效與渲染工作是為了增添模型的逼真度、光澤度以及材質(zhì)的仿真度。對模型編輯材質(zhì)和貼圖，進一步對青銅器表面的凹凸感設(shè)置，還原出青銅器隨年代的沉積，留下銹斑的特點，是制作出高度仿真青銅器模型的關(guān)鍵。

● 青銅器三維模型的繪制

1.青銅模型數(shù)據(jù)分析

（1）初步數(shù)據(jù)采集

青銅器模型具有歷史性和復雜性的特點，在進行建模前，必須確定模型場景中的模型實體幾何尺寸、局部相對坐標以及青銅器的飾紋構(gòu)造，這就需要進行詳細的資料搜集。[2]

另外，青銅器模型精細程度還受到諸多因素影響，真實感在很大程度上取決于青銅上的銹跡和凹凸的紋理繪制。建模初期需要對實物進行高像素的照片采集，從整體到局部的各個部位進行拍攝。對各青銅器實物的體長、寬高等各方面要精確測量，目的是在后期模型制作過程中能夠高精度地開展分割工作。對于拍攝的紋理圖片，3Ds Max中不能全面細致地處理圖片，而需要借助于圖像處理軟件。為了便于繪制，本文采用Photoshop進行處理。具體操作是：先將拍攝的高精度圖片導入到Photoshop里，通過濾鏡通道使圖片變得更加清晰，可調(diào)整亮度和對比度提高圖片明暗度，還可通過扭曲變換使圖片形狀改變，以便更貼近現(xiàn)實需要。最終，在Photoshop中處理完圖片，及時保存為JPEG或TGA格式，而后導入3Ds Max中作為模型紋理庫，供貼圖使用。

（2）數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

計算機模型繪圖不同于真實物體，為了提高工作效率，通常會在建模前將采集的數(shù)據(jù)進行壓縮比例優(yōu)化。具體操作是：按照模型相應的寬高比，對模型進行等比壓縮，如按10：1的比例，可將原先1m長的物體轉(zhuǎn)換為10cm，綜合考慮了計算機渲染輸出時的效率和操作過程中的快捷性。操作過程中，雖然大體積的三維物體容易修改和方便材質(zhì)編輯，但需要較大的數(shù)據(jù)存儲空間，數(shù)據(jù)優(yōu)化方面還要求進行冗余數(shù)據(jù)去除，減少工作時間。對于大體積的模型，采集完數(shù)據(jù)后，如果有條件可以利用CAD制作模型效果圖[3]，記錄好數(shù)據(jù)后導入到3Ds Max的三視圖中進行繪制，以達到高精度數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

2.創(chuàng)建模型外觀框架

（1）由數(shù)據(jù)局部分割模型

滇青銅器的種類、樣式繁多，不同的模型具有不同的幾何結(jié)構(gòu)特征。通過仔細觀察可以看出，不同青銅器上的紋理材質(zhì)也不盡相同，紋飾通常由多種條紋組成，紋絡(luò)復雜多變，呈不規(guī)則排列。建構(gòu)模型前，我們需要認真觀察，首項任務是將已經(jīng)優(yōu)化好的青銅器圖片進行分塊，按照幾何結(jié)構(gòu)分割成小的區(qū)域，再根據(jù)分割的局部區(qū)域進行簡單的模型繪制。[4]疊鼓形銅貯貝器分割如圖2所示。

（2）分割部分參數(shù)設(shè)置

在熟悉建模界面后，按照建構(gòu)流程，初步工作應設(shè)置好制作環(huán)境的尺寸。[5]在3Ds Max的工作界面中，創(chuàng)建幾何體的默認單位是英制，這類單位不便于和AutoCAD制圖配合使用，也不符合我們的制圖習慣，常用的建筑制圖單位是毫米（mm），城市規(guī)劃制圖中常用的是米（m）。為了方便模型參數(shù)的相應修改和設(shè)置使用，在建模開始前可將系統(tǒng)單位、顯示單位以及光照單位設(shè)置為毫米。此時，系統(tǒng)單位決定了物體的實際比例，顯示單位和光照單位只決定我們對模型的觀察。

設(shè)置好繪制環(huán)境后，下一步就是青銅器模型的繪制，這是建模過程最關(guān)鍵的一步。本文將針對不同的青銅器外觀，提出以下幾種模型建構(gòu)的方法。

①多邊形建模：多邊形建模對于規(guī)則、無曲面或少曲面的青銅器模型具有極大的優(yōu)越性。建構(gòu)過程中首先把一個幾何體轉(zhuǎn)換為可編輯的多邊形對象，然后對該多邊形對象的各種分割數(shù)據(jù)編輯和修改，最終實現(xiàn)建模。可編輯的多邊形對象，不局限于三角形面和四邊形面，還可以是具有任意多個頂點的多邊形面，包括頂點、邊、邊界、多邊形和面5種次對象模式，即可以分別對頂點、邊、邊界、多邊形和面進行調(diào)整。在實際操作過程中，多邊形建模較有局限性，故對于一些復雜模型也會出現(xiàn)步驟繁瑣的情況。

②二維線條建模：在3Ds Max中，除了利用創(chuàng)建標準基本體和擴展基本體直接生成三維模型外，大多數(shù)不規(guī)則的青銅器模型可從二維樣條線開始進行模型繪制。從某種意義上來說，二維線型是建模最重要的基礎(chǔ)之一，創(chuàng)建二維樣條線的操作很簡單而且比較實用，但需要準確理解方法和參數(shù)意義，這樣便于模型的精確建構(gòu)。在精確控制模型精準度時，可以通過幾個層級對象進行控制編輯，實現(xiàn)二維樣條線添加平滑、角點、厚度等修改器生成三維模型的過程。[6]圖3所示為主要用二維線條建構(gòu)的“仿古獸紋青銅瓶”模型。

③復合建模：復合建模是制作復雜模型最常用的方法，是將兩個以上物體通過特定的生成方式結(jié)合成一個完整物體的過程。復合建模強調(diào)的是模型的合并，最終通過反復調(diào)節(jié)，繪制出高難度的模型對象。復合建模通過布爾運算、變形、散布、放樣、網(wǎng)格化等命令建模出許多較為復雜的三維模型。本文以“千杯不醉壺”來說明復合建模的方法。首先，對模型進行分區(qū)域處理，壺體和壺蓋采用多邊形建模和二維樣條線建模的方法進行繪制，由相應比例調(diào)整參數(shù)，最終接近真實物體。壺把和壺嘴的建模則是采用復合建模中的樣條線，結(jié)合扭曲等曲線進行的線條調(diào)整，達到線條平滑的效果。上頁圖4所示的是“千杯不醉壺”的繪制。

（3）模型外觀的精細處理

由于上述幾種建構(gòu)青銅器模型的方法都有各自的缺陷和弊端，初步模型繪制完畢，還要進行中高精度的模型細化[7]，對只用基本幾何體或者基本樣條線繪制出的模型需通過修改命令面板中的系列命令來進行精度細化。

修改器可以添加到三維模型或者二維圖形上，在形狀或者參數(shù)方面進行調(diào)整，修改過程中用戶可以對任何一個修改器執(zhí)行修改命令或者改變參數(shù)，其中執(zhí)行刪除或者添加命令將不會影響最初的模型。不同的是，修改過程中，需要將繪制的基本模型轉(zhuǎn)化為相應的可編輯樣條線或者可編輯多邊形。由于不使用平滑修改器，多邊形的平滑組設(shè)置在不增加面數(shù)的前提下可以較好地改善初期繪制的視覺效果。模型結(jié)構(gòu)精細處理進行相應調(diào)整，在有明顯轉(zhuǎn)折的青銅模型處加上切角和構(gòu)造線條，使用扭曲、錐化等命令，使模型有相應的棱角突出變化，在有光滑曲線或者光滑曲面的地方，使用Bezier角點或者平滑角點，減少用線，達到模型的精簡優(yōu)化。

3.模型后期處理

每一種青銅器即使外觀樣式大體相同，其紋理也會不盡相同，具有許多自身顯著的時代特征，選用正確的材質(zhì)和貼圖方法可以使模型與真實物體高度相仿。由于年代久遠，在保存過程中難免會產(chǎn)生銹斑，青銅器種類不同，銹斑腐蝕的程度也不同。[8]受長期所處地理環(huán)境的影響，銹斑形狀、大小、位置也是隨機出現(xiàn)的，因此在后期渲染過程中銹斑的處理極為困難。

（1）表面凹凸花紋繪制

對青銅器銅壁上的花紋，可以基于采集優(yōu)化好的二維矢量圖片繪制方法，采用將圖片導入到3Ds Max的三視圖中的方式，使用樣條線進行繪制，結(jié)合修改器命令進行輪廓增大、擠出等效果命令，繪制具有凹凸立體感、更接近于真實材質(zhì)要求的紋飾。上頁圖5所示的是凹凸花紋繪制。

（2）編輯材質(zhì)和貼圖

一件虛擬的青銅器作品能讓人信服，不僅是因為它的漂亮的外觀，更重要的是它逼真的青銅器材質(zhì)和適當?shù)馁N圖。3Ds Max中材質(zhì)分為軟件自帶的內(nèi)部材質(zhì)庫和從外部引用的材質(zhì)兩種。在青銅器材質(zhì)方面，使用較為廣泛的是外部采集的高精度的圖片材質(zhì)，部分特殊光澤的青銅器也會選用內(nèi)部材質(zhì)庫中的金屬材質(zhì)，通過修改材質(zhì)編輯器中的參數(shù)，調(diào)整高光級別、光澤度、漫反射及環(huán)境光。

材質(zhì)和貼圖的直接表現(xiàn)會影響觀察者對模型的認可度。[9]在實際操作時，通常會結(jié)合貼圖制作，在漫反射通道或者凹凸貼圖通道進行材質(zhì)折射率的調(diào)整。對于青銅器模型，使用的是二維貼圖、三維貼圖、反射和折射貼圖類型。在貼圖前，將已采集的高精度圖片放入Photoshop中進行局部圖片調(diào)整，直至調(diào)整到合適的顏色、圖案、尺寸大小為止。之后，將圖片賦予材質(zhì)球，并將青銅器局部模型分離開，進行相應的貼圖，有時候需要增加UV修改器或者UVW修改器添加局部貼圖坐標。圖6所示的是“立豹浮雕”貼圖。

（3）局部銅銹效果渲染

銹斑的渲染，體現(xiàn)了整個滇青銅模型的整體效果，也是建模過程中的關(guān)鍵所在，如果單純通過物理方法還原青銅表面的銹跡，是十分困難的事情。本文將介紹一種青銅器銹斑渲染的簡單方法。

首先引入一張拍攝好的高精度的銹斑控制圖，但在實際生活中，銹斑通常和青銅器形狀有關(guān)，故筆者又重新引入了另外一張調(diào)節(jié)銹斑分布情況的黑白圖使得貼圖效果更真實。為了得到青銅器銹斑分布圖，通常采用混合材質(zhì)操作，對兩種材質(zhì)進行混合。具體操作是：分別從外部環(huán)境中導入含有金屬和含銹斑的兩種材質(zhì)，在混合基本參數(shù)下設(shè)置相應的遮罩層，這樣便簡單混合出含有銹跡的青銅材質(zhì)。根據(jù)生活經(jīng)驗，含有銅銹的部位通常會凹陷，為了制作更逼真的效果，可在生銹部分加入凹凸貼圖效果。圖7所呈現(xiàn)的是含銹斑的青銅器圖示。

4.優(yōu)化輸出繪制模型

模型的優(yōu)化渲染輸出是數(shù)據(jù)從采集到完成建模工作的最后一步，雖然使用3Ds Max建構(gòu)的模型可以在普通計算機上使用，可以加載到網(wǎng)頁中或在第三方軟件中實現(xiàn)自動漫游等功能，但是制作的模型在渲染輸出時會有很大的局限性。為了提高渲染效率，應盡量將模型不必要的面數(shù)刪去及將貼圖圖片設(shè)定在合適位置，最終渲染輸出滿足用戶需求的青銅器模型。

● 總結(jié)

本文以李家山青銅器器為建模對象，基于3Ds Max提出了一種模型建構(gòu)與繪制的方案。從青銅器模型的數(shù)據(jù)分析、模型繪制、青銅器凹凸花紋和銹斑的渲染，到最終輸出完整模型，整個繪制流程用計算機3D數(shù)字技術(shù)進行真實臨摹繪制，為人們更好地了解李家山的青銅器做了鋪墊。具體總結(jié)如下：

①與其他可視化的三維建構(gòu)模型軟件相比，3Ds Max對青銅器模型的繪制和建構(gòu)具有極大的優(yōu)勢：繪制界面友好，人機交互性極強，用戶操作起來方便、簡單、易學，建構(gòu)出的模型與真實青銅器相比，具有高度仿真性。

②在模型建構(gòu)過程中，對青銅器材質(zhì)的優(yōu)化和銹斑的渲染生成是整個操作過程的重難點，紋飾調(diào)整和銹斑分布把握程度直接決定整個模型的逼真程度。

③數(shù)字化博物館的實現(xiàn)，符合當今保護民族文化這一主題，有利于人們更好地了解滇青銅文化，讓遺失的古老青銅文化重現(xiàn)。

參考文獻：

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