文化遺產數字化輕量開發模式研究
——以山西榆社鄧峪石塔為例

伍超逸 何泳葶

（1.太原工業學院，山西 太原 030000；2.太原理工大學藝術學院，山西 晉中 030600）

基于圖像的三維掃描重建技術是通過對被攝物體進行全方位、非接觸式的照片采集，利用圖像信息對物體進行模型重建，從圖像序列中獲取三維模型。目前廣泛應用在文物數字化保護、開發、傳播等領域。經圖像掃描重建的模型，雖然與激光掃描重建模型相比精度較低，但可以由計算機直接生成紋理貼圖，同時對物體表面肌理材質反映也較為真實，在視覺上仍可以取得逼真的效果。此外，該技術省去了后期的手動紋理映射環節。因此基于圖像的三維掃描重建技術廣泛應用于文化遺產保護宣傳等，這些精度要求一般、視效要求較高的開發領域。如2018年文博類短片《如果國寶會說話》第一季，其中的《三星堆青銅神樹》《大克鼎》兩集，創作團隊就利用圖像掃描技術對文物進行了三維模型重建，后期利用三維模型創作動畫鏡頭，降低了文物的拍攝難度，豐富了影片的鏡頭語言。然而，基于圖像的三維掃描重建技術目前仍有不小缺陷，主要存在模型布線亂、多邊形數量多、UV貼圖分散等問題，對數據后期的修復、美化、再創作都造成了困難。同時，模型拓撲難度高，體積難以壓縮，都限制了文物數據后期推廣應用。本文針對這一問題，以山西榆社唐代佛塔——鄧峪石塔為例，總結一套高效便捷的模型輕量化處理方法，對模型進行快速拓補處理，方便數據后期開發利用。

1 模型輕量化處理需求分析

圖像掃描模型的表達機制多服務于視覺展示設備，因此模型的優化策略必須考慮展示設備的性能特點，針對設備性能瓶頸對模型進行處理，使之可以滿足數字化后期設計環節中的創作需求。根據以上要求，模型優化需要滿足以下幾個條件：

①模型貼圖豐富瀏覽環節體驗性。掃描模型在視覺展示設備上的呈現，無論是移動設備還是桌面計算機，其模型的展示效果多是通過紋理貼圖呈現，包括模型的表面肌理質感，也是通過模型紋理的凹凸貼圖、法線貼圖等貼圖來實現。為了使用戶有良好的瀏覽體驗，模型在優化過程中應最大程度減少紋理貼圖的清晰度損失。

②模型UV保證修復環節可操作性。圖像掃描軟件在三維重建過程中，會自動展開UV并據此自動生成紋理貼圖的映射，這點看似簡化了模型的處理步驟，但對模型的修復與再利用卻造成了很大困擾。目前主流的圖像三維重建軟件展開的UV都排布混亂，生成的貼圖也缺乏規律，如本文范例鄧峪石塔，使用Photoscan軟件進行三維重建后，可見生成UV排布呈碎片狀，貼圖分散（圖1）。這就導致了兩個問題：一是如果有模型修復需求，模型的更改會導致UV更改，使得紋理失效；二是針對模型表面的紋理創作困難，比如貼圖表面瑕疵修復，材質肌理的制作，因為自動生成貼圖沒有規律，難以定位，對模型紋理的優化創作就十分困難。以往的解決方式多是手動將模型拓補展開新的UV，然后重新拍攝圖片進行貼圖映射，工作量繁重，效率較低。因此本文研究的優化方式需要解決UV和貼圖規范排布問題。

圖1 圖像掃描軟件生成的鄧峪石塔模型UV（左）和貼圖（右）

③模型規范實現交互環節兼容性。掃描重建后的模型包含大量三角面、多邊形，數量巨大且分布雜亂無章，這樣的模型在跨平臺使用時極易出現錯誤。不論是動畫渲染，還是交互構建，布線混亂的模型都限制了模型數據的進一步轉化，因此優化方法以高效對模型進行拓補，規范模型布線。

④模型體積保證轉化環節效率性。掃描模型普遍有著較大的文件體積，在同等設備性能下，更小的模型體積可以獲得更快的渲染速度和顯示速度，能滿足用戶實時交互的需求。同時優化模型體積有利于網絡的傳輸、節約內存，在低性能移動設備上也可以實現數據演示需求。

2 鄧峪石塔重建模型輕量化流程

2.1 鄧峪石塔概況

鄧峪石塔為唐開元八年造四面佛塔，砂石材質，為單層方形石塔，塔高3.2米，主體塔身高1.77米，由塔基、塔身、塔檐、塔剎四部分套合形成，塔剎部分被盜丟失，其余部分保存完好，紋樣清晰，塔身四周雕琢四尊造型各異佛像，造型精美。本次研究主要以鄧峪石塔塔身掃描模型為范例。

2.2 模型輕量化技術流程

本次優化方案如下，首先對原模型進行拓撲，制作低面數規范模型，然后將低模包裹在原掃描模型上，最后將原掃描模型貼圖紋理映射到低模上，實現規范簡化模型，同時不丟失原掃描模型貼圖紋理。研究以高效便捷為主要目的，在保證展示效果的前提下，盡量減少手動操作。該流程主要分為3個步驟：

①拓補模型制作低模、優化模型布線、壓縮體積。鄧峪石塔塔身原模型包含30萬個多邊形面，如果采用手動拓撲的形式，無疑是一項十分繁重的工作，因此，針對鄧峪石塔模型拓撲，嘗試采用Cinema 4D軟件中的Quad Remesher插件和Zbrush軟件中的ZRemesherGuides筆刷兩種方式進行拓撲（圖2），將繁重的拓撲工作交給計算機進行計算。這兩種方式都可以快速地完成拓撲減面、規范布線、壓縮體積的任務。經過對比分析，本次研究最終選用了ZRemesherGuides筆刷拓撲的模型。因為自動計算拓撲方式一般會在曲面部分產生較大的誤差甚至發生錯誤。Quad Remesher插件對轉折較大的曲面部分處理相對僵硬粗略，產生精度誤差。而ZRemesherGuides筆刷可以用對模型曲面部分手動標記輔助線，靈活地處理模型曲折面的布線，讓模型在高效拓撲的過程中兼顧準確性。

圖2 掃描模型（左）與拓撲模型（右）布線對比

鄧峪石塔塔身模型經過拓撲后，模型面數由30萬面壓縮到3萬面，體積（obj格式）由54MB壓縮至5MB，壓縮率都達到了90%。同時，將排布混亂的多邊形面全部規范為四邊形面，修復了破面、漏洞等模型錯誤，達到了移動設備性能的承載條件。

②展呈低模UV。經過拓撲的低模制作好以后，就需要對模型進行展UV工作。經過上一步驟模型已大量減少了面數，且布線十分規范，大大較低了展UV的工作難度，任何一款規范的三維軟件都可以沿布線將模型平鋪展開。本文研究的目的是在保證視覺呈現效果的前提下嘗試模型輕量化的極限模式，因此展UV的過程也盡量采用自動計算的方式，減少手動操作的環節，經過對比嘗試，鄧峪石塔拓撲模型的展UV工作采用了RizomUV軟件進行計算展開。

鄧峪石塔為四方棱柱石塔，六面體結構。因此采用RizomUV的“框式結構”算法，在6面正交平面上投影，形成多個多邊形組，展平排布UV，最后將展好的UV坐標進行優化整理，定位坐標，減少失真。經過這一環節后鄧峪石塔拓撲模型有了排布規范合理的UV坐標，極大方便了后期修復環節中對貼圖瑕疵的定位修復。

③利用原模映射紋理，制作低模貼圖。貼圖紋理的映射環節可以說是簡化流程中最為關鍵的環節，以往映射貼圖多采用拍攝正攝圖像、手動映射的方式。這種方式工作量大，而且容易產生拉伸脫節的問題，如果能利用原掃描模型自帶的貼圖對低模進行貼圖紋理映射，不僅可以簡化工作流程、提高效率，而且可以減少貼圖和模型之間的脫節問題。

要想利用原掃描模型的貼圖，先要解決的就是掃描模型自帶貼圖紋理混亂的問題。原模型貼圖幾乎無法直接利用，如果利用photoshop等軟件手動縫合修整，無疑是一個巨大的工作量。針對這個問題，筆者探究了一種新的紋理貼圖方式——利用R3DS.Wrap4D軟件對低模進行紋理包裹，接下來將詳細闡述這種方式。

R3DS系列軟件是針對表演捕捉領域研發的一套強大系統，一直以來，精確的表演捕捉一直是少數高端工作室才可以實現的技術。而R3DS系列軟件的出現，為表演捕捉開發了一系列簡單、高效、可控的方案，促進了技術的下沉。尤其在面部表情捕捉領域，實現了從模型拓撲到追蹤、渲染環節的大幅簡化。在2020年1月，Unity官方制作上映了特效短片《異教徒》，片中主角的表演鏡頭就使用了R3DS系列軟件進行處理，我們可以看到，在短短7分鐘的影片中，刻畫了主角細致逼真的面部表情和動作，創作團隊用三維特效技術制作了直逼實拍鏡頭的視覺效果。根據R3DS官方的透露，該影片中最后的人物鏡頭動畫處理僅僅用了一天時間，這個效率是非常驚人的，這也讓我們看到了這個軟件的廣闊應用前景。

這次研究方案使用的R3DS.Wrap4D軟件，是R3DS系列中的一個擴展軟件，它可以輸入一系列帶有紋理的3D掃描模型，經過處理后將具有拓撲結構的網格模型輸出，同時將原有掃描紋理縫合包裹在拓撲模型上。在操作模式上，該軟件采用了節點式操作邏輯，清晰直觀。軟件還附帶了眼睛和嘴唇部分的檢測節點，進一步簡化了操作流程。

既然R3DS.Wrap4D軟件在人物面部模型處理中展現出了強大功能，我們是否可以嘗試利用該軟件對文物掃描模型進行簡化處理呢？筆者使用該軟件對鄧峪石塔掃描模型進行了拓撲嘗試，具體流程如下。

首先將前期制作好帶UV坐標的低模輸入軟件，因為Wrap4D本身不能制作拓撲好的模型，在處理面部模型時是使用了軟件自帶的面部模型與掃描模型進行適配輸出。而我們想要處理的鄧峪石塔模型只能采用手動輸入低模的方式進行適配，要注意的是Wrap4D對輸入的適配模型規范要求較高，需要模型全部為4邊型面，不能有破面、漏洞、重面。我們前期使用ZRemesherGuides筆刷拓撲的模型完美適應了Wrap4D的規范需求。

其次輸入鄧峪石塔原掃描模型和原紋理貼圖，對低模與原模型添加適配標記點，進行適配包裹計算。Wrap4D的處理邏輯是對原模型就行坐標點定位計算，讓低模產生形變適配包裹高原模型，到達和原模型在外形上一致。因為我們前期處理的拓撲低模在外形上與原模型誤差較小，所以只要手動添加很少的標記點，就可以完成計算適配過程。經過嘗試，在該環節中只需要在關鍵位置添加8個標記點，鄧峪石塔低模和原模型就很好地完成了適配計算。

再次將原模、低模、標記點信息輸入包裹（Wraping）節點進行最終計算。包裹節點是Wrap4D軟件的核心，它可以將輸入的各類信息進行計算，將原模型紋理經過縫合定位處理后重新包裹在低模上，最終以低模的UV坐標輸出紋理貼圖。該環節中，細分參數設置為3，優化迭代參數設置為20，控制點權重設置為10。

最后優化輸出包裹計算后的拓撲模型和紋理貼圖，經過包裹節點計算后，低模已經被包裹了原模型紋理貼圖，但Wrap4D的貼圖包裹會不可避免地出現UV接縫處貼圖丟失問題。我們需要通過添加貼圖擴邊節點，將接縫處進行縫合處理，就可以得到一個清晰完整的新紋理貼圖了。接下來我們只需要將處理后的拓撲模型和貼圖進行打包輸出，就得到我們需要的輕量化文物模型了。

3 輕量化模型效果檢驗

鄧峪石塔原掃描模型經過輕量化處理后得到了規范的拓撲模型（圖3），那么這個輕量化方案能否是否能滿足文物數字化展示的需求呢？我們可以通過一些再創作案例進行檢驗。

圖3 輕量化處理后的模型UV（左）和貼圖（右）

掃描模型整個輕量化處理流程都在一臺普通桌面計算機上完成，全部環節共耗時3個小時。大部分工作都交給計算機自動計算完成，只需稍微地手動調整，從效率和設備配置要求來看，該方案稱得上簡潔高效。處理后模型先面對的就是數字化修復需求，我們可看到規范后的模型、紋理貼圖與UV坐標都可以清晰直觀的定位，方便進行更改。我們可以對模型和紋理上的瑕疵進行修復，對于一些不清晰題記部分，我們也可以加深處理，以呈現給觀眾更完善的效果。

在視覺呈現方面，我們以常用動畫渲染器Octane進行嘗試，將原掃描模型和經過處理的低模進行動畫鏡頭渲染，兩個模型（圖4）在最終呈現效果上并無太大差異，處理后的低模不僅可以滿足視覺呈現要求，還獲得了更快的渲染速度，極大提升了工作效率。對于交互環節的兼容性和轉化環節的效率性需求檢驗，我們為鄧峪石塔制作了一套手機端App展示界面（圖5），經過處理后的拓撲模型體積小，布線規范，在交互構建環有著良好的兼容性。而較小的體積也可以在移動端設備獲得迅捷的傳輸、響應速度，減少了卡頓，讓用戶獲得了更好的瀏覽體驗。

圖4 原模型（左）與輕量化模型（右）動畫渲染效果對比

圖5 鄧峪石塔移動端展示平臺

4 結語

本文主要針對目前文物掃描模型探尋了一種輕量化的處理方式，簡述了基本邏輯和操作流程。經過處理后的文物掃描模型在數字化修復、視覺呈現、文件兼容性、便捷性、規范性方面都達到了要求。同時，這套輕量化方案也有著處理速度快、上手難度低、人力消耗少等優點。經該方案處理的掃描模型雖然犧牲了部分精度，但是在以文化推廣為目的的文物視覺展示領域，這套方案有著一定的優勢，可以為文物三維掃描模型的處理應用提供新的思路與方案。