X-CT结合AR技术在出土青铜文物修复中的应用

张珮琛

(上海博物馆，上海 200003)

中国古代青铜器大多经出土而面世，长时期埋藏环境的腐蚀和挤压，使得它们出土时往往都存在残缺、断裂、变形等病害，有些出土青铜器与泥土、附着物混合在一起，形成“包裹混合物”。不同材质、不同强度、不同损坏程度的物质混合在一起，对于文物后期保护方案制定、提取方法和清理等修复步骤来说，是最复杂、变量最大的。被包裹的青铜文物，其表面重要的纹饰、铭文信息不仅被严重掩盖，甚至文物本身的物质存续也受到威胁，对后期研究和利用造成困难。精确而有效地消除和抑制青铜文物材料与结构的病害问题，使其满足于藏品长期保存和利用需求，包括病害状况的分析评估、保存修复处理和保存环境控制。这些已然成为现代青铜文物保护的目标与要求。

中国的青铜器修复是一门古老的传统技艺，也是现代文物保护中不可或缺的门类。随着科技检测应用领域的横向扩展，越来越多的科技检测设备和手段融入到这项古老的技艺，使其操作变得更为安全与精确。

传统青铜器修复方法中，对于“包裹混合物”的清理与提取，往往采用层层剥离、逐渐深入的方法，既费时费力，又存在安全隐患。因此，能在修复前，了解文物材质及其病变规律，探知青铜文物内部的工艺结构及病害的损伤，成为制定最合适的文物保护修复方案的先决条件。只有对文物有了深层的认知，才能更客观地选用有针对性的、切合实际的保护方法和材料，从而大大降低保护行为当中的冒险性，避免“保护性破坏”的盲动，更加有效地保护人类的文化遗产。

20世纪50年代，X射线探伤技术开始被博物馆方面应用于检测古铜器。利用X射线穿透物体而形成的影像，可准确表现青铜物体的内部结构信息。不同物质由于其密度和结构不同，对X射线的吸收程度也不同，因此不同材质的文物适配不同的X射线能量范围，可以很好地提高不同材质文物的成像准确度和清晰度，并获得较好的检测成果。但X射线照片是平面化的二维影像，即使多方位拍摄立体器物，也容易出现前后结构影像互相重叠的现象，而且存在盲区，无法穿透厚金属。另外还存在数据量庞大、灵活性和便利性不足的问题[1]。

计算机断层扫描(computed tomography,CT)技术的应用弥补了X射线探伤的不足。高精度工业CT又被称为“工业用计算机断层成像技术”，它能在对文物无损伤的条件下，采用辐射成像原理，以二维断层图像或三维立体图像的形式，实现对文物的非接触式三维高精度扫描，清晰、准确和直观地获得被检测文物的内部信息，对于文物保护与修复领域的无损检测技术研究具有重要的实际意义。其应用主要有五个方面：1)对被检测文物内部各组分相对位置状况的判定；
2)对被检测文物功能分析；
3)对被检测文物结构尺寸的测量；
4)密度测量；
5)逆向工程应用。在青铜器修复保护领域，工业CT技术可以剖析古代青铜器的泥质芯撑、铜质垫片、范缝、加强筋等隐藏的工艺特征，探知文物内部的工艺结构及损伤，了解文物材质及其病变规律。

同时，工业CT不仅可以实现X射线探伤技术获取文物信息，还能实现针对文物的定量无损检测与评价，并通过软件将高精度的断层扫描数据和材料信息进行整合，精确地还原文物各方面的三维模型数据，是一个实物数字化的微分过程。凭借精确的断层扫描数据作为建模基础，工业CT成为最精确的文物三维扫描设备。

精确的三维模型数据，是一切后期数据化应用的基础。本工作针对一件考古发掘的春秋时期青铜鼎，尝试将高精度工业级CT技术运用到传统青铜文物修复中，并将检测影像数据与视觉增强现实(augmented reality，AR)相结合，为文物修复方案的制定提供更为准确的依据，为修复实施提供更为直观与便利的操作环境，也是对传统青铜器修复技艺的发展进行的新探索。

CT：德国YXLON公司，Y.CT Modular，用于对文物本体的断层扫描；

XRF：布鲁克BRUKER，型号为S1TITAN 300，用于对文物基体成分分析；

AR眼镜：微软HoloLens2(工业版)，用于文物清理和提取操作。

2.1 文物现状

绳纹青铜鼎出土于南京市高淳区春秋土墩墓。从历史归属地看，南京高淳地区先后属吴、越和楚，湖熟文化、吴文化台形聚落遗址和土墩墓分布密集。2015年下半年，南京市考古研究所对其中一座土墩墓进行了发掘。该土墩墓为一墩多墓，其中5座墓铺设有石床，墓葬出土了铜鼎等随葬器物。在江苏为首次发现，对研究宁镇地区春秋时期的青铜文化有着重要意义。

鼎身整体被泥土和石床上的石片包裹，由于墓室坍塌，青铜鼎身受到严重挤压变形后出现断裂。整体锈蚀严重，鼎的碎片、鼎腹内泥土与石片完全粘连板结在一起。通过CT检测发现，三足不同程度地断裂，碎片深陷鼎腹泥土中，鼎腹底部有较为特殊的“丰”字型铸造痕迹，但鼎腹较薄，与腹内泥土与腹外石床边界影像分离度较弱，病害情况较为复杂(图1～图3)。

图1 鼎出土状态Fig.1 State of the bronze Ding after excavation

图2 青铜鼎身受到严重挤压变形后出现断裂Fig.2 Fracture of the bronze Ding due to severe squeezing and deformation

图3 春秋青铜鼎的CT影像Fig.3 CT images of the bronze Ding of the Spring and Autumn Period

根据CT影像可看到多材质混合的青铜鼎内各物体间的大致结构和关系。有些在浅表层，有些却在底部。但在实际青铜器清理过程中，依然要采用由外至内、多点局部试探性剥离、再逐渐连接成面深入的方法。增强现实(AR)技术的应用给原本看图凭经验清理的形式带来了全新的改观。

AR是实时计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术。AR将现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加实物，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。AR技术具有3个突出的特点：真实世界和虚拟世界的信息集成；
具有实时交互性；
在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。

2.2 修复方案制定

AR技术最早与文物修复的结合是应用在文物古迹等不可移动文物的复原方案上。使用AR修复不可移动文物给游客们带来了不一样的感官体验和震撼，但是真正将该技术应用到可移动文物修复上的案例还是极少的。

在AR制作过程中，器物外部尺寸的采集大都采用三维扫描仪测量的方式，然而三维扫描仪本身获取数据的原理与局限性，使得它除了可扫描到表面外，无法准确获取器物内部材料及结构的精准检测信息，而且三维扫描对于器物本身固有色与反光率都有不同程度的要求。工业CT作为一种数字化无损检测设备，能给出文物断层数字图像以及数字化透射图像，可以对金属和非金属等材质的文物内部结构和尺寸进行检测和病害评价，得到普通三维扫描仪不能获取的立体数据，是文保行业内公认的一种精确可靠的新型检测手段。

此次针对这件病害情况复杂的“包裹混合物”，尝试将CT采集的原始数据导入AR技术，并通过软件制作与可穿戴AR设备配合，给文物修复师提供一个更为清晰而直观化的可视空间，为文物修复方案的制定、碎片提取以及不同材质附着物的分离提供更为精确的数据支持，也为后期的科普与展陈提供可视化创作空间。这样的修复形式对于AR影像与实际文物结合的“黏性”以及互动性要求较高，且青铜器器壁较薄，鼎足碎片大小不均、分散在鼎腹内外，操作难度较大，故此在制定修复方案前，先采用“包裹混合物”模型来进行模拟操作。

3.1 模拟操作

此次设计的模型以出土多材质文物“包裹混合物”为原型，将青铜小兽、铜残片与印章等四件复制样品，不规则地埋藏于石膏与泥土的混合物内(图4)，通过CT扫描得到模型内部清晰的CT影像。由于工业CT断层图像在一般软件上无法读取，必须转存为STL(STereoLithography)格式导出。STL是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式，是应用较为广泛的快速原型系统(RP技术)标准文件类型。它被广泛用于快速成型、3D打印和计算机辅助制造(CAM)。

图4 文物“包裹体”模型Fig.4 “Inclusion” model of relics

由于CT扫描的文件噪声干扰信息较多，因此导出的STL数据必需在UNITY、UE4等3D建模软件中清理干扰，进行复原建模，生成可视化的AR效果。在操作过程中当“包裹混合物”进入软件画面，软件会识别并自动激活对应的数码复原模型。计算机会快速将复原模型与实物进行重叠与锁定，并随着实体模型的同步移动，具有较强的“黏性”(图5)。通过软件将石膏内的四件样品分别用色彩和名称标注。通过设置指令，可以选择其中任何一件模型单独观测，并可计算和采集被选模型自身体积、位置以及离外层包裹体(石膏)边缘的边距等数据，为后期操作提供了直观的数据支持。

图5 在建模软件中对数据进行复原建模，生成可视化的AR效果Fig.5 Restorative modeling of data in modeling software to generate visual AR effects

通过AR数据影像的辅助支持，可以有针对性地指示出想要最先提取的单体样品的空间直接局部分离和清理，而无需从外而内整体逐层剔除，大大提高了“包裹混合物”清理的准确性和效率(图6)。

图6 在AR图形的引导下，有效地分离样品Fig.6 Efficient separation of samples under the guidance of AR graphics

3.2 实物修复

把文物实物进行分层扫描获取三维数据模型是一个实物数字化的微分过程，而再将这组三维数据模型导入软件修整是一个衍生应用过程。通过模型操作试验，进一步证明了CT技术结合AR技术应用于青铜器修复方案制定的可行性。将出土春秋青铜鼎的CT原始数据转换为STL格式导入UNITY3D软件。

通过CT图像可以观测到青铜基体、泥土和石头之间因密度和纯净度不同，呈现有差异的灰度：青铜基体密度最大，呈亮色；
鼎腹下石头质地较为纯洁，呈现均匀的灰色；
鼎腹内泥土成分较杂，呈现不均匀灰色。通过软件将这三者的灰度反差在图像上强化。由于此鼎器身较薄，鼎身最薄处只有1.5 mm，氧化脱胎较为严重，密度较为接近，CT灰度值较为接近，因此在软件灰度强化过程中有些材质局部分界并不十分清晰，局部需通过手动模式分离，将分离后的数据按材质类型各自独立编组成为独立选区，并以各自的材质显示，将手动分离后鼎腹内的泥土编组后，赋予蓝色果冻状材质标识，并可以通过软件内测量的小工具，计算出每个碎片的实际尺寸与距离操作边界的距离，便于鼎内残足和碎片的寻找与辨识(图7)。这直接为此件青铜鼎文物修复方案的制定与实施提供了有力的依据[2]。

图7 CT数据通过软件生成可视化多材质三维模型Fig.7 Generation of the visual multi-material 3D model from CT data using software

在众多同类三维制作软件中，此次操作选用UNITY3D进行后期制作，不仅是因为软件本身易学、操作界面亲和，而且主要还因为软件的一些特色功能可以满足文物修复创建的需求。首先，其支持多种格式导入，整合多种DCC文件格式，可以将一些信息或图片导入到正在制作的作品当中，实现多功能操作。其次，综合编辑是UNITY3D的基础性特色，它能够完成日常3D效果制作的一些最为基本的编辑过程。最后，图形动力是软件自带的一个特色。UNITY3D渲染底层支持DirectX和OpenGL。内置的100组Shader系统，结合了简单易用、灵活、高效等特点，支持NVIDIA PhysX物理引擎，可模拟包含刚体和柔体物质、机械物理等。UNITY3D将这三者的灰度在图像上强化，通过手动分离将各自独立编组，并以各自的材质显示，将鼎腹内的泥土贴图渲染成为蓝色果冻状材质并加以标识，便于鼎内残足和碎片的寻找与辨识。这也成为了后期实时清理和分离工作的基础，更为展陈以及科普工作保留了珍贵的数据。

3.3 穿戴式AR设备的应用

AR作为一个新的计算平台及新的终端，强感知是其区别于PC、手机等传统终端的一大核心能力。AR技术不仅在文物修复方案上提供了可视化的方案，对于实际文物修复的操作过程也起到了关键性作用。穿戴式的AR设备在不占用文物修复师双手的同时，为修复师提供了全新的修复体验。在硬件支持上，得力于摄像头及传感器等技术的不断成熟，AR穿戴设备更接近于人的五官，可以时时刻刻对环境进行感知和探测，AR眼镜无疑是其中最为普遍的设备[3]。基于拍摄、处理、显示和交互等硬件模块的相互配合，AR眼镜可实现虚实融合、空间定位和虚实交互等功能：

1) 虚实融合。通过佩戴AR眼镜，使用者可在不影响观察现实世界的情况下，同时看到文字提示、辅助图像与视频以及三维模型等虚拟信息，进而实现对现实世界的增强。

2) 空间定位。空间定位是指在虚实融合的基础上，通过智能识别技术与SLAM技术，可自动识别定位现实环境与虚拟信息的位置和方向，并能够判断用户与现实环境的位置关系以及虚拟信息与现实环境的遮挡关系，进而将图像、三维模型等虚拟信息显示到正确的位置上，让虚与实达到完美融合。

3) 虚实交互。基于摄像头、麦克风、眼球追踪传感器、指环和腕带等设备，AR眼镜可通过多维度捕捉用户意图，使用户可通过语音、手势和眼动等方式与虚拟信息进行实时交互。比如用户能够像操作实物一样，直接通过双手对三维模型进行操作，同时三维模型还能做出相应改变。

AR设备作为人工智能的延伸，需要采集更多信息才能更好地理解环境和人的意图。本次修复工作采用微软公司Hololens全系智能眼镜、4枚环境感知摄像头、1枚普通RGB摄像头和1颗深度摄像头。这些摄像头和传感器利用红外技术来进行手势识别和环境场景的实时建模，为修复工作的实时提供了非常便利的操作空间[3-4](图8)。

图8 AR眼镜在修复中实现虚实融合、空间定位和虚实交互等功能Fig.8 Realization of virtual-real integration， spatial positioning， virtual-real interaction and other functions using AR glasses during the restoration of cultural relics

佩戴上AR眼镜后，透过双层透明的AR眼镜，可以清晰地看到眼前的一切实景。随着头部的移动，当青铜鼎实物进入AR眼镜可视范围内，计算机渲染的虚拟鼎即在内层镜片中被激活播放，并与实物青铜鼎锁定。此时目之所及，虚拟鼎与实物鼎是高度吻合的。视觉错觉使得鼎腹内的泥土呈现蓝色“果冻”状态，“果冻”内叠压、悬浮的青铜碎片和残足清晰可见。此时，修复师就可以戴着AR眼镜，双手开始有计划地开展清理寻找与分离提取工作。视觉可见的残片位置使得提取碎片工作变得分外轻松和安全。还可以在修复过程中通过手势与眨眼指令调动拍照、视频录制模块，记录眼镜中的一切细节，作为文物修复档案保存与研究，甚至可以通过网络多人联机，实现远程文物病害会诊、方案制定与修复研讨[5](图9)。

图9 佩戴AR眼镜后看到的虚拟与实物重叠锁定后的影像Fig.9 Overlapping and locking of virtual and real objects seen via AR glasses

在AR技术辅助下，通过修复师的精心操作，终于安全地将青铜鼎与底部石床分离，鼎腹底部特殊的“丰”字型铸造痕迹得以清理，并准确地提取出鼎腹内10块残片与断足(图10)。鼎身轻薄断裂但仍有部分金属弹性，通过适当加热加压的矫形方法，使得断裂的鼎身得以合拢。碎片的拼接采取粘接方式，保证了轻薄的胎体在恢复的同时，不会承受过多的修复应力。修复完成后，在其鼎耳上还清晰地发现了少见的焚失法铸造痕迹(图11)。

图10 鼎腹内10块残片与断足Fig.10 Ten fragments and broken feet in the belly of the bronze Ding

图11 修复完成的春秋青铜鼎Fig.11 Rrestored bronze Ding of the Spring and Autumn Period

CT检测与AR技术的结合，不仅可以为前期文物修复方案的制定提供更为准确与直观的依据，也为后期修复师的操作带来更多便利，避免了仅凭经验操作对文物带来的修复隐患。随着人工智能(artificial intelligence，AI)技术的不断发展，更多的科技检测数据可以结合于其中，例如器物的成分、壁厚和腐蚀情况等。依靠AI大量学习积累和算法分析，结合CT数据，建立AR辅助文物清理系统、三维引擎实时修复助手和文物修复应力模拟系统，使得AI可以为变形文物的矫形概率提供一个可行的矫正参数和方法。这可以为修复专家提供更为直观的文物残缺部分的图像，从而提高修复的准确性和可靠性，也使得文物修复工作更具有效率。

猜你喜欢青铜材质文物文物的栖息之地金桥(2022年6期)2022-06-20生僻字里识青铜科普童话·神秘大侦探(2022年1期)2022-05-31青铜之光收藏家(2021年10期)2021-01-17崛起·一场青铜资源掠夺战艺术品鉴(2020年7期)2020-09-11文物的逝去东方考古(2019年0期)2019-11-16衣服材质大揭秘中学生数理化·八年级物理人教版(2018年9期)2018-11-09文物失窃读写算·小学低年级(2015年12期)2015-12-12材质放大镜电光闪耀亮片Coco薇(2015年11期)2015-11-09外套之材质对比战Coco薇(2015年10期)2015-10-19针织衫之材质对比战Coco薇(2015年10期)2015-10-19

推荐访问:出土 青铜 文物