面向滇王国青铜器的3D可视化研究

摘要：本文以云南李家山青铜器博物馆为例，运用青铜器三维模型建构及绘制方案，试图通过三维建模技术绘制部分青铜器，运用简单的交互操作渲染青铜器上的纹理装饰和锈迹腐蚀效果，从多个侧面还原古滇国青铜器的神韵，以期找回遗失的古老滇青铜文化。

关键词：滇王国；青铜器；3D可视化；3D数字建模；绘制；锈蚀

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）07-0079-05

前言

大量滇国青铜器文物的出土，向世人证明了古滇王国的存在。古滇国青铜器，外观别样精致，制作工艺粗犷奔放，造型奇特，构思新颖，将艺术审美与使用功能完美结合是一种独具风格的青铜文化，尤其是李家山青铜器文物的出土将云南工艺美术史和神秘古滇文化推至鼎盛时期。青铜文物经过漫长的历史沉淀，外观和材质方面由于受到自然环境以及人为因素破坏，青铜锈蚀问题已经威胁到这些文化载体的生命，能否很好地利用计算机3D数字技术对文物进行临摹和重建，还原出残缺的实物模型并让民族文化重现，是当前需要解决的首要问题。

云南李家山博物馆青铜器考古发掘现状

历经半个多世纪的考古发掘，在滇中及滇东北地区发现的四十多个滇文化遗址描绘出了古滇国的疆域轮廓，其中著名的李家山古墓群为战国至东汉初期的墓群，是全国重点文物保护单位，有着悠久的历史。考古学家对古墓群进行考古挖掘，现今发现了多个墓地，最具云南民族文化标志物的“牛虎铜案”24号古墓以及最具考古价值的85号墓地出自其中。古墓出土的大部分文物都收于江川县李家山青铜器博物馆中，馆藏中的青铜器用“情景再现”方式有力地证明了滇王国存在的史实以及绚丽多彩的滇国文化神韵。铜编钟、铜鼓、贮贝器、男女铜俑、铜炉、铜扣饰文物极致地表现了当时云南奴隶社会的古滇国形态。

青铜器模型绘制方案

3Ds Max相对于其他三维建模软件具有独特的以面建模，通过定点层级调整模型外观的优势，笔者所要建构的青铜器模型均具有这些特点，故本文主要以李家山青铜器为建模对象，使用“Autodesk 3Ds Max 2010 32 位”为建模工具，形成了系统的绘制方案。[1]

三维实体模型的建构和绘制从制作初期到完成，方案有多种，根据不同模型可选用基础建模、组合形体建模、NURBS建模、网格建模和面片建模等方式。所有的模型都遵循点、线、面、体的基本几何组成规则，如果建模方式不对，则会造成工作量巨大、繁琐等诸多问题。因而，制作前进行一定的模型方案设定是有必要的。本文基于3Ds Max提出了一种青铜器模型的建构和绘制方案，并从青铜器模型数据的采集优化、模型外观的框架绘制步骤，到后期的优化处理工作做了详细说明，青铜器模型建构方案流程如图1所示。

从青铜模型建构方案来看，最核心的内容包含以下三方面。

①青铜模型数据分析。绘制更加精确仿真的三维青铜器模型，不同于CG计算机绘制图形，它需要更精准的模型数据信息。因此，模型制作前期的数据采集和数据优化就显得至关重要。

②创建模型外观框架。采集精确模型数据进行模型的初步绘制是建模过程的第一个步骤，其中对整体模型进行局部分隔处理可以简化模型，并根据实际物体做出模型外观的参数设置是完成外观精细处理的前提。

③模型后期加工理。后期的特效与渲染工作是为了增添模型的逼真度、光泽度以及材质的仿真度。对模型编辑材质和贴图，进一步对青铜器表面的凹凸感设置，还原出青铜器随年代的沉积，留下锈斑的特点，是制作出高度仿真青铜器模型的关键。

青铜器三维模型的绘制

1.青铜模型数据分析

（1）初步数据采集

青铜器模型具有历史性和复杂性的特点，在进行建模前，必须确定模型场景中的模型实体几何尺寸、局部相对坐标以及青铜器的饰纹构造，这就需要进行详细的资料搜集。[2]

另外，青铜器模型精细程度还受到诸多因素影响，真实感在很大程度上取决于青铜上的锈迹和凹凸的纹理绘制。建模初期需要对实物进行高像素的照片采集，从整体到局部的各个部位进行拍摄。对各青铜器实物的体长、宽高等各方面要精确测量，目的是在后期模型制作过程中能够高精度地开展分割工作。对于拍摄的纹理图片，3Ds Max中不能全面细致地处理图片，而需要借助于图像处理软件。为了便于绘制，本文采用Photoshop进行处理。具体操作是：先将拍摄的高精度图片导入到Photoshop里，通过滤镜通道使图片变得更加清晰，可调整亮度和对比度提高图片明暗度，还可通过扭曲变换使图片形状改变，以便更贴近现实需要。最终，在Photoshop中处理完图片，及时保存为JPEG或TGA格式，而后导入3Ds Max中作为模型纹理库，供贴图使用。

（2）数据的优化处理

计算机模型绘图不同于真实物体，为了提高工作效率，通常会在建模前将采集的数据进行压缩比例优化。具体操作是：按照模型相应的宽高比，对模型进行等比压缩，如按10：1的比例，可将原先1m长的物体转换为10cm，综合考虑了计算机渲染输出时的效率和操作过程中的快捷性。操作过程中，虽然大体积的三维物体容易修改和方便材质编辑，但需要较大的数据存储空间，数据优化方面还要求进行冗余数据去除，减少工作时间。对于大体积的模型，采集完数据后，如果有条件可以利用CAD制作模型效果图[3]，记录好数据后导入到3Ds Max的三视图中进行绘制，以达到高精度数据优化处理。

2.创建模型外观框架

（1）由数据局部分割模型

滇青铜器的种类、样式繁多，不同的模型具有不同的几何结构特征。通过仔细观察可以看出，不同青铜器上的纹理材质也不尽相同，纹饰通常由多种条纹组成，纹络复杂多变，呈不规则排列。建构模型前，我们需要认真观察，首项任务是将已经优化好的青铜器图片进行分块，按照几何结构分割成小的区域，再根据分割的局部区域进行简单的模型绘制。[4]叠鼓形铜贮贝器分割如图2所示。

（2）分割部分参数设置

在熟悉建模界面后，按照建构流程，初步工作应设置好制作环境的尺寸。[5]在3Ds Max的工作界面中，创建几何体的默认单位是英制，这类单位不便于和AutoCAD制图配合使用，也不符合我们的制图习惯，常用的建筑制图单位是毫米（mm），城市规划制图中常用的是米（m）。为了方便模型参数的相应修改和设置使用，在建模开始前可将系统单位、显示单位以及光照单位设置为毫米。此时，系统单位决定了物体的实际比例，显示单位和光照单位只决定我们对模型的观察。

设置好绘制环境后，下一步就是青铜器模型的绘制，这是建模过程最关键的一步。本文将针对不同的青铜器外观，提出以下几种模型建构的方法。

①多边形建模：多边形建模对于规则、无曲面或少曲面的青铜器模型具有极大的优越性。建构过程中首先把一个几何体转换为可编辑的多边形对象，然后对该多边形对象的各种分割数据编辑和修改，最终实现建模。可编辑的多边形对象，不局限于三角形面和四边形面，还可以是具有任意多个顶点的多边形面，包括顶点、边、边界、多边形和面5种次对象模式，即可以分别对顶点、边、边界、多边形和面进行调整。在实际操作过程中，多边形建模较有局限性，故对于一些复杂模型也会出现步骤繁琐的情况。

②二维线条建模：在3Ds Max中，除了利用创建标准基本体和扩展基本体直接生成三维模型外，大多数不规则的青铜器模型可从二维样条线开始进行模型绘制。从某种意义上来说，二维线型是建模最重要的基础之一，创建二维样条线的操作很简单而且比较实用，但需要准确理解方法和参数意义，这样便于模型的精确建构。在精确控制模型精准度时，可以通过几个层级对象进行控制编辑，实现二维样条线添加平滑、角点、厚度等修改器生成三维模型的过程。[6]图3所示为主要用二维线条建构的“仿古兽纹青铜瓶”模型。

③复合建模：复合建模是制作复杂模型最常用的方法，是将两个以上物体通过特定的生成方式结合成一个完整物体的过程。复合建模强调的是模型的合并，最终通过反复调节，绘制出高难度的模型对象。复合建模通过布尔运算、变形、散布、放样、网格化等命令建模出许多较为复杂的三维模型。本文以“千杯不醉壶”来说明复合建模的方法。首先，对模型进行分区域处理，壶体和壶盖采用多边形建模和二维样条线建模的方法进行绘制，由相应比例调整参数，最终接近真实物体。壶把和壶嘴的建模则是采用复合建模中的样条线，结合扭曲等曲线进行的线条调整，达到线条平滑的效果。上页图4所示的是“千杯不醉壶”的绘制。

（3）模型外观的精细处理

由于上述几种建构青铜器模型的方法都有各自的缺陷和弊端，初步模型绘制完毕，还要进行中高精度的模型细化[7]，对只用基本几何体或者基本样条线绘制出的模型需通过修改命令面板中的系列命令来进行精度细化。

修改器可以添加到三维模型或者二维图形上，在形状或者参数方面进行调整，修改过程中用户可以对任何一个修改器执行修改命令或者改变参数，其中执行删除或者添加命令将不会影响最初的模型。不同的是，修改过程中，需要将绘制的基本模型转化为相应的可编辑样条线或者可编辑多边形。由于不使用平滑修改器，多边形的平滑组设置在不增加面数的前提下可以较好地改善初期绘制的视觉效果。模型结构精细处理进行相应调整，在有明显转折的青铜模型处加上切角和构造线条，使用扭曲、锥化等命令，使模型有相应的棱角突出变化，在有光滑曲线或者光滑曲面的地方，使用Bezier角点或者平滑角点，减少用线，达到模型的精简优化。

3.模型后期处理

每一种青铜器即使外观样式大体相同，其纹理也会不尽相同，具有许多自身显著的时代特征，选用正确的材质和贴图方法可以使模型与真实物体高度相仿。由于年代久远，在保存过程中难免会产生锈斑，青铜器种类不同，锈斑腐蚀的程度也不同。[8]受长期所处地理环境的影响，锈斑形状、大小、位置也是随机出现的，因此在后期渲染过程中锈斑的理极为困难。

（1）表面凹凸花纹绘制

对青铜器铜壁上的花纹，可以基于采集优化好的二维矢量图片绘制方法，采用将图片导入到3Ds Max的三视图中的方式，使用样条线进行绘制，结合修改器命令进行轮廓增大、挤出等效果命令，绘制具有凹凸立体感、更接近于真实材质要求的纹饰。上页图5所示的是凹凸花纹绘制。

一件虚拟的青铜器作品能让人信服，不仅是因为它的漂亮的外观，更重要的是它逼真的青铜器材质和适当的贴图。3Ds Max中材质分为软件自带的内部材质库和从外部引用的材质两种。在青铜器材质方面，使用较为广泛的是外部采集的高精度的图片材质，部分特殊光泽的青铜器也会选用内部材质库中的金属材质，通过修改材质编辑器中的参数，调整高光级别、光泽度、漫反射及环境光。

材质和贴图的直接表现会影响观察者对模型的认可度。[9]在实际操作时，通常会结合贴图制作，在漫反射通道或者凹凸贴图通道进行材质折射率的调整。对于青铜器模型，使用的是二维贴图、三维贴图、反射和折射贴图类型。在贴图前，将已采集的高精度图片放入Photoshop中进行局部图片调整，直至调整到合适的颜色、图案、尺寸大小为止。之后，将图片赋予材质球，并将青铜器局部模型分离开，进行相应的贴图，有时候需要增加UV修改器或者UVW修改器添加局部贴图坐标。图6所示的是“立豹浮雕”贴图。

（3）局部铜锈效果渲染

锈斑的渲染，体现了整个滇青铜模型的整体效果，也是建模过程中的关键所在，如果单纯通过物理方法还原青铜表面的锈迹，是十分困难的事情。本文将介绍一种青铜器锈斑渲染的简单方法。

首先引入一张拍摄好的高精度的锈斑控制图，但在实际生活中，锈斑通常和青铜器形状有关，故笔者又重新引入了另外一张调节锈斑分布情况的黑白图使得贴图效果更真实。为了得到青铜器锈斑分布图，通常采用混合材质操作，对两种材质进行混合。具体操作是：分别从外部环境中导入含有金属和含锈斑的两种材质，在混合基本参数下设置相应的遮罩层，这样便简单混合出含有锈迹的青铜材质。根据生活经验，含有铜锈的部位通常会凹陷，为了制作更逼真的效果，可在生锈部分加入凹凸贴图效果。图7所呈现的是含锈斑的青铜器图示。

4.优化输出绘制模型

模型的优化渲染输出是数据从采集到完成建模工作的最后一步，虽然使用3Ds Max建构的模型可以在普通计算机上使用，可以加载到网页中或在第三方软件中实现自动漫游等功能，但是制作的模型在渲染输出时会有很大的局限性。为了提高渲染效率，应尽量将模型不必要的面数删去及将贴图图片设定在合适位置，最终渲染输出满足用户需求的青铜器模型。

总结

本文以李家山青铜器器为建模对象，基于3Ds Max提出了一种模型建构与绘制的方案。从青铜器模型的数据分析、模型绘制、青铜器凹凸花纹和锈斑的渲染，到最终输出完整模型，整个绘制流程用计算机3D数字技术进行真实临摹绘制，为人们更好地了解李家山的青铜器做了铺垫。具体总结如下：

①与其他可视化的三维建构模型软件相比，3Ds Max对青铜器模型的绘制和建构具有极大的优势：绘制界面友好，人机交互性极强，用户操作起来方便、简单、易学，建构出的模型与真实青铜器相比，具有高度仿真性。

②在模型建构过程中，对青铜器材质的优化和锈斑的渲染生成是整个操作过程的重难点，纹饰调整和锈斑分布把握程度直接决定整个模型的逼真程度。

③数字化博物馆的实现，符合当今保护民族文化这一主题，有利于人们更好地了解滇青铜文化，让遗失的古老青铜文化重现。

参考文献：

[1]胡梦政，宋瑾钰，舒挺.基于3Ds Max的虚拟现实建模技术的研究与实现[J].工业控制计算机，2015，28（9）：31-35.

[2]蔡武，陈果，朱志敏，等.基于3Ds Max和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计[J].煤炭工程，2011（1）：111-116.

[3]邹红，王健，马英瑞.3Ds Max在虚拟场景建模中的应用[J].智能计算机与应用，2012，2（4）：75-77.

[4]Haker S，Angenent S，Tannenbaum A，et al.Conformal Surface Parameterization forTexture Mapping[J].IEEE Transactions on Visualization &Computer Graphics，2000，6（2）：181-189.

[5]杜世春，开芳.基于3Ds Max制作三维动画[J].科技信息，2008（18）：97.

[6]董青，王哲，董江.3Ds Max 2012中文版效果图制作标准教程[M].北京：机械工业出版社，2012：242.

[7]卢建.基于3Ds Max和VRP平台的交互式产品展示[J].山东工业技术，2016（6）.

[8]孙修恩，肖双九，何小青.三维数字重建在青铜器修复中的应用研究[J].图学学报，2014，35（6）：913-917.

[9]孙立颖.浅谈MAYA建模和材质在动画片制作中的关键技术[J].硅谷，2010（21）：14.