次世代游戏制作技术在历史文物复原中的应用

刘宜东 黎娅

摘 要：数字化技术为我们修复残损历史文物提供了多种可能，当下常见的历史文物数字化路径有数字拍摄、三维建模、照片建模，这三个方法在不同需求情况下具有各自的适宜性。在三维建模技术中，基于次世代游戏制作技术和PBR贴图处理流程的数字化文物技术，在“逼真”复原的同时，兼顾了对历史文物的再加工，结合游戏引擎，使文物的传播途径变得更加灵活。

关键词：次世代;文物;复原

中国是一个具有悠久历史和文化沉淀的国家，文物资源非常丰富。时间长河沉淀的实体是最佳的历史叙述者，随着高新技术的不断发展，我们通过各种数字技术手段，能够很好地再现这些文物的时代特征，可以从不同的角度对它进行研究。马浩嘉认为：“历史文物具有历史、艺术、科学三大价值。”[1]所以，在历史文物的数字化修复过程中，我们应当从不同价值维度，适宜地采用相应的修复技术，因地制宜，让其成为“有效”的叙事者。

1 当下主流的文物数字化复原技术

早期的歷史文物数字化，是通过数码相机对文物的每个角度进行数字采集，尽可能多地摄取文物的材质细节、破损细节等，这种方法比较适用于对文物实体进行快速的数字归档并建立资源库。比如，上海博物馆对其馆内的文物进行每隔15至25度的数字拍摄，结合Unity3D游戏引擎和C#编程语言，通过鼠标就可以对文物进行趋于360度的环绕观看。通过数码相机对历史文物进行数字化处理，能够较为真实地复原历史文物的特征，能够记录其现有材质肌理和风化、腐蚀特点，对于科学研究、资料收集、艺术展示来说，是一种较为便捷的方式。不过，数码照片也有局限性。首先是观看的角度，除非进行大量角度的预先拍摄，否则不可能做到对文物各角度进行实时的查看。其次，数字照片虽然在建档方面有着快捷性，但其再编码过程显得有些力不从心，比如，模拟历史文物在时间推移过程中的变化，数字照片就无法胜任。

随着个人电脑硬件的不断升级，三维模型从简单的几何造型脱离出来，进而可以完成高精度的制作，在各类魔幻、科幻作品中都有所体现，因此，通过高精模型的创建来对历史文物进行数字化成为可能。“传统常用的三维数字建模技术在工业设计、机械制造、建筑测绘等行业已普遍使用，而在文物保护和博物馆虚拟化展示等方面也做了一些尝试”，[2]当下通过Zbrush、Mudbox等数字雕刻软件，能够最大限度地还原文物的细节，再使用贴图，能使文物特征逼真再现。虽然这样的方式让我们可以360度无死角观看，文物也可以对模型进行再编码，制作特效动画，但高精模型的雕刻周期较长，在时效性上略显不足。

将前两者的数字化进程结合，便是照片建模技术。顾名思义，是指通过相机等设备对物体进行数据采集，通过某种算法进行图形图像处理，从而自主生成被拍摄物体的三维模型的技术。其流程是通过摄像设备对文物进行各个角度的数字采集，并把数据传给专门处理的软件，比如Agisoft Photoscan，再用其进行多视点自主建模。照片建模虽然融合了照片和三维建模各自的优点，但也有局限性。一些较为低端的照片建模软件无法达到要求的精度，而较高端的照片建模技术造价也不便宜。再者，如果我们创建数字文物的作用在于展示和传播，则需要进一步进行人为论证，这就需要制作者对文物进行艺术加工处理。这时，照片建模所产生的模型布线就不便于后期对其进行UV拆分和贴图绘制，乃至动画制作。

2 次世代游戏制作技术在历史文物修复中的应用

数字化历史文物技术在不同定位语境下具有各自的适用性，照片建模技术对于数据采集要求较高，对于大型空间的数据采集，在设备造价上不具备优势。而“次世代游戏制作技术通过一张或多张贴图（法线贴图、高光贴图、漫反射贴图、环境光照贴图），把三维高模（通常拥有上百万个面的数据）上拥有的丰富细节体现在低模（根据计算机渲染运算能力，通常几千到几万面不等）上，这样做优化了计算机处理图像的能力”，[3]既能最大限度地还原文物的物理特性，又能在各大游戏引擎软件如UE4、Unity3D等中进行“互动”设计，在文物复原的同时，增强历史文物的“可读性”。次世代游戏制作复原历史文物的具体流程主要有七个部分。第一，通过照片的数据采集，对需要数字还原的文物进行采集，再分析照片各个细节的处理方案。第二，利用3dsmax、Maya、Soli、bender等三维软件建立文物的中模。中模只需涵盖文物的基本外形结构即可，模型布线匀称规则，以便后期进行数字雕刻。第三，将之前制作的中模OBJ文件导入Zbrush数字雕刻软件，对比文物照片进行破损、细节的精细刻画。第四，利用TopoGun拓扑软件，制作文物模型的低模。第五，低模展UV。第六，利用PS、Bodypaint、Substancepaint制作模型贴图，目前主流的贴图流程为PBR流程，PBR即基于物理的渲染，是一套尝试基于真实世界光照物理模型的渲染技术合集，使用了一种更符合物理学规律的方式来模拟光线，以达到更真实的渲染效果。它将传统的次世代游戏通过高光（Specular）贴图来制作文物材质的方式细化为了贴图，即金属强度（Metallic）和光滑强度（Smoothness），之前的做法类似于我们使用 “计算机语言”红绿蓝（RGB）定义颜色。PBR技术类似于使用“人类语言”定义颜色，即饱和度和亮度（HSB）。PBR会让流程更标准化，方便大规模协作。第七，导入Unity3D游戏引擎进行互动环节的开发。次世代制作技术伴随着数字雕刻软件的成熟而发展，最初由于计算机硬件的限制，对贴图的尺寸有着严格的要求，因此早期的次世代游戏制作很难逼真还原文物的各种细节。随着计算机硬件的不断完善和研发，无论是操作系统平台还是游戏引擎，都开始支持4K级别贴图的开发制作，我国也在超高清显示设备上加快研发，以后8K、16K等超高清分辨率不再只是想象，这让文物的细节体现得更加细腻，让数字模型的特征输出更加出色。罗奥指出：“四川美术学院的周教授就有关于古生物复原的研究项目，他的团队能够从皮毛层面对灭绝生物进行数字复原，使从未见过的生物在计算机里变得栩栩如生。古生物如此，可见复原历史遗迹应当也是可行的。”[3]因此，采用次世代游戏制作技术，通过PBR贴图流程能够在做到“逼真”还原的文物前提下又对文物进行艺术加工，符合大众的审美需要，使得传播方式更加灵活。

3 结语

数字化技术使历史文物数字化的过程变得更加丰富，不过我们也应该对文物数字复原的定位有一个明确的把控。如果我们需要对历史文物进行艺术加工处理，并方便其传播中国历史，传承优秀传统文化，那“真实性”不再是唯一诉求，我们应当在“逼真”的前提下，合理地对历史文物的数字模型进行改造，而不是一味技术至上，追求真实还原，陷入“工具理性”的制作观念，使数字文物模型显得过于“粗糙”，无法起到“传播”的作用。

参考文献：

[1] 马浩嘉.浅析新时代文物的历史文化价值及其传播创新[J].科技风，2019（1）：213.

[2] 马欢欢，赵清坡. Agisoft Photoscan照片建模技术在考古中的应用[J].文物保护与考古科学，2016（4）：144.

[3] 罗奥，范伊然.数字化技术对历史文化传播影响研究[J].艺术科技，2017（5）：26.

作者简介：刘宜东，男，重庆人，硕士研究生，重庆电子工程职业学院数字媒体学院讲师，研究方向：动画，游戏，数字艺术。

黎娅，女，重庆人，硕士研究生，重庆电子工程职业学院数字媒体学院讲师，研究方向：美术学。