Artec 3D扫描仪越过安第斯山脉,重新揭秘古代秘鲁史

08/04/2021

作者Matthew McMillion

大雨倾盆,考古学家、马萨诸塞州的学校老师Daniel Fernandez-Davila在秘鲁云雾缭绕的森林中,感到元气满满。他和其他12位同行人,每天骑着马行进20多英里,背上背着50磅的工具和食物。除此之外,他们还带着书籍和其他教育物资,朝遥远的山村迈进。

6位安第斯山脉本地向导带着他们从海拔6000英尺走到海拔13000英尺,每90分钟就要经历完全不同的气候:刚才还是寒冷干燥的35°F(1.67℃),一小时后就变成炎热难耐的90°F(32.2℃)

考古学家Daniel Fernandez-Davila正前往La Morada

他们骑着23匹马和骡子,先抵达一个晴空万里的平原,不多久,又遇上大雨被彻底淋湿,马蹄陷入泥泞中,前方的路都被冲走了。在查查波雅,你必须具备快速适应环境的能力。

查查波雅人是今天秘鲁北部亚马逊地区的原始居民。由于居住在安第斯山脉云雾缭绕的森林中,因此查查波雅人也被称为“云上的民族”,他们的神秘文化几乎鲜为人知。

杂草丛生的岩石小径蜿蜒穿过云雾缭绕的森林山坡,走起来又慢又危险。

留存至今的文物包括Carajía石棺:高高的泥人栖息在危险的悬崖壁架上,每个里面都有一个像胎儿一样蜷缩的木乃伊;当然,还有Lake of the Condors陵墓中令人震撼的木乃伊藏品。

但是在Fernandez-Davila看来,查查波雅还有很多宝藏流传了下来。有些文物只听过些传闻,但还有不少是他多次亲眼所见的。自1998年开始,Fernandez-Davila几乎每年重返一次秘鲁北部的云雾森林。

目的地:La Morada村庄——只有从主干路徒步两天才能到达

他和十几位学生一同前往,这是一次难得的体验,用他们的话说,会改变一生。他们在那里进行慈善工作,将数百本书籍和食物带给条件极其落后的偏远山村学校。

Atuen村庄中的查查波雅人正在听Fernandez-Davila读一本关于查查波雅人和这片土地的历史书籍

Fernandez-Davila还在旅途中进行重要的考古工作,记录并协助保护逐渐消失的文物和古代查查波雅留下的蛛丝马迹。他在和时间赛跑,但发现自己敌不过雨水的侵蚀、涂鸦、打劫破坏。

这些偏僻的山村散布在山峰之上,当地人认为,发现了圣物就要敲下一块随身带走,这样才能得到圣物的祝福和保护。

不过,随着时间的推移,Fernandez-Davila取得了当地人民的信任。他们经常告诉他,自己在丛林里见到了文物,或者自己带回了哪些东西,因为越来越多的人开始明白,如果这些老祖宗的东西不见了,那就永远找不到了。

以前的学生、小组成员Rachel Lorenc和村里一位查查波雅小姑娘

每年,他都无法在短短几周内走遍所有区域。用Fernandez-Davila的话说:“每次当地农民告诉我哪里有一座巨大的塔楼,哪里还有一座陵墓,哪里的洞穴里藏着画时,我作为考古学家就感到非常痛苦。”他们还会问我,‘你还回来吗?’我总是友好地回答,‘我保证会的,明年继续。’这一去就是21年。 ”

就是在2008年的这次旅途中,Fernandez-Davila在去La Morada的路上,亲眼看到了他数年前在阅读Inge Schjellerup作品时发现的古代巨石,这是Inge Schjellerup为秘鲁丹麦考古任务进行的考古研究。Pukarumi是这块巨石的所在地,Schjellerup是第一位在1980年代和1990年代早期,为Pukarumi遗址进行研究、记录和拍摄的研究人员。

Keith Muscutt也拍照记录过这块巨石,出现在他的《Warriors of the Clouds》一书中。数年后的2015年,Penny Berliner画下了这块石头。

Fernandez-Davila在巨石前驻足了几分钟,就发现自己恋恋不舍,不愿离开。他的指尖划过石块上的雕刻,穿梭在螺旋、四边形、球形图案之间,周围还有一圈发散的直线,他意识到,这不仅仅是一件考古发现的文物。这块巨石,很有可能会揭示秘鲁的形成期历史。

要研究这块岩石雕刻,理解图案的意义,必须进行肖像分析。这时,他忽然意识到一个令人担忧的情况,“这块美丽的巨石可能无法保存下来。每年的酸雨越来越厉害,岩石画的腐蚀越发严重。要不了多久,上面的图案就会变得无法辨识。我得找个方法把它们保存下来!”

当时,最好的方式就是为巨石拍照,但他发誓要继续寻找更好的方法,来记录这块独一无二、历史价值不菲的碑石,不仅是出于科研目的,也是为了查查波雅人的子孙后代乃至整个世界。

但是在接下来的几个月中,2.5 x 10英尺的石板被丛林收回了,第二年他回来时,发现巨石不见了。Fernandez-Davila大概知道石头在哪里,不过季节不同,通往附近城镇的道路环境也各不相同,因为天气引起的变化不断重塑着地貌与河流。

两个安第斯向导和Fernandez-Davila正在决定该走哪条路

尽管巨石太重,没人搬得动,但酸雨和人为破坏,迟早会把这款石头毁了——每一年,Fernandez-Davila都被这个念头折磨着。

回想起早些年寻觅解决方案时,Fernandez-Davila说道,“我和几位同事谈起这个项目计划,他们问我,为什么不尝试摄影测量法,这个方法更轻松,成本也更低,何苦还要花时间研究用哪台扫描仪,买设备也是要花成本的。”

他继续说道,“但是摄影测量法有个大问题:必须要给巨石拍很多照片,而且你还不知道最终合成以后什么样,必须要回到实验室打开电脑才行。也就是说,我必须坐下把照片合成,才能知道这个3D模型完不完整。”

“如果我只差一幅岩石画,或者只缺一小块关键图怎么办?打电话给向导,告诉他们我要带上马和设备,再花1万美元,回到丛林,去拍那张缺失的照片吗?就算可以,万一有人蓄意破坏了石头,压根拍不到了呢?”

最后,经过和其他考古学家的交流以及研究,他发现3D扫描是一个可行的方法。但是,市场上这么多扫描仪,他不确定哪款才能经受住路途的考验,成功捕获巨石的高分辨率彩色3D模型。

在别人的强烈推荐下,他找到了Artec金牌认证经销商Exact Metrology,他们是3D扫描专家,在各自领域积累了多年经验。Fernandez-Davila和他们介绍了旅途艰难的条件,以及巨石的细节和其他计划扫描的物体,经销商于是向他介绍了手持式3D扫描仪Artec Eva 和Space Spider。

Artec Space Spider和Eva

他们介绍道,Eva适合完成巨石的彩色高分辨率3D捕获,同时Space Spider适合高清捕获大型物体上的精密细节以及带有复杂几何的小型物体。

多年来,两款扫描仪都在考古学和古生物学久经考验,短短几分钟,研究人员就能采集珍贵的文物和标本,并将它们制作成精准3D模型,用于数字保护、VR等场景。

Fernandez-Davila明白,就算扫描仪操作简单,他一路上也忙不过来,最好请专家负责扫描。所以他还请了Exact Metrology的一名志愿者帮忙。

他正在向公司工程师描绘旅途艰苦,要翻越山川才能抵达巨石所在地,但还没等他说完,培训/营销经理Jason Kleinhenz就走上前,表示愿意一同前往,负责所有扫描工作。

于是,在八月晴朗的一天,Fernandez-Davila和Kleinhenz,以及另外11名组员,飞往秘鲁,骑着马沿着漫长蜿蜒的小路,抵达了巨石所在地和La Morada村庄。在前往安第斯山脉阴雨连绵的山麓时,Kleinhenz的背包里装了两台笔记本电脑和两台扫描仪。为了使自己顺利找到巨石的大致位置,Fernandez-Davila雇了一位当地向导为他们带路。

Nick Ciorogan向当地村民和孩子们展示当代摄影技术的魅力

国际电影制片人Nick Ciorogan也是小组成员之一,他打算为这段旅程和巨石做一次深度拍摄。Ciorogan十年来密切关注着Daniel的工作。他还制作了一部长篇纪录片,名为《我的老师》,讲述了一群学生和他们的老师Fernandez-Davila的生活,他们一起前往秘鲁北部偏远的丛林,不仅改变了自己,也改变了他们所接触的生命。

La Morada的未来:当地的孩子们见到访客和他们带来的书本非常激动

他们花了几天时间,穿梭在布满岩石的山间小径,穿过茂密的植被,用大刀砍开树枝,为团队和马匹清理出前行的道路,最后终于到达原计划中巨石的所在地。但是,即便当地向导也没找到这块石头。

从La Morada到巨石的路上,走在Huabayacu河边的一条小径上

无人机飞到丛林上方,并用Inge Schjellerup多年前绘制的图画和视频比对后,他们才找到了这块巨石的位置,当时,它已经被藤蔓和植被彻底吞没了。向导们小心翼翼地扫开石块前的杂草后,Fernandez-Davila才同意Kleinhenz开始扫描巨石。

无人机图片和Inge Schjellerup’s绘制的Pukarumi地图重合后,才找到巨石的确切位置(橙色):考古图来源:Schjellerup, I. 2005 Incas y Espanoles a la Conquista de los Espanoles. Pg. 288. IFEA. Lima

尽管Fernandez-Davila对技术以及Kleinhenz的扫描能力信心十足,但采集巨石对Artec Eva而言仍然是一项不小的考验,不确定它是否能在潮湿多雾的丛林环境下,精准捕获潮湿的自然表面,上面还有精美的岩石雕刻,而且,用Fernandez-Davila的话说,扫描过程还是,“无接触、无破坏、不用移动或带走现场任何物品。”

他继续说道,“如果Eva能经受住考验,制作出令人满意的效果,那以后每次来云雾丛林或者其他偏远地区,需要无接触捕获石刻,我们就会带上它。”

一位当地向导第一次见到巨石时充满敬畏

Kleinhenz轻轻地放好笔记本电脑,连上Artec Eva,开始一点一点扫描这块充满历史痕迹的深色石块。巨石的每一面都以高清彩色3D模型的形式采集下来,装有Artec Studio软件的笔记本电脑同时还有画面,帮助Kleinhenz、Fernandez-Davila和其他成员确认巨石每面都已采集完毕,包括所有雕刻,以每秒200万点的速度完成数字化。

无需接触:Jason Kleinhenz用Artec Eva扫描巨石的左侧

但突然变了天。一滴雨水突然变成倾盆大雨。Kleinhenz还没张口求助,队友就拿出一块防水布,挡在他和扫描仪上方。其他人也纷纷过来帮忙,拉开防水布,保护巨石,不让一滴雨溅到巨石上。

雨还在下,没过多久,Kleinhenz的电池没电了,太阳能板瞬间没用。笔记本电脑的电池也出现了低电量警告。只剩几分钟了。

好在没有出现其他意外。从开始到结束,不到一小时时间,整块巨石的每一寸都完成了扫描,还额外扫描了几份,以保证万无一失。

Pukarumi巨石3D模型:选择绿色作为渲染颜色,以便区分岩石上的雕刻

Kleinhenz将扫描保存在两个不同的硬盘上,作为备份,然后把盘分别给了两位队友,以免全部丢失。从这里到大本营,还有两天的旅途,然后这趟远足才算接近尾声。

飞回美国后,Kleinhenz回到办公室,Exact Metrology团队把扫描加工处理成3D模型,他们使用Artec Studio移除了多余的数据,对齐多份扫描,最后将文件导出至Geomagic设计软件,其中包括Geomagic Wrap。

Artec Eva捕获的巨石真实色彩和几何效果

谈及3D模型未来的用途,Fernandez-Davila表示,“我们会为Leymebamba博物馆3D打印一个一半大小的模型,让当地居民和游客都能见识到这个无价之宝。未来几年,甚至几个世纪,秘鲁或其他地区的研究人员和学生都能仔细研究岩石画和上面的所有雕刻。”

探险期间,扫描完巨石后,他们立刻测试了Space Spider。Fernandez-Davila想试试手持式扫描仪是否能以无接触的方式,捕获小型文物的精美细节。

于是,他和Kleinhenz扫描了几位村民带来的几件物品,包括包括陶器碎片、各种岩石(不同阶段的狼牙棒头部(古代战斗中用于猛击敌军头部)),还有一个研磨谷物的大石杵。

当地人在扫描仪、文物、笔记本电脑之间来回看,发现几秒钟的功夫,屏幕上的形象就栩栩如生了,不禁目瞪口呆。

Fernandez-Davila和Wayland HS学生Sydney Lloyd通过电子图片和照片分析巨石岩画

回到马萨诸塞州后,Fernandez-Davila开始研究巨石3D模型,有个发现让他大吃一惊:石头右侧有一条以前从未记载过的大蛇,它长着尖牙和羽毛。单看巨石时,很难看清,但Artec Eva完整捕获了下来。

在Chavin主考古遗址的Cupisnique艺术作品中,发现了一个极为相似的图像,而这只可能出自秘鲁形成期的艺术家之手,放射性碳元素可追溯到2000年前。这意味着新发现的岩画很可能比巨石左侧的那些石刻早了几百年。

Artec Eva采集的形成期雕刻的尖牙羽蛇神,Fernandez-Davila博士通过数字图片信息和手稿进行了确认

进一步肖像对比分析证实了巨石右侧的岩画制作于公元前400年到公元200年之间,而左侧的石刻制作于公元700年到1470年。

Fernandez-Davila谈到如何获取当地人的信任,“我们叫来当地村庄的一名领袖来见证这一过程,他能亲自回去告诉村民,我们的Artec扫描仪工作时不需要破坏任何神圣的土地,我们甚至不需要接触任何遗迹甚至文物本身。”

他继续说道,“我们希望大家明白扫描仪工作起来就像电筒一样,不会对任何物体造成任何伤害。亲眼证实这一切后,村民们就能放心了。”

“希望他们相信,使用这些扫描仪,我们不用开采挖掘,不用破坏任何东西,也没有从他们的土地上带走任何物品。这块巨石已经在这里,通往La Morada的小路旁,存在了几个世纪。”

“希望他们明白,我们所做的这些都是为了他们以及整个民族。接受以后,他们开始和我们分享越来越多的文物,还带我们去看一些外人从未见过的纪念碑和文物。”

Artec Eva捕获巨石左侧,上面有查查波雅其他文物上也出现的经典石刻图案

Fernandez-Davila强调,有了Artec扫描仪,哪怕只有一次文物扫描的机会,那也绝对够了,“有了Artec EvaSpace Spider,完全不用连蒙带猜。我能轻轻松松实时查看捕获文物的每一面。如果不确定,也只要再挥一挥扫描仪即可。使用Artec Studio只要几分钟,就能当场把扫描处理成栩栩如生的3D模型,当然也可以去我的帐篷里或者任何地方。就是这么方便。”

3D打印成本不高,且越来越普及,所以这些文物可以打印制作后用于学校和高校,进行教育和科研,同时,3D模型细节丰富,完美适用于VR环境,也能在全球范围内供考古学家和研究人员进行深入研究。

云雾森林神秘广阔,青翠欲滴,这里几个世纪来埋藏着无数考古遗址

Fernandez-Davila认为,Artec 3D扫描仪为考古界带来的可能性是毋庸置疑的,“在这个领域,全世界的考古专家一直在寻找准确记录历史的方法,希望能记录文物真实的样貌,而不是根据考古专家的主观想法来记录。这是我作为考古学家的使命,而Artec扫描仪赐予了我这样的能力。”

在2020年1月加州伯克利举行的第60届安第斯研究年会上,Fernandez-Davila和Kleinhenz一起展示了这块巨石和探险的海报论文,还现场向观众演示了Artec Eva和Space Spider的扫描功能。

Kleinhenz评价了3D扫描在未来文化和历史保护中将发挥的关键作用:“接下来发生的大趋势就是世界各国政府建立国家3D图书馆,类似于美国国会图书馆,每个图书馆都将存放珍贵物品的3D扫描数据,多达千兆字节。”

他继续说道,“这样就能确保这些无价之宝可以留给当今世人和子孙后代。做到这点完全在我们能力范围之内,而且我们人人都该这么做。”