以往对青铜器纹饰的研究在很大程度上依赖学者对典型器物纹饰特征的经验、观察和主观判断，来讨论纹饰分类及其关系。探讨青铜器纹饰之间关系的关键问题在于缺乏一个可复制的纹饰客观描述方法。本文介绍了“有基因无边界”的青铜器纹饰演化模型（MGNB）以阐明纹饰进化关系。研究利用深度学习特征向量来定量描述青铜容器纹饰个体及其类型的关系，应用于16623个商周青铜容器纹饰样本，使用残差网络模型训练数据集，提取预测正确的样本特征向量，计算Jaccard相似度实现了纹饰样本及其类型之间的定量比较。以窃曲纹为典型案例，通过对不同时期的相似性分析，得出窃曲纹的演化经历三个阶段，各阶段中纹饰相似性表现存在显著差异，表明在进化的不同阶段发生不同的复制与杂交轨迹，显示出纹饰演变与人类活动的互动关系。特征向量的相似性使得MGNB模型具备了可解释性，为文化交流的研究提供了线索。本研究由北京科技大学科技史与文化遗产研究院、自动化学院合作完成，论文已在线发表于国际科技考古期刊Journal of Archaeological Science: Reports。

1模型、数据、方法

“有基因无边界”的青铜容器纹饰演化模型（MGNB）用来阐释纹饰类型之间的关系（图1）。借用生物基因型和表现型的概念，基因型用以描述纹饰类型的整体特征；表现型用来描述器物的具体纹饰形态，即纹饰样本个体。“有基因”解释为在一段时期内长期存在、具有传承力的典型纹饰，搭建起了纹饰演化的基本结构。“无边界”解释为纹饰个体可能归属到某一类型之中，也可能处于两种或者多种类型的交界，显示出纹饰演化的复杂性和交织性。

图1 “有基因无边界”青铜容器纹饰演化模型（MGNB）

研究建立了广泛覆盖商周青铜容器纹饰的样本集，包括来源于正式出版物、博物馆官方网站以及作者实拍博物馆文物图像的拓片、实物照片、考古线稿。将16623个样本划分为26大类（图2）。为辨识和建立基因类型描述，根据具体形态划分为细目212个细目作为典型基因型。

图2 26类样本的示例

特征向量提取的方法实现了数据集的图像信息转化为纹饰类型的量化文化信号（图5）。深度残差网络ResNet最后残差块输出的特征向量包含了图像详细的二维图像细节和空间信息的高级特征，被用来获得青铜容器纹饰的量化关系。ResNet50训练程序将样本划分为训练集和验证集，经过图像增广以后进行训练，并使用训练模型对全体样本进行预测。在正确率达到98%的前提下，提取最后残差块输出的特征向量，将8*8*2048维度展平为131072个特征向量值。使用UMAP将高维特征向量降维到二维，通过散点图的可视化方法来描述纹饰典型类型的分布情况与边界关系，使用t-SNE降维后的数据计算Jaccard相似度。

图3 技术路线

2结果与分析

UMAP降维后的全样本散点图（图4a）和窃曲纹的细目散点图（图4b）展示出MGNB模型的特征。每个类型有相对独立的位置，验证了“有基因”的思想；样本呈现出的交叉部分，反映出样本相对多个基因型的“无边界”关系。

图4 青铜容器纹饰类型的分布与边界

使用t-SNE降维后的特征向量计算Jaccard相似度获得类型之间的正交相似关系（图5），可以看出窃曲纹与夔纹、龙纹、蛇纹、云纹、凤纹相似性依次最高。站在整个商周时期的时间尺度看，可以认为窃曲纹在演变过程中，与这些类型之间的模仿和借鉴较多。

图5 商周青铜容器纹饰类型Jaccard相似度

叠加年代信息，按照窃曲纹出现的主要时段将所有样本分成五段分别计算。基于时段划分的窃曲纹相似关系（图6）说明，窃曲纹在不同时代可能汲取了不同的纹饰类型特征。西周中期呈现出与多种类型较高的相似度，可能是窃曲纹迅速发展与其它纹饰类型“杂交”的时期。

图6 基于时段划分的窃曲纹相似关系

基于文化连续性的窃曲纹演化模式构建了更为合理的窃曲纹演化线索（图7），包括了复制和杂交的完整内容。根据相似性关系的差异，窃曲纹的演化可以分为三个阶段：（a）萌芽和政治选择的雏形阶段。在商代晚期到西周早期，窃曲纹的特点表现出与某些类型高度相似，具体类型也在变化。表明纹饰类型尚未成熟，演进依赖于其它纹饰类型。这一阶段的主要特征是杂交，表现出发展的早期特征。（b）礼制变革的快速发展阶段。到了西周中期，图案复制了前期图案的主要特征，表现出明显的相似性，与其它类型的图案表现出高度的相似性。表明这一阶段的进化特征是复制和杂交的共存，是纹饰类型迅速膨胀的阶段特点。（c）文化巩固的稳定阶段。西周后期以降，窃曲纹饰与前朝窃曲纹明显的高度相似，与其它类型的相似关系逐渐减弱。纹饰类型演变以复制为主，杂交为辅，应该是纹饰基因稳定的阶段性特征。

图7 基于文化连续性的窃曲纹演化模式

在上述三个阶段中，相似性结构的变化体现出不同的文化互动特征，图8构建了窃曲纹演化模型，多样的基因来源使得纹饰分类问题变得“无边界”，证明MGNB是可以用来描述纹饰类型的演化关系。

图8 窃曲纹演化模型

在更广泛的历史背景中，其它纹饰类型也经历着动态演变，导致整个商周纹饰系统呈现出一个基于时间线的复杂空间网络结构。本研究证实了连续的文化现象，有助于通过纹饰知识体系的重建探索商周时期社会、文化交流。

发表信息

Hu, D., Qian, W., Wei, D., Li, J., You, J., Shen, H., 2025. Studying the similarity of bronze vessel pattern types from the Shang and Zhou dynasties using feature vectors of deep learning. Journal of Archaeological Science: Reports. 63, 105068.

链接

https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2025.105068

作者简介

胡丹琦，北京科技大学科技史与文化遗产研究院，博士研究生

潜伟，北京科技大学科技史与文化遗产研究院，教授

魏东，北京科技大学科技史与文化遗产研究院，副教授

李江昀，北京科技大学自动化学院，教授

尤佳，北京科技大学自动化学院，副教授

申昊然，北京科技大学自动化学院，硕士研究生