敦煌石窟保護與展示工作中的數字技術應用

內容摘要：數字技術在敦煌莫高窟的保護與展示中已得到了廣泛的應用。應用數字技術，對敦煌石窟藝術的全部信息進行記錄，同時也應用于洞窟壁畫現狀調查、日常監測等保護工作，又為美術臨摹工作的線描稿起稿提供了技術支持。采用數字無線傳感器網絡技術在洞窟實時監測和管理方面發揮了獨特的作用，為莫高窟洞窟的開放管理水平提升提供了技術支持。三維激光掃描的數字技術應用于洞窟考古測繪工作中，測量精度和準確性得到了提高。在敦煌學信息資料建設方面，利用數字技術，建成了高效的圖書管理系統和文獻資料數據庫，實現信息資源共享。采用數字技術，充分擴展了敦煌石窟藝術展示的場所和空間。通過在建的敦煌莫高窟游客服務中心項目，可以使觀眾欣賞到高分辨率、高清晰度的洞窟建筑、彩塑和壁畫，同時也使洞窟得到有效保護。

關鍵詞：莫高窟；數字技術；保護；展示

中圖分類號：K870.6 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2009)06-0001-03

千余年來自然因素的作用和人為因素的影響，使敦煌石窟面臨著逐漸褪化的危險。作為莫高窟的保護、管理和研究機構——敦煌研究院，在中國政府與國內外友好人士和機構的幫助下，六十多年來投入了大量的人力、財力和物力，采取了積極有效的措施，對敦煌石窟進行了卓有成效的保護，如石窟危崖加固，石窟崖頂風沙危害綜合治理，石窟環境監測和治理，壁畫和彩塑病害的研究、治理和修復，等等。眾所周知，文物是不能再生的，也是不能永生的。盡管我們采取了許多保護措施，但是，敦煌石窟文物，特別是脆弱的壁畫逐漸褪化趨勢無法逆轉，作為檔案的攝影照片、錄像資料也難以持久保存敦煌藝術的信息，敦煌石窟的保護面臨著嚴峻的挑戰。此外，敦煌石窟脆弱的壁畫和塑像及其狹小的洞窟空間，與迅速發展的旅游開放所形成的矛盾日益突出。因此，如何能永久地保存、又能永續利用這份人類珍貴的文化遺產，成為久久困擾我們的難題，也是我們孜孜不倦追尋的目標和最高的職責。先進的計算機技術的發展啟發了我們，20世紀80年代，我們開始嘗試利用先進的攝影技術和數字技術記錄、存儲敦煌石窟藝術的探索。進入20世紀90年代以后，我們與國內外大專院校、科研院所合作，共同開展了敦煌數字儲存技術的研究。

一 敦煌石窟藝術數字存儲研究和應用

1.敦煌石窟藝術數字存儲研究的開始

在美國紐約梅隆基金會的支持下，我們與美國西北大學合作采用覆蓋式拍攝和先進的QuickTime虛擬現實兩種方式，分別用數字技術記錄敦煌石窟藝術的全部信息。覆蓋式拍攝可以獲得高分辨率的壁畫圖像，拍攝方法是用平行于壁面移動的數碼相機，依次對洞窟壁畫分幅拍攝，然后把單幅數字圖像拼接成整壁壁畫圖像，并通過相關的專業軟件處理，保證圖像色彩和幾何比例的準確性；QuickTime虛擬現實能使圖像觀看者有進入洞窟的感覺，并能在洞窟內旋轉觀看，看到洞窟內建筑、彩塑和壁畫的所有藝術品。

與此同時，敦煌研究院和國外一些收藏敦煌資料的單位授權梅隆基金會制作梅隆國際敦煌檔案，這是一部學術性的電子檔案，為文物保護及其他專業的學者提供重要的信息資源。檔案可讓學者將圖像的具體細節拉近放大，看到本來看不到的畫面，進行仔細研究，還可以瀏覽石窟內景的拼接全景，得到身臨其境的感覺。檔案還可以讓學者在電腦顯示屏上同時對分散在世界各地的敦煌圖像進行比較研究。

2.敦煌石窟藝術數字存儲的繼續探索

在以上研究的基礎上，隨著數字技術的不斷發展，我們不斷地探索和改進壁畫數字存儲技術。首先，引入色彩管理系統，使圖像從拍攝、信息采集、圖像拼接與處理，圖像顯示及打印輸出等各個環節實現色彩一致和統一，并保證色彩還原的準確；其次，由于硬件性能的提高和軟件的升級，圖像信息采集精度由75DPI提高到150DPI，提高了壁畫數字化獲取圖像的精度；第三，后期圖像拼接處理，由純手動拼接提高為自動與手動相結合的方式；第四，隨著信息采集所使用的軌道和拍攝機架等設施的不斷改進，提高了信息采集的準確率；第五，所有的數據采用不同的介質進行數據備份，確保數據安全。

3.敦煌石窟藝術數字存儲信息的應用

目前，覆蓋式拍攝所獲得的高分辨率的壁畫圖像已經應用于敦煌石窟的保護、研究和弘揚工作中。首先，在保護方面，高分辨率的敦煌石窟藝術圖像用于對洞窟壁畫保護必須采取的現狀調查，精確地記錄不同類型的壁畫病害信息；為評估壁畫修復效果和日常監測、調查洞窟壁畫保存狀況而提供依據。其次，利用覆蓋式拍攝圖像拼接技術所獲得的高清晰、高精度的圖像資料，為美術臨摹工作的線描稿起稿提供了技術支持，提高了美術臨摹工作的速度、效率，減輕了臨摹工作強度。

二 數字無線傳感器網絡技術應用于石窟微環境實時監測和游客流量統計

石窟的氣象環境因素，如溫度、濕度、二氧化碳濃度等都是影響到洞窟壁畫保存的重要因素，也直接影響洞窟的開放參觀。用傳感器采集上述各種參數，并采用無線通訊技術將所有傳感器組成一個網絡，實現數據大范圍長期可靠的傳送；采用主動式RFID技術與無線傳感器網絡技術，還可以實現對洞窟內游客流量的實時統計。

用數字無線傳感網絡實時監測洞窟的各種環境變化，可以使我們實時掌握洞窟的狀況，并能夠根據洞窟環境的現狀，及時采取洞窟臨時性關閉或調整等策略，以此加強對洞窟的保護。

三 三維激光掃描技術應用于洞窟考古測繪

以往我們采用傳統手工測繪的方式繪制考古測繪圖，精準度和工作效率都很低。現在，我們利用三維激光掃描技術獲取點云，并通過數據配準完成數據坐標系的統一，并將點云數據導人到Microstation系統，根據數據的幾何特征和點云強度勾勒出洞窟結構和塑像線描圖，又通過點云數據確定壁畫的三維位置，依據拼接圖像勾勒出壁畫物象的線特征，并且在考古測繪圖上按照分幅的圖幅大小插入標有坐標數據的網格線，便于后期整理成圖，并計算出圖像的準確位置和實際大小。采用上述技術繪制的考古測繪圖，不僅精度高，而且提高了工作效率，從而準確、科學地記錄了敦煌石窟藝術的全部信息。

四 數字技術在敦煌學信息資料建設方面的應用

在信息資料建設方面，利用數字技術：第一，我們建成了高效的圖書管理系統，實現了館藏中、英文圖書的異地管理和檢索；第二，初步建成了“敦煌學研究文獻數據庫”、“敦煌遺書數據庫”、“敦煌遺書總目數據庫”、“石窟檔案數據庫”等系統；第三，與英國國家圖書館合作建設國際敦煌學項目(IDP)，即利用高精度數字攝影技術，將我院和甘肅省內所藏的敦煌藏經洞出土文獻約八百多件全部制成數字檔案，上傳至國際敦煌學項目(IDP)數據庫，達到信息資源共享；第四，設立了多媒體閱覽室，提供國內的中國知識資源總庫(CNKI)、萬方數據庫，美國的JSTOR、ART-STOR等幾個大型學術數據庫的遠程查詢；第五，利用哈蘇X5、易邁康848掃描儀，對我院保存的自20世紀50年代至今拍攝的4000余張傳統底片數字化掃描，初步建立了影像資源數據庫；第六，建立并不斷完善敦煌研究院網站(http://www.dha.ac.cn)。

五 利用數字技術充分展示敦煌藝術，建立敦煌莫高窟數字展示中心

隨著敦煌石窟藝術數字技術不斷深入和發展，我們計劃建設敦煌莫高窟游客服務中心，該項目得到了國家的支持。游客中心建成后，不僅可以將游客過多對文物造成的威脅降至最低，使洞窟得到有效保護，而且能充分擴展敦煌石窟藝術展示的場所和空間。高分辨率、高清晰度的洞窟建筑、彩塑和壁畫的展示，使觀眾欣賞到更加細致精美的敦煌石窟藝術，并獲取更為豐厚的敦煌石窟藝術信息。

敦煌莫高窟游客服務中心，將設置洞窟實景漫游廳、主題電影演播廳、多媒體展示廳及相關配套設施。洞窟實景漫游廳，用球幕影院形式放映球幕電影。球幕電影是通過數據采集、建模、貼圖、渲染、后期制作等五個步驟制作完成的；其中的關鍵是要處理好貼圖和渲染兩個步驟，需要解決超大數據量管理、圖像和模型的精確映射、圖像色彩的融合，以及高精度、180度球幕魚眼鏡頭場景渲染等。球幕電影能使觀眾感受到身臨其境并細致入微地觀看洞窟建筑、彩塑和壁畫。觀眾觀看主題電影，能獲取敦煌莫高窟誕生的歷史文化背景和敦煌藝術珍貴的價值，獲得豐富的敦煌歷史文化知識。觀眾還可以利用多媒體展示滿足其多種參觀需求，獲取大量的敦煌文化信息。

六 敦煌數字化工作面臨的主要問題

敦煌數字化工作是一項浩大的工程，以上所說的只是一個開端，要進一步開展數字化工作，我們還面臨很多的問題，比如：

第一，我們希望準確、快捷、完整地獲取數字信息數據，難題是由于高精度的信息獲取過程中存在大量的分幅和局部數據，制約了獲取平面圖像信息數據和三維結構數據拼接的準確性、快捷性，文字信息、平面影像數據以及三維空間信息數據之間缺乏統一關聯，從而影響了信息數據的完整性。

第二，我們希望能夠科學地整合與管理巨量信息數據，難題是將大量不同時段、不同目的和不同用途所產生的信息如何數據整合，又能讓使用者通過統一數據源查詢到任意時間段、任意內容等各種數據信息，并能夠源源不斷地吸收新的信息數據和研究資料。

第三，我們希望將先進的數字技術，應用到文化遺產的保護、考古研究和展陳。難題是根據文化遺產的保護、考古研究和展陳的需求如何持續不斷地開展數字技術創新。