大型高浮雕石質文物的數字化探索

何勇

摘要：精準的測繪記錄是保護和展示石窟藝術的重要手段，但傳統的手工測繪和立體攝影測繪，均不能立體、準確、全方位地展示石窟藝術的真實面貌。隨著三維激光掃描測繪技術的出現與推廣，獲得更加豐富、全面、精準的石窟藝術信息成為可能。針對云岡石窟商浮雕造像的特點，三維激光掃描技術被引入，并在文物檔案的建立、石窟的科技保護、考古研究、數字化云岡的制作等工作等領域形成了以三維激光掃描與數字近景攝影測量為主、毫米級精度的數字化技術路線。關鍵詞：云岡石窟；測繪；三維激光掃描；數字近景攝影測量；數字化

云岡石窟位于山西省大同市城西1 6公里的武周山南麓，營建于5世紀，距今已有1600多年的歷史。石窟依山開鑿，東西綿延約1公里，現存大小窟龕254個，造像59000余尊。石窟規模宏大，造像內容豐富，雕刻藝術精湛，代表了五世紀前后美術雕刻的最高水平。云岡石窟1961年被公布為全國重點文物保護單位，2001年列入世界文化遺產名錄。

云岡石窟的主體巖性為石英砂巖，面以石窟及造像日漸風化的實際情況，20世紀以來，云岡石窟的保護工作者們不斷地對石窟進行維修加固，同時以多種手段（文字、攝影、測繪等）不間斷地記錄著石窟的實時面貌。但以往的記錄特別是測繪記錄，無論是手工測繪，還是立體攝影測繪，最終的手工線描圖件均不能立體、準確、全方位地展示石窟藝術的真實面貌，存在有不同程度的缺陷。近年隨著三維激光掃描測繪技術的出現與推廣，獲得更加豐富、全面、精準的石窟藝術信息成為可能。（圖1）

對云岡石窟進行全方位的系統測量，是石窟文物保護管理工作的需要。考古研究、建立文物檔案、文物本體保護設計與保養、展覽展示、文化出版等均離不開精細測繪得到的文物實測圖件。從這個意義上講，對石窟文物的測繪全面與否，實測圖件的精度高低，決定了石窟文物保護管理工作的水平。因此獲得準確的文物測繪圖，是保護管理非常重要的業務工作。

對云岡石窟進行系統的測繪工作，始于20世紀三四十年代日本侵華期間。日本學者以手工方法對石窟進行了測繪，并將得到的122幅圖件發表于《云岡石窟——公元五世紀中國北部佛教石窟寺院的考古調查報告》中。1960-1963年，文化部古代建筑修整所（中國文化遺產研究院前身）學者楊玉柱等對云岡石窟進行了新中國成立后的首次系統測繪，分別繪制第7、8窟，第9、10窟，第14窟，第15窟，第20窟，第39窟等8個洞窟的實測圖60張。歷史上的這兩次測繪均采用傳統手工測繪方法，今天看來它們存在著明顯的弱點，如：接觸文物本體測量，易使文物本體受到人為損害；速度慢、周期長、精度低、適用范圍小等等。其中兩次系統測繪均沒有產生石窟立面全圖，大約是因為石窟群東西長度太大（約1000米），石窟壁面過高（最高處近50米）、手工操作具有極大難度而無法完成所致。

1986-1988年和1994年，由中國建設部城市綜合遙感與制圖中心對云岡石窟部分洞窟進行近景攝影測繪，先后繪制第5、6窟，第12窟，第20窟和第1、2窟，第3窟，第4窟等洞窟的實測圖87張，其中1986年完成的部分測繪圖，準確程度較高，先后發表于《中國石窟·云岡石窟》和《云岡石窟》申遺文本中。雖然近景攝影測量在一定程度上能夠滿足石窟寺準確測繪記錄的基本要求，但在記錄云岡石窟這樣規模巨大、洞窟形制多樣、造像形式復雜、異面體較多的大型石刻造像時，產生的誤差較大，不能全面準確地記錄石窟的實時面貌。同時，即便近景攝影測量存在諸多缺陷，但其在高浮雕石質文物測繪領域的使用，標志著云岡石窟數字化記錄時代的開始。要指出的是，在傳統文物考古中出現的大量線描圖，均出自于手工測繪或近景攝影測繪方法，這些方法的最終成果，只能以線描圖的形式出現。而三維激光掃描測繪方法的最終成果或是三角網模型，或是在此基礎上將若干張高清晰數碼照片紋理映射到模型上（由點云模型對照片進行糾正）后，獲得的高清晰、精準的正射影像圖。與傳統線描圖比較，這種圖件記錄了更多的實物表面信息，如果需要，點云間的三維距離可以設置為毫米級或亞毫米級來獲取信息，即便對象實物體量面積很小，也能全面反映微小的變化，如砂巖造像的面部風化掉落了一顆1毫米以內的沙粒，那么，精細點云數據可以準確地記錄這顆沙粒掉落的三維位置及其顆粒的大小，這是手工測繪的線描圖不可能達到的。而在傳統的考古記錄中，經過實際測量繪制的線描圖，與照片和文字的敘述一起，構成考古報告不可或缺的重要內容。然而，經過新技術產生的新圖件，使考古記錄增加了更加細致入微的記錄形式，如果以正射影像圖這一經過現場比對、尺寸比例關系無誤的圖件為依據進行人工描圖，任何描圖人員也不會將原始圖件的細致處完全表現出來。所以，在發表線描圖的同時，應該同時將原始正射影像圖發表，當閱讀者發現不確定之處時，應以正射影像圖為準。當然，考古活動是一個復雜的、專業性非常強的業務工作，在遇到較為復雜的情形時，無論繪圖記錄還是文字記錄，都有一個不斷深入的認識過程。比如仔細分辨不同時期的疊壓遺跡之間的關系，不僅要在文字記錄中表現出來，也要在測繪記錄中表現出來，這是需要具備一定專業知識的人員在現場仔細觀察、比較才能進行的工作。

三維激光掃描技術出現于1980年代，1990年代以后引入我國。由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，將其引入測量裝置中，在精度、速度、易操作性等方面均表現出巨大的優勢。隨著激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器等技術的發展和應用需求的推動，激光測量技術也逐步由點對點的激光測距裝置，發展到采用非接觸方式主動測量快速獲取物體表面大量采樣點的三維空間坐標的激光掃描測量技術。

針對云岡石窟高浮雕造像的特點，我們從2003年起將三維激光掃描技術引入云岡，期望在石窟的測繪工作上有所創新和突破，使文物檔案的建立、石窟的科技保護、考古研究、數字化云岡的制作等工作取得新成績。經過十余年實踐，目前形成了以三維激光掃描與數字近景攝影測量為主、毫米級精度的數字化技術路線。

為了順利推進云岡數字化的發展進程，云岡石窟研究院成立了云岡數字中心，并與多所國內高校及科研單位共同研究，形成了依托高精度測繪技術、地理信息系統技術（GIS）、計算機科學與網絡技術等科技手段，永久數字化保存云岡石窟文物本體方法，在石窟雕刻的數字化獲取（幾何與色彩）、存儲和展示等難點領域均有所突破。

云岡數字中心對石窟本體持續進行數字化采集工作，對采集到的數據進行整理，建立了可調整視角、可量測毫米級精度的洞窟數字檔案。目前已完成云岡石窟外立面，第1-4窟，第9-13窟，第18窟，第38、39窟的點云數據采集工作（圖3）。

以云岡石窟第13窟為例，在獲取點云數據前，我們根據13窟的位置情況布設控制網，做精準的控制測量，平面基準采用1980國家坐標系，高程基準采用1985國家高程基準，目的是為了坐標系的統一。然后我們將整個工程分為兩步：

1.外業數據采集

采用不同性能的三維激光掃描儀對文物采取多角度交叉式高精度掃描，以精度為0.3毫米的surphrser掃描儀對石窟內壁部分特征進行采集；中間以中等精度掃描儀進行普及掃描；石窟外立壁整體立面采用LeicaScanStation 2三維激光掃描儀做大場景控制；以近距手持型掃描儀作為細部及空間不便掃描位置的數據補充，這樣可以采集文物最全面的點云數據。與此同時，我們對紋理進行數據采集。對原始的彩色紋理采集采用兩種方式：一種是與掃描儀同軸的高清像機采集，用于高精模型的映射；另一種則是全角度的近景拍攝，用于渲染展示模型的貼圖。在石窟內采集紋理過程中為保證色彩還原、分辨率、位置關系，采用佳能EOS 5D MarkⅢ機身+EF紅圈（24-105mm）鏡頭的套機，在特定的環境下做石窟紋理采集。同時劃分區域，確保拍攝佛像的完整性，細致性。下圖為1 3窟主佛完整點云圖像。

2.內業建模貼圖

（1）將三維點云數據轉化為三角網格模型

將經過處理的點云構網。該步驟使用的是三維逆向工程軟件Geomagic（Geomagic Stud io是Geomagic公司產品的一款逆向軟件，可根據任何實物零部件通過掃描點點云自動生成準確的數字模型），先對點云數據進行簡單的平滑去噪，再生成不規則三角網網格模型，并使用軟件對生成的不規則三角網格模型中的漏洞和重面部分使用修復功能進行修補。

由于采用多種不同性能的三維掃描儀對佛像進行多角度交叉式掃描，佛像缺失的點云數據很少，所以生成的三角網模型漏洞很少，只需要在Geomagic里面逐個進行曲率填充單個孔，就能生成很完好的模型。最終建好的三角網格模型能很好地逼近對象表面形狀，為后期模型紋理映射作好了準備（圖4）。

（2）紋理映射

經過前面步驟得到的三維模型，它已經具有很好的幾何準確性，但是我們為了能滿足可視化的需要，還原真實的三維景觀，就需要對三維模型添加真實的色彩，達到紋理映射的目的（圖5）。

為了更好地實現佛像的紋理映射，我們在3d max（3dmax是Autodesk公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件）里面將模型先做優化、uvw展開和uvw貼圖處理，再將棋盤格附在模型上，根據棋盤格的拉伸情況，把模型切成比較平整的小塊，然后編輯uvw，渲染貼圖。最后在Photoshop里將多張照片對應到渲染出來的相對應的三角網中，從而實現模型的紋理映射。

將帶有紋理的模型導入Toplite平臺，使其能在系統中瀏覽，量測，剖圖，屬性等功能，從而實現建立石窟三維數字檔案的目的（圖6）。

除此之外，根據獲取的點云數據，我們還先后繪制出云岡石窟外立面的立面圖和正射影像圖，2005年繪制出的云岡石窟立面圖是中國石窟第一幅高精度（誤差不超過3毫米）的石窟立面圖。

同時，云岡石窟研究院將數字化與石窟保護相結合，利用虛擬現實技術模擬保護工程的各個步驟，對比收集洞窟修復前以及修復之后的相當一段時間內的圖像信息（圖7、圖8），用于評估保護措施以及方法的有效勝和時效性。石窟數字化后還可以模擬自然災害對石窟的損壞，如模擬地震應力對石窟的損壞等（圖9、圖10）。

云岡數字中心成立以來，陸續承擔了《云岡石窟數字化工程示范》《石質文物風化速度定量測定》《基于三維激光掃描技術的云岡第12窟數字化獲取及展示系統》等科研攻關項目，并且聯合浙江大學、北京建筑大學、天津測繪院、大同測繪院編寫了《高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數字化標準》《基于三維激光掃描技術的高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數字化規程》《基于多圖像的高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數字化規程》等標準和規范，同時就“定量測定砂巖質文物表面風化速度的方法”向國家知識產權局申報了發明專利。

在對石質文物數字化探索和實踐的同時，我們著力對大遺址、古建筑、古墓葬、彩塑壁畫等多類別文物進行數字化的嘗試和探索，如大同華嚴寺薄伽教藏殿、大同關帝廟、陽高云林寺、汾陽太符觀、恒山懸空寺、長治大云院、大同遼代墓室、大同觀音堂、五臺山廣濟寺等（圖11）。

數字化成果的廣泛應用，是未來數字化發展的主要空間，數據的有效使用是我們未來發展的主要的難題。我們希望構建應用型的共享的數據平臺GIS，實現資源的共享。各級工作者根據使用的需求和權限的不同，通過簡便的操作，對數據進行預處理，滿足自己的工作和研究的需求，真正意義上實現大數據的快速有效使用。

（責任編輯：孫秀麗）