基于三維掃描技術(shù)的唐陵雕塑數(shù)字化保護(hù)研究

張輝　王冬梅

摘要：唐十八陵作為中華民族悠久歷史中輝煌燦爛且博大精深的遺存物，正處于被自然和人為破壞雙重因素所困擾的現(xiàn)狀中。文章首先以唐陵整體化的保護(hù)為前提，針對唐陵雕塑保護(hù)中存在的實際問題，應(yīng)用三維掃描技術(shù)對唐陵雕塑進(jìn)行數(shù)字信息化，探究其外在形制和內(nèi)在功能，為保護(hù)及修復(fù)唐陵雕塑提供詳實的科學(xué)依據(jù)，以此來最終達(dá)到認(rèn)識唐陵、保護(hù)唐陵、傳承文化之目的。

關(guān)鍵詞：唐陵；雕塑；三維掃描；保護(hù)傳承

檢索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號：J18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-2832（2016）04-0091-03

唐十八陵作為中國古代鼎盛時期的遺存，自初建于公元635年唐高祖的唐獻(xiàn)陵至公元888年唐僖宗的唐靖陵，跨越了253年的時期，不但見證了唐王朝開國、發(fā)展、盛世和衰落的完整過程，還真實地反映了當(dāng)時的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、藝術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，是歷史的見證和文化的載體。近些年，隨著計算機(jī)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和成熟，三維掃描技術(shù)也隨之快速發(fā)展，不僅設(shè)備來越輕越精致便攜，更重要的是掃描速度及數(shù)據(jù)精度都有很大提高，這些優(yōu)勢使得三維掃描技術(shù)從最初的醫(yī)學(xué)、工業(yè)制造等方面逐漸擴(kuò)展到文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，為器物描述、文物復(fù)制、及全方位展覽提供了新的契機(jī)。大唐文化是中國文化藝術(shù)史上的精神領(lǐng)袖，通過唐陵文化遺產(chǎn)的整體數(shù)字化研究，能夠獲取更全面更詳實的資料，闡釋其本始功能性和當(dāng)代文化傳承。

一、唐陵文化遺產(chǎn)保護(hù)的迫切性

文化遺產(chǎn)、文物古跡蘊(yùn)含著整個社會的形態(tài)及其發(fā)展的脈絡(luò)，是歷史文化的活化石，是民族歷史的積淀，也是藝術(shù)、歷史文化的載體，具有極高的文化、歷史和藝術(shù)價值，是不可再生的文化資源。唐陵雕塑是在中華本土產(chǎn)生和發(fā)展傳統(tǒng)藝術(shù)形式，是集文化和藝術(shù)審美于一體的超卓的大型石刻，見證了唐代社會變遷，凸顯了唐代恢弘博大的氣勢和深厚的歷史文化底蘊(yùn)。但是這組極具歷史、藝術(shù)、文化及考古價值的古代雕刻的瑰寶，卻長期遭受著自然風(fēng)化和人為盜竊等雙重破壞，大部分石刻保存現(xiàn)狀令^堪憂，很多雕塑有貫穿性裂縫間隙，并且有的石刻表層細(xì)節(jié)漫漶不清；還有大部分唐陵雕塑歪斜、斷裂、或者移動原位，例如唐景陵的仗馬（如圖1）已經(jīng)翻倒在地，被周邊的土堆掩埋，長期未得到妥善保護(hù)；又例如：獻(xiàn)陵東南西北4門如今僅存6件石虎，保存最為完整的是南門現(xiàn)存的東側(cè)石虎；位于西門的兩只石虎被當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)家住宅分隔開來，石虎腿部均已斷開并且跟石座分離；北門現(xiàn)存西側(cè)石虎同西門的石虎狀況相似；東門的南側(cè)石虎已被黃土掩蓋，地面上可以看到只露出背部的北側(cè)石虎。現(xiàn)代社會中，這些石雕在瘠薄的精神文化中艱難地呼吸著，積弱的傳統(tǒng)文化正遭遇強(qiáng)勢的物質(zhì)文明沖擊。基于這種種現(xiàn)狀，唐陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)顯得尤為迫切。

二、唐陵雕塑塑保護(hù)中新技術(shù)的應(yīng)用

（一）文物數(shù)字化現(xiàn)狀

文物數(shù)字化是利用最新的數(shù)字化技術(shù)（如數(shù)字化掃描、攝影、數(shù)字化編輯、虛擬現(xiàn)實等）對文物信息進(jìn)行數(shù)字化存儲或重新構(gòu)建三維數(shù)字模型，最終通過相關(guān)軟件對其進(jìn)行數(shù)字化還原。現(xiàn)階段，文物的數(shù)字化應(yīng)用主要使用：攝影測量和三維掃描。相對于傳統(tǒng)保護(hù)，數(shù)字化保護(hù)具有精度高、投入成本低、易于長期保存和廣泛傳播及應(yīng)用的優(yōu)勢，是文物保護(hù)的重要手段。三維掃描技術(shù)，可以根據(jù)需求，記錄文物最真實、最全面的形態(tài)特征，通過計算機(jī)重構(gòu)其三維數(shù)據(jù)，真實快速地再現(xiàn)文物原貌。數(shù)字?jǐn)z影雖比較方便，但其缺點是只能記錄平面的二維影像，不夠精準(zhǔn)、全面。20世紀(jì)末，計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，三維掃描技術(shù)越來越多的應(yīng)用到文物的保護(hù)領(lǐng)域，因為這樣使得文物的展示及檢索更加數(shù)字化，也更有利于文物的研究、共享及傳播。在國外，美國著名大學(xué)斯坦福大學(xué)就曾開展一個名叫“米開朗基羅”的項目一一專門針對十座世界著名的雕塑進(jìn)行三維掃描的項目。國內(nèi)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化起步較晚，但也取得做了許多有效并有影響的成果，例如：北京大學(xué)開展了龍門石窟的數(shù)字化保護(hù)工作，根據(jù)場景的不同尺寸和對掃描模型精度的不同要求，選擇不同類型的掃描儀實現(xiàn)了龍門石窟擂鼓臺區(qū)外立面、洞窟、圓雕大日佛、洞窟中小佛像、飾物三維模型的建立。

（二）3D掃描儀Go！SCAN 50簡介

GO！SCAN 50TM三維掃描儀（圖2）是加拿大廠商Creaform的一款最新產(chǎn)品，其自身重量不到一千克，可以深入到狹小空間，也可裝入隨身攜帶的手提箱，不到兩分鐘即可啟動并運(yùn)行的傻瓜式操作等優(yōu)勢為我們帶來了最簡便的3D掃描體驗，在提供快速而可靠的測量同時，還可以采集全彩3D數(shù)據(jù)。此款掃描儀具有較寬的視野，特別適用于快速、省力地掃描高度為30-300厘米的大中型物體，而唐陵雕塑本身體積較大，又都處于較偏遠(yuǎn)條件較差的地方，這一款掃描儀就為唐陵雕塑的掃描減少了很多麻煩。

（三）三維掃描技術(shù)中實物數(shù)字化流程

利用現(xiàn)有的三維掃描技術(shù)，可以對實物進(jìn)行掃描并獲得其點云數(shù)據(jù)，然后通過相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、修補(bǔ)等后期處理從而獲得實物的三維立體模型。除此之外，后期還可以利用圖形處理技術(shù)，對三維模型的表面進(jìn)行貼圖處理，從而使得數(shù)字化模型更加形象逼真。在三維掃描技術(shù)中實物數(shù)字化具體的操作流程為：掃描物體、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接、后期處理、表面貼圖以及最終的實物數(shù)字化模型六個步驟。利用三維建模阮籍與數(shù)字互動技術(shù)，可以對文物的三維數(shù)據(jù)做全面、生動的展示，從而增加參觀者的參與感，營造良好的人機(jī)互動氛圍和自然顯示效果，非遺可以應(yīng)用，唐陵亦如此。這樣的數(shù)字化信息不僅可以永久保存，還可應(yīng)用到數(shù)字博物館的數(shù)字化展示中，通過互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用以3D的方式呈現(xiàn)給觀者，一些世界名勝、雕塑、古董將在互聯(lián)網(wǎng)上以3D的形式來讓用戶體驗，這種體驗的真實震撼程度要遠(yuǎn)超現(xiàn)在的2D環(huán)境。

基于三維掃描獲得的文物三維數(shù)據(jù)為更加深入的研究文物、復(fù)制文物提供了可行性，為建立專門的文物的數(shù)字化博物館、文物的3維展示以及文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了新思路。

三、三維掃描技術(shù)在唐陵雕塑中的應(yīng)用實踐

（一）前期實驗分析

為確保唐陵雕塑掃描工作的順利進(jìn)行，去現(xiàn)場掃描之前對以下兩方面進(jìn)行了實驗分析。

1.材質(zhì)實驗分析

唐陵雕塑的材質(zhì)是石頭，為了確認(rèn)三維掃描儀對石頭材質(zhì)物體的識別度，首先選擇同樣材質(zhì)的物體進(jìn)行掃描實驗。如圖3所示，選定的被掃描物體是校園內(nèi)的“紀(jì)念林”石碑，通過圖4所示的掃描結(jié)果可以很清楚的看到，石碑的石頭質(zhì)感被完美還原，不僅如此，“紀(jì)念林”三個人工雕刻的字以及石碑表面的紋理也清晰再現(xiàn)，印跡明確。由此得知：三維掃描儀對于與唐陵雕塑的石頭材質(zhì)可以完美識別，完整再現(xiàn)。

2.光線實驗分析

掃描環(huán)境主要分為室內(nèi)和室外，首先選擇在室內(nèi)環(huán)境下對維納斯石膏像進(jìn)行掃描實驗。掃描時，外界天氣情況為晴天，室內(nèi)的光線主要來源于一扇長280cm高250cm的窗戶，維納斯石膏像高度約為120cm（圖5），掃描完成一共用時約60分鐘，掃描結(jié)果如圖6所示，面部五官以及腿部褶皺的痕跡都可以很清晰很完整的再現(xiàn)。由此得知：日間天氣晴朗時，室內(nèi)掃描可以完成。

其次，還需在室外環(huán)境下進(jìn)行掃描實驗。GO！SCAN 50TM的掃描光源是白光，當(dāng)將物體置于太陽光下時，掃描儀的CCD感光片處于被太陽光直射的狀態(tài)，便會曝光過度，而掃描儀是通過部件的幾何形狀及顏色來混合定位的，曝光過度的情況下對部件的幾何形狀及大部分相似底紋將無法識別。實驗時，為了便于遮光，選定的掃描物體是一個長約30cm寬約25cm高約40cm的小企鵝玩偶。由兩名同學(xué)分別抓住遮光布的兩角，為企鵝玩偶營造一個如圖7所示的不被太陽光直射的避光環(huán)境。掃描時，室外光線條件下正常曝光數(shù)據(jù)值為：ISO-400，曝光時間1/250s，f/8；遮光布內(nèi)光線條件下正常曝光數(shù)據(jù)值為：ISO-400，曝光時間1/250s，f/4，即在感光度與曝光時間相同的情況下，光圈值需要降低三級，此時的光照條件下，三維掃描儀的激光才不會被太陽光干擾。如圖8的掃描結(jié)果所示，企鵝的色彩可以真實還原，整體的造型非常精準(zhǔn)而生動。

（二）唐建陵翁仲掃描過程

前期實驗結(jié)束之后，總結(jié)經(jīng)驗，找到應(yīng)對方法，就到唐建陵進(jìn)行第一次雕塑的三維掃描實踐選定的掃描對象為唐建陵中一個已被半埋在地下的翁仲（圖9）。在室外進(jìn)行掃描，最關(guān)鍵的問題就在于給唐陵雕塑創(chuàng)造一個光線較暗的環(huán)境。考慮到外出攜帶問題，選擇了可以任意截斷和連接的PVC管，截成長為1米的短管，中間和頂端分別用直接接口和自制的三通接口連接，現(xiàn)場使用時根據(jù)雕塑自身高度、體積來連接搭建一個合適的遮光棚。為了保證支架的穩(wěn)固性，選定的PVC管直徑為5cm，管壁厚度為0.4cm。被掃描唐陵雕塑的尺寸大約為：長60cm寬30cm高70cm，因此支架搭建的尺寸相應(yīng)為：長100cm寬100cm高200cm，除此之外，還有長5米寬2.8米的遮光布兩塊。圍繞雕塑把支架連接搭建完成之后（圖10），將兩塊遮光布呈十字狀蓋在支架上，其中雕塑正面是半遮蓋狀態(tài)以提供必要的照明光線，這樣就建立了一個簡易的遮光棚（圖11）。

遮光棚搭建好后，其次要解決的是電源的連接問題，針對不同情況，有兩種解決方案：（1）唐陵雕塑附近有村民時，請求提供幫助，準(zhǔn)備0.75平方的純銅線100米就近連接；（2）周邊沒有居民或者相距太遠(yuǎn)，需準(zhǔn)備14000毫安的飛利浦移動電源兩個，以此來提供掃描儀的持續(xù)用電。而被掃描的這個翁仲旁有一戶人家，在掃描前跟村民溝通，說明情況，并給予一定費用，才得以連接電源。

一切工作準(zhǔn)備就緒，便開始掃描。掃描過程中，要實時關(guān)注電腦上所呈現(xiàn)的掃描效果，以便于及時發(fā)現(xiàn)漏洞并修補(bǔ)。但因為雕塑本身曲面太多，掃描中依舊會留下一些漏洞（圖12），因此在最終掃描完成后，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geamagic軟件中進(jìn)行后期修補(bǔ)，修補(bǔ)舌如圖13所示。

修補(bǔ)完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Dmax軟件中進(jìn)行網(wǎng)格構(gòu)架（圖14）和貼透明材質(zhì)（圖15）兩種不同效果的制作、輸出，最終，這些不同的展示效果都將被采集到唐陵數(shù)據(jù)庫中，以便于唐陵雕塑的研究與展示。

（三）實踐過程中的利弊體驗及問題解決方案

優(yōu)勢：（1）輕便快捷：一個人不間斷掃描唐建陵持劍翁仲雕塑大約用時90分鐘，掃描儀的輕便為我們后期對體積更大唐陵雕塑的掃描減輕了很大負(fù)擔(dān)；（2）實時觀測：可以通過電腦隨時看到掃描漏洞，更精確的掃描物體的每+細(xì)節(jié)，即使沒有立即發(fā)現(xiàn)漏洞，也可以回到已掃描完但需修補(bǔ)的區(qū)域重新定位，再次掃描修補(bǔ)；（3）高精度：掃描完成后的數(shù)字化信息精確完整，為最終輸入到唐陵數(shù)據(jù)庫做展示提供了新的途徑。

需克服的難點：（1）掃描時間：掃描過程中掃描儀不能移動過快，需保持1分鐘掃描10cm距離的速度，因此掃描一個長約60cm寬約30cm高約220cm的石刻可能會需要3-4個小時左右的時間；（2）也正因為唐陵雕塑體積龐大，有的雕塑位于斜坡或者高田之上，需要借助很高的梯子爬高來進(jìn)行掃描，此時需要注意的是掃描設(shè)備及人身的安全問題；（3）掃描完成后的修補(bǔ)、調(diào)整以及再創(chuàng)作對于個人來說是一個全新的領(lǐng)域，了解較少，后期軟件處理方面需要多學(xué)習(xí)、勤練習(xí)。

四結(jié)語

在科技發(fā)展日新月異的今天，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化是未來發(fā)掘、保護(hù)文化遺產(chǎn)的發(fā)展方向。唐十八陵是我國古代文明的精華，以其磅礴的氣勢、精湛的雕刻技藝、豐富的文化內(nèi)涵和審美意蘊(yùn)，在中國的歷史長河中占有不可忽視的地位。在現(xiàn)今社會大的科技背景下，應(yīng)該利用新材料、新技術(shù)、新手段來達(dá)到對唐陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)。而三維掃描技術(shù)的應(yīng)用將為唐陵的數(shù)字化保護(hù)提供新的技術(shù)手段以及更全面更確切的數(shù)字化信息。數(shù)字化技術(shù)手段下的唐陵文化遺產(chǎn)，不僅是古代歷史的見證，也是中國文明最重要的物質(zhì)載體，更是文化、藝術(shù)的傳承。