甘肅武山水簾洞石窟群數(shù)字化技術研究

令紫娟

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院 測繪學院，甘肅 天水 741025）

近年來，由于國家重視文物保護，各大石窟進入了“數(shù)字化”時代，利用三維激光掃描技術、攝影測量、計算機模擬技術等科技手段，對各大石窟進行數(shù)字化，永久地保存石窟珍貴文物，實現(xiàn)文物的再現(xiàn)、仿制和保護，如“數(shù)字敦煌”“智慧云岡”“數(shù)字龍門”等。

甘肅武山水簾洞石窟群，是絲綢之路和唐藩古道上重要的佛教藝術圣地，其雕塑、壁畫具有巨大的藝術和歷史研究價值。本文針對甘肅水簾洞石窟群壁畫及造像的不同特點，制定水簾洞石窟群數(shù)字化方案,以三維激光掃描數(shù)據(jù)為基礎，建立水簾洞石窟群數(shù)字化模型，并將貼近攝影測量技術首次運用到浮雕大佛文物的數(shù)字化采集中，為該類型文物數(shù)字化保護提出可行性方案。

1 武山水簾洞石窟群概況

武山水簾洞位于甘肅省天水市武山縣的鐘樓灣峽谷內(nèi)，始建于十六國時期的后秦，經(jīng)北魏、北周、隋、唐、宋、元、明、清等歷代修建，曾達到“七寺五臺”的宏大規(guī)模。水簾洞石窟群有四個單元：顯圣池、拉梢寺、水簾洞、千佛洞。現(xiàn)在石窟群存有窟龕69個，壁畫2400m2，塑像160余尊，舍利塔12座，碑刻題記27方。其中，拉梢寺的浮雕大佛最為著名，被譽為世界第一摩崖浮雕大佛，雕像是在高寬各60余m，前傾15度的崖面上做成的。一佛二菩薩，中間是佛祖釋迦牟尼，高達42.13m，占整個崖面的二分之一以上，氣勢奪人，雄偉壯觀。水簾洞石窟群東臨麥積山，西望炳靈寺，造像風格一脈相承，把浮雕、窟龕、懸塑、壁畫相結合，融各代佛教文化于一體，是古絲綢之路上一顆著名的文化明珠和風景勝地。

2 武山水簾洞石窟群數(shù)字化技術方案設計

根據(jù)實地踏勘，結合搜集的相關考古研究資料、影像資料，確定武山水簾洞石窟群三維數(shù)字化的具體對象，重點對其中的塑像、塑像、浮雕等文物進行數(shù)字化采集。針對文物的不同特點，確定三維數(shù)據(jù)采集的方法，通過數(shù)據(jù)處理，生成三維模型，可以進行三維展示和瀏覽。具體的工作程序如下：

1）實地踏勘。了解武山水簾洞石窟群進行數(shù)字化采集的實地環(huán)境，分析工作內(nèi)容，搜集相關資料等，分析并制定數(shù)字化采集的初步方案。

2）方案設計。針對甘肅水簾洞石窟群壁畫及造像尺寸、材質(zhì)、周圍環(huán)境等不同特點，分別制定壁畫、造像、浮雕等文物的數(shù)字化方案，并確定儀器、數(shù)據(jù)處理方案、各項輔助設施等有助于數(shù)據(jù)的獲取。

3）數(shù)據(jù)獲取。按照設計的技術方案，對不同類型的文物分別采用不同的方法進行數(shù)據(jù)采集。對較小的塑像，采用三維激光掃描儀結合實景拍攝進行數(shù)據(jù)采集。對于局部細節(jié)如面部等進行詳細拍攝和重點掃描，以確保數(shù)據(jù)的完整性，為后期數(shù)據(jù)處理提供基礎。

在數(shù)據(jù)獲取時邊掃描邊檢查，對已獲取的數(shù)據(jù)進行拼接，查找是否有遺漏區(qū)域，保證獲取的數(shù)據(jù)完整。實景拍攝、實地測量。

4）數(shù)據(jù)處理。利用建模軟件，將外業(yè)獲取的影像數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)進行處理，生成三維模型。具體包括影像處理、點云預處理、點云匹配、模型建立等。

5）數(shù)字化信息庫建設。數(shù)字化采集過程中的大量數(shù)據(jù)，進行集成和統(tǒng)一管理，建立數(shù)字化信息庫，為武山水簾洞石窟群的研究、保護、數(shù)字化修復、重建等提供可靠的數(shù)據(jù)資源。

3 數(shù)字化方法

水簾洞石窟群數(shù)字化首先是壁畫和彩塑的數(shù)字化，石窟文化遺產(chǎn)屬于不可移動的珍貴文物，由于洞窟本身存在大小不均、采光不足和塌陷等問題，在數(shù)據(jù)采集的過程中會受到光線、空間、壁面曲率大等一系列的問題，數(shù)據(jù)的采集難度大，很難形成程式化的工作流程，可以說每一個洞窟的數(shù)字化方案都有其個性化的具體特點和要求。

目前，適用的洞窟、壁畫文物三維數(shù)字化技術主要包括近景攝影測量技術、三維激光掃描技術和無人機航測技術等。本文通過幾種方法結合，完成石窟群的數(shù)字化采集工作。

3.1 近景攝影測量

近景攝影測量是通過攝影、圖像處理和攝影測量處理獲取被攝物體的空間位置，同時獲取文物幾何空間關系和紋理圖像。選擇光照條件良好時，對石窟壁畫進行拍攝，獲取影像數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場考察，選擇拍攝距離和拍攝地點，根據(jù)被拍攝物體特點和拍攝距離選擇合適相機鏡頭；根據(jù)視場角和基線長度，確定每個攝站上要拍攝的相片數(shù)，制定拍攝計劃；采用高分辨率單反數(shù)碼相機對石窟壁畫拍攝照片，為了保證精度，攝影的照片重疊度要求80%，通過全景近景拍攝獲取文物真實的紋理信息，用于后期模型紋理貼圖，從而得到具有真實感的三維模型。

3.2 三維激光掃描技術

三維掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，它是利用三維激光掃描儀獲取目標物表面點的空間坐標，然后根據(jù)獲得的測量數(shù)據(jù)構造出目標物的三維模型的一種全自動測量技術[3]。也是最常用的文物數(shù)字化采集技術，能夠更好地展示石窟的細節(jié)特征，因此石窟大場景、塑像的數(shù)字化采集選用三維激光掃描技術。對大場景物體如洞窟外立面、大佛像等，采用地面式三維激光掃描儀獲取場景的三維模型，掃描儀精度不得低于2mm；對具有精細結構的文物如塑像、佛龕等采用手持式三維激光掃描儀，并對佛像細節(jié)尤其是面部特征進行補充掃描獲取三維模型的點云數(shù)據(jù)。

3.3 無人機航測技術

無人機航測技術以低速無人駕駛飛機為空中遙感平臺，拍攝空中影像數(shù)據(jù)，并用計算機對圖像信息加工處理的新型應用技術。2019年3月，張祖勛團隊利用無人機貼近攝影技術對山西著名的懸空寺和應縣木塔進行了自動貼近飛行，并得出了精細化重建結果。但目前國內(nèi)在石窟大面積壁畫、浮雕大佛領域還未涉及，本文提出對堪稱世界第一大摩崖浮雕的拉梢寺大佛通過貼近攝影測量技術，獲取浮雕大佛立面數(shù)據(jù)。

采用貼近攝影測量方式，以浮雕大佛為攝影對象，利用旋翼無人機貼近攝影獲取超高分辨率影像資料，并對其進行精細化地理信息提取，高精度還原地表和物體的精細結構。這一方式有別于傳統(tǒng)的垂直攝影和傾斜攝影方式，避免了由坡面角度大造成的投影變形，同時也顯得更加直觀立體、突出細節(jié)。根據(jù)實際地形情況，進行飛行航線劃分，然后再依據(jù)坡面角度改正相機的拍攝角度獲取影像數(shù)據(jù)，利用航空攝影測量軟件pix4D進行空三加密，獲得點云數(shù)據(jù)，生成4D產(chǎn)品。航線示意圖如圖1所示。

圖1 航線示意圖

4 多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模處理

4.1 數(shù)據(jù)的預處理

由于三維激光掃描儀在現(xiàn)場使用中工作環(huán)境復雜，建筑物、樹木遮擋及掃描目標本身反射特性的不均勻等影響，將會造成掃描獲取的點云數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定點和噪音點，首先進行數(shù)據(jù)濾波。同時，對獲取的原始影像也要進行幾何校正、傾斜數(shù)字影像置平、影像拼接的預處理。并進行多站點數(shù)據(jù)的配準，就是將兩個或兩個以上坐標系中的三維空間數(shù)據(jù)點集轉換到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中的數(shù)學計算過程。

4.2 多源數(shù)據(jù)融合

由不同的數(shù)據(jù)采集方法獲得不同類型、不同分辨率的數(shù)據(jù)資料，需要將這些數(shù)據(jù)進行整合。根據(jù)實際情況，對經(jīng)過濾波處理后的點云數(shù)據(jù)，導入建模軟件Imageware進行處理，采用人機交互的方式依據(jù)點云形狀建立點、線、面，進行三維洞窟模型重建。再利用在3Dmax軟件將模型優(yōu)化、展開渲染貼圖，最終獲得真實的三維景觀。

5 數(shù)字化成果虛擬展示與應用

三維數(shù)字化成果不僅可以虛擬現(xiàn)實展覽。同時，還可以進行數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)。根據(jù)已獲得的塑像三維模型，采用3D打印技術，生產(chǎn)出旅游紀念品產(chǎn)品伴手禮等推廣給游客。通過深度挖掘石窟文化遺產(chǎn)的藝術價值、歷史科學價值，結合文化數(shù)字化市場需求，使文化資源優(yōu)勢轉變到文化產(chǎn)業(yè)。

6 結語

甘肅武山水簾洞石窟群文物進行數(shù)字化建設，為石窟文物的保護具有重要意義，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

1）獲得文物數(shù)字化產(chǎn)品，針對水簾洞石窟群的特點，利用無人機、全站儀、地面激光掃描儀等多種手段完成文物數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)原始幾何數(shù)據(jù)的永久存檔，為文物的研究提供高精度的形態(tài)和尺寸數(shù)據(jù)，滿足文物保護和研究的需求。

2）文物宣傳視頻與虛擬展示：以傳承歷史文化為目的，通過豐富的表現(xiàn)形式推廣甘肅武山水簾洞石窟群，提高武山水簾洞石窟的社會知曉率，依據(jù)真實三維點云數(shù)據(jù)，通過三維建模技術、動畫技術等獲取具有真實感的三維模型，并對其進行虛擬展示。

3）文物修繕與保護：通過對文物影像拍攝，觀測壁畫、雕塑等的受損情況，為文物修繕與保護，提供精確的數(shù)據(jù)參考。

4）文物虛擬修復與翻模復制：利用文物的掃描數(shù)據(jù)，結合已有的影像或歷史資料，對受損的文物進行空間模擬修復，實時預覽修復結果。根據(jù)三維模型還可進行文物的翻模復制。