云岡、敦煌的數(shù)字化再現(xiàn)

孫亞慧

“我們對云岡石窟第13窟整窟進(jìn)行了三維建模，拍攝了28.34萬張高清影像，原始圖像超過13TB。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的軟件合成出第13窟的超高精度三維數(shù)字化模型，并設(shè)計(jì)出若干平臺(tái)應(yīng)用場景。”今年10月在武漢舉行的2021中國地理信息產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，黃先鋒代表團(tuán)隊(duì)所做的文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)成果介紹吸引了諸多與會(huì)者的關(guān)注。

“數(shù)字云岡”是黃先鋒團(tuán)隊(duì)近年來持續(xù)研發(fā)的項(xiàng)目之一。如今，越來越多的留學(xué)歸國人員加入到文化遺產(chǎn)保護(hù)的行列中來，而借助現(xiàn)代攝影測量與遙感技術(shù)，對文化遺產(chǎn)進(jìn)行三維數(shù)字重建，正在賦予文物超越時(shí)間與空間的永恒魅力。

1、“克隆”石窟

鏡頭緩緩?fù)七M(jìn)，云岡第13窟主佛像交腳彌勒歷經(jīng)時(shí)間洗禮，斑駁中仍舊神采卓然，頭戴寶冠、眉眼含笑，胸前配飾隱約可見，盡顯威嚴(yán)莊重。通高約13米的主佛像右手臂肘下，一力士四臂奮力托舉，勢若拔山。恍然之間，第13窟仿佛近在眼前。

這樣的畫面正是由超過28萬張高清圖像“克隆”而成，整個(gè)石窟模型幾乎無一形變。同時(shí)，三維展示系統(tǒng)結(jié)合了漫游展示、知識(shí)圖譜信息、石窟病害標(biāo)注等幾項(xiàng)功能，還可以提供多種形式的三維模型、真實(shí)的高精度位置信息、量測工具、考古圖件的輸出服務(wù)，從而得以為云岡文物的研究與保護(hù)提供輔助。

萌芽于武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大勢智慧科技有限公司是技術(shù)提供方，黃先鋒是公司創(chuàng)始人。他告訴筆者，團(tuán)隊(duì)為“數(shù)字云岡”所提供的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩大突破：“一是應(yīng)用便捷，手機(jī)、平板、電腦都可以作為載體;二是建立起數(shù)據(jù)防御機(jī)制，能夠保證私有和共有數(shù)據(jù)的安全性。”

“幾十萬張照片在兩兩之間會(huì)出現(xiàn)接縫，需要超大集群來處理接縫和色差。”從2015年第一次前往云岡石窟考察項(xiàng)目可行性開始，黃先鋒用了3年時(shí)間才實(shí)現(xiàn)三維重建技術(shù)的更新，以適應(yīng)云岡石窟如此大體量的數(shù)字建模需求。“沒有金剛鉆就不敢攬瓷器活啊。經(jīng)過和云岡研究院數(shù)字中心寧波主任的大量技術(shù)交流和預(yù)研，直到2018年我們才敢真正開始實(shí)施項(xiàng)目。之后又是3年，到今年上半年才最終完成第13窟的驗(yàn)收工作。”黃先鋒感慨地說。

想要完成文化遺產(chǎn)的數(shù)字化真實(shí)再現(xiàn)，需要專注于真實(shí)世界的高精度采集、數(shù)字化重建以及三維應(yīng)用等多方面軟硬件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，這也正是黃先鋒團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢所在。“讓攝影測量技術(shù)的應(yīng)用變得更簡單，這始終是我們創(chuàng)業(yè)、研發(fā)過程中的目標(biāo)，目的是讓大家可以像拍照一樣，便捷地進(jìn)行三維建模，以實(shí)景三維數(shù)據(jù)來記錄世間萬物，理解世界。”黃先鋒說。

2、緣起敦煌

2007年，剛剛博士畢業(yè)留校不久的黃先鋒接到一項(xiàng)特殊而難忘的任務(wù)——同十幾名武大研究人員一道，在武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授朱宜萱的帶領(lǐng)下前往敦煌，他們要通過激光設(shè)備對莫高窟進(jìn)行三維掃描，再拍攝洞窟照片，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

那是黃先鋒第一次參與文化遺產(chǎn)保護(hù)工作。他已記不清自己在那段時(shí)間往返武漢與敦煌多少次，依靠如今看來顯得極其寒酸的工具，一次次完成158號(hào)窟的立面攝影測量。

然而，剛開始的測量精度低、速度慢，效果并不好。經(jīng)過去噪、拼接等技術(shù)處理后，仍舊無法精準(zhǔn)還原洞窟的色彩紋理。

“通俗地說，二維照片是平面的，但石窟內(nèi)的佛像、壁畫卻不是。最難的是讓平面和曲面能夠‘對準(zhǔn)，用文物貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)字化復(fù)制。”他們意識(shí)到，傳統(tǒng)測繪技術(shù)已無法滿足復(fù)雜度成倍提升的建模校準(zhǔn)工作。想要順利完成數(shù)字化復(fù)制，必須開發(fā)出新的建模軟件。

敦煌風(fēng)沙呼嘯，為便于打理，黃先鋒與博士生張帆、張志超干脆剃光了頭發(fā)，埋頭研究起了軟件工具。張帆寫代碼，黃先鋒做調(diào)試，仨人輪換著干，經(jīng)過近3個(gè)月的嘗試，一款名叫“貼圖大師”的軟件正式誕生，它能夠?qū)崿F(xiàn)對石窟文物的高質(zhì)量紋理重建，從而為數(shù)據(jù)采集掃清了技術(shù)障礙。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)一步步地掃描、測量與模型構(gòu)建，兩年后，復(fù)刻敦煌的構(gòu)想終于成為現(xiàn)實(shí)，全貌3D數(shù)據(jù)得以完好展現(xiàn)。

3、建模時(shí)空

2011年，黃先鋒前往蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)繼續(xù)從事攝影測量專業(yè)的相關(guān)科研工作。這段經(jīng)歷讓黃先鋒更深入地了解了全球范圍內(nèi)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)工作，也讓他開始思考一個(gè)重要命題——如何用成本更低的技術(shù)來完成文化遺產(chǎn)保護(hù)。

“有些國家經(jīng)費(fèi)充足，文化遺產(chǎn)保護(hù)工作開展得早，效果也好;反之，一些國家缺乏經(jīng)費(fèi)和人手，文化遺產(chǎn)的保護(hù)現(xiàn)狀其實(shí)很糟糕。如果相關(guān)技術(shù)成本更低廉，數(shù)字化重建的門檻也可以隨之降低。”黃先鋒說。

他的確找到了辦法。使用包括手機(jī)在內(nèi)的便攜式攝影設(shè)備，對文物進(jìn)行不同方向角度的拍攝，再將照片上傳至其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的GET3D后臺(tái)頁面，等待十幾分鐘后就能獲得文物清晰的三維建模結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化保存。

“我們將這種輕量級(jí)的三維建模技術(shù)，稱之為新一代人工智能云計(jì)算三維建模引擎G-Engine2.0，用戶打開手機(jī)、輕觸拍照按鈕，便能復(fù)刻三維世界，人人都可以建模。”相較于激光雷達(dá)掃描，這種技術(shù)使用成本低、也更易于操作。

云岡石窟三維重建項(xiàng)目驗(yàn)收后，黃先鋒與團(tuán)隊(duì)又馬不停蹄地開始了麥積山石窟、龜茲石窟的數(shù)字重建工作。“讓更多文化遺產(chǎn)在數(shù)字化空間實(shí)現(xiàn)永生，我們還有大量工作要做。數(shù)字重生不僅僅是為研究和保護(hù)，通過拓寬展示手段，我們也希望能拉近文物與公眾的距離，讓更多人了解文物，愛上文物。”黃先鋒說。