云岡石窟數字化歷程

李麗紅

摘 要：作為世界文化遺產的云岡石窟，經過上千年的時間，不同程度存在人為破壞、自然風化等現象，對文物的本體安全、藝術價值造成了一定的影響。為延續石窟藝術價值，云岡研究院研究團隊經過十幾年的探索，研究出了一條數字化保護之路。文中分析了不同階段研究內容和研究成果，包括數字檔案、展示應用、管理研究等方面，體現了數字化在文物領域上的科學記錄、融合翻譯、智慧發展的作用，不僅為本體文物的保護修復提供科學的數據基礎，還為文物考古、研究、產學研智慧發展提供了技術支撐。

關鍵詞：云岡石窟;數字化;研究;文物保護

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.006

云岡石窟原名武州（周）山石窟寺，距大同市城西約16千米，距今已有1500多年的歷史，與敦煌莫高窟、龍門石窟、麥積山石窟并稱為中國四大石窟，2001年被聯合國教科文組織列為“世界文化遺產”名錄。云岡石窟可以說是石窟藝術“中國化”的開始，代表了公元5世紀至公元6世紀時中國杰出的佛教石窟藝術。其中的曇曜五窟，布局設計嚴謹統一，是中國佛教藝術第一個巔峰時期的經典杰作。

云岡石窟現存有窟龕254個，造像59000余尊，經過1500多年的洗禮，石窟現存在的突出問題主要表現在以下幾點，即滲水、風化、裂隙、危巖體、污染物等，致使部分文化遺產失去了原有的價值甚至產生毀滅性的破壞。2020年5月11日，習近平總書記來到大同云岡石窟考察歷史文化遺產保護工作時強調，云岡石窟體現了中華文化的特色和中外文化交流的歷史，這是人類文明的瑰寶，要堅持保護第一，在保護的基礎上研究利用好。同時習近平總書記曾反復強調要讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產、書寫在古籍里的文字都“活起來”。面對這流傳千年的美好，該如何更好地進行保護和開發？對此，云岡石窟給出了它的數字化答卷。

數字化是一種技術手段，服務于大眾，也服務于保護工作、考古發掘、研究人員，這是云岡的特色所在。文物數字化是實現文物永久保存最直接、最有效的手段，利用數字化手段不僅可以保存文物信息進而實現永續研究利用，同時還可以進一步為文物保護、考古研究、虛擬修復、原貌再現、展示利用等方面提供強有力的技術支撐。

1 云岡石窟數字化探索與研究方法

云岡石窟的數字化工作具有急迫性。因為石窟暴露在戶外，風吹雨淋，不保護很快就會被自然破壞。這也決定了云岡石窟的數字化保護是第一要務。我們時刻牢記習總書記的指示，以保護文物為第一要務。圖1展示了第33窟脅侍菩薩及弟子像不同年代的照片，從圖中可以看出短短幾十年時間，原來很清晰的造像細節紋理已經模糊。這種珍貴文物的消逝令我們感到十分惋惜，云岡的佛像無時無刻不在被風化剝蝕，把云岡的佛像全部用數字化手段將其留住，再用數字化手段將它的美保護起來，這是云岡石窟數字化的初衷。云岡石窟數字化是采用現代化測繪手段對現有洞窟現狀進行原始數據采集處理，達到對數據的永久保存，然后將數據與石窟保護技術相結合，達到為石窟寺文物模擬復原修復和指導實體文物修復的目的，最后結合3D打印技術、AR、VR、物聯網等技術實現其價值的永續利用。

2003年，云岡研究院走上了數字化的探索之路。不同于今日文物數字化的如火如荼，當時院內研究人員對窟內文物進行數字化時，國內“石窟界”數字化工作大多還沒開啟。云岡石窟的數字化歷程主要包括以下幾個階段的發展。

第一階段，云岡研究院先是與武漢大學、浙江大學、北京建筑大學等國內多家知名科研院校合作，開始嘗試在數據采集上應用三維激光掃描技術和數字近景攝影測量技術。三維激光掃描技術是利用三維激光掃描儀獲取目標物表面點的空間坐標，然后根據獲得的測量數據構造出目標物三維模型的一種全自動測量技術，該技術具有非接觸性、無損、快速、實時采集的特點，后被廣泛推廣應用于文物領域。數字近景攝影測量技術是通過攝影手段來獲取目標物上點群的三維空間坐標，以及這些空間坐標的長度、面積、體積等信息，該技術優點在于其非接觸性測量手段不傷及被測物體，信息量高且易存儲，精度高，速度快等，這些優點使該技術廣泛應用于文物領域。2005年，研究團隊采用地面三維激光掃描技術和無人機技術對云岡石窟東、西長近1000米、高20多米的外立面進行整體測繪，首次制作云岡石窟外立面完整點云數據及正射影像圖各一套。文物保護工作人員根據云岡石窟外立面正射影像圖對五華洞危巖體實施加固工程和修建窟檐工程。因此，數字化手段不僅實現了對洞窟的科學記錄，還為石窟保護工作提供了一套真實、精確的資料。

第二階段，開始對洞窟內的數據進行數字化采集及三維模型重建，建立洞窟數字檔案。但在實際操作過程中也遇到了一些困難，最主要的問題來自石窟本身的特殊性，主要體現在以下幾個方面：第一，體量大。云岡最大的造像高17.4米，最小的造像只有2厘米。第二，內容豐富，造像繁多，雕刻精細。每個洞窟大小差距極大，再加上洞窟中雕刻有各種佛像、菩薩、比丘、僧人、力士、飛天、供養人物、天宮伎樂、器物以及佛教用品等，題材豐富，洞窟造像十分精細。即便轉為三維數字化，要想在模型中體現洞窟文物精細度，使觀眾有身臨其境之感，依然是個難題。第三，空間結構復雜，地理環境惡劣，空間狹小，有的洞窟如第六窟存在很多深龕，紋理極豐富，采集十分困難。第四，上開明窗，下辟窟門，洞窟明窗與窟門可使陽光透過窗門射進窟內，窟內光線較好，但不同時段各壁面及壁面上下層之間的亮度不同。有的洞窟存在中心塔柱，會形成陰影部分，這些光線的不統一也給高保真數據的采集帶來了困難。

針對以上特點，數字化實施過程的難點主要是：一為數據采集困難;二為數據處理困難。針對擺在面前的兩大難題，云岡研究院潛心研究數字技術10余年，在實踐中不斷探索。2015年，與浙江大學、武漢大學、北京建筑大學等共同成立“數字云岡聯合實驗室”，專門攻關文物數字化過程中的疑難問題，研制出了一套解決數據采集困難和數據處理困難的合理方案，即從技術上采用激光掃描技術為主、多圖像三維重建技術為輔，多元數據相融合，最終實現高精度三維模型重建。從實施上搭建腳手架平臺，在腳手架平臺上運用大空間掃描儀進行整體控制，對局部精細數據采用手持掃描儀以及影像拍攝進行數據獲取與空間配準，這是解決云岡石窟洞窟高精度、高覆蓋率數據獲取的關鍵。

2016年，云岡研究院數字化研究團隊通過三維激光掃描技術，生成了洞窟中各個方向的剖面圖，使洞窟得以多角度展示，為云岡石窟搭建起了三維的“數字檔案”。在數據獲取過程中，根據精度不同分別有手持掃描儀、地面站式掃描儀、關節臂掃描儀、無人機等掃描設備。

首先使用時根據不同場景大小、目標的精細程度等現場情況，選擇使用不同精度測繪儀器進行數據采集，針對景區大場景使用航測級無人機進行數據采集，采集精度可達1厘米;針對洞窟內部空間數據的采集使用中距離地面激光掃描儀，采集精度可為1～2毫米，而對于局部精細的佛龕造像則使用手持掃描儀以及機械臂掃描儀進行數據采集，精度可以達到0.03毫米，然后在專業軟件中對采集數據進行去噪、紋理映射等操作，從而形成真三維數字模型，最后依托GIS平臺實現對模型的存儲、管理和展示利用。雖然經過十幾年的探索在文物數字化上已經形成了一定的體系，但仍有需要提高改進之處，目前主要體現在兩個方面：第一是提高文物表面色彩的還原度，更進一步做好色彩控制，更好地體現紋理細節特征;第二是保存與展示，我們想把云岡石窟最真實最好的一面永遠留存下來并展示給大眾，需要強大的服務技術支撐，這也是我們急需改進的地方（圖2）。

除了對云岡石窟進行數字化存檔以外，本階段還使用數字化手段實現了對石窟本體風化監測的定量研究，通過建立高精度測量控制網，使用三維激光掃描技術和近景攝影測量技術對石窟表面數據進行定期無損監測，并進行數據對比，得出云岡石窟表面風化速度，首次實現了定量測定風化速度，并以合適的方式表述。通過三維激光掃描和適當表述，定量測定石窟表面的風化速度，從而構建石窟本體+環境監測體系，推測石窟風化趨勢，并對石窟保護加固效果進行評估。該技術在國內外同領域研究中處于領先地位，具有推廣意義。目前本技術已經推廣應用于云岡石窟、龍門石窟、大足石刻及龍山石窟巖石風化速度的監測，還有明十三陵長陵祾恩殿和銀山塔林佛覺大禪師塔數字化項目，同時該技術還可以應用于石窟寺、古建筑及近現代建筑等文物遺產的沉降監測、形變監測、裂隙監測及其他病害監測中，形成了集石窟本體、環境一整套風化定量測定及描述體系和管理模式，為文物保護修復提供數據支撐，在文物保護領域有著廣泛的應用前景。

第三階段，數字化手段在云岡石窟展示展陳上的應用。在展示展陳上，多元化的展示手段可以滿足不同游客的需求和體驗，主要包括以下幾個方面：2016年上線了“云岡石窟全景漫游”，不少游客通過此平臺游覽景區，實現了足不出戶游云岡。尤其是新冠肺炎疫情期間，2020年年初響應國家號召景區關閉，平臺點擊量增長了2.04萬次，不僅滿足了游客的需求，也有力地提升了云岡世界文化遺產的影響力。在云岡石窟“數字檔案”高清三維數據的支持下，云岡研究院打造了一套基于VR眼鏡的沉浸式石窟體驗系統。通過VR設備不僅可以使游客在虛擬場景中漫游，如同身臨其境，同時可以讓游客欣賞石窟的高處以及在現場無法參觀到的一些藝術之美。現階段我們的VR展示系統已經突破技術壁壘，實現了十幾人同時體驗，并且還可以互動，更好地提升了游客的體驗感。2017年，云岡研究院開始采用三維激光掃描技術、多圖像三維重建技術與3D打印技術相結合的技術路線，對云岡石窟不可移動文物進行3D打印，先后實現了第3窟、第18窟、第12窟、第20窟等大型洞窟的1∶1復制（圖3～圖5），其中第3窟1∶1的3D打印是全球首次運用3D打印技術實現大體量、高精度文物復制，第12窟的復制還有了創新，實現了積木式的拆裝，更方便于巡回展覽。這一系列復制應用都貫徹了習總書記的指示，實現了文物“活起來”“走出去”的理念。

目前云岡石窟處于第四階段，利用數字化手段實現云岡石窟景區的智慧游覽參觀管理體系、云岡石窟文物的產學研一體發展以及云岡學的提升。近幾年，為響應國家號召，云岡研究院利用數字化手段完成了云岡石窟的數字化工程，目前完成了1/3石窟的數字化工作，在石窟三維模型數據的基礎上，打造游客、文物工作者之間的產學研一體化，為虛擬修復、考古研究、文物保護等提供數據保證。在虛擬修復上，完成了云岡石窟第20窟西立佛的修復工作，虛擬修復工作為文物的復原和研究提供了準確的科學依據，提高了修復效率。

在文物保護上，首先利用數字化手段實現了云岡石窟的定量監測，并應用于其他石質文物的風化監測中，另一方面在三維模型數據上可以清楚地記錄并統計裂隙、起甲等病害的位置及尺寸信息，為日常保養加固的工作人員提供依據。在考古研究上，云岡的1992年考古和山頂考古兩次被評為全國十大發現之一，云岡研究院考古工作者利用數字化手段完成了出土文物的線畫圖。同時三維模型也為考古工作者無法到達的地方提供了方便，浙江大學文化遺產研究院副院長李志榮曾言：衡量石窟寺數字化測量結果的直觀標準，就是看它是否支持原真3D復制。

2017年云岡第3窟西后室1∶1原真復制的成功，不僅標志著石窟寺數字化成果已隨著“活起來”的石窟走向公眾，也標志著數字化技術對于石窟寺的測量記錄已達到可復原的標準，這正是石窟寺考古測量的理想標準在數字化時代的實現。在多年文物數字化實踐基礎上，云岡研究院于2019年編寫發布了《石窟寺文物三維激光掃描數字化采集規程》《石窟寺文物近景攝影測量數字化采集規程》兩項標準，這兩項標準作為山西省地方行業標準，實現山西省文博系統地方性行業標準“零”的突破，為文博事業添磚加瓦。

2021年合作完成的第13窟數字化模型及三維信息系統（圖6），實現了在數字化數據的基礎上建立三維信息系統構建知識圖譜，這一3DGIS系統的完成將代表云岡的數字化邁進了產學研一體化的時代，將數據分成不同類型為不同的用戶研究使用提供支持，在不同的場景模式下按照不同的需要分析洞窟及進行考古研究。此外云岡研究院開展的“云岡數字化座談會”匯集了北京大學、浙江大學、武漢大學等知名院校，以及華為、騰訊等知名企業，我們將匯集多方力量，多學科交叉共同打造云岡。李德仁院士參加了云岡石窟典型洞窟數字化重建與三維信息系統構建項目驗收會，為云岡數字化的發展提供了可行的建議。接下來我們將利用多媒體、物聯網、5G等技術實現智慧云岡景區，更好地為公眾服務，發展云岡學。

此外，云岡研究院文物數字化團隊在完成云岡石窟數字化研究的同時，也對外提供技術服務，先后完成北京故宮、明十三陵、洛陽龍門石窟、重慶大足石刻、西安碑林博物館等包括6處世界文化遺產和30多處國寶單位的文物數字化工程，涉及石窟寺、古建筑、墓葬、壁畫、雕塑、碑刻等，為全國文物事業的發展起到了引領示范作用。

2 結論

云岡石窟的數字化工作經過十幾年的探索與發展，逐步形成了數字化的云岡模式，在技術上以激光掃描技術為主，多圖像三維重建技術為輔，多源數據相融合，最終實現高精度三維模型重建，解決了云岡石窟體量大、構造復雜的難題，形成了一套專業的文物數字化標準。獲得的數字化成果在文物保護上一方面為云岡石窟文化遺產的有效保護修復提供了強有力的數據技術支撐，有效合理的保護可以減緩文物消亡的速度;另一方面云岡石窟數字化成果的永久留存，在數萬年石窟遺產不可阻擋地消亡后，可以根據現存資料進行復原，這也是對云岡石窟的永久保護，也是給子孫后代留下的寶貴財富。