莫高窟第172窟北壁建筑圖像的三維數字化呈現

許麗鵬，吳 健，俞天秀，丁曉宏

[1． 敦煌研究院文物數字化研究所，甘肅酒泉 736200； 2． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 3． 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 4． 甘肅省古代壁畫與土遺址保護重點實驗室(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200]

0 引 言

敦煌壁畫中有大量豐富珍貴的建筑圖像，雖然藝術家繪制的是理想中的佛國世界，卻是人間宏麗宮殿的縮影[1-2]。粗略統計，約5萬平方米的敦煌壁畫中，單是大型西方凈土變和藥師經變中，所描繪出的建筑就不下四千座[3]。而莫高窟第172窟北壁經變畫中的建筑圖像，是敦煌壁畫中最具盛唐建筑風格的典型代表作，也是藝術水平發揮得最好的建筑繪畫之一。特別是中央前殿繪制的尤為精細，盡管是作為人物的背景，畫面都忠實描摹了每一個建筑構件。也正是如此，它成為了解唐代殿堂建筑的重要資料之一，也一直是古代建筑研究領域的熱點。其中，蕭默先生分析了第172窟壁畫中建筑院落布局和單體建筑結構的特點[4-5]，孫儒僩、孫毅華先生推想出畫面之外的建筑結構[6]。但是，數字時代的展示方式改變了受眾的視覺需求，傳統壁畫建筑的二維展示形態已經不能滿足現代人的閱讀深度與廣度。目前，隨著計算機技術的發展，運用虛擬現實技術來復原和展示古建筑已經成為一個新的研究領域，如：“佛光寺詳勘數據庫”的建設將東大殿的測繪精度提高到了毫米水平[7]；運用高精度測量及計算機三維建模技術建立志蓮凈苑建筑構件的三維模型數字檔案[8]；以歷史圖片和考證資料為依據，虛擬復原了圓明園、大明宮的建筑原貌[9-17]。

敦煌研究院從20世紀80年代末就開始聯合國內外科研機構嘗試利用先進的基于軌道的覆蓋式拍攝采集、計算機圖像處理、虛擬漫游技術，探索建立敦煌石窟數字檔案[18]，近30年的敦煌石窟數字化組織實施，形成了集數字采集、數據處理、安全存儲、有效管理等多項不可移動文物數字化技術規范和標準，實現了敦煌石窟兩百余個洞窟形狀準確、色彩真實、高清晰度的數字檔案。尤其近年來，三維數字技術在敦煌石窟、壁畫的保護工作中已有不少成功的實踐案例，積累了一定的成熟經驗[19-22]。

本研究在既往研究的基礎上，綜合利用史料文獻和實證材料，對第172窟北壁中央前殿的二維圖像進行基于有限數據與結構邏輯的推測性研究，形成一套閉合的建筑尺度數據。以第172窟北壁中央前殿的建筑圖像、尺度推測、色彩復原設計等基礎研究為依據，結合運用多種軟件建立第172窟北壁中央前殿的三維彩色模型，科學、直觀地再現了壁畫中的建筑形象。通過3D打印、虛擬漫游等多種展示利用手段，突破了敦煌壁畫建筑圖像的二維展示形態，實現了數字化技術的成果轉化，擴展了壁畫遺產的價值闡釋和展示深度。

1 壁畫建筑圖像的三維數字化呈現

1．1 研究對象

莫高窟第172窟北璧中央前殿的建筑形象集中反映了盛唐殿堂建筑的特征，且建筑構件描摹的準確度相對較高，可為高精度三維建模提供便利。所以本研究選擇莫高窟第172窟北璧中央前殿作為研究對象，探索敦煌壁畫中二維建筑圖像三維數字化呈現的技術方法。

1．2 技術路線

壁畫建筑圖像的三維呈現需要突破以下三個關鍵環節：建筑尺度分析，精細建模，紋理貼圖的設計與制作。為解決以上關鍵環節的技術難點，圍繞敦煌石窟文物數字化保護與展示的需求，制定研究技術路線如圖1所示。

圖1 本研究技術路線Fig.1 Technical route of this research

1．2．1建筑尺度分析 建筑結構是立體的，而壁畫上的建筑圖像是平面的，它只反映了三維空間中一個角度的畫面，對于畫面中沒有反映出的位置和建筑的內部結構，除了需要從現存實例和壁畫建筑圖像尋找依據，還需要結合營造原則創造性地猜想推理。以現有唐代建筑研究及現存實物資料為基礎，完成中央前殿建筑結構的營造尺度分析。

1．2．2建筑線描圖的提取和完善 首先定位糾正壁畫的拼接圖像，再以準確的數字圖像為基準，提取和完善建筑線描圖，通過營造尺度分析推理出遮擋位置的細節(圖2)。

圖2 莫高窟第172窟北壁中央前殿的推測線描圖Fig.2 Speculated line drawing image of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

1．2．3基于SketchUp、Rhino軟件的參數化精細建模 中央前殿建筑結構復雜、圖案眾多，數據量龐大，模型的精細程度決定了視覺呈現的真實感和細節，高質量的模型也增多了整個場景的面塊，面數越多占用電腦存儲越大，會增加電腦的反應時間和渲染輸出的時間。且建模要做到每個部件之間都要相互契合，必須要知曉每個結構的具體尺寸，且符合營造法式，符合壁畫中的建筑唐代圖像，體現真實性、科學性和藝術性，對建筑結構的分析和資料的相互印證提出更高的要求，也是建筑圖像三維數字化呈現的最難點。

針對精細建模的難點，按營造法式分解結構，依據壁畫圖像、線描圖、營造尺度分析，以建模為導向，形成一套閉合的建筑尺度數據。優先選用SketchUp軟件為主要建模軟件，以Rhino軟件為輔助建模軟件，對三維結構和二維圖案進行嚴格的尺度控制，建立各個構件的精細三維模型。

1．2．4基于PhotoShop、Illustrator軟件的紋理貼圖的設計與制作 要實現前殿的彩色三維模型，就要使用到多種軟件相互結合使用，多種處理軟件產生的數據既有平面的，也有三維的，如何將這些多源數據融合集成，建立彩色三維模型是難點。且壁畫上的建筑已褪色，有些部位被畫面中的人物、樹木或其他形象遮擋，而且建筑內部結構的裝飾圖案在壁畫中沒有反映，所以表面裝飾紋樣的設計需要從現存實例和其他唐代壁畫中尋找相似元素后加以創作。

針對紋理貼圖的設計與制作的難點，先基于三維素模中的基準尺度，以壁畫中唐代建筑裝飾圖案為基準，參考現存實例，集成運用PhotoShop、Illustrator圖像處理軟件繪制建筑表面裝飾圖案。

1．2．5基于SketchUp軟件的三維彩色模型渲染輸出 基于SketchUp軟件，將建筑表面裝飾圖案與三維結構模型相結合，渲染輸出彩色三維模型。

1．3 建筑尺度分析

第172窟北壁中央前殿為單檐廡殿頂，面闊五間，進深三間，平面呈方形，舉折平緩，出檐深廣。檐下四周設簡式疊澀須彌座臺基，束腰部有壸門，推測臺基前、后方均居中安裝有彩繪踏跺。殿身四周為圓形木柱，柱間施重楣闌額，之間豎立立旌，柱底施覆連柱礎，推測蓮瓣約為10瓣。門窗位于內層的立柱之間，上頂重楣闌額，下連地栿，中間數條橫木相連。鋪作層整體碩大，畫面中柱頭鋪作被遮擋，只露出左右兩側的轉角鋪作和補間鋪作，以左部畫法為基準，參考現存遺構-莫高窟五座唐宋窟檐[23-25]做法，推測柱頭鋪作、轉角鋪作為雙抄雙下昂七鋪作逐跳計心造里轉六鋪作[26-28]，補間鋪作為云紋雙旋卷草駝峰上架五鋪作里轉四鋪作。屋檐高挑向上翹起，屋脊兩端為鴟尾。這些建筑構件體現了唐代建筑的壯碩堅實，雄偉大氣。

宋《營造法式》以“材”“栔”“份”為建筑構件的基準單位，材份值規定“材”的高度為15份，寬度為10份，栔的高度為6份。為了使復原的建筑形象既忠實于壁畫畫法，又符合實際邏輯，將中央前殿依據畫面內容設計為面闊五間、進深三間。根據材份制，中央前殿用二等三等材皆可制作，本研究選用三等材的尺度，將材份制單位換算成厘米，三等材材高7.5(寸)×3.2(厘米/寸)=24厘米，寬5(寸)3.2(厘米/寸)=16厘米，則一份為1.6 cm。為了方便尺度研究與后期建模，將三等材寬的16 cm定義為10 cm，這樣材高正好為15 cm，則《營造法式》中的一份，在建模對應為1 cm。這樣定義后，使得單位厘米與《營造法式》材份制的份數一一對應，且幾乎都是整數，利于建模和尺度的換算。

1．4 基于SketchUp、Rhino軟件的參數化精細建模

本研究是在參考了與之結構相似的唐佛光寺東大殿[29]、南禪寺大殿[30]的實測尺度及木作結構的基礎上，主要以壁畫圖像中反映的結構為準，確定建筑單體和構件的比例、尺寸，進而推演建立出理想模型。推演過程為：首先根據佛光寺東大殿的單個斗栱結構件的具體尺度，參考《宋營造法式》，主要依據壁畫中的斗栱結構，先進行預建模，并邊建模邊推演出符合唐代建筑結構邏輯的柱頭鋪作、柱間鋪作、轉角鋪作。再綜合考慮預建模完成的斗栱的尺度、唐佛光寺東大殿各間廣的尺度、南禪寺大殿各間廣的尺度、壁畫中對中央前殿的間廣和進深的描繪等因素后，推演出各間廣的尺度。最后，通過三等材的份數，結合壁畫圖像的建筑結構分析，以建模為導向綜合推理出臺基、柱礎、柱網、鋪作層、梁架結構、屋頂每個結構件的具體尺寸，形成一套閉合的建筑尺度數據庫，保證了復原的建筑形象即忠實于畫面，又符合營造尺度。

基于尺度分析，中央前殿的正式建模以臺基、柱礎、柱網、鋪作層、梁架、屋頂為整體結構，同步展開，每個整體結構內部的部件之間都要做到相互契合，建立的素模如圖3～4。

圖3 莫高窟第172窟北璧中央前殿三維數字化模型的分層結構展示Fig.3 Layered structure display of 3D digital model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

圖4 莫高窟第172窟北璧中央前殿的三維數字化模型展示Fig.4 3D digital model display of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

因為相比其他三維建模軟件，在建筑的三維建模方面SketchUp軟件建立的低面數的模型可體現豐富的細節，具有更方便快捷、占用存儲小的優勢，且Rhino(犀牛)軟件更便于建立高質量的曲面模型。所以本研究根據每個構件的復雜程度，以保證結構的同時減少面數為原則，靈活選用這兩款軟件建模，這樣既保證模型精細度而又減小了存儲量。

臺基、柱網、鋪作層、梁架、屋頂的每個構件幾乎都是規則的立方體，優先考慮用SketchUp軟件建立低等面數的精細三維模型。柱礎的曲面較多，結構復雜，所以采用SketchUp軟件與Rhino軟件相結合的建模方式。具體步驟為：先在SketchUp中確定好柱礎的整體尺寸，平均分割成十份，只保留其中的一份，刪除面，只保留線條；然后將線條導入Rhino軟件中，用貝賽爾曲面工具制作出覆蓮造型的單個花瓣模型，通過旋轉陣列合成整體柱礎模型；之后再將整體柱礎模型導入SketchUp軟件中。

1．5 基于PhotoShop、Illustrator軟件的紋理貼圖的設計與制作

比起目前常見的紋理貼圖的方式，本研究的方式比較新穎，也比較有優勢。紋理貼圖有兩種：一種是矢量圖像，一種是柵格圖像。矢量圖像無限放大后清晰度不變，柵格圖像放大了會模糊，且同等效果的柵格圖像的占用空間比矢量圖像大得多。中央前殿建筑結構復雜，為避免后期展示電腦卡頓，紋理制作優先考慮矢量圖像。在SketchUp軟件中安裝插件，基于貝賽爾曲線可繪制矢量圖像，但不利于繪制過于復雜的矢量圖像。而PhotoShop、Illustrator軟件相結合便于繪制復雜的圖像，但只能作為柵格圖像導入SketchUp軟件。本研究綜合考慮了三種軟件的優劣勢，探索出了一種新的渲染方法：對于沒有裝飾圖案的結構，在SketchUp軟件中指定色彩填充，賦予模型材質；對于圖案相對比較簡單的紋理，在SketchUp軟件中用貝賽爾曲線繪制矢量紋理，再用軟件材質庫中的指定色彩或指定材質填充；對于圖案相對復雜的紋理，則用PhotoShop、Illustrator軟件繪制出圖案貼圖，再導入SketchUp軟件賦予模型材質；對于復雜模型與簡單模型相結合的部分，則先分解它們的結構，再按以上方式分別操作。

壁畫中的屋脊與屋面用石綠與石青彩繪，云紋雙旋卷草駝峰表面用石青和墨綠相間繪制，柱子和梁架結構通體木色，斗科均用明亮的石綠色。所以屋頂、梁架、斗拱、墻體、柱子的每個結構可單獨賦予色彩，均采用在SketchUp軟件材質庫中指定色彩填充，這種方式可以更好地反映出壁畫體現的建筑色彩。具體步驟為：1)先用PhotoShop軟件中的拾色器工具，在壁畫數字圖像中吸取色彩保存較好位置的RGB值，以此值為基本范圍微調，形成符合唐代建筑風格特征與色彩語言的RGB值；2)在SketchUp軟件中打開材質庫對話框，在下拉列表中找到指定色彩選項，選取其中任意一個顏色，編輯此顏色使其與前面獲得的RGB值一致，調整好顏色后用材質填充工具賦予建筑構件色彩。配色方案如圖5所示。

圖5 屋頂、梁架、斗拱、墻體、柱子的配色方案Fig.5 Color scheme of the roof， beam frame， brackets， wall and column

壁畫中柱礎表面用石青和赭石色相間繪制，圖案相對簡單，質感更接近于石材，選擇用SketchUp軟件材質庫中的石材填充。具體步驟與上文提到的相似：同樣要在PhotoShop軟件中吸取調整RGB值。不同之處是：在SketchUp軟件中的材質庫列表中找到石頭材質，分別選擇卡其色拉絨石材貼圖(Stone_Brushed_Khaki．jpg)、土灰色花崗巖貼圖(Earthy Granite．jpg)，再根據獲得RGB值編輯石材的顏色后填充材質，如圖6所示。

圖6 柱礎的配色方案Fig.6 Color scheme of the column base

壁畫中臺基的裝飾圖案最為復雜，上下兩基座用圓圈和條形圖案點綴，地面鋪有華麗的地毯，踏跺中央有卷草彩繪。上下兩基座的圓圈圖案和條形圖案相對簡單；地毯邊緣的花朵圖案很有規律，但中央的團花圖案相對復雜；踏跺兩側的臺階為單色彩繪，中央的卷草圖案相對復雜。圓圈圖案、條形圖案、花朵圖案的部分，均可采用在SketchUp軟件中繪制矢量紋理的方式賦予模型材質，具體步驟在上文中已提到；地毯的團花圖案和踏跺的卷草圖案，采用PhotoShop、Illustrator軟件繪制柵格紋理的方式賦予模型材質，具體步驟為：1)基于素模尺度，在Illustrator軟件中用貝賽爾曲線繪制圖案。2)用PhotoShop軟件中的拾色器工具，在壁畫數字圖像中吸取色彩保存較好位置的RGB值，以此值為基本范圍微調，形成符合唐代建筑的風格特征與色彩語言的RGB值；3)將繪制的圖案導入PhotoShop軟件中，用調整好的色彩上色。4)將完成的圖案保存為PNG格式。5)在SketchUp軟件導入PNG格式的圖案，賦予模型表面。配色方案如圖7所示。

圖7 臺基的配色方案Fig.7 Color scheme of the base

2 結果分析

建立的三維彩色模型如圖 8、圖9所示。

圖8 莫高窟第172窟北璧中央前殿的彩色模型正視圖Fig.8 Elevation view of the color model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

圖9 莫高窟第172窟北璧中央前殿的彩色模型軸側視圖Fig.9 Axial side view of the color model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

為求證此次三維復原呈現的效果，將三維數字模型、3D打印模型在洞窟現場與壁畫本體做了相互比對，現場效果如圖 10所示，相對科學、客觀地再現了壁畫中的建筑形象。需要說明的是，以壁畫建筑圖像為基本依據的研究，是基于有限數據資料與結構邏輯推導的推測性研究。其原則是在盡可能接近壁畫建筑形象的同時，與同時代現存實例的結構邏輯與比例規則盡可能吻合，從而在最大程度上呈現壁畫建筑的真實樣貌。

圖10 洞窟現場的3D打印模型Fig.10 3D-printed model of the cave site

3 結 論

唐代古建筑所存實物極少，在相關史料不足的現狀下，此三維數字化數據既是壁畫建筑二維圖像數據的拓展，也是唐代建筑形象的直觀呈現，可以為敦煌石窟壁畫建筑復原展示提供新視點。研究數據可還應用在3D打印展示、建筑專題影片展示，建筑動畫創作、文創產品設計等方方面面。3D打印的模型可以讓觀眾更加直接、立體地欣賞與體驗敦煌壁畫。通過3D打印等快速成型技術和虛擬投屏等展示利用手段，深度挖掘三維數字化研究的技術成果價值，擴展了壁畫遺產的價值闡釋與展示深度。

本研究是壁畫建筑圖像三維數字化呈現的萌芽，所形成的技術和方法，可應用于敦煌石窟的數字化保護技術的普及與推廣，助力于敦煌石窟的三維數字化技術與虛擬體驗研究的發展。同時，所應用的技術方法也并非三維數字化呈現的唯一方式，隨著數字技術的不斷進步，在壁畫建筑圖像的三維數字化呈現方面還有巨大的發展空間和應用前景。