龍隱巖龍隱洞石刻三維數(shù)字化研究

肖 瑾 桂海碑林博物館

三維數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為文物保護(hù)提供了方便快捷的手段和先進(jìn)的技術(shù)支持。該項(xiàng)技術(shù)可準(zhǔn)確獲取文物的三維坐標(biāo)，其與傳統(tǒng)技術(shù)相比采樣率更高、速度更快，且無(wú)接觸，使文物本體及其所處的大遺址環(huán)境的全方位信息得以永存。對(duì)此，現(xiàn)以龍隱巖龍隱洞石刻數(shù)字化項(xiàng)目為例，闡述三維數(shù)字化技術(shù)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用。三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用不僅為石刻研究與展示提供了充足的文字影像資料，也將文物承載的信息全面準(zhǔn)確地傳遞給大眾，為桂林石刻數(shù)字化發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的文物保護(hù)技術(shù)有效地保護(hù)了文物本體、載體及其賦存環(huán)境，但也只能延緩文物受到外界侵蝕的進(jìn)程，無(wú)法實(shí)現(xiàn)文物的永久保存。三維數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為文物保護(hù)提供了方便快捷的手段和先進(jìn)的技術(shù)支持，使保護(hù)文物的方式更加多樣化，大眾獲取的信息更加準(zhǔn)確全面。三維數(shù)字化技術(shù)通過(guò)對(duì)石刻所處空間、外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維激光掃描，以獲取石刻的三維坐標(biāo)，再將石刻的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行石刻數(shù)字化重建，最終建立石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)。三維數(shù)據(jù)能使文物本體及其所處的大遺址環(huán)境的全方位信息得以永存，并且在文物研究、展示、修復(fù)和病害監(jiān)控等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。

項(xiàng)目概況

桂林石刻包括摩崖石刻、摩崖造像和碑刻，其中以摩崖石刻為主，現(xiàn)存石刻2000余件，是唐、宋以來(lái)摩崖石刻留存最多的地方。其中龍隱巖龍隱洞石刻是桂林石刻最為集中、典型的地點(diǎn)，鐫刻有自唐代以來(lái)歷代詩(shī)人名士留下的石刻213件。龍隱巖龍隱洞石刻文體多樣，有題名題記、詩(shī)詞曲賦、贊頌歌銘等，主要內(nèi)容包括游記性題名、題榜，抒情寫景詩(shī)文，歷史記事等，具有重要的歷史、文學(xué)和藝術(shù)價(jià)值。龍隱巖龍隱洞石刻以石灰?guī)r自然山體為載體，因?yàn)殚L(zhǎng)期受到自然環(huán)境和人為因素的綜合作用，損壞非常嚴(yán)重，且傳統(tǒng)的靜態(tài)展陳方式比較單一，不利于石刻文化的傳承和傳播，所以現(xiàn)階段對(duì)桂林石刻進(jìn)行搶救性保護(hù)和建設(shè)桂林石刻數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)非常緊迫且必要。

近年來(lái)，三維數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展并在文物保護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用，最具代表性的項(xiàng)目有：龍門石窟三維數(shù)字化工程、敦煌莫高窟壁畫數(shù)字化保存等。龍隱巖龍隱洞石刻數(shù)字化項(xiàng)目借助三維激光掃描技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有石刻的全方位信息進(jìn)行記錄、整理和研究，將石刻本體、載體及其賦存環(huán)境情況模擬到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，創(chuàng)建文物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為石刻保護(hù)、研究與展示提供了充足的文字影像資料，既可以最大限度地保護(hù)文物本體載體，又能將文物承載的信息全面準(zhǔn)確地傳遞給大眾。這為桂林石刻數(shù)字化的全面實(shí)施提供了參考。

三維數(shù)字化技術(shù)

三維數(shù)字化技術(shù)是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，能以無(wú)接觸、無(wú)損害、全方位和完全數(shù)字化的方式準(zhǔn)確、有效地記錄文物的真實(shí)信息，還能以虛擬的方式進(jìn)行展示，對(duì)促進(jìn)文物的保護(hù)、研究、展示及利用具有十分重要的意義。

三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，是繼GPS之后的又一項(xiàng)高新技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，可以大面積、高清地快速采集文物表面的坐標(biāo)、反射率、顏色等信息，并根據(jù)采集到的信息構(gòu)建文物三維模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)根據(jù)搭載的掃描平臺(tái)不同可劃分為機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)、車載測(cè)量系統(tǒng)、地面測(cè)量系統(tǒng)和手持測(cè)量系統(tǒng)等。其中地面測(cè)量系統(tǒng)和手持測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于古建筑保護(hù)、文物考古等方面。

近景攝影測(cè)量技術(shù)

近景攝影測(cè)量技術(shù)是攝影測(cè)量與遙感學(xué)科的一個(gè)分支，是借助人眼的雙眼視差，通過(guò)拍攝對(duì)象不同位置的照片，解析計(jì)算出地面坐標(biāo)，進(jìn)而重建三維模型。主要包括文物攝影測(cè)量、工業(yè)攝影測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)攝影測(cè)量三個(gè)部分。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人的聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等，應(yīng)用三維建模技術(shù)、交互傳感技術(shù)以及高清顯示技術(shù)等，建立三維立體的虛擬現(xiàn)實(shí)空間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)涉及眾多高新科技領(lǐng)域，包括計(jì)算機(jī)、仿真技術(shù)等，具有安全、局限少的優(yōu)勢(shì)，在文物陳列展覽應(yīng)用中取得了良好的效果。

三維數(shù)字化技術(shù)在龍隱巖龍隱洞石刻中的應(yīng)用

龍隱巖龍隱洞石刻數(shù)字化項(xiàng)目是桂林石刻數(shù)字化的試點(diǎn)項(xiàng)目，涉及石刻數(shù)量超過(guò)200件。該項(xiàng)目采用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)龍隱巖龍隱洞石刻外形構(gòu)造、色彩、紋理、歷史背景、環(huán)境等多維度信息進(jìn)行數(shù)字化記錄，依托先進(jìn)的掃描設(shè)備群與計(jì)算設(shè)備，創(chuàng)建三維重建展示系統(tǒng)、石刻數(shù)字化系統(tǒng)等，為文物保護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，全面提升文化遺產(chǎn)展示水平和傳播能力。

數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)與三維數(shù)據(jù)庫(kù)

龍隱巖龍隱洞石刻數(shù)字化項(xiàng)目應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)摩崖石刻進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、取樣等處理，使三維模型更加精細(xì)準(zhǔn)確，并利用高分辨率相機(jī)將采集的紋理映射出來(lái)，最終生成摩崖石刻高精度模型，實(shí)現(xiàn)石刻數(shù)字化重建和構(gòu)建桂林石刻數(shù)據(jù)庫(kù)的目標(biāo)。

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集利用高精度結(jié)構(gòu)光掃描儀、大場(chǎng)景激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)來(lái)完成，對(duì)龍隱巖龍隱洞213件石刻和大場(chǎng)景、外立面、巖洞整體三維形狀進(jìn)行高精度三維數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集前應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集高精度的要求和巖洞現(xiàn)場(chǎng)采集高難度的特點(diǎn)，對(duì)摩崖石刻所處的自然山體、測(cè)區(qū)周圍地理情況與相關(guān)測(cè)量信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)地勘測(cè)作業(yè)位置，編制三維數(shù)據(jù)采集方案。該項(xiàng)目因涉及范圍較廣，掃描區(qū)域較大，且山崖前方臨水，因此選擇在多個(gè)區(qū)域設(shè)置掃描測(cè)站，對(duì)不同范圍、距離的作業(yè)區(qū)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的掃描參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集和對(duì)石刻細(xì)節(jié)的展現(xiàn)，確保石刻采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)全面。控制點(diǎn)測(cè)量的目的在于對(duì)多個(gè)測(cè)站間的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與拼接，利用三維激光掃描儀獲得自定義直角標(biāo)；另外，若想采集石刻實(shí)際地理坐標(biāo)，可創(chuàng)建控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)點(diǎn)云采用三維激光掃描儀、建模軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、去噪以及采樣等一系列操作流程。

（1）配準(zhǔn)。石刻三維數(shù)據(jù)需要采集多個(gè)不同的掃描區(qū)域，并通過(guò)數(shù)據(jù)拼接來(lái)完成，但每一個(gè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)都有獨(dú)立的空間坐標(biāo)系，所以要建立一個(gè)完整的三維幾何模型，就要進(jìn)行三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。該環(huán)節(jié)作為數(shù)據(jù)處理的首要流程，可為后續(xù)操作打好基礎(chǔ)。此外，配準(zhǔn)精度還會(huì)直接影響后期建模精度。

（2）去噪。三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)時(shí)，受到震動(dòng)和外部環(huán)境等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，以自身誤差、偶然噪聲為主。在數(shù)據(jù)預(yù)處理期間，先用建模軟件對(duì)粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除，再對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，刪除差異較大的點(diǎn)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

（3）采樣。在正式采樣之前要對(duì)數(shù)據(jù)邊界、點(diǎn)云曲率中較大的點(diǎn)位進(jìn)行計(jì)算，并將此類點(diǎn)剔除，人為設(shè)定曲率優(yōu)先級(jí)。采樣期間盡量壓低間隔值，使采集的點(diǎn)云密度增加，以采集到更為完整的石刻表面點(diǎn)，并將更多數(shù)據(jù)特征點(diǎn)保存下來(lái)。

3.三維建模

建模的目標(biāo)是對(duì)分散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)學(xué)描述，將石刻原始形狀準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來(lái)。以往描述對(duì)象多用曲面形狀，但石刻表面粗糙不平，故該項(xiàng)目選用三角網(wǎng)進(jìn)行描述，用眾多三角面描述石刻的表面，使三角網(wǎng)頂點(diǎn)的信息能夠準(zhǔn)確地傳達(dá)出來(lái)。

（1）封裝處理。在建模軟件內(nèi)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分為以曲面為基礎(chǔ)和以體積為基礎(chǔ)兩種類型。在項(xiàng)目封裝期間，由于石壁上帶有許多大褶皺巖塊，當(dāng)數(shù)據(jù)投影到擬合平面后，便會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)問(wèn)題，導(dǎo)致構(gòu)造曲面帶有諸多漏洞。建模軟件具備自動(dòng)檢測(cè)孔洞的功能，根據(jù)孔洞形成一個(gè)檢測(cè)孔洞邊，并根據(jù)邊的連接明確洞的數(shù)量，結(jié)合石壁自身特點(diǎn)，采用曲率填充方式剔除畸形點(diǎn)。

（2）優(yōu)化凹陷點(diǎn)。在孔洞填充完畢后，目標(biāo)對(duì)象的雛形已基本完成，對(duì)表面質(zhì)量缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)，將尖角、粗糙、釘狀物等去除，使表面更加完善。例如，石刻表面存在許多多邊凹陷情況，因部分角度較為隱蔽，激光反射性較弱，凹陷位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為稀疏，所形成的三角網(wǎng)較少，數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，因此需要對(duì)稀疏面塊進(jìn)行編輯和優(yōu)化，將多邊形進(jìn)行細(xì)分后，再將尖銳處打磨圓潤(rùn)。

（3）簡(jiǎn)化無(wú)特征部分。經(jīng)過(guò)封裝處理后，目標(biāo)對(duì)象表面特點(diǎn)、空間信息被充分記錄下來(lái)，后續(xù)可以根據(jù)紋理信息創(chuàng)建模型，但是模型的精度會(huì)對(duì)貼圖效率產(chǎn)生較大影響。對(duì)此，應(yīng)采取數(shù)據(jù)壓縮的方法，在紋理貼圖之前先對(duì)其無(wú)特征部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，把石刻特征完整地保留下來(lái)。

4.內(nèi)業(yè)建模貼圖

紋理可將石刻表面紋路和字體展現(xiàn)出來(lái)，在內(nèi)業(yè)貼圖期間應(yīng)完成紋理采集、映射處理等工作，具體如下。在紋理采集時(shí)，利用高清相機(jī)獲取石刻影像信息，再利用PS軟件對(duì)相片進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)拉伸、裁剪等一系列操作后獲取石刻表面信息，確保石刻原有外觀完整統(tǒng)一。在紋理映射時(shí)，為滿足可視化的要求，應(yīng)對(duì)真實(shí)景觀進(jìn)行還原，將真實(shí)色彩加入模型內(nèi)，實(shí)現(xiàn)紋理映射的目標(biāo)。在紋理貼圖時(shí)，因?yàn)槭瘫砻娲植诳油荩岳肬V貼圖法可以獲得模型投影。

三維數(shù)字展廳

利用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)石刻的高精度紋理進(jìn)行采集，并通過(guò)三維數(shù)字展廳將龍隱巖龍隱洞的宏偉場(chǎng)面、精美石刻充分展現(xiàn)出來(lái)。一方面，建設(shè)三維電影放映廳，將實(shí)景拍攝與文物渲染有機(jī)結(jié)合起來(lái)，制作三維宣傳展示片，展現(xiàn)龍隱巖龍隱洞石刻的氣勢(shì)與建造歷史。另一方面，建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)展示廳，通過(guò)近幾年科技界最熱門的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)采集的三維掃描數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，建立龍隱巖龍隱洞的三維虛擬空間。游客戴上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備后，不僅可以在虛擬巖洞內(nèi)自由行走，還可以通過(guò)傳送、放大和講解等多種方式近距離觀察巖洞內(nèi)的石刻和環(huán)境細(xì)節(jié)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是對(duì)博物館陳列展覽的重要補(bǔ)充，既可以解決文物保護(hù)與參觀游覽的矛盾，又有助于人們進(jìn)一步領(lǐng)略石刻的藝術(shù)之美。

石刻病害調(diào)查

龍隱巖龍隱洞石刻鐫刻在山石之上，以石灰?guī)r山體為載體，處于無(wú)保護(hù)的露天或半露天保存環(huán)境。因長(zhǎng)期受到自然、人為等因素的影響，發(fā)生了復(fù)雜多樣的病變。近幾十年，龍隱巖龍隱洞有近30%的石刻被碳酸鈣或苔蘚覆蓋，字跡模糊不清；還有部分石刻風(fēng)化嚴(yán)重，殘損不全。龍隱巖龍隱洞石刻三維數(shù)字化項(xiàng)目利用三維掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建了石刻的三維模型，在進(jìn)行石刻病害調(diào)查和編制病害防治方案時(shí)可以在三維模型上標(biāo)示出地質(zhì)病害，直觀地將問(wèn)題呈現(xiàn)出來(lái)。也可以通過(guò)建模對(duì)巖層進(jìn)行穩(wěn)固性評(píng)估，做好預(yù)防性保護(hù)措施。對(duì)于受條件所限無(wú)法近距離進(jìn)行巖體病害調(diào)查的石刻及其環(huán)境，可以采用三維激光掃描儀遠(yuǎn)距離、高精度地采集石刻點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成石刻三維模型，進(jìn)行病害分析。同時(shí)利用三維激光掃描技術(shù)精度高的特點(diǎn)，采集不同時(shí)期的石刻三維數(shù)字信息，對(duì)比不同時(shí)期文物的三維掃描數(shù)據(jù)，可以得出文物的變化規(guī)律和特點(diǎn)。

石刻修復(fù)與復(fù)制

對(duì)于受病害影響出現(xiàn)破損的石刻，可以應(yīng)用石刻虛擬修復(fù)技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，即利用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)石刻進(jìn)行掃描獲取三維模型后，利用文獻(xiàn)典籍中保存的原石刻文字信息，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行虛擬修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)不可移動(dòng)文物無(wú)接觸的反復(fù)利用。對(duì)于需要移動(dòng)展出和殘損消失的石刻，可以利用3D打印技術(shù)制作石刻3D打印復(fù)制品以供陳列展覽使用，減少參觀游覽對(duì)石刻文物的損傷。3D打印技術(shù)復(fù)制精度高、還原性強(qiáng)，不但實(shí)現(xiàn)了石刻的高精度復(fù)制，也解決了不可移動(dòng)文物外出展覽的問(wèn)題。

石刻拓片數(shù)字化

拓片是中國(guó)古老的傳統(tǒng)藝術(shù)表現(xiàn)形式，是使用宣紙和墨汁，將石刻上的文字或圖案清晰地拓印下來(lái)的文化樣式，具有很高的歷史和美學(xué)價(jià)值。石刻拓片數(shù)字化就是通過(guò)三維數(shù)字成像仿真拓片技術(shù)、文字圖像校正技術(shù)、數(shù)字拓片背景建模技術(shù)、墨汁與宣紙擴(kuò)散滲透效果模擬技術(shù)、缺失字體修復(fù)技術(shù)等獲取拓片形體、紋理、質(zhì)地和材料等數(shù)據(jù)信息，再利用三維數(shù)字化技術(shù)生成石刻的數(shù)字拓片并建立拓片數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)拓片內(nèi)容數(shù)字化和檢索手段的現(xiàn)代化。石刻拓片數(shù)字化不但可以促進(jìn)拓片資料資源共享，而且能夠減少對(duì)拓片原件的損害，讓拓片這門古老的傳統(tǒng)技藝煥發(fā)新的生命力。

數(shù)字博物館

隨著基于互聯(lián)網(wǎng)的云漫游展示平臺(tái)技術(shù)的成熟以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，尤其是智能手機(jī)、平板電腦等數(shù)字終端的智能化，數(shù)字博物館的概念得以真正實(shí)現(xiàn)。數(shù)字博物館就是利用石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)和互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)搭建平臺(tái)，將文物進(jìn)行數(shù)字化，并結(jié)合展陳的互聯(lián)網(wǎng)化，通過(guò)生動(dòng)有趣的方式展示文物的外形構(gòu)造、色彩、紋理、歷史背景、環(huán)境等多維度信息，構(gòu)建文物云漫游展示平臺(tái)，使游客不用親臨博物館就可以在網(wǎng)上近距離欣賞文物，增加了游覽的互動(dòng)性，提高了游客的興趣。數(shù)字博物館的開(kāi)發(fā)有利于桂林石刻文物和“摩崖石刻傳拓技藝”非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)和展示，同時(shí)還能夠促進(jìn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的傳承和傳播。

綜合平臺(tái)開(kāi)發(fā)

該平臺(tái)由文化旅游系統(tǒng)、文物信息綜合管理、輔助科研分析系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文物管理，還可以自由切換圖片選擇區(qū)域，根據(jù)對(duì)象屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等。該平臺(tái)支持三維模型、文字與圖片綜合管理，還可以截取高清圖像信息，對(duì)三維模型進(jìn)行分析與測(cè)量，獲取最為準(zhǔn)確可靠的測(cè)繪資料，支持多人同時(shí)在客戶端瀏覽文物。通過(guò)輔助科研系統(tǒng)的應(yīng)用，可以對(duì)石刻進(jìn)行定量化研究。在交互式輔助線圖繪制系統(tǒng)的支持下，其可與石刻信息管理系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，取得更加理想的管理成果。

綜上所述，對(duì)龍隱巖龍隱洞石刻進(jìn)行三維數(shù)字化保護(hù)，與傳統(tǒng)保護(hù)方法相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)堧[巖龍隱洞石刻進(jìn)行完整的、永久的記錄，充分滿足石刻文物展示、存檔與研究的需求，還可以將摩崖石刻空間信息真實(shí)展現(xiàn)出來(lái)。新的技術(shù)手段推動(dòng)了桂林石刻文化的傳播，讓更多人有機(jī)會(huì)接觸并欣賞桂林石刻之美，也大力推動(dòng)了石刻文物保護(hù)管理的現(xiàn)代化進(jìn)程，為桂林石刻數(shù)字化發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。