基于數(shù)字技術的唐陵石刻遺產保護研究

孔慶鵬 張輝

摘要：唐十八陵分布在當時都城長安以北的關中地區(qū)，西至咸陽乾縣唐高宗李治與武則天的合葬墓乾陵，東至渭南蒲城縣唐玄宗李隆基泰陵，北至渭南蒲城縣唐穆宗李恒光陵，南至咸陽乾縣唐僖宗李儇靖陵，東西長約150千米，南北長約50千米，總面積近4000平方千米。唐陵石刻遺產是唐陵文化遺產的重要組成部分，被喻為“石刻藝術的露天陳列室”，有數(shù)以千計的石刻。這些石刻雕塑造型獨特，栩栩如生，千變萬化，生動活潑，不僅質量和數(shù)量超越了前代陵墓石刻，還對后世產生了極大的影響。文章以唐陵現(xiàn)狀為切入點，運用數(shù)字技術對唐陵文物進行三維重建，解決了數(shù)字化保護的難題，為保護、傳播唐陵文化遺產提供了參考和案例，也對文物的鑒賞及保護有著重要意義。

關鍵詞：唐陵石刻；數(shù)字技術；三維重建；數(shù)字化保護

中圖分類號：K877.4；TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）20-00-03

0 引言

近年來，我國科技迅速發(fā)展，計算機算力不斷提升，利用數(shù)字化信息技術對大型不可移動文物和可移動文物進行保護、修復及展示、傳播，弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，能讓更多人深入了解我國傳統(tǒng)文化，更好地豐富自身的精神世界，足不出戶就可以感受到唐代帝王陵墓的宏偉，也可以更深刻地認識和了解唐陵石刻遺產。如今，快速發(fā)展的數(shù)字技術正在改變人們的生活，它無時不在、無時不有。人們開始關注歷史文化遺產，重視文化遺產的文化表達［1］。

1 唐陵文物現(xiàn)狀

陜西關中渭北高原上的唐代陵墓石刻，以磅礴的氣勢、精湛的技法、豐富的造型藝術和審美內涵在中國帝陵歷史上占據(jù)著重要地位［2］。唐陵石刻是唐代帝王陵墓的代表，這些石刻雕塑歷經盜墓、周期性溫差、暴曬、沉積、風蝕、降雨、地基沉降等，使得原本歷史風貌不再的陵墓雪上加霜，經歷了1300余年的風雨歷程，留存了大量石刻雕塑，其中唐獻陵的石犀、石虎，昭陵六駿，順陵的走獅、天祿，乾陵石獅、翼馬，橋陵的石獅、仗馬，豐陵和章陵的華表，泰陵和貞陵的石刻，都是唐代石刻作品中的精品，也是唐朝由盛到衰的文化縮影［3］。

多年來，唐陵石刻不乏盜賊的騷擾，為避免盜賊將石刻運走，文管所將建陵西門和北門的兩對石獅及北門的三對石馬均移到了昭陵博物館。大量的唐陵文物長期沒有得到相應保護，再加上周期性溫差、暴曬、沉積、風蝕、降雨、地基沉降等因素，使得文物出現(xiàn)裂痕、霉斑。例如，崇陵朱雀門西側甕仲第五尊，手持佩劍，劍的兩頭從胸前和肘后露出，頭戴高冠，上刻有花紋，如今文物表面滿是斑駁。另外，為了增加耕地，大規(guī)模開墾土地，田間散落著許多唐陵文物。例如，唐章陵西側翁仲僅存一座殘像，身高1.75 m，寬0.55 m，半身裸露在田野中，沒有任何保護措施；唐建陵西側華表，目前斷裂成四塊散落在田野中；唐光陵東側華表，目前斷裂成三塊散落在田野中；唐光陵西側翁仲第二尊，身高2.68 m，頭戴高冠，冠前飾團花紋，兩側配飾品有花紋，身穿長袖長袍，袖口過膝，腳上穿有長靴，雙手拄五節(jié)劍于胸前，半掩埋在土地中。此外還有為開采山石進行山體開鑿、生態(tài)環(huán)境遭到破壞等人為原因，使得佇立田間的唐陵文物逐漸失去了原本的風采［4］。

2 數(shù)字技術賦能唐陵石刻

數(shù)字技術是將不同特性的聲音、圖像、文字、代碼等信息加工成數(shù)字信號，由計算機識別、存儲、分析、傳輸?shù)男屡d技術。數(shù)字技術作為20世紀最引人注目的一項科技，在藝術、醫(yī)藥、互聯(lián)網、軍事、通信等眾多與人類社會生產生活密切相關的產業(yè)和領域得到了廣泛應用。文化遺產保護方面涉及的數(shù)字技術主要包括激光掃描技術和數(shù)字建模技術，用于測繪、測量、信息檢測、展示傳播、虛擬漫游、交互仿真等［5］。

數(shù)字化保護首次將文物保護納入了科學的范疇。數(shù)字技術能夠精準采集數(shù)據(jù)，對文物所處的環(huán)境進行科學分析，將文物保護所需要的信息存儲到數(shù)據(jù)中，并通過網絡傳輸給相關人員。數(shù)字技術的蓬勃發(fā)展擴大了文化遺產保護的范圍，也突破了傳統(tǒng)技術在信息采集效率和全面性方面的局限。

數(shù)字技術分為激光三維掃描、數(shù)字攝影測量、TOF3D感應等。三維掃描儀價格昂貴，國產三維掃描儀雖然價格相對較低，但在軟件開發(fā)配套方面不及國外三維掃描儀。而且三維掃描儀使用不方便，需要外接交流電設備、電腦工作站，對環(huán)境要求苛刻，精度雖然高，但是數(shù)據(jù)量大，不便對大型文化遺產進行數(shù)據(jù)采集。便攜式LiDAR Scanner雖然體積小，方便快捷，數(shù)據(jù)量小，但是可靠性不強，精度較低，紋理有時無法拼接。相比之下，數(shù)字攝影測量方便快捷，有特定紋理，效果好，精度高。與此同時，為滿足不同形態(tài)文化遺產的信息采集需求，通常會采用不同的方法。例如，德國斯圖加特大學將激光三維掃描技術和攝影測量技術結合起來，獲得了較好的三維模型，并把這種方法應用于約旦佩特拉一座著名的遺址——Al-Khasneh的3D虛擬建模。采用多種方法，不但提高了效率，而且能夠充分理解每個類型的優(yōu)勢和劣勢，有助于取長補短，對現(xiàn)有的方法進行優(yōu)化，形成最終的方案，并制定相關的數(shù)據(jù)采集注意事項及要求。

3 數(shù)字技術在唐陵石刻遺產保護中的應用設計

3.1 數(shù)據(jù)采集流程

唐陵雕塑分布廣泛，往往雜草荊棘遍布周圍。因此，唐陵石刻三維數(shù)據(jù)獲取需要在地形復雜的坡地上進行。

根據(jù)處理流程，先進行實地考察，了解唐陵現(xiàn)狀，接著運用無人機、相機等數(shù)字化設備進行數(shù)據(jù)獲取。獲取準確的數(shù)據(jù)，目的在于還原色彩。如遇到曝光的情況，應根據(jù)環(huán)境光的變化進行調整，使獲取到的唐陵雕塑主體樣貌保持不變，真實且自然；之后進行三維影像構建，生成稀疏點云、密集點云，構成紋理化網格；最后查看網格是否需要修補，對需要修補處進行修補后導出模型，并通過網絡化設計表達進行展示。

3.2 全方位采集

本次采集主要采用一臺sonyA7M4全畫幅微單數(shù)碼相機，有效像素達3400萬，同時還使用了一只標準變焦大光圈28～75 mm鏡頭，這是因為唐陵雕塑體量龐大，大多高度都在2～3 m，其中最大的橋陵獬豸高達4.5 m左右，應盡可能避免鏡頭畸變所造成的影像數(shù)據(jù)失實。采用600瓦大功率專業(yè)影像閃光燈設備，在光線不足和大光比的情況下進行補光，搭配移動式電源，在滿功率下可以使用2小時左右。閃光燈前加以聚光罩，增強燈光聚合能力，減少光線衰減。采用一臺專業(yè)航拍大疆御3無人機，4/3英寸傳感器便攜式無人機有效像素達2000萬，搭配廣角24 mm定焦和162 mm長焦定焦鏡頭，有效彌補了地面空間的不足。在禁飛區(qū)地段，需要使用梯子進行雕塑頂部掃描拍攝。掃描設備參數(shù)總結如下（見表1）。

數(shù)據(jù)采集使用軸線式掃描和平行式掃描或兩種方式相結合。軸線式掃描：以目標物體為中心軸，在距離較遠的地方進行多角度、同心圓式的環(huán)狀掃描。平行式掃描：以目標物體為中心，在距離較近的地方進行平行細節(jié)掃描。軸線式掃描主要需要了解物體在大環(huán)境中所處的位置；平行式掃描則是根據(jù)目標物體的各種細節(jié)信息進行對比、驗證，進而得到精細化結果的掃描過程。總結長期實踐經驗，得出結論：平行式掃描分為上下兩段式掃描，每次掃描重疊率至少維持在70%以上，這樣可以確保掃描過程高效準確，白色三角形表示攝影機的位置及其視野；軸線式掃描分為上中下三段式掃描，每次掃描保證至少60%的重疊率，這樣可以確保掃描過程高效準確，白色三角形表示攝影機的位置及其視野。

針對細節(jié)極其豐富的唐陵雕塑，若正視不能捕捉到被遮擋的部位，需要更突出細節(jié)部位，則需要變換相機焦距進行近距離多角度的細節(jié)采集，這樣有利于真實顯示。在掃描唐建陵朱雀門東側翁仲第三尊時，運用軸線式掃描和平行式掃描相結合的方式，保證能精準、高效地掃描細節(jié)。

在不同的天氣情況下，環(huán)境光比有很大的區(qū)別，被攝物體上的光斑會嚴重影響數(shù)據(jù)采集的結果，從而影響三維重建的效果，因此調整拍攝的布光使唐陵石刻上無明顯光斑尤為重要。唐陵石刻主要散落在露天的關中平原上，主要光源來自太陽光，因此補光極為重要。本次主要使用了金貝ad600閃光燈為唐陵石刻進行補光，以閃光燈為主光，太陽光、環(huán)境光為輔助光，使主體對象更加清晰，與環(huán)境背景相互分離，突出主體畫面；主光面前還添加了柔光罩，使光線柔和，達到消除光斑的預期效果。

采集后得到大量數(shù)據(jù)，僅僅采集唐陵石刻中體量最小的鴕鳥就需要約4.6 GB的內存空間，唐十八陵有500余座石刻雕塑，需要進行統(tǒng)一管理和梳理。筆者在三年研究生期間對唐陵石刻雕塑進行了長期的數(shù)據(jù)采集，采集了330余座雕塑數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達到驚人的5 TB。為了解決數(shù)據(jù)分散的問題，進行了數(shù)據(jù)分類和管理、規(guī)范文檔等，因此數(shù)據(jù)庫的建立至關重要。

3.3 構建貼圖

貼圖構建需要運用3DMax軟件，它是集三維建模、制作、動畫等于一身的三維軟件。這款軟件主要用于三維模型的構建、渲染和網格拼貼。利用著色球為模型添加貼圖紋理，使模型更加逼真；還要運用3Dmax對模型紋理進行梳理，以獲得更好的三維效果。模型導入后，需要增加底座以保證模型的美觀。在唐橋陵東側獬豸模型的調整中，導入模型后，選擇生成的紋理貼圖并對模型進行優(yōu)化，對原本三角面進行結構優(yōu)化，形成光滑的面。

展UV是將模型圖案紋理貼圖有序展開，此環(huán)節(jié)應當注意以下幾點：第一，不能出現(xiàn)重疊，否則會影響模型效果；第二，需要平鋪模型貼圖，有序進行調整，使模型貼圖都在一張UV上；第三，盡量減少操作步驟，有助于減少對模型法線、凹凸等的影響；第四，必要時可以運用拓撲工具對紋理進行拓撲，使模型層次更加豐富。

3.4 網絡化表達

隨著網頁2.0的發(fā)展，普通網頁的2D頁面對網民來說平淡無奇，另外，普通網頁附著大量的圖文信息，增加了用戶瀏覽的負擔，因此創(chuàng)新設計展示網絡頁面成為軟件開發(fā)領域研究的重點。基于Verge3D平臺的新媒介表達，數(shù)字技術的廣泛應用和發(fā)展提供了更多的可能，也出現(xiàn)了更多的數(shù)字媒介終端，展示了這一紅利下新的方式，參與者借助專用的三維交互設備與虛擬環(huán)境之間以自然的方式進行交互，這樣的交互比平面圖形交互形式更加豐富。還可以借助VR、AR眼鏡來實現(xiàn)虛擬漫游，借助Verge3D平臺實現(xiàn)增強現(xiàn)實的虛擬展示。唐陵石刻雕塑的網絡化表達有助于快速實現(xiàn)唐陵文化的傳播［6］。

4 結語

數(shù)字化技術的發(fā)展使模型的精確性和完整性得到了極大提升，并使模型的3D瀏覽和數(shù)據(jù)的測量成為可能，進而建立起空間數(shù)據(jù)庫，它是信息處理的基礎。分析、歸納及存儲收集到的信息，為動態(tài)監(jiān)測與安全評估提供了數(shù)據(jù)基礎。同時，運用數(shù)字技術進行文化遺產重現(xiàn)與還原，這一創(chuàng)新模式將傳統(tǒng)的靜態(tài)展示與動態(tài)體驗相結合，打破了以往瀏覽文獻或者在網絡上查詢唐陵文化遺產簡介這樣的碎片化信息獲取方式的局限，給觀看者帶來身臨其境的體驗。

參考文獻：

［1］ 潘志庚，袁慶曙，陳勝男，等.文化遺產數(shù)字化展示與互動技術研究與進展［J］.浙江大學學報（理學版），2020，47（3）：261-273.

［2］ 陳安利.唐十八陵［M］.北京：中國青年出版社，2001：10-12.

［3］ 魏小紅，李會曉，桑振.唐十八陵數(shù)字化保護與傳承的應用探索［J］.文物鑒定與鑒賞，2021（19）：103-105.

［4］ 王晶.唐帝陵石雕刻受損原因淺析［J］.大眾文藝，2012（16）：299-300.

［5］ 王曉芬，王艷貞，苑鵬軍.數(shù)字化技術在文物保護中的應用與傳播［J］. 輕合金加工技術，2020，48（2）：71.

［6］ 王辰啟，王一帆，陳翔宇，等.基于Verge3D的3D技術在網頁中的應用［J］.電腦知識與技術，2022，18（36）：92-94.

作者簡介：孔慶鵬（1994—），男，陜西西安人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：影像與數(shù)字媒體藝術。

張輝（1970—），男，陜西西安人，碩士，教授，研究方向：影像與數(shù)字媒體藝術，研究方向：影像藝術與信息技術。

基金項目：本論文為2020年度西安理工大學國家藝術基金交流推廣項目“唐十八陵雕塑藝術網絡平臺建設”研究成果，項目編號：2020-A-04（084）-360；2021年度西安理工大學國家社科基金后期資助項目“唐帝陵石像生藝術研究”成果，項目編號：21FYSB032