數(shù)字化技術(shù)賦能云岡石窟保護(hù)與傳承

作為世界文化遺產(chǎn)，云岡石窟有著獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值、歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值，保護(hù)云岡石窟就是傳承中華文明。數(shù)字化技術(shù)可以在非接觸方式下對(duì)石窟進(jìn)行全方位高保真數(shù)據(jù)采集，建立三維模型，形成數(shù)字檔案，輔助考古、指導(dǎo)保護(hù)與修復(fù)工作，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)對(duì)公眾進(jìn)行展示，為不可移動(dòng)文物的移動(dòng)展示提供可能，實(shí)現(xiàn)石窟數(shù)字化的永久保存與永續(xù)利用。

云岡石窟及其價(jià)值

云岡石窟

云岡石窟是開鑿于北魏年間背靠武州山的一組石窟群，現(xiàn)位于大同市城西16千米處，依山傍水，環(huán)境優(yōu)美。武州山亦作武周山，東西綿延數(shù)十里，山勢(shì)平緩似丘，屬波狀低山丘陵區(qū)，海拔高度約為1133—1189米，最大相對(duì)高差約45米。石窟前，武州川水自西迤東緩緩流過(guò)。武州山石窟寺，又稱靈巖寺。北魏著名地理學(xué)家、文學(xué)家酈道元在《水經(jīng)注》中寫道：“武周川水又東南流，水側(cè)有石祇洹舍并諸窟室，比丘尼所居也。其水又東轉(zhuǎn)，逕靈巖南，鑿石開山，因巖結(jié)構(gòu)，真容巨壯，世法所稀。山堂水殿，煙寺相望，林淵錦鏡，綴目新眺。”描述的正是北魏當(dāng)年武州川水流經(jīng)云岡石窟時(shí)的情景。云岡石窟代表著公元5至6世紀(jì)中國(guó)杰出的佛教石窟藝術(shù)，其中的曇曜五窟，布局設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)一，是中國(guó)佛教藝術(shù)第一個(gè)巔峰時(shí)期的經(jīng)典杰作。

作為北魏皇都的平城，由于特殊的地理與政治位置，成為連通西域、草原與中原的重要樞紐，是匯集八方文化的國(guó)際化大都市。不同的文明在平城交匯、碰撞、融合，留下了絲綢之路上一顆佛教藝術(shù)的璀璨明珠——云岡石窟。云岡石窟是從公元5世紀(jì)中西文化縱情交流過(guò)程中誕生的藝術(shù)寶庫(kù)，體現(xiàn)了中華民族的文化精神、文化胸懷和文化自信。

云岡石窟的價(jià)值

云岡石窟是中國(guó)新疆以東地區(qū)出現(xiàn)最早的大型石窟群，是當(dāng)時(shí)中國(guó)北部統(tǒng)治者北魏皇室集中全國(guó)人力、財(cái)力、物力興造的，也是石窟藝術(shù)“中國(guó)化”的開始，云岡中期開鑿的石窟中出現(xiàn)的中國(guó)宮殿建筑式樣雕刻、中國(guó)式的佛像龕，在其他地區(qū)的石窟寺的建造中得到了推廣與應(yīng)用。因此，它所創(chuàng)造和不斷發(fā)展的新模式自然成為魏國(guó)開鑿石窟參考的典型，東自遼寧義縣萬(wàn)佛堂石窟，西迄陜、甘、寧各地的北魏石窟，無(wú)不有云岡模式的蹤跡，甚至遠(yuǎn)至河西走廊西端，開窟歷史早于云岡的敦煌莫高窟亦不例外。這給石窟研究者提供了對(duì)我國(guó)淮河以北早期石窟（5世紀(jì)后半葉到7世紀(jì)前半葉）進(jìn)行排年分期的標(biāo)準(zhǔn)尺度。因此，云岡石窟在東方早期石窟中占有極其重要的地位，對(duì)云岡石窟的研究在很大程度上成為研究東方早期石窟的關(guān)鍵。

古代石窟寺是統(tǒng)一規(guī)劃、功能完備的宗教活動(dòng)場(chǎng)所，經(jīng)多次考古發(fā)掘得知，北魏時(shí)期的云岡石窟是由洞窟結(jié)合窟前木構(gòu)建筑、窟頂?shù)孛娣鹚滤餐瑯?gòu)成的一座大型石窟寺院，洞窟是禮拜供養(yǎng)的主要場(chǎng)所，地面佛寺是棲止禪修的空間。這種規(guī)劃受到了古代犍陀羅佛寺的塔院與僧院配置的直接影響，在新疆等地石窟尚未見與云岡相同的規(guī)劃方式。因此，對(duì)云岡石窟開鑿規(guī)劃布局進(jìn)行細(xì)致的分析、綜合比較研究，是進(jìn)一步探索東方石窟文化價(jià)值的一項(xiàng)重要工作。

數(shù)字化技術(shù)及其重要性

石窟文物是不可再生的文化遺產(chǎn)，是對(duì)不同時(shí)期文化、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)形態(tài)的一種反映。研究文物的價(jià)值就是對(duì)歷史發(fā)展的一種溯源，如何科學(xué)準(zhǔn)確地挖掘文物的價(jià)值，數(shù)字化技術(shù)為其提供了答案。

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和政府對(duì)文化遺產(chǎn)的不斷重視，數(shù)字化技術(shù)被引入文物保護(hù)研究中，測(cè)繪遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、視覺技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、知識(shí)圖譜、人工智能與人機(jī)互動(dòng)等數(shù)字技術(shù)在文物考古勘察、考古現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘、石窟保護(hù)修復(fù)、展示展陳、利用管理等過(guò)程中表現(xiàn)出不可替代的作用，為從事文物保護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)的文博工作者所接受與依賴。面對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和其在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，文物的數(shù)字化生存將會(huì)成為文化遺產(chǎn)保護(hù)的一種重要方式，而且，數(shù)字化將會(huì)成為文物信息留存的主要方式。

一般地，文物數(shù)字化主要包括以下三個(gè)層面的內(nèi)容。

（1）對(duì)文物本體及其賦存環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)字化采集，包括文物本體的幾何形狀、色彩、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、成分以及微小變化等，考古發(fā)掘過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)記錄，以及文物賦存環(huán)境信息的感知與監(jiān)測(cè)。

（2）對(duì)文物數(shù)字化采集所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量文物信息的高效查詢，支持文物科學(xué)化保護(hù)、研究與利用。

（3）對(duì)原始文物數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步挖掘、處理與分析，以獲取其中蘊(yùn)含的知識(shí)，增強(qiáng)對(duì)文物價(jià)值的認(rèn)知。

文物數(shù)字化作為當(dāng)前文物保護(hù)傳承的重要手段之一，對(duì)有效保存和利用文物具有重要意義。尤其是針對(duì)石窟寺遺址等不可移動(dòng)的文物，數(shù)字化保護(hù)能更好地為數(shù)字化、智能化時(shí)代文物工作打好基礎(chǔ)，為豐富多彩的數(shù)字化生活提供豐厚滋養(yǎng)，是文化文物領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)該承擔(dān)的重大責(zé)任。開展不可移動(dòng)文物數(shù)字化保護(hù)，像保護(hù)文物資源一樣保護(hù)好文物數(shù)字資源，像挖掘煤炭資源一樣挖掘好文物資源承載的精神文化價(jià)值，發(fā)揮文物數(shù)字資源在數(shù)字時(shí)代傳承歷史文化、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要作用，對(duì)云岡學(xué)發(fā)展、“數(shù)字中國(guó)”發(fā)展具有重大意義。

數(shù)字化在云岡石窟保護(hù)與傳承中的應(yīng)用實(shí)例

云岡石窟數(shù)字化資源

云岡石窟作為世界文化遺產(chǎn)，利用數(shù)字化手段留存本體的數(shù)字化數(shù)據(jù)對(duì)其之后的保護(hù)修復(fù)、永續(xù)利用、永久保存至關(guān)重要。

基于云岡石窟體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造像精美繁多等特點(diǎn)，建立了以三維激光掃描技術(shù)與近景攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的多源數(shù)據(jù)采集模式。三維激光掃描技術(shù)是一種結(jié)合了結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等的符合三維非接觸式的測(cè)量方法。采集過(guò)程中根據(jù)被測(cè)對(duì)象的場(chǎng)景大小、尺寸數(shù)據(jù)、精度要求選擇合適的測(cè)量設(shè)備，洞窟外的大場(chǎng)景采用高效率無(wú)人機(jī)設(shè)備采集，精度為厘米級(jí)；洞窟內(nèi)首先用地面激光掃描儀進(jìn)行整體數(shù)據(jù)測(cè)量，精度為毫米級(jí)；針對(duì)內(nèi)部細(xì)節(jié)選擇更高精度的手持三維激光掃描儀采集，最終建立石窟三維模型數(shù)據(jù)。針對(duì)石窟造像的紋理信息，采用近景攝影測(cè)量的方式采集數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)采集過(guò)程按照2019年11月發(fā)布的《石窟寺文物三維激光掃描數(shù)字化采集規(guī)程》《石窟寺文物近景攝影測(cè)量數(shù)字化采集規(guī)程》兩項(xiàng)規(guī)程完成，形成照片、點(diǎn)云、三維模型等數(shù)據(jù)。下圖為云岡石窟第28—2窟采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和生成的模型數(shù)據(jù)。將石窟的藝術(shù)形式、內(nèi)容和風(fēng)格進(jìn)行全面的記錄和整理，形成數(shù)字化檔案和文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)資源；在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)資源展示與管理的平臺(tái)支撐體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)石窟寺海量數(shù)據(jù)資源的高效率存儲(chǔ)、查詢與管理，實(shí)現(xiàn)文物信息的永久留存。

數(shù)字化助力石窟考古

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)及三維重建等技術(shù)的快速發(fā)展，多種學(xué)科知識(shí)、先進(jìn)科技手段與考古研究實(shí)踐深度融合，為搭建中國(guó)石窟寺考古學(xué)研究框架、建立中國(guó)石窟寺傳播的時(shí)空框架及發(fā)展演變軌跡提供了先進(jìn)技術(shù)動(dòng)力，我國(guó)數(shù)字考古呈現(xiàn)出加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。

云岡石窟在數(shù)字化考古方面，首先，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)實(shí)施石窟寺數(shù)字測(cè)量，采用激光掃描或多圖像攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)洞窟內(nèi)復(fù)雜的遺跡進(jìn)行全方位信息采集，通過(guò)算法獲得精確的三維模型，生成滿足石窟寺考古測(cè)量要求的洞窟平面、剖面、立面等各壁面以及龕像的精準(zhǔn)數(shù)字測(cè)圖，同時(shí)用傳統(tǒng)考古線圖作為繪制的基礎(chǔ)，完成復(fù)雜洞窟內(nèi)外遺跡的測(cè)繪記錄，輔助科學(xué)考古；其次，數(shù)字化技術(shù)為考古工作者在困難的工作環(huán)境中提供了一種安全的考古方法。圖2為第3窟外立面照片，最上層崖壁上有12個(gè)豎長(zhǎng)方形的梁孔，高約2米，寬約0.8米，孔深尺寸未知，為遼代在窟前修建規(guī)模宏大的木構(gòu)建筑所遺留的，目測(cè)孔深7—8米，空間狹小，人員測(cè)量較為困難，因此采用非接觸式地面三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，模型如圖3所示，獲得孔深尺寸9.872米，為考古資料留下了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

云岡石窟數(shù)字化保護(hù)

云岡石窟造像開鑿在中侏羅統(tǒng)上部云岡組砂巖透鏡體上，經(jīng)過(guò)1500余年的風(fēng)雨滄桑，石窟出現(xiàn)了不同程度的風(fēng)化、脫落、裂隙等。由于文物的特殊性，需要采取非接觸手段對(duì)實(shí)體進(jìn)行修復(fù)，所以要提前做好保護(hù)預(yù)案，包括量測(cè)、標(biāo)記、實(shí)驗(yàn)都不能在石窟本體上進(jìn)行操作，而數(shù)字化解決了這一難題。在三維模型中，可以準(zhǔn)確標(biāo)注病害的位置及類型，量測(cè)裂隙的尺寸并通過(guò)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的對(duì)比評(píng)估病害，為云岡石窟的實(shí)體保護(hù)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。另外，還通過(guò)數(shù)字化手段對(duì)石窟等文物數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并提取其三維模型的幾何特征，結(jié)合人工智能，對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，完成風(fēng)化或缺損部分的形態(tài)恢復(fù)與虛擬重建，實(shí)現(xiàn)石窟的虛擬修復(fù)，2022年，借助此項(xiàng)技術(shù)完成了云岡石窟代表作第20窟西立佛的虛擬復(fù)原。

對(duì)石窟本體及保存環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)石窟藝術(shù)的傳承。石窟本體長(zhǎng)期受到水害、鹽害、動(dòng)植物的病害以及自然風(fēng)化等侵蝕，其巖石表面與內(nèi)在特征會(huì)產(chǎn)生微小變化，如巖石表面的剝落與開裂等。而對(duì)文物的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，一直是文物領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。通過(guò)數(shù)字化技術(shù)對(duì)石窟本體的微小變化進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)感知監(jiān)測(cè)，對(duì)石窟周圍自然環(huán)境、保存環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成石窟寺監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)理論框架和描述體系，能夠?yàn)榭脊叛芯俊㈩A(yù)防性保護(hù)、安全監(jiān)管等應(yīng)用提供文物本體殘損病害長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程的重要信息。2012年，利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)云岡石窟五華洞典型風(fēng)化列柱進(jìn)行本體監(jiān)測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)石窟風(fēng)化的定量監(jiān)測(cè)；而且通過(guò)對(duì)比修建窟檐前后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)修建窟檐可以減低巖體70%的風(fēng)化速率，證明風(fēng)化雖然不可避免，但是可以通過(guò)一定手段減輕其造成的危害，這一數(shù)字化結(jié)論為減緩石窟的消亡提供了可能，也為石窟的保護(hù)與傳承提供了依據(jù)。

云岡石窟數(shù)字化展示

數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為石窟的展示和推廣提供了更加豐富的方式，依托數(shù)字化手段，可以將云岡石窟的文化價(jià)值和學(xué)術(shù)成果以更加生動(dòng)、直觀的方式傳播給世界各地的人們，實(shí)現(xiàn)全球共享和傳播。通過(guò)先進(jìn)數(shù)字化采集設(shè)備獲得石窟高精度三維模型數(shù)據(jù)，結(jié)合3D打印技術(shù)、虛擬展示技術(shù)、數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)石窟文物三維模型及場(chǎng)景的全方位立體實(shí)體展示和虛擬瀏覽參觀，能夠?yàn)橛慰吞峁┥砼R其境式的人機(jī)互動(dòng)化體驗(yàn)。這不僅提升了游客的參觀體驗(yàn)，也弘揚(yáng)了中華傳統(tǒng)優(yōu)秀文化，讓文物真正“活”了起來(lái)。

2017年，云岡研究院與浙江大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，采用三維激光掃描技術(shù)與多圖像三維重建相結(jié)合的工作方法，重建了云岡石窟第3窟的彩色三維模型，而后引入國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高精度3D打印技術(shù)復(fù)制文物本體的所有細(xì)節(jié)，達(dá)到了高精度還原。原比例復(fù)制的第3窟整體長(zhǎng)17.9米、寬13.6米，主佛高10米，是世界上首次使用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的大體量文物復(fù)制工程，采集了10000張石窟照片，打印了842塊模型，安裝了3個(gè)月，最終實(shí)現(xiàn)了云岡石窟的成功“搬家”。這既是一種全新的文物旅游宣傳手段，也是讓文化活起來(lái)、走出去的一次大膽實(shí)踐和探索，有利于中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的發(fā)揚(yáng)光大。2018年，云岡石窟第12窟原比例3D打印復(fù)制工作完成，此次以分塊打印和搭積木式的方式實(shí)現(xiàn)了復(fù)制洞窟的拼接與拆裝，實(shí)現(xiàn)了文物的移動(dòng)展示，該項(xiàng)目的完成標(biāo)志著世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大體量不可移動(dòng)文物的可移動(dòng)展示，能夠讓更多的人認(rèn)識(shí)了解云岡石窟，提升中華民族文化自信。

隨著數(shù)字人、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等一批應(yīng)用于文化產(chǎn)業(yè)的技術(shù)和裝備登臺(tái)亮相，元宇宙虛實(shí)結(jié)合等數(shù)字化技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為云岡石窟的保護(hù)和傳承提供了新的途徑。在數(shù)據(jù)采集與處理方面，采集設(shè)備向著體積輕便、操作簡(jiǎn)易、數(shù)據(jù)精度高、人為干預(yù)少等方向不斷創(chuàng)新；數(shù)據(jù)處理軟件向著多數(shù)據(jù)融合、處理效率高、建模精度高、人為干預(yù)少等方向不斷創(chuàng)新與提高。在石窟展示方面，依托創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)服務(wù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在融交會(huì)的三維立體展廳，讓用戶的體驗(yàn)從“在線”變成“在場(chǎng)”，不斷提升觀眾體驗(yàn)感，使觀眾能夠身臨其境地感受石窟的藝術(shù)魅力；在數(shù)據(jù)利用方面，公眾瀏覽數(shù)據(jù)的客戶端也朝著平板、手機(jī)等常見設(shè)備方向不斷創(chuàng)新；在展示形式方面，可以通過(guò)微信公眾號(hào)、小程序、小游戲等方式進(jìn)行呈現(xiàn)，使更多的人可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等渠道進(jìn)行線上參觀，從而推動(dòng)云岡石窟的傳播和推廣。隨著科技的不斷更新，數(shù)字化將為云岡石窟的保護(hù)與傳承注入新的活力。