研究成果

云冈石窟测量的新尝试——三维激光扫描技术在石窟测绘中的应用

2013-1-30 云冈石窟研究院 (执笔:王恒)

对云冈石窟进行的全方位的系统测量,是石窟文物保护管理工作的需要。考古研究、文物档案的建立、维修设计与施工、文化出版等等,均离不开通过准确测绘得到的文物实测图件。从这个意义上讲,对石窟文物的测绘全面与否,实测图件准确程度的高低,决定了石窟文物保护管理工作水平的高低,有时甚至会成为工作成败的关键因素。因此获得准确的文物测绘图件,是文物保护管理机构最重要的业务工作之一。
        对云冈石窟进行系统的测量工作,始于20世纪30至40年代。日本学者利用日军占领大同的有利条件,以手工方法对石窟进行了测绘,并将得到的图件122幅,发表于《云冈石窟——公元五世纪中国北部佛教石窟寺院的考古调查报告》①中。1960~1963年,中国古代建筑修整所(中国文化遗产研究院前身)杨玉柱等学者对云冈石窟进行了新中国成立后的首次系统测绘,分别绘制第7、8窟,第9、10窟,第14窟,第15窟,第20窟,第39窟等洞窟的实测图60张。历史上的这两次测绘均为传统手工方法,它们存在着明显的弱点,如:接触文物测量,易使文物受到人为损害、速度慢、周期长、精度低、效益差、适用范围小等等。其中两次系统测绘均没有产生石窟立面全图,就是因为石窟群不仅东西长度大(近1千米),而且崖壁高(最高处近40米),手工操作具有极大难度而无法完成所致。
        之后,分别于1986~1988年和1994年由国家建设部城市综合遥感与制图中心对云冈石窟部分洞窟进行近景摄影测绘。先后绘制第5、6窟,第12窟,第20窟和第1、2窟,第3窟,第4窟等洞窟的实测图87张,其中1986年完成的部分测绘图,先后发表于《中国石窟•云冈石窟》和申报世界遗产文本《云冈石窟》中,其准确程度较高。但经我们仔细核对,1994年完成的第1窟至第4窟的测绘图,虽然图的整体尺寸框架没有差错,但由于绘图技术人员不熟悉云冈艺术特点,所有提供的线描图,几乎都出现了与洞窟艺术造像不相符的情形。因而,这次测绘结果评审没有通过。
        事实证明,虽然近景摄影测绘能够满足石窟寺的准确测绘记录要求,但由于其最终的图件形式为线描图,往往在前期做了大量工作,而在后期的描图过程中,缺乏既具有美术绘画功底,又熟知石窟艺术考古业务人员的参与,终使图件成果无法使用,造成物力财力的浪费,给工作带来损失。因此描图中艺术形象的把握,必须有熟悉并掌握其特征、特点的业务人员参与其中,至少要做好两种专业人员的业务协调结合,才能取得满意效果。
        不仅如此,由于云冈石窟规模巨大,洞窟形制多样,造像形式复杂,多次的测绘,或是不全面,或是不准确,或是不规范,不能满足当前和今后业务工作的需要。为此,我们于2004年起,将三维激光扫描测绘技术引入云冈,试图在石窟的测量工作上,有所创新和突破,使文物档案的建立、石窟保护、考古研究、数字化云冈的制作等工作,取得新成绩。
        激光测量技术出现于上世纪80年代,90年代以后引入在我国。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性,将其引入测量装置中,在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动,激光测量技术也逐步由点对点的激光测距装置,发展到采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。
        2005年,以三维激光扫描测绘技术制作的云冈石窟立面正射影像全图,全面准确地记录了云冈石窟这个大型石窟群立面的具体尺寸、洞窟布局及其相互关系、洞窟外部形态和石窟群整体形象(包括直线距离820米的向阳的石窟群立壁和非向阳的立壁。非向阳的立壁有10个:第1窟东侧一级浮图的东壁、西壁;第2窟西侧一级浮图的东壁、西壁;第3窟外东侧壁、西侧壁;“龙王庙沟”第5窟附属洞窟立壁;第13窟西侧壁;第30窟西侧壁;第38窟东侧壁等)。这是有史以来云冈石窟的首张比例尺寸准确、外部形象清晰的石窟测绘全图(图一)。对于我们建立文物档案,准确掌握和认识石窟,继而保护石窟具有重要意义,当然它在考古学上的价值也是肯定的。

                                                        

                                                

                                                


                                                                                                                       图一 云冈石窟外立面正射影像图


        激光扫描技术对云冈石窟的三维测绘,为全面准确记录洞窟现状提供了很好的条件。

一是实现了洞窟内部的数字化虚拟漫游。黄继忠完成的《数字云冈示范研究》课题,通过激光测绘点云图以及数码摄影机提供的影像资料,将云冈第2窟以虚拟形式展示。不同于普通三维虚拟漫游制作的是,在计算机上,这一成果不仅让阅读者如身临其境,并且还可以通过微机工具测量窟内各位置的准确尺寸及其比例关系。完成了洞窟内部的真正数字化。
        二是获得了比例尺寸准确的壁面正射影像图。一个完整的壁面点云,经过建立三角网模型后,将若干张高清晰数码照片纹理映射到模型上(由点云模型对照片进行纠正)后,就可获得一张高清晰的壁面正射影像图。这样的图件不仅比例尺寸准确、纹理清晰,并且其色彩也近似文物本体面貌,较之人工测绘的线描图,有更多的文物信息体现其中(图二)。如将其置入普通计算机cad软件中,读者即可获得该影像图中的各种所需数据了。
                                                                                      
                                                                                                                         图二 第2窟正射影像图


       同时,一幅客观准确反映洞窟壁面的正射影像图,不仅可以记录当时(扫描时间)的文物保存状况,还可以用来记录该壁面的病害状态。根据针对性的设计,在壁面正射图的相应位置涂以相应的标记和色调(图三),用来表示相应位置的病害状况,成为帮助人们了解和治理洞窟病害的重要方法之一。
                                                                                                    
                                                                                                                       图三 第2窟中心塔柱南面病害图示


        三是根据激光扫描测绘技术提供的点云数据,实现了洞窟测绘中各个方向的剖面处理,使洞窟以多个角度得以全面展示,对我们准确了解洞窟形制、认识洞窟间的相互关系具有重要作用。如在第1、2双窟的北壁前、塔柱后(客观条件不允许与壁面平行)做一东西向的剖面,就直接看到了该双窟两个正壁(北壁)的主像组合,即为交脚弥勒与释迦佛的组合(图四)。如以其它测绘方法取得同样图件,就显得较为困难了。

                                                                                                             
                                                                                             2窟北壁                                                                                        1窟北壁
                                                                                                                               图四 第1、2窟北壁前的剖图


        与此同时,我们在各个剖面图中叠加了与该剖面图平行的正射图像,使读者更加直观地看到剖面位置和方向,在二维平面视觉上获得了更多的洞窟信息。如在第3窟后室北壁主佛像正面做一纵向剖面,经过若干次不同位置的图像叠加,不仅看到了后室窟内主像的左侧手臂、下肢和东侧胁侍菩萨,还看到了窟内地面台阶、东壁;也看到了前室东侧各壁面状态及其较薄的窟顶平台面;窟外的面貌则是立于平台上东侧圆雕大塔的西壁和第3窟外的东侧崖壁面及其各附属洞窟等内容(图五)。
                                                                                                                        
                                                                                                                                 图五 第3窟前后室西侧纵向剖面图


        四是通过对洞窟中特定部分的精细扫描,得到了该特定石雕艺术形象的正射影像,这种看似扣挖后的摄影照片的图像,已然是一幅比例准确、反映真实、细微的实测图像(图六)。用它来替代传统的墨拓作品,尽管缺少了墨拓图像的艺术韵味,但图像表现更加完整、细致、准确。最重要的是,完全去除了墨拓作业对石雕艺术的直接损害。对于砂岩结构的云冈石窟来说,日益严重的风化剥蚀,使很多艺术作品的内部和表面都已经“憔悴”不堪了,再也经不起类似墨拓这种人为活动对它的再“摧残”了。
                                                                                                 
                                                                                                                                 图六 第1窟中心塔柱东面人形栱和南壁门楣


        五是经过软件开发,实现了对一些三维弧形画面的二维处理,使原来的弧形画面(凹形或凸形)伸展开来,得到了一个完整的测绘图形。制作完成的第1窟拱门(凹形)和第3窟后室西侧胁侍菩萨的头光,以及宝冠(凸形)的正射影像很有代表性(图七 图八)。在进行文物考察和参观或阅读文物摄影图片时,参照这种特殊图件,可以帮助人们更加直观地了解这些艺术形象的设计与制作。

                                                                
                                                                                                                                 图七 第1窟拱门龙形展开影像图
                                                                                                                        

                                                                                                                    

                                                                                                                    
                                                                             
                                                                                                                图八 第3窟后室北壁西侧菩萨头光及其宝冠展开影像图


        六是展示了被立体镂空雕刻遮挡的画面。第1窟中心塔柱上层四面,均是三角帷幔伞盖下的盝形龛设计,由于伞盖为镂空的立体雕刻,其下部的帷幕遮挡了部分盝形龛楣,因而在正射图中,部分龛楣便被隐藏在帷幕后面了。为此,通过激光三维扫描测绘的方式,制作了东、西、南、北四面的盝形龛及其造像的正射图像,并且将其制作为二维平面四联式(图九),阅读者不仅看到了塔柱四面完整的盝形龛式龛楣,并且能够有比较地观看和鉴别四幅图像的设计差别异同,其中由于北面的整体画面和东西两面画面的北侧部分为1983年由普通石工仿照旧作品雕刻,比较之下显现了明显的不同。为人们了解当时修复的主要意图(加固塔柱,以防止洞窟落顶)及其艺术修复理念提供了必要的信息。
                                                             
                                                                                                                    图九 第1窟中心塔柱上层四面联影像图


        此外,在准确绘制大型高浮雕造像的等值线图中,三维扫描技术也显出了方便快捷,并且更加准确的优势。较之手工测绘甚而近景摄影测绘,外业过程不受环境和操作人的影响,数据采集机械化、自动化、简单化;在内业的过程中,等值线完全是基于所采集的三维实体模型,在软件中一键生成等值线,等值距可随意设置,算法完善,无需人工干预(图一〇)。

                                                                                                                              

                                                                                                                       图一〇 第3窟后室主佛像五角度等值线图


        目前,三维激光扫描测绘技术虽然费用相对昂贵,但作为一种先进的测量方法,在精度、速度、操作等多个方面表现出的巨大优势,是传统手工测绘方式不可比拟的,其中很多图件成果,传统测绘方法几乎无法完成。云冈石窟所进行的尝试,试图加快石窟保护管理现代化进程,同时也为石窟调查报告的编写创造条件。鉴于此,我们在引入技术实施测绘的同时,将培养本单位专业人才提上日程,一方面在洞窟测绘的实际操作中,派出业务基础好、年纪轻、事业心强的同志跟班学习,配合工作。另一方面将这些同志送往合作单位(北京建工学院)进修学习,以期成为本单位掌握先进测绘手段并能够独立工作的骨干力量。我们相信,随着社会实践的推动,三维激光扫描测绘技术将继续不断完善,文博单位业务人员的职业素质也将不断提高,不远的将来,这种技术在先进性、实用性、经济性等方面定会有新的发展和改善,成为在文物测绘中被普遍使用的基本手段。
        要指出的是,在传统文物考古中出现的大量线描图,均出自于手工测绘,或近景摄影测绘方法,就是说,这些方法的最终成果,只能以线描图的形式出现。而三维激光扫描测绘方法的最终成果或是三角网模型,或是在此基础上将若干张高清晰数码照片纹理映射到模型上(由点云模型对照片进行纠正)后,获得的高清晰的正射影像图。与传统线描图比较,这种图件记录了更多的实物表面信息,如果需要,点云间的三维距离可以设置为毫米级或亚毫米级来获取信息,即便对象实物体量面积很小,也能全面反映微小的变化,如砂岩造像的面部风化掉落了一颗1毫米以内的沙粒,那么,以精细点云数据可以准确地记录这颗沙粒掉落的三维位置及其颗粒的大小,这是手工测绘的线描图不可能达到的。而在传统的考古记录中,经过实际测量绘制的线描图,与照片和文字的叙述一起,构成考古报告不可或缺的重要内容。然而,经过新技术产生的新图件,使考古记录增加了更加细致入微的记录形式,如果以正射影像图这一经过现场比对,尺寸比例关系无误的图件为依据进行人工描图,任何描图人员也不会将原始图件的细致处完全表现出来。所以,在发表线描图的同时,应该同时将原始正射影像图发表,当阅读者发现不确定之处时,应以正射影像图为准。当然,考古活动是一个复杂的、专业性非常强的业务工作,在遇到较为复杂的情形时,无论绘图记录还是文字记录,都有一个不断深入的认识过程。比如仔细分辨不同时期的叠压遗迹之间的关系,不仅要在文字记录中表现出来,也要在测绘记录中表现出来,这是需要具备一定专业知识的人员在现场仔细观察、比较才能进行的工作。
 

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