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云冈高浮雕石质文物的数字化探索

何 勇 10/19/2018

云冈石窟位于山西省大同市城西16公里的武周山南麓,营建于5世纪,距今已有1600多年的历史。石窟依山开凿,东西绵延约1公里,现存大小窟龛254个,造像59000余尊。石窟规模宏大,造像内容丰富,雕刻艺术精湛,代表了五世纪前后世界美术雕刻的最高水平。云冈石窟1961年被公布为全国重点文物保护单位,2001年列入世界文化遗产名录。

云冈石窟的主体岩性为石英砂岩,面对石窟及造像日渐风化的实际情况,20世纪以来,云冈石窟的保护工作者们不断地对石窟进行维修加固,同时以多种手段(文字、摄影、测绘等)不间断地记录着石窟的实时面貌。但以往的记录特别是测绘记录,无论是手工测绘,还是立体摄影测绘,最终的手工线描图件均不能立体、准确、全方位地展示石窟艺术的真实面貌,存在有不同程度的缺陷。近年随着三维激光扫描测绘技术的出现与推广,获得更加丰富、全面、精准的石窟艺术信息成为可能。

对云冈石窟进行全方位的系统测量,是石窟文物保护管理工作的需要。考古研究、建立文物档案、文物本体保护设计与保养、展览展示、文化出版等均离不开精细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,实测图件的精度高低,决定了石窟文物保护管理工作的水平。因此获得准确的文物测绘图,是保护管理非常重要的业务工作。

对云冈石窟进行系统的测绘工作,始于20世纪三四十年代。日本侵华期间,日本学者以手工方法对石窟进行了测绘,并将122幅图件发表于《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》中。1960—1963年,文化部古代建筑修整所(中国文化遗产研究院前身)学者杨玉柱等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8个洞窟的实测图60张。历史上的这两次测绘均采用传统手工测绘方法,今天看来它们存在着明显的弱点,如:接触文物本体测量,易使文物本体受到人为损害;速度慢、周期长、精度低、适用范围小等等。两次系统测绘均没有产生石窟立面全图,大约是因为石窟群东西长度太大(约1000米),石窟壁面过高(最高处近50米)、手工操作具有极大难度而无法完成。

1986—1988年和1994年,由中国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,准确程度较高,先后发表于《中国石窟·云冈石窟》和《云冈石窟》申遗文本中。虽然近景摄影测量在一定程度上能够满足石窟寺准确测绘记录的基本要求,但在记录云冈石窟这样规模巨大、洞窟形制多样、造像形式复杂、异面体较多的大型石刻造像时,产生误差较大,不能全面准确的记录石窟的实时面貌。即便近景摄影测量存在诸多缺陷,但其在高浮雕石质文物测绘领域的使用,标志着云冈石窟数字化记录时代的开始。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,获得的高清晰的精准的正射影像图。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。

三维激光扫描技术出现于1980年代,1990年代以后引入我国。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,发展到采用非接触方式主动测量快速获取物体表面大量采样点的三维空间坐标的激光扫描测量技术。

针对云冈石窟高浮雕造像的特点,我们从2003年起将三维激光扫描技术引入云冈,期望在石窟的测绘工作上有所创新和突破,使文物档案的建立、石窟的科技保护、考古研究、数字化云冈的制作等工作取得新成绩。经过十余年实践,目前形成了以三维激光扫描与数字近景摄影测量为主、毫米级精度的数字化技术路线(图一)。

为了顺利推进云冈数字化的发展进程,云冈石窟研究院成立了云冈数字中心,并与多所国内高校及科研单位共同研究,形成了依托高精度测绘技术、地理信息系统技术(GIS)、计算机科学与网络技术等科技手段,永久数字化保存云冈石窟文物本体方法,在石窟雕刻的数字化获取(几何与色彩)、存储和展示等难点领域均有所突破。

云冈数字中心对石窟本体持续进行数字化采集工作,对采集到的数据进行整理,建立了可调整视角、可量测毫米级精度的洞窟数字档案。目前已完成云冈石窟外立面,第1-4窟,第9-13窟,第18窟,第3839窟的点云数据采集工作23

以云冈石窟第13窟为例,在获取点云数据前,我们根据13窟的位置情况布设控制网,做精准的控制测量,平面基准采用1980国家坐标系,高程基准采用1985国家高程基准,目的是为了坐标系的统一。然后我们将整个工程分为两步:

一、外业数据采集

采用不同性能的三维激光扫描仪对文物采取多角度交叉式高精度扫描,以精度为0.3mmsurphrser扫描仪对石窟内壁部分特征进行采集;中间以中等精度扫描仪进行普及扫描;石窟外立壁整体立面采用Leica ScanStation 2三维激光扫描仪做大场景控制;以近距手持型扫描仪作为细部及空间不便扫描位置的数据补充,这样可以采集文物最全面的点云数据。与此同时,我们对纹理进行数据采集。对原始的彩色纹理采集采用两种方式:一种是与扫描仪同轴的高清像机采集,用于高精模型的映射;另一种则是全角度的近景拍摄,用于渲染展示模型的贴图。在石窟内采集纹理过程中为保证色彩还原、分辨率、位置关系,采用佳能EOS 5D Mark III机身+EF红圈(24-105mm)镜头的套机,在特定的环境下做石窟纹理采集。同时划分区域,确保拍摄佛像的完整性,细致性。下图为13窟主佛完整点云图像4)。

 

13窟主佛点云

二、内业建模贴图

(一)将三维点云数据转化为三角网格模型

将经过处理的点云构网。该步骤使用的是三维逆向工程软件GeomagicGeomagic Studio Geomagic公司产品的一款逆向软件,可根据任何实物零部件通过扫描点点云自动生成准确的数字模型),先对点云数据进行简单的平滑去噪再生成不规则三角网网格模型。对生成的不规则三角网网格模型中的漏洞和重面的部分使用修复功能进行修补。

由于采用多种不同性能的三维扫描仪对佛像进行多角度交叉式扫描,佛像缺失的点云数据很少,所以生成的三角网模型漏洞很少,只需要在geomagic里面逐个进行曲率填充单个孔,就能生成很完好的模型。最终建好的三角网格模型能很好的逼近对象表面形状,为后期模型纹理映射作好了准备。

 

 (二)纹理映射

 经过前面步骤得到的三维模型,已经具有很好的几何准确性,但是我们为了能满足可视化的需要,还原真实的三维景观,就需要对三维模型添加真实的色彩,达到纹理映射的目的。

 为了更好实现佛像的纹理映射,我们在3dmax3dmax Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。)里面将模型先做优化、uvw展开和uvw贴图处理,再将棋盘格附在模型上,根据棋盘格的拉伸情况,把模型切成比较平整的小块,然后编辑uvw,渲染贴图。最后在Photoshop里将多张照片对应到渲染出来的相对应的三角网中,从而实现模型的纹理映射。

将带有纹理的模型导入Toplite平台,使其能在系统中具有浏览,量测,剖图,属性等功能,从而实现建立石窟三维数字档案的目的。

除此之外,根据获取的点云数据,我们还先后绘制出云冈石窟外立面的立面图(5和正射影像图(62005年绘制出的云冈石窟立面图是中国石窟第一幅高精度(误差不超过3毫米)的石窟立面图。

同时,云冈石窟研究院将数字化与石窟保护相结合,利用虚拟现实技术模拟保护工程的各个步骤,对比收集洞窟修复前以及修复之后的相当一段时间内的图像信息,用于评估保护措施以及方法的有效性和时效性(78)。石窟数字化后还可以模拟自然灾害对石窟的损坏,如模拟地震应力对石窟的损坏等(910

云冈数字中心成立以来,陆续承担了《云冈石窟数字化工程示范》、《石质文物风化速度定量测定》、《基于三维激光扫描技术的云冈第12窟数字化获取及展示系统》等科研攻关项目,并且联合浙江大学、北京建筑大学、天津测绘院、大同测绘院编写了《高浮雕石窟寺与雕塑类文物三维数字化标准》、《基于三维激光扫描技术的高浮雕石窟寺与雕塑类文物三维数字化规程》、《基于多图像的高浮雕石窟寺与雕塑类文物三维数字化规程》等标准和规范,同时就“定量测定砂岩质文物表面风化速度的方法”向国家知识产权局申报了发明专利。

在对石质文物数字化探索和实践的同时,我们着力对大遗址、古建筑、古墓葬、彩塑壁画等多类别文物进行数字化的尝试和探索,如大同华严寺薄伽教藏殿、大同关帝庙、阳高云林寺、汾阳太符观、恒山悬空寺、长治大云院、大同辽代墓室、大同观音堂、五台山广济寺等(11

数字化成果的广泛应用,是未来数字化发展的主要空间,数据的有效使用是我们未来发展的主要的难题。我们希望构建应用型的共享的数据平台GIS,实现全院资源的共享。各级工作者根据使用的需求和权限的不同,通过简便的操作,对数据进行预处理,满足自己的工作和研究的需求,真正意义上实现大数据的快速有效使用。

                                  [作者单位:云冈石窟研究院数字中心]

 

注释

[1]臧春雨(三维激光扫描技术在文保研究中的应用》,《建筑学报》2006年第12期。

[2]徐源、高井祥、王坚《三维激光扫描技术》,《测绘信息与工程》2010年第35期。

(3]王恒《云冈石窟测绘方法的新尝试一一三维激光扫描技术在石窟测绘中的应用》,《文物》2011年第1

[4]冯梅、吕水生(三维激光扫描技术在文物保护中的应用》,《河南科技》2011年第19

[5]冉磊《三维激光扫描仪及其在文物保护中的应用研究》,《测绘通报》200年。

[6)吴育华、王金华、侯妙乐、张玉敏(《三维激光扫描技术在岩土文物保护中的应用》,《文物保护与考古科学》2011年第11期

[作者单位:云冈石窟研究院数字中心] 

(责任编辑:侯瑞)

图片说明

1云冈石窟三维数字化工作流程

2云冈石窟13窟主佛点云

3 云冈石窟附着纹理信息的彩色点云

4  910窟外立面点云数据

5云冈石窟立面图

6云冈石窟外立面正摄影像图

7洞窟修复前

8洞窟修复后

9 模拟自然灾害对石窟的损坏:小震情况下裂柱受力情况

10  模拟自然灾害对石窟的损坏:大震情况下裂柱受力情况

11辽代墓葬壁画数字化成果

 

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