专题报道

全球首个3D打印大体量高精度文物复制项目落成

2017-12-19

图: 复制窟施工现场

12月16日,青岛市文化传媒集团广场6楼。随着金丝绒落地大幕徐徐拉开,一尊高10米的坐佛庄严地展现在世人面前。人们高举起手中的相机,在啧啧赞叹声中按下快门。这是全世界首次用3D打印技术实现的大体量、高精度文物复制工程,位于山西大同的世界文化遗产云冈石窟第3窟,被原比例高精度“复制”到千里之外的青岛,原真呈现。

1500余年前,在山西武周山南麓的岩壁上,北魏时期的艺术家与匠人们先后历时60多年,一凿一锤地开凿出了云冈石窟。1500余年后的今天,在“让文物活起来”理想指引下,云冈石窟研究院与浙江大学文化遗产研究院数字化团队的科学家们,用3D打印技术让云冈石窟“走”出山西。

第3窟是云冈石窟45个洞窟中体量较大的一个,又名“灵岩寺”。窟面东西各开一门,窟内北壁雕阿弥陀佛、观世音和大势至菩萨三尊像。主尊阿弥陀佛高10米,倚坐,面部圆润丰满,神态超然,右手施无畏印,左手抚膝,通身饰背光,神态安详。两侧菩萨高约6米,头戴宝冠,精美庄严。


“复制”过程中的关键环节是将洞窟分成842块进行3D打印。“所有这842块部件,都是3D打印机用0.4毫米粗的“针尖”一层一层打出来的。”浙大文化遗产研究院院长助理刁常宇老师说,这相当于用0.4毫米的笔尖画一幅大尺度的三维工笔画,20台3D打印机昼夜不停地“画”了六个月,最终形成了整体长17.9米,宽13.6米,高10米的复制窟。真窟还是复制窟,肉眼已无法分辨,一系列关键技术的突破让这项“世界首次”得以实现。

首先是三维数据采集与建模。刁常宇介绍,0.4毫米精度的细节还原要求对数据采集与处理提出了很大挑战。团队前期为石窟拍摄了近一万张照片,在此基础上进行三维模型重建,三维模型结果的平均点间距小于2毫米。“这个数据处理量几乎达到了当前设备计算能力的极限,我们为此重写了三维模型重建软件,好让计算机能够顺利处理这么庞大的数据。然后,关于怎么切分打印,团队也做了多次试验才最终确定方案。”复制窟整体三维重建误差小于5毫米,云冈石窟研究院数字中心主任宁波说,这一项目标志着中国大型石质文物的数字化全息高保真记录已达到复原水平。
图:计算机重建三维模型

842块石窟部件,是攻关团队自主研发的20台3D打印机同步加工制作半年的成果。刁常宇介绍,为了实现大块部件的打印,3D打印机的尺寸也倍增了许多。”全部部件在深圳打印完成后,由6辆17.5米长的箱式重型卡车分批运送到青岛。再经过机械拼装、泡沫填充、拼缝处理等工序,现场施工3个月,最终完成原尺寸、高保真的复制窟。高大的石窟寺,材料的承重也成为一大挑战,“打印的浮雕只有两毫米厚,稍有不慎就容易碎裂。”对此,团队还研发了一系列加固技术,保证了浮雕的强度。

即使触摸着岩壁与雕像,强烈的砂砾感也给人原真的触觉,如果手势重一些,还会有几粒沙子粘到手指,像极了石窟寺被风化的痕迹。刁常宇说,这是团队专门研发的喷漆材料,呈现了逼真的黄砂岩质感。再由冈石窟研究院的艺术家人工上色完成细节,色彩还原度到达90%以上。连复制窟的灯光,也是专门设计研究过的。一位工作人员介绍,人们在复制窟的光线氛围,模拟的刚好是山西大同午后四点阳光通过明窗射入窟内的效果。

在阿弥陀佛像前,浙大文化遗产研究院石窟寺考古专家李志荣副教授驻足凝视,她说,云冈石窟在学界有“石窟寺之母”的美誉,这尊阿弥陀佛,面目圆润,笑容健朗,传递出一种宽广超然的氛围,这也是当时国家精、气、神的体现。因为工艺精准,复制工程不仅复制出了“形”,也复制了“神”。

党的十九大提出了加强文物保护利用和文化遗产保护传承的要求。云冈石窟第3窟复制工程是中国数字科技在文物保护和传承领域大规模应用实践的一个里程碑,是“数字云冈联合实验室”成立一年来取得的重要成果之一。目前,可移动的云冈石窟第12、18窟的复制工作正在紧张进行中。未来,可移动的云冈石窟复制窟、多人互动云冈石窟VR系统将陆续问世,让携带着中华文明基因的文物真正“活起来”,走出去。

图:项目组部分成员在复制窟现场
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