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他們用數(shù)字技術(shù)“復制”云岡石窟 “永駐”佛像容顏

2020年11月05日 14:44  |  來源:新京報
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洞窟每年會風化剝落;專家們利用數(shù)字化技術(shù)采集數(shù)據(jù),再通過3D打印呈現(xiàn)洞窟

位于山西大同的云岡石窟,一千五百年屹立不倒。但通過精細的測量手段,保護它的人知道,每年在自然狀態(tài)下,洞窟每平方米平均有超過10立方厘米砂巖剝落。

看似微不足道的形變,放在十年、百年、千年的尺度里,便十分可觀。雖然文物保護的手段越來越豐富,但石窟的退化遵照自然的法則,無法徹底遏制。

保護者正通過別的方式,挽留這些精美而歷經(jīng)滄桑的佛像。云岡石窟研究院通過數(shù)字化技術(shù),正在將石窟的信息全部記錄、重現(xiàn)在數(shù)字空間里,再利用3D打印,將這些洞窟等大、逼真地再現(xiàn)。

云岡45個大窟和200多個小窟分布在武周山南麓,自東向西延綿一公里,其中立著約5.9萬尊千姿百態(tài)的佛像。這些融匯中國、印度、希臘、羅馬等中西風格的壯麗石窟,一千五百年來與山融為一體,俯視大同。

如今,被“復制”的云岡大佛們,走出大山,走進青島、北京、杭州等地,未來還計劃環(huán)游世界。

夜拍十一窟

10月20日晚上7點,潘鵬跟同事打著手電,走進云岡第十一窟的窟檐。窟檐是一座三層仿古木質(zhì)建筑,為了保護石窟所建,緊貼在石窟外面,相當于一層外殼?!皻ぁ眱?nèi)還可以安裝設(shè)備,為石窟調(diào)節(jié)干濕度。

這一天大同氣溫驟降,晚上已經(jīng)低于10℃。他們穿著抓絨開衫,外面套上沖鋒衣,冷氣依然侵入身體,保溫水壺必不可少。

一臺無影燈和棚閃燈投向工作區(qū),將黑暗的石窟照亮。李澤華和王超拿著單反相機,拍攝東壁最后剩余的一部分,在內(nèi)壁投下巨大的影子。為了補光均勻,相機都安裝了特別的環(huán)形LED補光燈??唛芾锏墓ぷ鳒蕚鋮^(qū),立著十幾個棚閃燈、無影燈,各種器材的黑色充電器鋪了一地。

他們站立的地方,是距離地面十多米的腳手架,腳手架上鋪著木板,行走時會晃動。腳手架的鋼管從地面升起來,縱貫石窟,每隔1.5米左右分為一層。

第十一窟的數(shù)字化采集在今年國慶假期后啟動,前幾天剛完成窟頂?shù)谝粚拥墓ぷ?,第一層木板隨即拆除。現(xiàn)在是從上往下數(shù)的第二層,仰頭就是窟頂。王超從木板上小心走過,腳邊不遠,木板邊緣已經(jīng)露出半個佛頭。

當天白天,洞窟里還進行了另外兩種采集工作:手持三維掃描和站式三維掃描。

龐博手持三維激光掃描儀,如超市收銀的掃碼器大小,一點點在壁面前移動,與之相連的電腦上實時出現(xiàn)掃描出的畫面。沒接收到的地方,就形成一個黑洞,他一邊掃一邊盯著電腦檢查,隨時彌補缺失。

站式激光掃描儀則在整層基本采集完時啟用,定位在一點,自動對周邊空間進行360度掃描。站式激光掃描儀對穩(wěn)定性要求極高,掃描時周邊不能有任何晃動,除了負責操作的王家鑫,其余人全部退出洞窟。

近景攝影測量、手持三維激光掃描和站式三維激光掃描,三種采集方式各有所長。

“攝影的優(yōu)勢是像素比較高,紋理十分清晰,但由于是二維轉(zhuǎn)三維,空間結(jié)構(gòu)有誤差。激光掃描的空間坐標準,可以對攝影測量進行校準,使得三維結(jié)構(gòu)更準確。”云岡石窟研究院數(shù)字化室第十一窟數(shù)字化項目負責人潘鵬解釋。站式三維掃描則可以記錄整個洞窟的空間尺度,就像定制一個尺寸標準的框架,將此前采集的三維圖像裝進去。最終產(chǎn)出的結(jié)果,是準確的三維彩色模型。

這三種方式結(jié)合的技術(shù)方案,云岡石窟數(shù)字化團隊探索了10多年才形成。

云岡的約5.9萬尊佛造像,最高達17.3米,最小僅2厘米高,拇指大小。他們一寸寸采集圖片和數(shù)據(jù),正在將讓這些佛造像在數(shù)字空間里“重生”,永遠保持今天的容貌和色彩。

3D大佛的誕生

一夜的趕工,第十一窟的第二層數(shù)據(jù)采集全部結(jié)束。

近景攝影組的兩臺單反相機,每臺每天大約要摁1萬次快門,一共采集近2萬張照片。一個項目完工,要采集50萬張以上,快門基本被摁到失效。最困難的部分是佛龕內(nèi)的死角,他們得換用卡片相機,“凹”出各種姿勢,伸到佛像的耳后、側(cè)面拍攝,腳下要注意安全,手上又不能觸碰文物。

10月21日一早,工人師傅入場,拆除第二層的木板。拆完以后,木板將移到第三層鋪設(shè)。整個過程持續(xù)一到兩天,整層的數(shù)據(jù)采集需要一天半到兩天,加起來,每一層的工作需要4天完工。

“一共搭了九層,還有七層,那就是28天左右?!迸所i算了一下,“必須抓緊工期了,要不然到時候就很冷了?!?/p>

他預計到11月下旬,窟內(nèi)的采集就要停止了。前車之鑒就在眼前,前幾年歲末年初,他們做了第十二窟的數(shù)據(jù)采集,當時氣溫低到相機自動關(guān)機,設(shè)備接連出了問題。

數(shù)據(jù)處理員趙曉丹的工作環(huán)境稍好,不用在窟內(nèi)受凍。在辦公室,她負責將前方拍攝的照片導入電腦,快速瀏覽檢查,剔除不合要求的照片,然后導入圖像處理軟件。軟件會自動提取每張照片的特征點,抽離色彩信息和幾何特征,變成間隔0.02毫米的一個個點源。由點連成線,三條線組成一個面,面與面合成空間,完成從二維照片到三維模型的初步處理。

云岡石窟研究院數(shù)字化室的辦公室里,五臺電腦承擔著這項工作,每臺電腦的顯示器連接多達5臺主機,才能滿足運算能力。這樣“疊羅漢”式的配置,能夠用一夜時間處理當天拍攝的1萬至2萬張照片,白天則繼續(xù)處理前晚加班采集的數(shù)據(jù)。

每當一個新的采集項目啟動,這些計算機都嗡嗡作響,夜以繼日。

最讓趙曉丹擔心的是,有時候算了一夜,結(jié)果計算出的模型出了差錯,他們稱之為“跑飛了”。有時,龐大的運算量還會讓計算機宕機,只能從頭再來。不過,云岡石窟研究院正在建設(shè)文物系統(tǒng)第一個先進計算中心,他們將“鳥槍換炮”,擁有更大、更快的運算能力。

這時,遠在深圳的合作工廠里,數(shù)十臺3D打印機將三維模型的數(shù)據(jù),打印成數(shù)百個立體模塊。其后,美術(shù)師與工人師傅一起,為與洞窟等大的十幾米高3D模型上色。

這個過程將持續(xù)8個月。去年夏天,平面設(shè)計出身的趙曉丹在深圳待了兩個月,為此前采集完數(shù)據(jù)的第十二窟模型上色,“畫面十分壯觀。”

巴黎圣母院的警示

今年6月,浙江大學藝術(shù)與考古博物館迎來一個完整的云岡洞窟。通過3D打印和組裝,第十二窟被等比例“復制+粘貼”到杭州。

這是浙江大學文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院聯(lián)合完成的世界首個可拆卸3D打印數(shù)字化石窟,雙方希望這個石窟未來能走向全球巡展。

第一個等比例3D打印的石窟,是2017年在青島城市傳媒集團廣場永久落地的第三窟。第三窟是云岡最大的石窟,整個項目歷經(jīng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、3D打印、結(jié)構(gòu)體設(shè)計施工、打印件拼裝、光源設(shè)計安裝、噴砂上色等工序,歷時2年。

“如果你想看云岡石窟,必須來現(xiàn)場,所以有人一輩子都不知道云岡石窟什么樣子?!痹茖哐芯吭簲?shù)字化室技術(shù)員王家鑫說,“最好的方式,就是讓文物走到大家身邊?!?/p>

不過,一開始,石窟數(shù)字化的目的并非為了展示,而是出于對文物保護的迫切需要。

直觀來看,云岡石窟可能每隔十年都有可見的變化?,F(xiàn)代技術(shù)佐證了這一感受,從2012年起,配合云岡五華洞窟檐保護工程,云岡石窟研究院對第九、十窟的列柱進行了持續(xù)表面落沙量監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明,在未修建窟檐前,1平方米的面積上,平均每年大約會剝掉落10點多立方厘米的砂巖。

在一些石窟最內(nèi)側(cè)的北壁,因山體滲水導致的壁面剝落尤為劇烈,造像已經(jīng)模糊不清,甚至退化成近乎一個平面,無法知道曾經(jīng)是什么樣。留存當下的數(shù)字資料,將為未來彌補這種遺憾。

去年4月,巴黎圣母院遭遇火災。慶幸的是,此前完成的激光掃描數(shù)字化采集,用10億多個數(shù)據(jù)點記錄了圣母院的全貌,可為重修提供依據(jù)。這件事提醒全世界文化遺產(chǎn)機構(gòu),為應(yīng)對不測之虞,必須盡早建立數(shù)字檔案。

浙江大學文化遺產(chǎn)研究院副院長李志榮認為,當前石窟寺數(shù)字化最核心的目的,是了解我國石窟寺文物本體基本現(xiàn)狀,用數(shù)字化方法,將中國大地上石窟所有信息在21世紀老老實實、系統(tǒng)記錄下來。

近期目標來看,她希望5年之后,使中國能得到一個包含石窟寺翔實基本信息的大數(shù)據(jù)庫,各石窟寺都能收獲扎實的數(shù)字檔案,使得其他各項事務(wù)都能升級。

虛擬修復與數(shù)字回歸

在云岡石窟研究院數(shù)字化室主任寧波看來,云岡石窟是開展數(shù)字化難度最高的一類石窟。

云岡石窟作為高浮雕石窟杰作,體量巨大,“山是一座窟,窟是一座山”。而且空間結(jié)構(gòu)復雜,既有印度的穹廬頂,又有北魏皇家的中式宮殿樣式,遍布希臘、羅馬、印度、中式的建筑、人物、動物、花草紋樣的精湛雕刻?!澳敲淳薮蟮捏w量、復雜的空間、精湛的雕刻,造成的整個三維數(shù)字化工作的采集難、存儲難、應(yīng)用難?!睂幉ㄕf。

最早,云岡石窟曾經(jīng)想借用敦煌的數(shù)字化采集方法來做,走了彎路,因為敦煌數(shù)字化的對象主要是壁畫,而云岡石窟的主體是高浮雕造像?!按罂叽笙?,從技術(shù)到工程遇到許多實際問題,我們經(jīng)過10多年的探索,才基本解決了云岡石窟三維數(shù)字化采集的難題?!?/p>

在此過程中,云岡石窟充分借助外力。例如,北京建筑大學最早為云岡石窟解決了外立面數(shù)字化難題,浙江大學、武漢大學與云岡研究院合作,提供了充分的技術(shù)支持。

由于云岡石窟在全國石窟寺中具有典型性,“當他們來到云岡時,都覺得解決了云岡的數(shù)字化采集難題,全國大部分石窟的難題也會迎刃而解?!睂幉ㄕf,這幾家共同成立了“數(shù)字云岡聯(lián)合實驗室”,解決石窟采集、保存和應(yīng)用難題。

當石窟建立起數(shù)據(jù)庫,更多的歷史缺憾將被彌補。一個典型案例,是位于河南洛陽的龍門石窟,曾利用數(shù)字技術(shù)“復原”過殘缺的文物。

龍門石窟萬佛洞前室南壁的觀世音像龕,體態(tài)婀娜優(yōu)雅,雕刻細膩流暢,素有龍門“最美觀世音”的美譽,但這尊造像的發(fā)髻以下至鼻子以上慘遭破壞,面目全非。去年,龍門石窟研究院對其進行虛擬復原,不僅重現(xiàn)菩薩面容,還恢復了色彩。

虛擬復原的依據(jù),主要來自四個方面:老照片、三維數(shù)據(jù)測量、顏色檢測分析報告,以及同時期、同類型造像參考。研究人員利用三維掃描測繪數(shù)據(jù),首先推斷出缺失部位的體積、長寬、弧度等,然后結(jié)合老照片資料和同時期、同類型造像規(guī)律,進行造型復原。

由于沒有第一手的資料,彩繪的復原也相當困難。肉眼只能看到殘留的紅色和黑色,但顏色檢測分析測出了少量金元素,意味著曾有金色。再根據(jù)其他洞窟色彩檢測和出土文物對照,并考慮到褪色效果,復原了造像的彩繪。

如今,龍門石窟通過APP的AR掃描、紀錄片、3D打印等多種形式,讓觀眾在現(xiàn)場和線上都可以看到“最美觀世音”的完整面目,并了解虛擬修復背后的故事。

還有一種可能的應(yīng)用途徑,是讓流失海外的石窟文物“數(shù)字回歸”。

例如一些佛像的佛頭在歷史上被盜,經(jīng)過轉(zhuǎn)手,成為外國博物館的藏品。被盜文物的追索,仍然是一個難題。不過,在被返還之前,如果能采集到被盜文物的數(shù)字信息,就能通過數(shù)字化手段讓佛像復原。

不斷“從頭再來”

據(jù)統(tǒng)計,全國重點文物保護單位中,石窟寺及石刻超過三百處。石窟寺歷史悠久,延綿近兩千年,縱使有免遭雷火毀滅的優(yōu)勢,但依然遭受著風化、滲水等自然病害,以及歷史上的人為破壞、被盜流失。

此前不久,麥積山石窟藝術(shù)研究所數(shù)字中心主任董廣強在云岡石窟舉辦的一次石窟寺數(shù)字化保護論壇上表示,目前麥積山石窟有數(shù)字中心,但沒有專業(yè)隊伍,人員培訓和設(shè)備增加等沒有同步跟上。

麥積山石窟游客量逐年增加,已經(jīng)達到80萬人次,但是由于多數(shù)是小型洞窟,絕大多數(shù)內(nèi)部空間僅2至3立方米,平常都是處于封閉狀態(tài)。董廣強稱,希望后續(xù)根據(jù)洞窟內(nèi)塑像精美程度等因素,完成部分重點洞窟的三維掃描,并在適當位置建立麥積山石窟文物數(shù)字展示中心,為更多游客提供數(shù)字化參觀體驗。

全國更多小型、分散的石窟寺,更難以具備專業(yè)的數(shù)字化技術(shù)和團隊。

寧波認為,全國石窟數(shù)量巨大,在短期內(nèi)都將存在數(shù)字化工作量大,時間緊迫的問題,同時數(shù)字化采集、存儲標準還不完善,將來的數(shù)據(jù)所有權(quán)也都會面臨一些難題需要解決。

全國石窟寺正在通過一些平臺聯(lián)合起來。例如,今年9月,中國文物保護基金會啟動“數(shù)字重生——絲綢之路沿線石窟寺數(shù)字化保護項目”,云岡、龍門、麥積山三大石窟首批參與,探索更多數(shù)字化保護利用方式。其長遠目的在于,在當前石窟寺數(shù)字化工作基礎(chǔ)上,推動絲綢之路沿線石窟整體數(shù)字化進程。

預計項目周期為6年,前三年更側(cè)重于數(shù)字化記錄存儲、虛擬修復、數(shù)字回歸,以及探索數(shù)字化標準建立,后三年更側(cè)重于展覽展示、公眾教育、公益活動,以及文化價值闡釋和傳播,籌資與傳播貫穿于全過程。

作為數(shù)字化起步較早、技術(shù)較為成熟的石窟寺,云岡石窟正在走出去,幫助其他文物單位建立數(shù)字檔案。

近年來,該團隊帶著全套設(shè)備,走入北京明十三陵的長陵祾恩殿、山西運城廣仁王廟、五臺山南禪寺以及永樂宮和華嚴寺等。長陵祾恩殿是難度最大的一個項目,他們待了兩個月,花的時間比采集云岡石窟一個洞窟還要多。

潘鵬回憶,長陵祾恩殿難度主要在于體量太大、結(jié)構(gòu)復雜,外部要用無人機攝影測量,內(nèi)部使用三維掃描儀。大殿地面鋪設(shè)古磚,無法直接立鋼柱,他們自己設(shè)計定制了一個氣柱,底部為氣墊,可以將鋼柱升到十米多高,將掃描儀放在上面,掃描高處的建筑細節(jié)。

從2005年云岡石窟啟動外立面數(shù)字化采集開始,至今大約完成整體石窟三分之一的數(shù)據(jù)采集。不過,隨著技術(shù)的迭代,這項工作往往需要“從頭再來”。

云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、知識圖譜、人工智能等更多的數(shù)字技術(shù),正擺到文保工作者面前。李志榮認為,要對技術(shù)持開放態(tài)度,新技術(shù)的介入將擴展石窟寺保護的手段,升級石窟寺保護的流程,也將提升數(shù)字化的標準。

潘鵬說,四五年前進行了第五窟的數(shù)字化,現(xiàn)在看,當時的技術(shù)已經(jīng)落后了,數(shù)據(jù)精度也不如現(xiàn)在。他預計,當前設(shè)備采集的數(shù)據(jù),五到十年可以保持在先進水平。但在那之后,新一輪的采集或許又要開始了。

編輯:楊嵐

關(guān)鍵詞:石窟 數(shù)字化 云岡石窟 采集


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