位于山西大同的云岡石窟，一千五百年屹立不倒。但通過(guò)精細(xì)的測(cè)量手段，保護(hù)它的人知道，每年在自然狀態(tài)下，洞窟每平米平均有超過(guò)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(hù)的手段越來(lái)越豐富，但石窟的退化遵照自然的法則，無(wú)法徹底遏制。
保護(hù)者正通過(guò)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(guò)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(gè)大窟和200多個(gè)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(wàn)尊千姿百態(tài)的佛像。這些融匯中國(guó)、印度、希臘、羅馬等中西風(fēng)格的壯麗石窟，一千五百年來(lái)與山融為一體，俯視大同。
如今，被“復(fù)制”的云岡大佛們，走出大山，走進(jìn)青島、北京、杭州等地，未來(lái)還計(jì)劃環(huán)游世界。
10月20日，云岡石窟研究院數(shù)字化室潘鵬（左）與同事在采集第十一窟數(shù)據(jù)，該窟的數(shù)字化采集將于11月結(jié)束。
10月20日晚上7點(diǎn)，潘鵬跟同事打著手電，走進(jìn)云岡第十一窟的窟檐?？唛苁且蛔龑臃鹿拍举|(zhì)建筑，為了保護(hù)石窟所建，緊貼在石窟外面，相當(dāng)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度。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(tái)無(wú)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(jī)，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(bǔ)光均勻，相機(jī)都安裝了特別的環(huán)形LED補(bǔ)光燈。窟檐里的工作準(zhǔn)備區(qū)，立著十幾個(gè)棚閃燈、無(wú)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(shí)會(huì)晃動(dòng)。腳手架的鋼管從地面升起來(lái)，縱貫石窟，每隔約1.5米左右分為一層。
第十一窟的數(shù)字化采集在今年國(guó)慶假期后啟動(dòng)，前幾天剛完成窟頂?shù)谝粚拥墓ぷ?，第一層木板隨即拆除?，F(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(guò)，腳邊不遠(yuǎn)，木板邊緣已經(jīng)露出半個(gè)佛頭。
當(dāng)天白天，洞窟里還進(jìn)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(diǎn)點(diǎn)在壁面前移動(dòng)，與之相連的電腦上實(shí)時(shí)出現(xiàn)掃描出的畫面。沒(méi)接收到的地方，就形成一個(gè)黑洞，他一邊掃一邊盯著電腦檢查，隨時(shí)彌補(bǔ)缺失。
云岡石窟研究院數(shù)字化室龐博手持三維激光掃描儀一邊掃描一邊檢查電腦上的實(shí)時(shí)畫面。
站式激光掃描儀則在整層基本采集完時(shí)啟用，定位在一點(diǎn)，自動(dòng)對(duì)周邊空間進(jìn)行360度掃描。站式激光掃描儀對(duì)穩(wěn)定性要求極高，掃描時(shí)周邊不能有任何晃動(dòng)，除了負(fù)責(zé)操作的王家鑫，其余人全部退出洞窟。
近景攝影測(cè)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(zhǎng)。
“攝影的優(yōu)勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)攝影測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，使得三維結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確。”云岡石窟研究院數(shù)字化室第十一窟數(shù)字化項(xiàng)目負(fù)責(zé)人潘鵬解釋。站式三維掃描則可以記錄整個(gè)洞窟的空間尺度，就像定制一個(gè)尺寸標(biāo)準(zhǔn)的框架，將此前采集的三維圖像裝進(jìn)去。最終產(chǎn)出的結(jié)果，是準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)探索了10多年才形成。
云岡的5.9萬(wàn)多尊佛造像，最高達(dá)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(yuǎn)保持今天的容貌和色彩。
云岡石窟研究院數(shù)字化室王家鑫在設(shè)置站式三維激光掃描儀，該掃描儀可以記錄整個(gè)洞窟空間尺度，與近景攝影測(cè)量、手持三維激光掃描一起完成數(shù)據(jù)采集。
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(tái)單反相機(jī)，每臺(tái)每天大約要按1萬(wàn)次快門，一共采集近2萬(wàn)張照片。一個(gè)項(xiàng)目完工，要采集50萬(wàn)張以上，快門基本被按到失效。最困難的部分是佛龕內(nèi)的死角，他們得換用卡片相機(jī)，“凹”出各種姿勢(shì)，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(chǎng)，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(gè)過(guò)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(lái)，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(shí)候就很冷了?！?/p>
他預(yù)計(jì)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(dāng)時(shí)氣溫低到相機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)，設(shè)備接連出了問(wèn)題。
工人在拆除第二層腳手架的同時(shí)，攝影組加緊補(bǔ)拍最后一組圖片。新京報(bào)記者 浦峰 攝
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(fù)責(zé)將前方拍攝的照片導(dǎo)入電腦，快速瀏覽檢查，剔除不合要求的照片，然后導(dǎo)入圖像處理軟件。軟件會(huì)自動(dòng)提取每張照片的特征點(diǎn)，抽離色彩信息和幾何特征，變成間隔0.02毫米的一個(gè)個(gè)點(diǎn)源。由點(diǎn)連成線，三條線組成一個(gè)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(tái)電腦承擔(dān)著這項(xiàng)工作，每臺(tái)電腦的顯示器連接多達(dá)5臺(tái)主機(jī)，才能滿足運(yùn)算能力。這樣“疊羅漢”式的配置，能夠用一夜時(shí)間處理當(dāng)天拍攝的1~2萬(wàn)張照片，白天則繼續(xù)處理前晚加班采集的數(shù)據(jù)。
每當(dāng)一個(gè)新的采集項(xiàng)目啟動(dòng)，這些計(jì)算機(jī)都嗡嗡作響，夜以繼日。
最讓趙曉丹擔(dān)心的是，有時(shí)候算了一夜，結(jié)果計(jì)算出的模型出了差錯(cuò)，他們稱之為“跑飛了”。有時(shí)，龐大的運(yùn)算量還會(huì)讓計(jì)算機(jī)宕機(jī)，只能從頭再來(lái)。不過(guò)，云岡石窟研究院正在建設(shè)文物系統(tǒng)第一個(gè)先進(jìn)計(jì)算中心，他們將“鳥槍換炮”，擁有更大、更快的運(yùn)算能力。
這時(shí)，遠(yuǎn)在深圳的合作工廠里，數(shù)十臺(tái)3D打印機(jī)將三維模型的數(shù)據(jù)，打印成數(shù)百個(gè)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(gè)過(guò)程將持續(xù)8個(gè)月。去年夏天，平面設(shè)計(jì)出身的趙曉丹在深圳待了兩個(gè)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?！?/p>
今年6月，3D打印的原大云岡第十二窟在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館展出。云岡石窟研究院供圖
巴黎圣母院的警示
今年6月，浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館迎來(lái)一個(gè)完整的云岡洞窟。通過(guò)3D打印和組裝，第十二窟被等比例“復(fù)制＋粘貼”到杭州。
這是浙江大學(xué)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(gè)可拆卸3D打印數(shù)字化石窟，雙方希望這個(gè)石窟未來(lái)能走向全球巡展。
第一個(gè)等比例3D打印的石窟，是2017年在青島城市傳媒集團(tuán)廣場(chǎng)永久落地的第三窟。第三窟是云岡最大的石窟，整個(gè)項(xiàng)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(jì)施工、打印件拼裝、光源設(shè)計(jì)安裝、噴砂上色等工序，歷時(shí)2年。
“如果你想看云岡石窟，必須來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)，所以有人一輩子都不知道云岡石窟是什么樣子。”云岡石窟研究院數(shù)字化室技術(shù)員王家鑫說(shuō)，“最好的方式，就是讓文物走到大家身邊?！?/p>
航拍云岡石窟年代最早的一組石窟——曇曜五窟。新京報(bào)記者 浦峰 攝
不過(guò)，一開始，石窟數(shù)字化的目的并非為了展示，而是出于對(duì)文物保護(hù)的迫切需要。
直觀來(lái)看，云岡石窟可能每隔十年都有可見(jiàn)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(hù)工程，云岡石窟研究院對(duì)第九、十窟的列柱進(jìn)行了持續(xù)表面落沙量監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在未修建窟檐前，1平米的面積上，平均每年大約會(huì)剝掉落10點(diǎn)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(dǎo)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(gè)平面，無(wú)法知道曾經(jīng)是什么樣。留存當(dāng)下的數(shù)字資料，將為未來(lái)彌補(bǔ)這種遺憾。
去年4月，巴黎圣母院遭遇火災(zāi)。慶幸的是，此前完成的激光掃描數(shù)字化采集，用10億多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jī)構(gòu)，為應(yīng)對(duì)不測(cè)之虞，必須盡早建立數(shù)字檔案。
浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院副院長(zhǎng)李志榮認(rèn)為，當(dāng)前石窟寺數(shù)字化最核心的目的，是了解我國(guó)石窟寺文物本體基本現(xiàn)狀，用數(shù)字化方法，將中國(guó)大地上石窟所有信息在21世紀(jì)老老實(shí)實(shí)、系統(tǒng)記錄下來(lái)。
近期目標(biāo)來(lái)看，她希望5年之后，使中國(guó)能得到一個(gè)包含石窟寺翔實(shí)基本信息的大數(shù)據(jù)庫(kù)，各石窟寺都能收獲扎實(shí)的數(shù)字檔案，使得其他各項(xiàng)事務(wù)都能升級(jí)。
虛擬修復(fù)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(lái)，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(fù)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(dòng)物、花草紋樣的精湛雕刻?！澳敲淳薮蟮捏w量、復(fù)雜的空間、精湛的雕刻，造成的整個(gè)三維數(shù)字化工作的采集難、存儲(chǔ)難、應(yīng)用難?！睂幉ㄕf(shuō)。
最早，云岡石窟曾經(jīng)想借用敦煌的數(shù)字化采集方法來(lái)做，走了彎路，因?yàn)槎鼗蛿?shù)字化的對(duì)象主要是壁畫，而云岡石窟的主體是高浮雕造像?！按罂叽笙瘢瑥募夹g(shù)到工程遇到許多實(shí)際問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)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。”
云岡石窟研究院數(shù)字化室王超用相機(jī)采集第十二窟窟頂影像。新京報(bào)記者 浦峰 攝
在此過(guò)程中，云岡石窟充分借助外力。例如，北京建筑大學(xué)最早為云岡石窟解決了外立面數(shù)字化難題，浙江大學(xué)、武漢大學(xué)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(guó)石窟寺中具有典型性，“當(dāng)他們來(lái)到云岡時(shí)，都覺(jué)得解決了云岡的數(shù)字化采集難題，全國(guó)大部分石窟的難題也會(huì)迎刃而解?！睂幉ㄕf(shuō)，這幾家共同成立了“數(shù)字云岡聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，解決石窟采集、保存和應(yīng)用難題。
當(dāng)石窟建立起數(shù)據(jù)庫(kù)，更多的歷史缺憾將被彌補(bǔ)。一個(gè)典型案例，是位于河南洛陽(yáng)的龍門石窟，曾利用數(shù)字技術(shù)“復(fù)原”過(guò)殘缺的文物。
龍門石窟萬(wàn)佛洞前室南壁的觀世音像龕，體態(tài)婀娜優(yōu)雅，雕刻細(xì)膩流暢，素有龍門“最美觀世音”的美譽(yù)，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(duì)其進(jìn)行虛擬復(fù)原，不僅重現(xiàn)菩薩面容，還恢復(fù)了色彩。
龍門石窟“最美觀世音”虛擬復(fù)原前（左）和復(fù)原后（右）。圖/龍門石窟研究院
虛擬復(fù)原的依據(jù)，主要來(lái)自四個(gè)方面：老照片、三維數(shù)據(jù)測(cè)量、顏色檢測(cè)分析報(bào)告，以及同時(shí)期、同類型造像參考。研究人員利用三維掃描測(cè)繪數(shù)據(jù)，首先推斷出缺失部位的體積、長(zhǎng)寬、弧度等，然后結(jié)合老照片資料和同時(shí)期、同類型造像規(guī)律，進(jìn)行造型復(fù)原。
由于沒(méi)有第一手的資料，彩繪的復(fù)原也相當(dāng)困難。肉眼只能看到殘留的紅色和黑色，但顏色檢測(cè)分析測(cè)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(cè)和出土文物對(duì)照，并考慮到褪色效果，復(fù)原了造像的彩繪。
如今，龍門石窟通過(guò)APP的AR掃描、紀(jì)錄片、3D打印等多種形式，讓觀眾在現(xiàn)場(chǎng)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(fù)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(guò)轉(zhuǎn)手，成為外國(guó)博物館的藏品。被盜文物的追索，仍然是一個(gè)難題。不過(guò)，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(guò)數(shù)字化手段讓佛像復(fù)原，讓觀眾看到佛像完整的面貌。
不斷“重頭再來(lái)”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位中，石窟寺及石刻超過(guò)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(shì)，但依然遭受著風(fēng)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(qiáng)在云岡石窟舉辦的一次石窟寺數(shù)字化保護(hù)論壇上表示，目前麥積山石窟有數(shù)字中心，但沒(méi)有專業(yè)隊(duì)伍，人員培訓(xùn)和設(shè)備增加等沒(méi)有同步跟上。
麥積山石窟游客量逐年增加，已經(jīng)達(dá)到80萬(wàn)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2-3立方米，平常都是處于封閉狀態(tài)。董廣強(qiáng)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(diǎn)洞窟的三維掃描，并在適當(dāng)位置建立麥積山石窟文物數(shù)字展示中心，為更多游客提供參觀數(shù)字化參觀體驗(yàn)。
全國(guó)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(tuán)隊(duì)。
寧波認(rèn)為，全國(guó)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(shí)間緊迫的問(wèn)題，同時(shí)數(shù)字化采集、存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，將來(lái)的數(shù)據(jù)所有權(quán)也都會(huì)面臨一些難題需要解決。
王家鑫用小型相機(jī)采集佛龕內(nèi)難以采集的“死角”，這是圖像采集中的難點(diǎn)。
全國(guó)石窟寺正在通過(guò)一些平臺(tái)聯(lián)合起來(lái)。例如，今年9月，中國(guó)文物保護(hù)基金會(huì)啟動(dòng)“數(shù)字重生——絲綢之路沿線石窟寺數(shù)字化保護(hù)項(xiàng)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(hù)利用方式。其長(zhǎng)遠(yuǎn)目的在于，在當(dāng)前石窟寺數(shù)字化工作基礎(chǔ)上，推動(dòng)絲綢之路沿線石窟整體數(shù)字化進(jìn)程。
預(yù)計(jì)項(xiàng)目周期為6年，前三年更側(cè)重于數(shù)字化記錄存儲(chǔ)、虛擬修復(fù)、數(shù)字回歸，以及探索數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)建立，后三年更側(cè)重于展覽展示、公眾教育、公益活動(dòng)，以及文化價(jià)值闡釋和傳播，籌資與傳播貫穿于全過(guò)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(lái)，該團(tuán)隊(duì)帶著全套設(shè)備，走入北京明十三陵的長(zhǎng)陵祾恩殿、山西運(yùn)城廣仁王廟、五臺(tái)山南禪寺以及永樂(lè)宮和華嚴(yán)寺等。長(zhǎng)陵祾恩殿是難度最大的一個(gè)項(xiàng)目，他們待了兩個(gè)月，花的時(shí)間比采集云岡石窟一個(gè)洞窟還要多。
潘鵬回憶，長(zhǎng)陵祾恩殿難度主要在于體量太大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部要用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，內(nèi)部使用三維掃描儀。大殿地面鋪設(shè)古磚，無(wú)法直接立鋼柱，他們自己設(shè)計(jì)定制了一個(gè)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(xì)節(jié)。
從2005年云岡石窟啟動(dòng)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(guò)，隨著技術(shù)的迭代，這項(xiàng)工作往往需要“重頭再來(lái)”。
云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、知識(shí)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(rèn)為，要對(duì)技術(shù)持開放態(tài)度，新技術(shù)的介入將擴(kuò)展石窟寺保護(hù)的手段，升級(jí)石窟寺保護(hù)的流程，也將提升數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)。
潘鵬說(shuō)，四五年前進(jìn)行了第五窟的數(shù)字化，現(xiàn)在看，當(dāng)時(shí)的技術(shù)已經(jīng)落后了，數(shù)據(jù)精度也不如現(xiàn)在。他預(yù)計(jì)，當(dāng)前設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，五到十年可以保持在先進(jìn)水平。但在那之后，新一輪的采集或許又要開始了。
來(lái)源：新京報(bào)
