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      專題欄目:ARVRMR虛擬現實

      “復制”一個云岡石窟

      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,每年在自然狀態下,洞窟每平米平均有超過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滄桑的佛像。云岡石窟研究院通過數字化技術,正在將石窟的信息全部記錄、重現在數字空間里,再利用3D打印,將這些洞窟等大、逼真地再現。

      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,未來還計劃環游世界。

      10月20日,云岡石窟研究院數字化室潘鵬(左)與同事在采集第十一窟數據,該窟的數字化采集將于11月結束。

      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??唛苁且蛔龑臃鹿拍举|建筑,為了保護石窟所建,緊貼在石窟外面,相當于一層外殼?!皻ぁ眱冗€可以安裝設備,為石窟調節干濕度。

      這一天大同氣溫驟降,晚上已經低于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。

      一臺無影燈和棚閃燈投向工作區,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,在內壁投下巨大的影子。為了補光均勻,相機都安裝了特別的環形LED補光燈??唛芾锏墓ぷ鳒蕚鋮^,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,每隔約1.5米左右分為一層。

      第十一窟的數字化采集在今年國慶假期后啟動,前幾天剛完成窟頂第一層的工作,第一層木板隨即拆除?,F在是從上往下數的第二層,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。

      云岡石窟研究院數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時畫面。

      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。

      “攝影的優勢是像素比較高,紋理十分清晰,但由于是二維轉三維,空間結構有誤差。激光掃描的空間坐標準,可以對攝影測量進行校準,使得三維結構更準確?!痹茖哐芯吭簲底只业谑豢邤底只椖控撠熑伺所i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。最終產出的結果,是準確的三維彩色模型。

      這三種方式結合的技術方案,云岡石窟數字化團隊探索了10多年才形成。

      云岡的5.9萬多尊佛造像,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據,正在將讓這些佛造像在數字空間里“重生”,永遠保持今天的容貌和色彩。

      云岡石窟研究院數字化室王家鑫在設置站式三維激光掃描儀,該掃描儀可以記錄整個洞窟空間尺度,與近景攝影測量、手持三維激光掃描一起完成數據采集。

      3D大佛的誕生

      一夜的趕工,第十一窟的第二層數據采集全部結束。

      近景攝影組的兩臺單反相機,每臺每天大約要按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,快門基本被按到失效。最困難的部分是佛龕內的死角,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。整個過程持續一到兩天,整層的數據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據采集,當時氣溫低到相機自動關機,設備接連出了問題。

      工人在拆除第二層腳手架的同時,攝影組加緊補拍最后一組圖片。新京報記者 浦峰 攝

      數據處理員趙曉丹的工作環境稍好,不用在窟內受凍。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1~2萬張照片,白天則繼續處理前晚加班采集的數據。

      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文物系統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,數十臺3D打印機將三維模型的數據,打印成數百個立體模塊。其后,美術師與工人師傅一起,為與洞窟等大的十幾米高3D模型上色。

      這個過程將持續8個月。去年夏天,平面設計出身的趙曉丹在深圳待了兩個月,為此前采集完數據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藝術與考古博物館展出。云岡石窟研究院供圖

      巴黎圣母院的警示

      今年6月,浙江大學藝術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研究院與云岡石窟研究院聯合完成的世界首個可拆卸3D打印數字化石窟,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,整個項目歷經數據采集、數據處理、3D打印、結構體設計施工、打印件拼裝、光源設計安裝、噴砂上色等工序,歷時2年。

      “如果你想看云岡石窟,必須來到現場,所以有人一輩子都不知道云岡石窟是什么樣子?!痹茖哐芯吭簲底只壹夹g員王家鑫說,“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。新京報記者 浦峰 攝

      不過,一開始,石窟數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代技術佐證了這一感受,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表面落沙量監測。監測結果表明,在未修建窟檐前,1平米的面積上,平均每年大約會剝掉落10點多立方厘米的砂巖。

      在一些石窟最內側的北壁,因山體滲水導致的壁面剝落尤為劇烈,造像已經模糊不清,甚至退化成近乎一個平面,無法知道曾經是什么樣。留存當下的數字資料,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字化采集,用10億多個數據點記錄了圣母院的全貌,可為重修提供依據。這件事提醒全世界文化遺產機構,為應對不測之虞,必須盡早建立數字檔案。

      浙江大學文化遺產研究院副院長李志榮認為,當前石窟寺數字化最核心的目的,是了解我國石窟寺文物本體基本現狀,用數字化方法,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據庫,各石窟寺都能收獲扎實的數字檔案,使得其他各項事務都能升級。

      虛擬修復與數字回歸

      在云岡石窟研究院數字化室主任寧波看來,云岡石窟是開展數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”。而且空間結構復雜,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,造成的整個三維數字化工作的采集難、存儲難、應用難?!睂幉ㄕf。

      最早,云岡石窟曾經想借用敦煌的數字化采集方法來做,走了彎路,因為敦煌數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?,從技術到工程遇到許多實際問題,我們經過10多年的探索,才基本解決了云岡石窟三維數字化采集的難題?!?/p>

      云岡石窟研究院數字化室王超用相機采集第十二窟窟頂影像。新京報記者 浦峰 攝

      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“數字云岡聯合實驗室”,解決石窟采集、保存和應用難題。

      當石窟建立起數據庫,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,曾利用數字技術“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,體態婀娜優雅,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,不僅重現菩薩面容,還恢復了色彩。

      龍門石窟“最美觀世音”虛擬復原前(左)和復原后(右)。圖/龍門石窟研究院

      虛擬復原的依據,主要來自四個方面:老照片、三維數據測量、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據,首先推斷出缺失部位的體積、長寬、弧度等,然后結合老照片資料和同時期、同類型造像規律,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。

      還有一種可能的應用途徑,是讓流失海外的石窟文物“數字回歸”。

      例如一些佛像的佛頭在歷史上被盜,經過轉手,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字信息,就能通過數字化手段讓佛像復原,讓觀眾看到佛像完整的面貌。

      不斷“重頭再來”

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

      麥積山石窟游客量逐年增加,已經達到80萬人次,但是由于多數是小型洞窟,絕大多數內部空間僅2-3立方米,平常都是處于封閉狀態。董廣強稱,希望后續根據洞窟內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字展示中心,為更多游客提供參觀數字化參觀體驗。

      全國更多小型、分散的石窟寺,更難以具備專業的數字化技術和團隊。

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

      王家鑫用小型相機采集佛龕內難以采集的“死角”,這是圖像采集中的難點。

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

      預計項目周期為6年,前三年更側重于數字化記錄存儲、虛擬修復、數字回歸,以及探索數字化標準建立,后三年更側重于展覽展示、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。

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

      近年來,該團隊帶著全套設備,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、結構復雜,外部要用無人機攝影測量,內部使用三維掃描儀。大殿地面鋪設古磚,無法直接立鋼柱,他們自己設計定制了一個氣柱,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。

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

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

      潘鵬說,四五年前進行了第五窟的數字化,現在看,當時的技術已經落后了,數據精度也不如現在。他預計,當前設備采集的數據,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。

      來源:新京報

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