葛懷東,鄧抒揚(yáng)

(金陵科技學(xué)院人文學(xué)院,江蘇南京 210038)

南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護(hù)研究

葛懷東?,鄧抒揚(yáng)

(金陵科技學(xué)院人文學(xué)院,江蘇南京 210038)

南朝陵墓石刻為南朝帝王、貴族陵墓神道石刻。由于千余年來(lái)不斷遭受自然及人為破壞,南朝陵墓石刻已處于瀕危境地。而三維數(shù)字化技術(shù)能夠使石刻文物本體及其所處遺址環(huán)境的方位信息得以永存。文章介紹了南朝陵墓石刻的藝術(shù)價(jià)值與保存狀況,并針對(duì)南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復(fù)雜、不可移動(dòng)以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點(diǎn),引入自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)與三維全景空間測(cè)量技術(shù),構(gòu)建南朝陵墓石刻數(shù)字化保護(hù)方案。

南朝陵墓石刻;數(shù)字化保護(hù);三維重建;文物保護(hù)

1 引 言

南朝陵墓石刻系南朝帝王、貴族陵墓神道石刻,分布在南京、句容、丹陽(yáng)等地,雕刻生動(dòng)、氣勢(shì)宏偉,是中國(guó)中古時(shí)代石刻藝術(shù)的珍品。由于受到自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)變革等因素的影響,南朝陵墓石刻已處于瀕危境地,如何有效保護(hù)、研究這些石刻資源已經(jīng)越來(lái)越迫切。三維掃描、數(shù)字模型不僅能夠準(zhǔn)確記錄石刻文物本體及其所處遺址環(huán)境的全方位信息,并且在石刻文物修復(fù)、監(jiān)測(cè)等方面擁有廣泛的前景。針對(duì)南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復(fù)雜、不可移動(dòng)以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點(diǎn),文章引入三維重建系統(tǒng)以及全景空間測(cè)量技術(shù),以構(gòu)建對(duì)南朝石刻文物的數(shù)字化保護(hù)方案。

2 南朝陵墓石刻遺存及其藝術(shù)價(jià)值

南朝是宋、齊、梁、陳四個(gè)政權(quán)的總稱(chēng),而南朝陵墓石刻,是指這四個(gè)朝代的帝陵和王侯墓前的石刻,一般由成對(duì)的神獸、神道石柱和碑組成,其中至今保存較為完整的是大型的石刻神獸及其神道石柱等。就目前所能見(jiàn)到的南朝陵墓石刻,共有33處[1],其年代可考最早的始于南朝劉宋,距今約1 500年,而比較著名的包括宋武帝劉裕初寧陵,陳武帝陳霸先萬(wàn)安陵,陳文帝陳倩永寧陵,梁蕭宏、蕭秀、蕭館及蕭景等陵墓石刻。每座陵墓神道都有若干大型石雕,如天祿、麒麟、碑、柱等,氣勢(shì)雄偉,紋飾精美,在雕刻藝術(shù)上獨(dú)樹(shù)一幟,其中蕭景墓的辟邪石刻就是南京市官方標(biāo)志物圖形的取樣原版。

南朝陵墓石刻的造型藝術(shù),歷來(lái)在藝術(shù)史上頗受重視。它以其自身的制度化、造型的規(guī)范化、組合的簡(jiǎn)約化而區(qū)別于自漢以降至魏晉南北朝其他時(shí)期的同類(lèi)作品,以其闊大恢弘的氣勢(shì)、精致華美的刻跡、生動(dòng)靈秀的神韻展示了中國(guó)傳統(tǒng)雕刻的審美特征和語(yǔ)言魅力。即使是在宋、齊、梁、陳四個(gè)時(shí)期也有略有不同,各有特色。其石獸造型由凝重向窈窕靈動(dòng)演變,裝飾紋樣由簡(jiǎn)練樸素向繁華富麗過(guò)渡,藝術(shù)風(fēng)格由平實(shí)渾厚向夸張豪邁發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中,可以看出它們之間的繼承、發(fā)展和成熟的過(guò)程,雕刻技術(shù)也日趨完美[2]。

3 南朝陵墓石刻的保護(hù)狀況

南朝陵墓石刻上承秦漢,下啟隋唐,與我國(guó)北魏時(shí)期的大同云岡石窟、洛陽(yáng)龍門(mén)石窟藝術(shù)遙相媲美,是漢族造像藝術(shù)的美麗升華。從這個(gè)意義上講,南朝陵墓石刻的歷史價(jià)值、文物價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值都獨(dú)樹(shù)一幟。因此,南朝陵墓石刻閃爍著中華民族傳統(tǒng)文化的光輝,是中國(guó)古代藝術(shù)寶庫(kù)中的瑰寶,顯示了中國(guó)古代石刻藝術(shù)的杰出成就。1988年1月,國(guó)務(wù)院正式將南朝陵墓石刻列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位[3]。

如今,南朝陵墓石刻大多屹立在鄉(xiāng)野農(nóng)田中,加上千余年來(lái)不斷遭受自然及人為破壞,風(fēng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重,部分石刻殘缺不全。而在南朝陵墓石刻保護(hù)的問(wèn)題上,也存在“集中保護(hù)”與“原地保護(hù)”兩種觀(guān)點(diǎn)。一種觀(guān)點(diǎn)主張興建南朝石刻博物館,對(duì)其進(jìn)行集中有效的保護(hù);而另一種主張?jiān)谠乇Ｗo(hù),其依據(jù)是現(xiàn)存陵墓石刻都是當(dāng)初帝王陵墓的重要組成部分,屬不可移動(dòng)文物范疇。

2005年,江蘇省文物局曾以文件形式,確定了對(duì)南朝陵墓石刻保護(hù)的十六字方針,即“原地保護(hù),加強(qiáng)管理,全面規(guī)劃,區(qū)別對(duì)待”[4]。2006年10月,丹陽(yáng)南朝陵墓石刻被列入國(guó)家“十一五”大遺址文物保護(hù)規(guī)劃項(xiàng)目[5]。2014年9月,南京南朝石刻的保護(hù)方案亦基本確定,即所有石刻原址保護(hù),選擇其中一點(diǎn)打造“石刻公園”。其中“石刻公園”選址位于南京市棲霞西南麓新合村的南朝梁代蕭恢、蕭憺的陵墓神道石刻,而其他石刻在不移動(dòng)位置的同時(shí),將進(jìn)行“加頂保護(hù)”,以防止風(fēng)雨侵蝕的現(xiàn)象[6]。

4 南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護(hù)的重要性

南朝陵墓石刻是我國(guó)古代雕刻的瑰寶,極具歷史、藝術(shù)和考古價(jià)值。與文物的唯一性、不可共享和不可再生性相比,數(shù)字化的石刻文物信息是無(wú)限的、可共享的、可再生的。因此,數(shù)字化技術(shù)為文化遺產(chǎn)保護(hù)、開(kāi)發(fā)與展現(xiàn)提供了新的發(fā)展契機(jī),同時(shí)也改變了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)的保護(hù)方式,推動(dòng)了社會(huì)公眾更廣泛享有人類(lèi)文化遺產(chǎn)。

三維數(shù)字化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù),它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法,以被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)、離散點(diǎn)集合為“點(diǎn)云”的形式獲取物體表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù),為快速、精確地獲取文物的三維信息,進(jìn)而建立起科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術(shù)手段[7]。通過(guò)三維掃描建立數(shù)字模型,在不接觸石刻文物表面的前提下,通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀(guān)察石刻形貌,分段、截面石刻形狀,測(cè)量石刻尺寸等。不僅能夠記錄石刻文物保存現(xiàn)狀的定量化數(shù)據(jù),而且還為石刻文物的修繕及整體恢復(fù)提供重要的模型支持[8]。故宮博物院的古建筑數(shù)字建模、圓明園的數(shù)字重建、洛陽(yáng)龍門(mén)石窟研究院的三維數(shù)字檔案等項(xiàng)目,都為三維重建技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的深入開(kāi)展提供了全新的視角。

另外,聯(lián)合國(guó)教科文組織一直都在倡導(dǎo)“文化空間”的概念,即文化遺產(chǎn)與其所存在的周邊也是密不可分。針對(duì)南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復(fù)雜、不可移動(dòng)以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點(diǎn),除了推行“原址保護(hù)”的方案外,也亟待引入三維數(shù)字化技術(shù)為石刻遺存的保護(hù)提供監(jiān)測(cè)和修復(fù)數(shù)據(jù)。同時(shí),在不影響原有文化遺產(chǎn)本體的情況下,借助虛擬技術(shù)能夠真實(shí)地反映文化遺址的場(chǎng)景,這也是當(dāng)前文化遺產(chǎn)保護(hù)的一個(gè)重要趨勢(shì)。

5 南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護(hù)方案

隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字模型已不僅僅只作為一種信息存檔的手段,更是為后期相關(guān)研究提供了重要的資料來(lái)源、參考信息和一種全新的研究方法,并在石刻、古建筑等文物考古與保護(hù)研究中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。為配合南朝陵墓石刻“原址保護(hù)”的大原則,可引入三維重建系統(tǒng)與全景空間測(cè)量技術(shù),著手對(duì)南朝陵墓石刻的數(shù)字化保護(hù),以維系其石刻遺存原有的文化生態(tài)。

5.1 南朝陵墓石刻的三維數(shù)字化重建

(1)自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)的技術(shù)原理

自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)是一種基于圖像的三維重建技術(shù),其最大的優(yōu)勢(shì)是在保證重建精度的前提下不受重建物體大小和拍攝距離的限制。該系統(tǒng)利用獨(dú)有的多視點(diǎn)體視匹配算法,得到的是由每個(gè)像素點(diǎn)還原成的有序三維點(diǎn)云,無(wú)需插值就能實(shí)現(xiàn)完整測(cè)量模型的重建,像素點(diǎn)上固有的RGB色彩信息會(huì)自動(dòng)附著到三維點(diǎn)云上。因此,重建的三維模型點(diǎn)云在有序性、完整性、三維分辨率、模型幾何精度、色彩位置精度、色彩還原度等項(xiàng)指標(biāo)上,都能夠?qū)崿F(xiàn)高保真彩色模型還原并且達(dá)到像素級(jí)匹配的三維重建,從而確保真實(shí)再現(xiàn)南朝陵墓石刻的原貌。

(2)自適應(yīng)三維重建的系統(tǒng)架構(gòu)

阮小棉又來(lái)到樓頂。她折了九十九只紙飛機(jī)，逐一飛下去。這一次她選擇了彩色的紙，赤橙黃綠青藍(lán)紫，五顏六色的，煞是好看。樓下有幾個(gè)年幼的孩子歡快地追逐起來(lái)，邊撿邊仰起臉龐向樓頂看。

自適應(yīng)圖像三維重建系統(tǒng)采用的三維數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備包括:①光干涉儀;②圖像獲取儀;③配套機(jī)械臂與支撐架;④升降微調(diào)平臺(tái);⑤工控控制臺(tái);⑥主制電腦;⑦自適應(yīng)定標(biāo)儀等。該組設(shè)備具有自動(dòng)校正圖片幾何變形、三維點(diǎn)云自動(dòng)拼接、每個(gè)還原的三維點(diǎn)云帶有RGB真實(shí)色彩、即時(shí)、高效、高精度等特點(diǎn)。另外還配套有“自適應(yīng)圖像三維空間技術(shù)及三維重建軟件”,通過(guò)物體一幅以上不同視點(diǎn)的二維圖像,即可獲得物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)展開(kāi)南朝陵墓石刻數(shù)字化重建的優(yōu)勢(shì)

①獨(dú)有的自適應(yīng)系統(tǒng)

自適應(yīng)圖像三維重建系統(tǒng),可在任何角度均可以對(duì)需重建物體進(jìn)行即時(shí)信息采集,尤其對(duì)不可移動(dòng)的大型物體進(jìn)行三維重建。所以,對(duì)于體態(tài)龐大的南朝陵墓石刻而言,自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)對(duì)獲取高精度數(shù)據(jù)非常重要。

②重建精度高

重建后的Z方向精度為6.8 μm(1∶1拍攝),從而最大限度保證了最終三維結(jié)果的精度。

③重建速度快

圖像在經(jīng)過(guò)軟件特別處理后可以在60 s內(nèi)完成三維模型重建,尤其在完成室外大型物體三維重建時(shí),效率是其他同類(lèi)掃描設(shè)備的10倍以上。

④真色彩還原

⑤無(wú)需粘貼任何標(biāo)志點(diǎn)

自適應(yīng)圖像三維重建系統(tǒng)是根據(jù)每次所采集到相鄰的像素上的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)自動(dòng)拼接的,不需要在被重建物體上粘貼任何標(biāo)志點(diǎn)。因此,自適應(yīng)圖像三維重建掃描儀真正實(shí)現(xiàn)了非接觸三維圖像采集并重建三維彩色模型。

⑥高精度姿態(tài)標(biāo)定與自動(dòng)拼接

自適應(yīng)圖像三維重建系統(tǒng),能以不同視點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)通過(guò)像素點(diǎn)自動(dòng)拼接三維數(shù)據(jù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)的數(shù)字信息技術(shù)。

⑦非接觸信息采集

采用非接觸數(shù)據(jù)采集方式,穩(wěn)定性高,適用廣泛,不受物體大小限制,做大最限度的保證被采集對(duì)象的安全。

5.2 南朝陵墓石刻三維全景空間的構(gòu)建

三維全景技術(shù)是一種基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),能給人以全新的現(xiàn)場(chǎng)感。該技術(shù)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)圖像信息,汲取圖片內(nèi)含的空間及屬性信息,并借助專(zhuān)業(yè)圖像合成手段,將圖像繪制成空間立體形態(tài),視點(diǎn)可從中心點(diǎn)環(huán)視四周360°,從而達(dá)到還原現(xiàn)場(chǎng)的效果[9]。

由于南朝陵墓石刻所處環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大變化,昔日帝王陵墓的壯觀(guān)場(chǎng)面已不復(fù)存在。但所遺存下來(lái)的每一尊石刻都是歷史信息與坐標(biāo)的真實(shí)反映。借助三維全景空間測(cè)量技術(shù),在不影響原有石刻文物本體的情況下,準(zhǔn)確地還原陵墓石刻的遺址場(chǎng)景,并為石刻遺存的保護(hù)提供監(jiān)測(cè)和修復(fù)數(shù)據(jù)。對(duì)于南朝陵墓石刻的三維全景空間測(cè)量,可采用德國(guó)SpheroCam HDR全景三維掃描儀,所采集的數(shù)據(jù)能夠形成:

(1)高動(dòng)態(tài)、高精度影像

利用SpheroCam HDR全景三維掃描系統(tǒng),采集的是高動(dòng)態(tài)、原始的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(可達(dá)96比特格式),能夠生成遺址環(huán)境內(nèi)各個(gè)可見(jiàn)部分的高精度數(shù)字影像(輸出TIFF文件高達(dá)650 M)而不受光源條件的影響。借助這種高動(dòng)態(tài)掃描技術(shù),其相關(guān)影像都是一次性自動(dòng)采集,就可以清晰地表現(xiàn)相關(guān)部分的細(xì)節(jié)。

(2)影像文件中帶有精確的空間位置數(shù)據(jù)

由于一次錄入的影像已包含空間位置數(shù)據(jù),因此不必人工在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與記錄,減少人為錯(cuò)誤。如想了解石刻文物某一部分的尺寸,只需在采集的影像數(shù)據(jù)中點(diǎn)選需要測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn),相應(yīng)測(cè)量尺寸便顯示出來(lái),其顯示值精確誤差僅正負(fù)0.1 mm。對(duì)測(cè)量的數(shù)量及范圍,設(shè)備系統(tǒng)是沒(méi)有限制的,只要影像中能看到的部分都可以測(cè)量。同時(shí),還可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存成文本文件或打印出來(lái),極大提高了工作效率與數(shù)據(jù)測(cè)量精度。

(3)利用影像數(shù)據(jù)可生成CAD文件,并輸出平面和立面圖,完成虛擬場(chǎng)景重建

功能包括:將圖像中導(dǎo)出三維點(diǎn)的X,Y,Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)(文本格式)作為定位對(duì)象用于Autodesk軟件中;把點(diǎn)數(shù)據(jù)(文本格式)導(dǎo)入三維建模軟件,同時(shí)在Autodesk軟件中可以直接打開(kāi)導(dǎo)出HDR圖像Mel腳本;再通過(guò)捕捉三維點(diǎn)繪制幾何模型;還可將掃描的HDR圖像作為繪制的幾何模型紋理。

(4)所采集的數(shù)據(jù)可制作成數(shù)據(jù)庫(kù)文件和VR虛擬漫游形式的交互文件

把采集數(shù)據(jù)通過(guò)SceneCenter軟件處理后,輸出至專(zhuān)業(yè)VR制作軟件進(jìn)行素材整合,即可生成VR虛擬交互演示文件。由于生成的VR文件精度較高,不僅能夠滿(mǎn)足多媒體展覽的精度要求,而且還便于研究人員準(zhǔn)確了解各相關(guān)物件和結(jié)構(gòu)的位置與關(guān)系。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以南朝陵墓石刻為例,詳細(xì)闡述了體態(tài)龐大、形態(tài)復(fù)雜的石刻文物三維數(shù)字化保護(hù)的方法和技術(shù)。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面,引入自適應(yīng)三維重建系統(tǒng)、三維全景空間測(cè)量等先進(jìn)測(cè)繪手段,準(zhǔn)確獲取南朝陵墓石刻文物的三維模型數(shù)據(jù),為今后的石刻文物的保護(hù)與研究打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 楊祥民.南朝陵墓石刻保護(hù)現(xiàn)狀調(diào)研及對(duì)策[J].文物世界,2009(1):30～42.

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[3] 國(guó)務(wù)院關(guān)于公布第三批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的通知(1988年1月13日).

[4] 束有春.走出南朝陵墓石刻保護(hù)的困境[N].中國(guó)文物報(bào),2008-03-07(8).

[5] 裘麗.丹陽(yáng)南朝陵墓石刻列入國(guó)家“十一五”文保項(xiàng)目[N].新華日?qǐng)?bào),2006-10-10(3).

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[9] 金淼,易愛(ài)華,朱家文等.歷史保護(hù)建筑的三維全景展示研究[J].土木建筑工程信息技術(shù),2013(2):37～40.

A Research on 3-D Digitalization Protection and Virtual Recover of Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties

Ge Huaidong,Deng Shuyang
(School of Humanities,Jinling Institute of Technology,Nanjing 210038,China)

Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties are tombstones of emperors and nobles of the Southern Dynasties.These vivid and imposing sculptures are treasures of stone carving art in mediaeval times of China.Because of factors of natural disaster and warfare,the Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties are in imminent danger.Digital Three-dimension Data can remain all-dimensional information of stone sculptures and its environments forever.Aiming at the specialties that Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties have large postures which are immovable and exposed in wilderness,this essay introduced three-dimensional reconstruction,3-D Panorama space measurement and digit recover to preserve and repair the Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties to build the good foundation for the future protection and research.

tomb stone sculptures of southern dynasties;digital protection;three-dimensional reconstruction;virtual recover

1672-8262(2014)06-14-04

P234.4

B

2014—08—02

葛懷東(1970—),男,副教授,主要研究方向:古籍?dāng)?shù)字化、三維重建。

2014年度教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目(14YJC790171)。