何勇

摘要：精準(zhǔn)的測(cè)繪記錄是保護(hù)和展示石窟藝術(shù)的重要手段，但傳統(tǒng)的手工測(cè)繪和立體攝影測(cè)繪，均不能立體、準(zhǔn)確、全方位地展示石窟藝術(shù)的真實(shí)面貌。隨著三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的出現(xiàn)與推廣，獲得更加豐富、全面、精準(zhǔn)的石窟藝術(shù)信息成為可能。針對(duì)云岡石窟商浮雕造像的特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)被引入，并在文物檔案的建立、石窟的科技保護(hù)、考古研究、數(shù)字化云岡的制作等工作等領(lǐng)域形成了以三維激光掃描與數(shù)字近景攝影測(cè)量為主、毫米級(jí)精度的數(shù)字化技術(shù)路線。關(guān)鍵詞：云岡石窟；測(cè)繪；三維激光掃描；數(shù)字近景攝影測(cè)量；數(shù)字化

云岡石窟位于山西省大同市城西1 6公里的武周山南麓，營(yíng)建于5世紀(jì)，距今已有1600多年的歷史。石窟依山開(kāi)鑿，東西綿延約1公里，現(xiàn)存大小窟龕254個(gè)，造像59000余尊。石窟規(guī)模宏大，造像內(nèi)容豐富，雕刻藝術(shù)精湛，代表了五世紀(jì)前后美術(shù)雕刻的最高水平。云岡石窟1961年被公布為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，2001年列入世界文化遺產(chǎn)名錄。

云岡石窟的主體巖性為石英砂巖，面以石窟及造像日漸風(fēng)化的實(shí)際情況，20世紀(jì)以來(lái)，云岡石窟的保護(hù)工作者們不斷地對(duì)石窟進(jìn)行維修加固，同時(shí)以多種手段（文字、攝影、測(cè)繪等）不間斷地記錄著石窟的實(shí)時(shí)面貌。但以往的記錄特別是測(cè)繪記錄，無(wú)論是手工測(cè)繪，還是立體攝影測(cè)繪，最終的手工線描圖件均不能立體、準(zhǔn)確、全方位地展示石窟藝術(shù)的真實(shí)面貌，存在有不同程度的缺陷。近年隨著三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的出現(xiàn)與推廣，獲得更加豐富、全面、精準(zhǔn)的石窟藝術(shù)信息成為可能。（圖1）

對(duì)云岡石窟進(jìn)行全方位的系統(tǒng)測(cè)量，是石窟文物保護(hù)管理工作的需要?？脊叛芯俊⒔⑽奈餀n案、文物本體保護(hù)設(shè)計(jì)與保養(yǎng)、展覽展示、文化出版等均離不開(kāi)精細(xì)測(cè)繪得到的文物實(shí)測(cè)圖件。從這個(gè)意義上講，對(duì)石窟文物的測(cè)繪全面與否，實(shí)測(cè)圖件的精度高低，決定了石窟文物保護(hù)管理工作的水平。因此獲得準(zhǔn)確的文物測(cè)繪圖，是保護(hù)管理非常重要的業(yè)務(wù)工作。

對(duì)云岡石窟進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)繪工作，始于20世紀(jì)三四十年代日本侵華期間。日本學(xué)者以手工方法對(duì)石窟進(jìn)行了測(cè)繪，并將得到的122幅圖件發(fā)表于《云岡石窟——公元五世紀(jì)中國(guó)北部佛教石窟寺院的考古調(diào)查報(bào)告》中。1960-1963年，文化部古代建筑修整所（中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院前身）學(xué)者楊玉柱等對(duì)云岡石窟進(jìn)行了新中國(guó)成立后的首次系統(tǒng)測(cè)繪，分別繪制第7、8窟，第9、10窟，第14窟，第15窟，第20窟，第39窟等8個(gè)洞窟的實(shí)測(cè)圖60張。歷史上的這兩次測(cè)繪均采用傳統(tǒng)手工測(cè)繪方法，今天看來(lái)它們存在著明顯的弱點(diǎn)，如：接觸文物本體測(cè)量，易使文物本體受到人為損害；速度慢、周期長(zhǎng)、精度低、適用范圍小等等。其中兩次系統(tǒng)測(cè)繪均沒(méi)有產(chǎn)生石窟立面全圖，大約是因?yàn)槭呷簴|西長(zhǎng)度太大（約1000米），石窟壁面過(guò)高（最高處近50米）、手工操作具有極大難度而無(wú)法完成所致。

1986-1988年和1994年，由中國(guó)建設(shè)部城市綜合遙感與制圖中心對(duì)云岡石窟部分洞窟進(jìn)行近景攝影測(cè)繪，先后繪制第5、6窟，第12窟，第20窟和第1、2窟，第3窟，第4窟等洞窟的實(shí)測(cè)圖87張，其中1986年完成的部分測(cè)繪圖，準(zhǔn)確程度較高，先后發(fā)表于《中國(guó)石窟·云岡石窟》和《云岡石窟》申遺文本中。雖然近景攝影測(cè)量在一定程度上能夠滿足石窟寺準(zhǔn)確測(cè)繪記錄的基本要求，但在記錄云岡石窟這樣規(guī)模巨大、洞窟形制多樣、造像形式復(fù)雜、異面體較多的大型石刻造像時(shí)，產(chǎn)生的誤差較大，不能全面準(zhǔn)確地記錄石窟的實(shí)時(shí)面貌。同時(shí)，即便近景攝影測(cè)量存在諸多缺陷，但其在高浮雕石質(zhì)文物測(cè)繪領(lǐng)域的使用，標(biāo)志著云岡石窟數(shù)字化記錄時(shí)代的開(kāi)始。要指出的是，在傳統(tǒng)文物考古中出現(xiàn)的大量線描圖，均出自于手工測(cè)繪或近景攝影測(cè)繪方法，這些方法的最終成果，只能以線描圖的形式出現(xiàn)。而三維激光掃描測(cè)繪方法的最終成果或是三角網(wǎng)模型，或是在此基礎(chǔ)上將若干張高清晰數(shù)碼照片紋理映射到模型上（由點(diǎn)云模型對(duì)照片進(jìn)行糾正）后，獲得的高清晰、精準(zhǔn)的正射影像圖。與傳統(tǒng)線描圖比較，這種圖件記錄了更多的實(shí)物表面信息，如果需要，點(diǎn)云間的三維距離可以設(shè)置為毫米級(jí)或亞毫米級(jí)來(lái)獲取信息，即便對(duì)象實(shí)物體量面積很小，也能全面反映微小的變化，如砂巖造像的面部風(fēng)化掉落了一顆1毫米以內(nèi)的沙粒，那么，精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地記錄這顆沙粒掉落的三維位置及其顆粒的大小，這是手工測(cè)繪的線描圖不可能達(dá)到的。而在傳統(tǒng)的考古記錄中，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量繪制的線描圖，與照片和文字的敘述一起，構(gòu)成考古報(bào)告不可或缺的重要內(nèi)容。然而，經(jīng)過(guò)新技術(shù)產(chǎn)生的新圖件，使考古記錄增加了更加細(xì)致入微的記錄形式，如果以正射影像圖這一經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)、尺寸比例關(guān)系無(wú)誤的圖件為依據(jù)進(jìn)行人工描圖，任何描圖人員也不會(huì)將原始圖件的細(xì)致處完全表現(xiàn)出來(lái)。所以，在發(fā)表線描圖的同時(shí)，應(yīng)該同時(shí)將原始正射影像圖發(fā)表，當(dāng)閱讀者發(fā)現(xiàn)不確定之處時(shí)，應(yīng)以正射影像圖為準(zhǔn)。當(dāng)然，考古活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的、專業(yè)性非常強(qiáng)的業(yè)務(wù)工作，在遇到較為復(fù)雜的情形時(shí)，無(wú)論繪圖記錄還是文字記錄，都有一個(gè)不斷深入的認(rèn)識(shí)過(guò)程。比如仔細(xì)分辨不同時(shí)期的疊壓遺跡之間的關(guān)系，不僅要在文字記錄中表現(xiàn)出來(lái)，也要在測(cè)繪記錄中表現(xiàn)出來(lái)，這是需要具備一定專業(yè)知識(shí)的人員在現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)觀察、比較才能進(jìn)行的工作。

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)于1980年代，1990年代以后引入我國(guó)。由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，將其引入測(cè)量裝置中，在精度、速度、易操作性等方面均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動(dòng)，激光測(cè)量技術(shù)也逐步由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光測(cè)距裝置，發(fā)展到采用非接觸方式主動(dòng)測(cè)量快速獲取物體表面大量采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)的激光掃描測(cè)量技術(shù)。

針對(duì)云岡石窟高浮雕造像的特點(diǎn)，我們從2003年起將三維激光掃描技術(shù)引入云岡，期望在石窟的測(cè)繪工作上有所創(chuàng)新和突破，使文物檔案的建立、石窟的科技保護(hù)、考古研究、數(shù)字化云岡的制作等工作取得新成績(jī)。經(jīng)過(guò)十余年實(shí)踐，目前形成了以三維激光掃描與數(shù)字近景攝影測(cè)量為主、毫米級(jí)精度的數(shù)字化技術(shù)路線。

為了順利推進(jìn)云岡數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程，云岡石窟研究院成立了云岡數(shù)字中心，并與多所國(guó)內(nèi)高校及科研單位共同研究，形成了依托高精度測(cè)繪技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）、計(jì)算機(jī)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等科技手段，永久數(shù)字化保存云岡石窟文物本體方法，在石窟雕刻的數(shù)字化獲?。◣缀闻c色彩）、存儲(chǔ)和展示等難點(diǎn)領(lǐng)域均有所突破。

云岡數(shù)字中心對(duì)石窟本體持續(xù)進(jìn)行數(shù)字化采集工作，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立了可調(diào)整視角、可量測(cè)毫米級(jí)精度的洞窟數(shù)字檔案。目前已完成云岡石窟外立面，第1-4窟，第9-13窟，第18窟，第38、39窟的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作（圖3）。

以云岡石窟第13窟為例，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)前，我們根據(jù)13窟的位置情況布設(shè)控制網(wǎng)，做精準(zhǔn)的控制測(cè)量，平面基準(zhǔn)采用1980國(guó)家坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，目的是為了坐標(biāo)系的統(tǒng)一。然后我們將整個(gè)工程分為兩步：

1.外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用不同性能的三維激光掃描儀對(duì)文物采取多角度交叉式高精度掃描，以精度為0.3毫米的surphrser掃描儀對(duì)石窟內(nèi)壁部分特征進(jìn)行采集；中間以中等精度掃描儀進(jìn)行普及掃描；石窟外立壁整體立面采用LeicaScanStation 2三維激光掃描儀做大場(chǎng)景控制；以近距手持型掃描儀作為細(xì)部及空間不便掃描位置的數(shù)據(jù)補(bǔ)充，這樣可以采集文物最全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，我們對(duì)紋理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)原始的彩色紋理采集采用兩種方式：一種是與掃描儀同軸的高清像機(jī)采集，用于高精模型的映射；另一種則是全角度的近景拍攝，用于渲染展示模型的貼圖。在石窟內(nèi)采集紋理過(guò)程中為保證色彩還原、分辨率、位置關(guān)系，采用佳能EOS 5D MarkⅢ機(jī)身+EF紅圈（24-105mm）鏡頭的套機(jī)，在特定的環(huán)境下做石窟紋理采集。同時(shí)劃分區(qū)域，確保拍攝佛像的完整性，細(xì)致性。下圖為1 3窟主佛完整點(diǎn)云圖像。

2.內(nèi)業(yè)建模貼圖

（1）將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格模型

將經(jīng)過(guò)處理的點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)。該步驟使用的是三維逆向工程軟件Geomagic（Geomagic Stud io是Geomagic公司產(chǎn)品的一款逆向軟件，可根據(jù)任何實(shí)物零部件通過(guò)掃描點(diǎn)點(diǎn)云自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型），先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的平滑去噪，再生成不規(guī)則三角網(wǎng)網(wǎng)格模型，并使用軟件對(duì)生成的不規(guī)則三角網(wǎng)格模型中的漏洞和重面部分使用修復(fù)功能進(jìn)行修補(bǔ)。

由于采用多種不同性能的三維掃描儀對(duì)佛像進(jìn)行多角度交叉式掃描，佛像缺失的點(diǎn)云數(shù)據(jù)很少，所以生成的三角網(wǎng)模型漏洞很少，只需要在Geomagic里面逐個(gè)進(jìn)行曲率填充單個(gè)孔，就能生成很完好的模型。最終建好的三角網(wǎng)格模型能很好地逼近對(duì)象表面形狀，為后期模型紋理映射作好了準(zhǔn)備（圖4）。

（2）紋理映射

經(jīng)過(guò)前面步驟得到的三維模型，它已經(jīng)具有很好的幾何準(zhǔn)確性，但是我們?yōu)榱四軡M足可視化的需要，還原真實(shí)的三維景觀，就需要對(duì)三維模型添加真實(shí)的色彩，達(dá)到紋理映射的目的（圖5）。

為了更好地實(shí)現(xiàn)佛像的紋理映射，我們?cè)?d max（3dmax是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件）里面將模型先做優(yōu)化、uvw展開(kāi)和uvw貼圖處理，再將棋盤(pán)格附在模型上，根據(jù)棋盤(pán)格的拉伸情況，把模型切成比較平整的小塊，然后編輯uvw，渲染貼圖。最后在Photoshop里將多張照片對(duì)應(yīng)到渲染出來(lái)的相對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)模型的紋理映射。

將帶有紋理的模型導(dǎo)入Toplite平臺(tái)，使其能在系統(tǒng)中瀏覽，量測(cè)，剖圖，屬性等功能，從而實(shí)現(xiàn)建立石窟三維數(shù)字檔案的目的（圖6）。

除此之外，根據(jù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們還先后繪制出云岡石窟外立面的立面圖和正射影像圖，2005年繪制出的云岡石窟立面圖是中國(guó)石窟第一幅高精度（誤差不超過(guò)3毫米）的石窟立面圖。

同時(shí)，云岡石窟研究院將數(shù)字化與石窟保護(hù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬保護(hù)工程的各個(gè)步驟，對(duì)比收集洞窟修復(fù)前以及修復(fù)之后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)的圖像信息（圖7、圖8），用于評(píng)估保護(hù)措施以及方法的有效勝和時(shí)效性。石窟數(shù)字化后還可以模擬自然災(zāi)害對(duì)石窟的損壞，如模擬地震應(yīng)力對(duì)石窟的損壞等（圖9、圖10）。

云岡數(shù)字中心成立以來(lái)，陸續(xù)承擔(dān)了《云岡石窟數(shù)字化工程示范》《石質(zhì)文物風(fēng)化速度定量測(cè)定》《基于三維激光掃描技術(shù)的云岡第12窟數(shù)字化獲取及展示系統(tǒng)》等科研攻關(guān)項(xiàng)目，并且聯(lián)合浙江大學(xué)、北京建筑大學(xué)、天津測(cè)繪院、大同測(cè)繪院編寫(xiě)了《高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)》《基于三維激光掃描技術(shù)的高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數(shù)字化規(guī)程》《基于多圖像的高浮雕石窟寺與雕塑類文物三維數(shù)字化規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時(shí)就“定量測(cè)定砂巖質(zhì)文物表面風(fēng)化速度的方法”向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申報(bào)了發(fā)明專利。

在對(duì)石質(zhì)文物數(shù)字化探索和實(shí)踐的同時(shí)，我們著力對(duì)大遺址、古建筑、古墓葬、彩塑壁畫(huà)等多類別文物進(jìn)行數(shù)字化的嘗試和探索，如大同華嚴(yán)寺薄伽教藏殿、大同關(guān)帝廟、陽(yáng)高云林寺、汾陽(yáng)太符觀、恒山懸空寺、長(zhǎng)治大云院、大同遼代墓室、大同觀音堂、五臺(tái)山廣濟(jì)寺等（圖11）。

數(shù)字化成果的廣泛應(yīng)用，是未來(lái)數(shù)字化發(fā)展的主要空間，數(shù)據(jù)的有效使用是我們未來(lái)發(fā)展的主要的難題。我們希望構(gòu)建應(yīng)用型的共享的數(shù)據(jù)平臺(tái)GIS，實(shí)現(xiàn)資源的共享。各級(jí)工作者根據(jù)使用的需求和權(quán)限的不同，通過(guò)簡(jiǎn)便的操作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，滿足自己的工作和研究的需求，真正意義上實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速有效使用。

（責(zé)任編輯：孫秀麗）