基于數(shù)字技術(shù)的唐陵石刻遺產(chǎn)保護(hù)研究

孔慶鵬 張輝

摘要：唐十八陵分布在當(dāng)時(shí)都城長(zhǎng)安以北的關(guān)中地區(qū)，西至咸陽(yáng)乾縣唐高宗李治與武則天的合葬墓乾陵，東至渭南蒲城縣唐玄宗李隆基泰陵，北至渭南蒲城縣唐穆宗李恒光陵，南至咸陽(yáng)乾縣唐僖宗李儇靖陵，東西長(zhǎng)約150千米，南北長(zhǎng)約50千米，總面積近4000平方千米。唐陵石刻遺產(chǎn)是唐陵文化遺產(chǎn)的重要組成部分，被喻為“石刻藝術(shù)的露天陳列室”，有數(shù)以千計(jì)的石刻。這些石刻雕塑造型獨(dú)特，栩栩如生，千變?nèi)f化，生動(dòng)活潑，不僅質(zhì)量和數(shù)量超越了前代陵墓石刻，還對(duì)后世產(chǎn)生了極大的影響。文章以唐陵現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)對(duì)唐陵文物進(jìn)行三維重建，解決了數(shù)字化保護(hù)的難題，為保護(hù)、傳播唐陵文化遺產(chǎn)提供了參考和案例，也對(duì)文物的鑒賞及保護(hù)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：唐陵石刻；數(shù)字技術(shù)；三維重建；數(shù)字化保護(hù)

中圖分類號(hào)：K877.4；TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）20-00-03

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)科技迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)算力不斷提升，利用數(shù)字化信息技術(shù)對(duì)大型不可移動(dòng)文物和可移動(dòng)文物進(jìn)行保護(hù)、修復(fù)及展示、傳播，弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，能讓更多人深入了解我國(guó)傳統(tǒng)文化，更好地豐富自身的精神世界，足不出戶就可以感受到唐代帝王陵墓的宏偉，也可以更深刻地認(rèn)識(shí)和了解唐陵石刻遺產(chǎn)。如今，快速發(fā)展的數(shù)字技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳?，它無(wú)時(shí)不在、無(wú)時(shí)不有。人們開(kāi)始關(guān)注歷史文化遺產(chǎn)，重視文化遺產(chǎn)的文化表達(dá)［1］。

1 唐陵文物現(xiàn)狀

陜西關(guān)中渭北高原上的唐代陵墓石刻，以磅礴的氣勢(shì)、精湛的技法、豐富的造型藝術(shù)和審美內(nèi)涵在中國(guó)帝陵歷史上占據(jù)著重要地位［2］。唐陵石刻是唐代帝王陵墓的代表，這些石刻雕塑歷經(jīng)盜墓、周期性溫差、暴曬、沉積、風(fēng)蝕、降雨、地基沉降等，使得原本歷史風(fēng)貌不再的陵墓雪上加霜，經(jīng)歷了1300余年的風(fēng)雨歷程，留存了大量石刻雕塑，其中唐獻(xiàn)陵的石犀、石虎，昭陵六駿，順陵的走獅、天祿，乾陵石獅、翼馬，橋陵的石獅、仗馬，豐陵和章陵的華表，泰陵和貞陵的石刻，都是唐代石刻作品中的精品，也是唐朝由盛到衰的文化縮影［3］。

多年來(lái)，唐陵石刻不乏盜賊的騷擾，為避免盜賊將石刻運(yùn)走，文管所將建陵西門和北門的兩對(duì)石獅及北門的三對(duì)石馬均移到了昭陵博物館。大量的唐陵文物長(zhǎng)期沒(méi)有得到相應(yīng)保護(hù)，再加上周期性溫差、暴曬、沉積、風(fēng)蝕、降雨、地基沉降等因素，使得文物出現(xiàn)裂痕、霉斑。例如，崇陵朱雀門西側(cè)甕仲第五尊，手持佩劍，劍的兩頭從胸前和肘后露出，頭戴高冠，上刻有花紋，如今文物表面滿是斑駁。另外，為了增加耕地，大規(guī)模開(kāi)墾土地，田間散落著許多唐陵文物。例如，唐章陵西側(cè)翁仲僅存一座殘像，身高1.75 m，寬0.55 m，半身裸露在田野中，沒(méi)有任何保護(hù)措施；唐建陵西側(cè)華表，目前斷裂成四塊散落在田野中；唐光陵?yáng)|側(cè)華表，目前斷裂成三塊散落在田野中；唐光陵西側(cè)翁仲第二尊，身高2.68 m，頭戴高冠，冠前飾團(tuán)花紋，兩側(cè)配飾品有花紋，身穿長(zhǎng)袖長(zhǎng)袍，袖口過(guò)膝，腳上穿有長(zhǎng)靴，雙手拄五節(jié)劍于胸前，半掩埋在土地中。此外還有為開(kāi)采山石進(jìn)行山體開(kāi)鑿、生態(tài)環(huán)境遭到破壞等人為原因，使得佇立田間的唐陵文物逐漸失去了原本的風(fēng)采［4］。

2 數(shù)字技術(shù)賦能唐陵石刻

數(shù)字技術(shù)是將不同特性的聲音、圖像、文字、代碼等信息加工成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)識(shí)別、存儲(chǔ)、分析、傳輸?shù)男屡d技術(shù)。數(shù)字技術(shù)作為20世紀(jì)最引人注目的一項(xiàng)科技，在藝術(shù)、醫(yī)藥、互聯(lián)網(wǎng)、軍事、通信等眾多與人類社會(huì)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文化遺產(chǎn)保護(hù)方面涉及的數(shù)字技術(shù)主要包括激光掃描技術(shù)和數(shù)字建模技術(shù)，用于測(cè)繪、測(cè)量、信息檢測(cè)、展示傳播、虛擬漫游、交互仿真等［5］。

數(shù)字化保護(hù)首次將文物保護(hù)納入了科學(xué)的范疇。數(shù)字技術(shù)能夠精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)，對(duì)文物所處的環(huán)境進(jìn)行科學(xué)分析，將文物保護(hù)所需要的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給相關(guān)人員。數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展擴(kuò)大了文化遺產(chǎn)保護(hù)的范圍，也突破了傳統(tǒng)技術(shù)在信息采集效率和全面性方面的局限。

數(shù)字技術(shù)分為激光三維掃描、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、TOF3D感應(yīng)等。三維掃描儀價(jià)格昂貴，國(guó)產(chǎn)三維掃描儀雖然價(jià)格相對(duì)較低，但在軟件開(kāi)發(fā)配套方面不及國(guó)外三維掃描儀。而且三維掃描儀使用不方便，需要外接交流電設(shè)備、電腦工作站，對(duì)環(huán)境要求苛刻，精度雖然高，但是數(shù)據(jù)量大，不便對(duì)大型文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。便攜式LiDAR Scanner雖然體積小，方便快捷，數(shù)據(jù)量小，但是可靠性不強(qiáng)，精度較低，紋理有時(shí)無(wú)法拼接。相比之下，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方便快捷，有特定紋理，效果好，精度高。與此同時(shí)，為滿足不同形態(tài)文化遺產(chǎn)的信息采集需求，通常會(huì)采用不同的方法。例如，德國(guó)斯圖加特大學(xué)將激光三維掃描技術(shù)和攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái)，獲得了較好的三維模型，并把這種方法應(yīng)用于約旦佩特拉一座著名的遺址——Al-Khasneh的3D虛擬建模。采用多種方法，不但提高了效率，而且能夠充分理解每個(gè)類型的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，有助于取長(zhǎng)補(bǔ)短，對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行優(yōu)化，形成最終的方案，并制定相關(guān)的數(shù)據(jù)采集注意事項(xiàng)及要求。

3 數(shù)字技術(shù)在唐陵石刻遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集流程

唐陵雕塑分布廣泛，往往雜草荊棘遍布周圍。因此，唐陵石刻三維數(shù)據(jù)獲取需要在地形復(fù)雜的坡地上進(jìn)行。

根據(jù)處理流程，先進(jìn)行實(shí)地考察，了解唐陵現(xiàn)狀，接著運(yùn)用無(wú)人機(jī)、相機(jī)等數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，目的在于還原色彩。如遇到曝光的情況，應(yīng)根據(jù)環(huán)境光的變化進(jìn)行調(diào)整，使獲取到的唐陵雕塑主體樣貌保持不變，真實(shí)且自然；之后進(jìn)行三維影像構(gòu)建，生成稀疏點(diǎn)云、密集點(diǎn)云，構(gòu)成紋理化網(wǎng)格；最后查看網(wǎng)格是否需要修補(bǔ)，對(duì)需要修補(bǔ)處進(jìn)行修補(bǔ)后導(dǎo)出模型，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)表達(dá)進(jìn)行展示。

3.2 全方位采集

本次采集主要采用一臺(tái)sonyA7M4全畫(huà)幅微單數(shù)碼相機(jī)，有效像素達(dá)3400萬(wàn)，同時(shí)還使用了一只標(biāo)準(zhǔn)變焦大光圈28～75 mm鏡頭，這是因?yàn)樘屏甑袼荏w量龐大，大多高度都在2～3 m，其中最大的橋陵獬豸高達(dá)4.5 m左右，應(yīng)盡可能避免鏡頭畸變所造成的影像數(shù)據(jù)失實(shí)。采用600瓦大功率專業(yè)影像閃光燈設(shè)備，在光線不足和大光比的情況下進(jìn)行補(bǔ)光，搭配移動(dòng)式電源，在滿功率下可以使用2小時(shí)左右。閃光燈前加以聚光罩，增強(qiáng)燈光聚合能力，減少光線衰減。采用一臺(tái)專業(yè)航拍大疆御3無(wú)人機(jī)，4/3英寸傳感器便攜式無(wú)人機(jī)有效像素達(dá)2000萬(wàn)，搭配廣角24 mm定焦和162 mm長(zhǎng)焦定焦鏡頭，有效彌補(bǔ)了地面空間的不足。在禁飛區(qū)地段，需要使用梯子進(jìn)行雕塑頂部掃描拍攝。掃描設(shè)備參數(shù)總結(jié)如下（見(jiàn)表1）。

數(shù)據(jù)采集使用軸線式掃描和平行式掃描或兩種方式相結(jié)合。軸線式掃描：以目標(biāo)物體為中心軸，在距離較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行多角度、同心圓式的環(huán)狀掃描。平行式掃描：以目標(biāo)物體為中心，在距離較近的地方進(jìn)行平行細(xì)節(jié)掃描。軸線式掃描主要需要了解物體在大環(huán)境中所處的位置；平行式掃描則是根據(jù)目標(biāo)物體的各種細(xì)節(jié)信息進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，進(jìn)而得到精細(xì)化結(jié)果的掃描過(guò)程?？偨Y(jié)長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得出結(jié)論：平行式掃描分為上下兩段式掃描，每次掃描重疊率至少維持在70%以上，這樣可以確保掃描過(guò)程高效準(zhǔn)確，白色三角形表示攝影機(jī)的位置及其視野；軸線式掃描分為上中下三段式掃描，每次掃描保證至少60%的重疊率，這樣可以確保掃描過(guò)程高效準(zhǔn)確，白色三角形表示攝影機(jī)的位置及其視野。

針對(duì)細(xì)節(jié)極其豐富的唐陵雕塑，若正視不能捕捉到被遮擋的部位，需要更突出細(xì)節(jié)部位，則需要變換相機(jī)焦距進(jìn)行近距離多角度的細(xì)節(jié)采集，這樣有利于真實(shí)顯示。在掃描唐建陵朱雀門東側(cè)翁仲第三尊時(shí)，運(yùn)用軸線式掃描和平行式掃描相結(jié)合的方式，保證能精準(zhǔn)、高效地掃描細(xì)節(jié)。

在不同的天氣情況下，環(huán)境光比有很大的區(qū)別，被攝物體上的光斑會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，從而影響三維重建的效果，因此調(diào)整拍攝的布光使唐陵石刻上無(wú)明顯光斑尤為重要。唐陵石刻主要散落在露天的關(guān)中平原上，主要光源來(lái)自太陽(yáng)光，因此補(bǔ)光極為重要。本次主要使用了金貝ad600閃光燈為唐陵石刻進(jìn)行補(bǔ)光，以閃光燈為主光，太陽(yáng)光、環(huán)境光為輔助光，使主體對(duì)象更加清晰，與環(huán)境背景相互分離，突出主體畫(huà)面；主光面前還添加了柔光罩，使光線柔和，達(dá)到消除光斑的預(yù)期效果。

采集后得到大量數(shù)據(jù)，僅僅采集唐陵石刻中體量最小的鴕鳥(niǎo)就需要約4.6 GB的內(nèi)存空間，唐十八陵有500余座石刻雕塑，需要進(jìn)行統(tǒng)一管理和梳理。筆者在三年研究生期間對(duì)唐陵石刻雕塑進(jìn)行了長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集，采集了330余座雕塑數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)到驚人的5 TB。為了解決數(shù)據(jù)分散的問(wèn)題，進(jìn)行了數(shù)據(jù)分類和管理、規(guī)范文檔等，因此數(shù)據(jù)庫(kù)的建立至關(guān)重要。

3.3 構(gòu)建貼圖

貼圖構(gòu)建需要運(yùn)用3DMax軟件，它是集三維建模、制作、動(dòng)畫(huà)等于一身的三維軟件。這款軟件主要用于三維模型的構(gòu)建、渲染和網(wǎng)格拼貼。利用著色球?yàn)槟Ｐ吞砑淤N圖紋理，使模型更加逼真；還要運(yùn)用3Dmax對(duì)模型紋理進(jìn)行梳理，以獲得更好的三維效果。模型導(dǎo)入后，需要增加底座以保證模型的美觀。在唐橋陵?yáng)|側(cè)獬豸模型的調(diào)整中，導(dǎo)入模型后，選擇生成的紋理貼圖并對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)原本三角面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成光滑的面。

展UV是將模型圖案紋理貼圖有序展開(kāi)，此環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：第一，不能出現(xiàn)重疊，否則會(huì)影響模型效果；第二，需要平鋪模型貼圖，有序進(jìn)行調(diào)整，使模型貼圖都在一張UV上；第三，盡量減少操作步驟，有助于減少對(duì)模型法線、凹凸等的影響；第四，必要時(shí)可以運(yùn)用拓?fù)涔ぞ邔?duì)紋理進(jìn)行拓?fù)?，使模型層次更加豐富。

3.4 網(wǎng)絡(luò)化表達(dá)

隨著網(wǎng)頁(yè)2.0的發(fā)展，普通網(wǎng)頁(yè)的2D頁(yè)面對(duì)網(wǎng)民來(lái)說(shuō)平淡無(wú)奇，另外，普通網(wǎng)頁(yè)附著大量的圖文信息，增加了用戶瀏覽的負(fù)擔(dān)，因此創(chuàng)新設(shè)計(jì)展示網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面成為軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)?；赩erge3D平臺(tái)的新媒介表達(dá)，數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展提供了更多的可能，也出現(xiàn)了更多的數(shù)字媒介終端，展示了這一紅利下新的方式，參與者借助專用的三維交互設(shè)備與虛擬環(huán)境之間以自然的方式進(jìn)行交互，這樣的交互比平面圖形交互形式更加豐富。還可以借助VR、AR眼鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬漫游，借助Verge3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬展示。唐陵石刻雕塑的網(wǎng)絡(luò)化表達(dá)有助于快速實(shí)現(xiàn)唐陵文化的傳播［6］。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展使模型的精確性和完整性得到了極大提升，并使模型的3D瀏覽和數(shù)據(jù)的測(cè)量成為可能，進(jìn)而建立起空間數(shù)據(jù)庫(kù)，它是信息處理的基礎(chǔ)。分析、歸納及存儲(chǔ)收集到的信息，為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行文化遺產(chǎn)重現(xiàn)與還原，這一創(chuàng)新模式將傳統(tǒng)的靜態(tài)展示與動(dòng)態(tài)體驗(yàn)相結(jié)合，打破了以往瀏覽文獻(xiàn)或者在網(wǎng)絡(luò)上查詢唐陵文化遺產(chǎn)簡(jiǎn)介這樣的碎片化信息獲取方式的局限，給觀看者帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：孔慶鵬（1994—），男，陜西西安人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：影像與數(shù)字媒體藝術(shù)。

張輝（1970—），男，陜西西安人，碩士，教授，研究方向：影像與數(shù)字媒體藝術(shù)，研究方向：影像藝術(shù)與信息技術(shù)。

基金項(xiàng)目：本論文為2020年度西安理工大學(xué)國(guó)家藝術(shù)基金交流推廣項(xiàng)目“唐十八陵雕塑藝術(shù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)”研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：2020-A-04（084）-360；2021年度西安理工大學(xué)國(guó)家社科基金后期資助項(xiàng)目“唐帝陵石像生藝術(shù)研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：21FYSB032