石刻資料采集手法概論

鄧志強

[摘 要]本文以桂林石刻為參照，對石刻資料采集的手法做一個系統(tǒng)的概論，并就新出現(xiàn)的其他科技手法用于石刻數(shù)據(jù)采集做一些猜想。

[關(guān)鍵詞]拓片；三維技術(shù)掃描；數(shù)字博物館；3D打印

石刻作為一門藝術(shù)及記事的手法，在世界范圍內(nèi)有著悠久的歷史，然而隨著時代變遷，自然的損壞及人為的毀壞，導致大多數(shù)石刻已湮沒于歷史的長河中，尤其隨著現(xiàn)代工業(yè)化步伐的邁進，自然環(huán)境的破壞，石刻消失的速度在急速加劇，每年都有大量石刻消失，對石刻的保存保護以及資料的收集記錄已經(jīng)刻不容緩。傳統(tǒng)的石刻資料采集手法主要是拓片、卷尺測量、照相、文字記錄等，隨著科技手段的進步，逐漸出現(xiàn)了更為先進的gps定位測量，全站儀測繪，cad平面剖面圖的處理、數(shù)字三維掃描、數(shù)字攝影測量、石刻數(shù)字博物館等等，本文僅就桂林石刻為參照，對石刻資料采集的手法做一個系統(tǒng)的概論，并就新出現(xiàn)的其他科技手法用于石刻數(shù)據(jù)采集做一些猜想。

桂林石刻位于廣西壯族自治區(qū)桂林市，從形制上大體可分為摩崖石刻、碑碣、陵墓石刻、其他石刻等。分布于市區(qū)的普陀山、月牙山、龍隱巖龍隱洞、虞山、象鼻山、伏波山、獨秀峰、疊彩山、隱山、西山、南溪山、鸚鵡山、鐵封山、寶積山、中隱山、清秀山、雉山、穿山、騮馬山、會仙巖、文廟等30余處風景名山洞府，堪稱碑刻如林。石刻種類繁多、內(nèi)容豐富、形制巨大，且擁有眾多的名人佳作，集中反映了桂林乃至廣西地區(qū)政治、軍事、經(jīng)濟、文化的發(fā)展歷程，是國內(nèi)少有的古代石刻精品。桂林石刻是桂林市歷史文化名城的重要組成部分。桂林市因歷史悠久、山水甲天下被冠以“歷史文化名城”、“國家重點風景名勝區(qū)”兩頂桂冠。而分布于山水之間的桂林石刻，更為山水名勝增色，構(gòu)成了桂林名勝的一道亮麗的風景線，是桂林山水文化、歷史名城的重要組成部分。同時在國內(nèi)外具有重要影響，既是研究中國山水文化的文獻寶庫，又是了解古代書法發(fā)展的難得的實物資料和證史補史的一部石刻編年史書，具有重要的歷史、科學和藝術(shù)價值。

由于桂林石刻在其漫長的保存過程中，來自自然和人為兩方面因素的綜合作用對石刻造成了明顯地影響。長期以來，由于環(huán)境污染、旅游開發(fā)等造成的破壞以及缺乏有關(guān)石質(zhì)文物保護方面的技術(shù)規(guī)范，以致科學性和理論系統(tǒng)化方面有所欠缺。且石刻多處于不易控制的諸多自然營力作用下，其病變情況復雜多樣，石刻的破壞現(xiàn)象已經(jīng)比較嚴重，其中百分之八十五以上的的桂林石刻存在表面溶蝕、剝落、巖溶覆蓋、生物侵蝕、人為破壞等病害，由于文物破壞是一種不可逆的過程，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展以及其對空氣等各方面污染的加劇，自然損害、宗教毀壞、游客游覽時候的破壞、陵墓石刻的人為盜掘等各方面因素對石刻的損害，桂林各地的石刻保護形勢十分嚴峻，幾乎每年都有石刻消失，對現(xiàn)有石刻的整理記錄工作刻不容緩，但是長期以來我們的資料收集還停留在比較原始的手工測繪記錄階段，大大降低了石刻資料保護收集的質(zhì)量和效率，為此，全國各地的文物工作者在資料采集方面進行了大量新技術(shù)的嘗試和應用，并取得了不俗的成效。

一、傳統(tǒng)石刻資料收集手法

傳統(tǒng)資料收集手法主要為拓片。拓片，又稱拓本，就是將宣紙蒙在器物表面用墨拓印來記錄花紋和文字，包括甲骨青銅、碑刻墓志、摩崖造像、錢幣畫像等等。關(guān)于拓片的起源，王國維的《宋代之金石學》一文中寫道：拓墨之法，始于六朝，始用之以拓漢魏石經(jīng)，繼以拓秦石刻。至于唐代，此法大行，宋初遂用之以拓古器文字。最早出現(xiàn)有關(guān)于“拓”的記載于文獻南北朝虞和的《臨表書》，目前傳世最早的拓片據(jù)記載是唐代注明書法家歐陽詢所書《化度故僧邕禪師舍利塔銘》，簡稱《化度寺碑》（1），為法國人伯希和攜往國外，分存于法國巴黎圖書館、英國倫敦博物館。拓片技藝又分為南派及北派，各派又有許多分支，拓法因用墨的差別，主要有蟬翼拓、烏金拓、朱拓等，作為中國文化的一項傳統(tǒng)技藝。拓片是記錄中華民族文化的重要載體之一，比如許多已散失毀壞的碑刻，因有拓片，才得以讓其內(nèi)容及書法等得以傳世。拓片本身作為一種藝術(shù)品甚至文物，其自身有著較高的歷史價值、藝術(shù)價值及資料價值。從資料收集角度來看，可以比較真實的還原石刻內(nèi)容及石刻表面信息，是傳統(tǒng)石刻收集手法中最行之有效也是保存信息最完整的收集方法，但是其不足之處在于，其信息保留程度過于依賴拓片制作者本身的技藝水平及制作方法，主觀因素對拓片質(zhì)量的影響較大，其信息的記錄僅限于石刻本身，對碑面現(xiàn)存狀況的反映程度有限，對石刻周圍環(huán)境，以及石刻與附近其他石刻之間的關(guān)系，缺乏系統(tǒng)性與整體性，給研究帶來一定的局限性，研究者往往還要去實地進行考察才能準確的得出自己想要的結(jié)論，尤其是造像以及石雕，由于其特殊性，拓片拉伸變形以及過于依賴后期處理，對石刻原始信息的保存的準確性有限，其藝術(shù)收藏的價值遠大于作為資料保存以及學術(shù)研究的價值。總的說來，雖然拓片有其局限性，但是在中華文明的傳承中發(fā)揮過巨大的作用，并至今仍具有較大的資料收集和藝術(shù)收藏的價值。傳統(tǒng)的測量主要以卷尺為主，由于工作環(huán)境和個人因素的影響，存在一定的誤差，同樣，文字記錄一般包括石刻的地點、方位、尺寸、字徑、字體、石刻現(xiàn)狀、周邊環(huán)境、病害、碑文等等，作為第一手現(xiàn)場資料，也受個人判斷的因素影響較大，個人判斷登記的失誤直接影響到資料的質(zhì)量，從而影響到后期的研究。照相是反映石刻本身真實狀況比較直觀的手段，但是受拍照者水平、天氣、角度等影響較大，取得的圖像在二維平面上難免會產(chǎn)生一定的扭曲變形。拓片與簡單的測量、照相、文字記錄相結(jié)合，在經(jīng)費有限的情況下，仍可以作為摩崖石刻主要資料收集手段。傳統(tǒng)石刻資料收集手法主要優(yōu)勢在于需要投入的人力物力較小，同時拓片也可以作為藝術(shù)品甚至文物保存。缺點在于資料受個人主觀性影響較大，準確性有限，為研究工作帶來了一定的不便和誤差，很多時候研究者還需要去石刻點實地考察校正，后期可以用于展示的實物直觀性較差，展示效果不佳。

二、現(xiàn)代科技手法應用

近年來隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代科技手法用于文物保護的嘗試日趨增加，其先進性也在嘗試的過程中得到了很好的展現(xiàn)，其中比較成功的有全站儀測繪、GPS定位、三維數(shù)字掃描，數(shù)字攝影測量、數(shù)字博物館建設等等，都取得了比較好的效果，這些科技手段在文物保護領(lǐng)域的應用也日益廣泛，但是用于摩崖石刻保護，石刻資料收集的嘗試還不多。

全站儀是一種集光、機、電為一體的新型測角測距儀器，集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體，將人工光學測微讀數(shù)代之以自動記錄和顯示讀數(shù)，使測角操作簡單化，且可避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。全站儀功能強大，除了角度測量、距離測量、坐標測量等，還可以通過偏心測量、懸高測量、對邊測量等解決測量中遇到的各種特殊狀況。它的主要工作原理是通過兩個或多個已知點的坐標，在儀器內(nèi)部輸入預先設定的三維坐標系，然后通過不同的測站，測得不同的點在該坐標系內(nèi)的坐標（X，Y，Z），然后存儲在儀器內(nèi)，最終導入到CAD中獲得一個統(tǒng)一坐標系下的點的分布情況圖，然后根據(jù)需要加工成我們所需要的圖象。世界上最高精度的全站儀測角精度（一測回方向標準偏差）僅0.52，測距精度1mm+1ppm，相對傳統(tǒng)測繪手段，有著無法比擬的優(yōu)勢。近年來，全站儀已經(jīng)廣泛應用于田野考古，極大的減少了人工測量的誤差，提高了工作效率，保障了資料獲取的準確性與系統(tǒng)性。全站儀目前在石刻資料收集中的應用極少，然而不代表它不適合用于石刻的測繪，全站儀應用于石刻資料收集，特別是陵墓石刻分布以及摩崖石刻點的整體測繪，可以精確的在一個石刻點的地形圖中給每件石刻的位置進行定位，并可后期制作成石刻CAD分布圖，可以在分布圖上直觀的看出每件石刻的位置及相互之間的關(guān)系，這是人工測量手段所無法實現(xiàn)的，制作形成的分布圖與照相等傳統(tǒng)方式相結(jié)合，將使傳統(tǒng)資料具備其缺少的整體性和系統(tǒng)性，同時由于全站儀成本較低，在石刻資料的收集保護中也可以得到廣泛應用。

GPS全球定位系統(tǒng)在第三次全國文物普查中已經(jīng)得到廣泛應用，包括石刻點的精確定位，為后期保護工作提供了極大的便利。

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復制技術(shù)，是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起各領(lǐng)域的關(guān)注。三維掃描可以快速、大量的采集空間點位信息，快速精確的建立物體的三維影像模型，在建筑、土木工程、規(guī)劃、工廠改造、室內(nèi)設計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災害評估、船舶設計、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應用（2），在文物資料收集方面也已經(jīng)開始進行嘗試，包括古跡（古建筑、雕像等）的保護測量、文物修復，古建筑測量、資料保存等古跡保護，遺址測繪，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護性影像記錄等。在石刻資料收集方面，龍門石窟，云岡石窟等石窟寺在三維技術(shù)掃描的應用上已經(jīng)取得了巨大成功。三維數(shù)字掃描應用于其他類型石刻數(shù)據(jù)采集剛剛起步，以與周圍環(huán)境以及歷史人文聯(lián)系更為密切的桂林摩崖石刻為例，其大體工作過程為摩崖山體形狀和表面特征的數(shù)字化，摩崖石刻模型的數(shù)字化，并將多個模型融合成一個完整的模型，為模型貼上相應材質(zhì)，構(gòu)建出高分辨率的虛擬摩崖山體復原造型，主要技術(shù)為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、形體重構(gòu)和表面渲染。

1、數(shù)據(jù)獲取

采用三維激光掃描儀，三維激光掃描測量技術(shù)，三維攝像技術(shù)，根據(jù)石刻具體狀況，采用不同的測量方法。石刻由于其自身特點，表面幾何數(shù)據(jù)可以采用二維圖像結(jié)合激光掃描以及軟件方法獲取三維數(shù)據(jù)。

表面屬性數(shù)據(jù)（顏色、紋理等）利用數(shù)字相機拍攝二維圖像，利用軟件方法計算得到表面屬性數(shù)據(jù)。

2、數(shù)據(jù)處理與三維重構(gòu)

首先進行數(shù)據(jù)預處理。由于測量的精確性以及測量對象本身的缺損等自然原因，以及分片測量后的數(shù)據(jù)需要拼接，測量獲得的點云數(shù)據(jù)必須進行一定的預處理才能進行三維重構(gòu)，包括排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)光滑，壓縮和歸并多余數(shù)據(jù)，遺失點補齊，三角面片化等。對于分片測量獲得的數(shù)據(jù)，需要采用坐標轉(zhuǎn)換的方法將多次測量的數(shù)據(jù)拼接為一個完整的點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的預處理可以采用測量系統(tǒng)軟件或者專用軟件系統(tǒng)完成。

預處理之后的點云數(shù)據(jù)還需要做進一步處理。首先根據(jù)模型對象的具體特點劃分曲面面片，然后針對不同的曲面構(gòu)造方式提取特征點，對特征點進行擬臺建立決定曲面形狀的特征線，最后利用特征線結(jié)合精度點進行三維重構(gòu)，采用這種方法，自動修補了實物缺損處。三維重構(gòu)的結(jié)果以一定的文件格式來保存。由于后續(xù)的渲染，虛擬現(xiàn)實等操作的需要，一般我們將其保存為3DS格式文件。在3DS格式的文件中，可以包括山體以及石刻的材質(zhì)、紋理特征、燈光等信息。

由于目前沒有針對文物的三維重構(gòu)軟件平臺，數(shù)據(jù)處理及三維重構(gòu)借用了通用逆向工程反求軟件進行數(shù)據(jù)處理。將來可以根據(jù)摩崖石刻文物特點自行開發(fā)軟件平臺。

3、表面渲染

表面渲染是為了達到高質(zhì)量的顯示效果，目前較為常用的被稱為基于圖像的渲染技術(shù)，表面渲染所需要的表面屬性數(shù)據(jù)來自二維圖像。

采用3DSMAX或者MAYA作為渲染工具。3DSMAX以及MAYA軟件已經(jīng)具有先進的渲染技術(shù)，完全可以達到需要的效果。

通過三維掃描可以將實物準確的還原成3D模型，得來的數(shù)據(jù)在目前所有測繪手法里面最為精確（可以精確到0.01mm）、直觀（所見即所得）、系統(tǒng)，展示效果最好以及后期的應用范圍也最廣，在石刻資料收集方面完全可以替代各種傳統(tǒng)手法以及其他方式，并還具有快速、精確、無需布控制等優(yōu)點。在快速獲取三維數(shù)據(jù)并建立三維立體模型方面有著無可比擬的優(yōu)越性，對石刻數(shù)據(jù)采集成果的數(shù)字化、最終建立石刻數(shù)字化系統(tǒng)，提供高效的管理、查詢與分析功能。但是其造價也最為昂貴。

石刻的數(shù)字化建設是一項復雜而艱巨的過程，其中涉及到方方面面的技術(shù)難題，但是數(shù)字化建設一旦完成，觀眾將可以通過電腦生動完整的“游覽”石刻點，查閱到更加全面生動的相關(guān)資料，對以后石刻的研究保護展示事業(yè)是一個巨大的推動，不僅對文物研究保護展示具有里程碑的意義，由于一些石刻點位于風景名勝點，石刻數(shù)字化建設可以讓名勝更富于文化歷史氣息，對于當?shù)氐目萍悸糜问聵I(yè)的發(fā)展，也是一個極具重要意義的推進點，從長遠的角度來看，其昂貴的造價還是物有所值。

數(shù)字博物館的建設則是建立于已收集資料基礎上的一個保護展示、查詢、管理的平臺跟系統(tǒng)，不同的資料錄入方式有不同的建設方法，其展現(xiàn)出來的信息量跟形式也有多種。以桂林摩崖石刻為例，較為先進完善的數(shù)字博物館建設思路可以在高精度的3D石刻分布圖上面對每塊石刻設置鏈接，輸入相關(guān)石刻資料，點擊石刻即可查看該石刻的相關(guān)信息，如名稱、方位、GPS坐標點、方向、碑文、字徑、額題、跋語、落款、保護現(xiàn)狀、溫濕度記錄、尺寸、病害、拓片資料（可點擊進入查看編號、拓制時間、照片等相關(guān)資料）、石刻介紹（可點擊進入查看刻碑的時間、經(jīng)過、刻石背景，相關(guān)研究，石刻價值等等相關(guān)資料）、照片（可點擊查看拍攝時間、拍攝方位）、作者（可點擊查看作者生平，大體介紹等信息）、撰文者（可點擊查看其生平，大體介紹等）、書丹者（可點擊查看其生平，大體介紹等）、刻石者（可點擊查看其生平，大體介紹等）、著作資料等。并同時將石刻按朝代、類型（記事、題名、題榜等等）分好類，方便查詢，對于留存石刻比較多、比較出名的個人、也歸類于首頁之上，方便查詢。數(shù)字博物館在文物信息管理展示的現(xiàn)代化代表著未來博物館虛擬展示、管理的的發(fā)展方向。

針對三維數(shù)據(jù)掃描造價偏高的缺陷，近年來也出現(xiàn)了利用大量數(shù)碼照片建模、近景攝影測繪等手段，其精確度相對三維掃描略有遜色，對復雜器物表面的測繪也容易出現(xiàn)死角，但是在對精度要求不高的大場景和造型較簡單的石刻的復制建模方面，其低于三維數(shù)據(jù)掃描十倍的成本，也具有較高的應用價值，相對傳統(tǒng)的測量測繪手法，還是具有極大的優(yōu)越性。

相對于傳統(tǒng)石刻資料采集手法，現(xiàn)代科技采集手法的優(yōu)越性不言而喻，但是其缺陷在于缺少實物收藏品，近些年興起的3D打印機彌補了這一缺陷。3D打印（3Dprinting），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前主要應用于工業(yè)設計、珠寶、鞋類、建筑、工程和施工（AEC）、汽車、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、航空航天、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支等領(lǐng)域，打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。全球首輛3D打印汽車時速可達112公里，而在文物復制的領(lǐng)域的應用基本還是空白，相對于以往的文物復制手段，3D打印將極大的減少成本，而且復制速度相對于以往的文物復制手段有了質(zhì)的提升，用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)天，而用三維打印的技術(shù)則可以將時間縮短為數(shù)個小時，使大規(guī)模的文物復制可能性大大增加。2012年，根據(jù)Wired的報道，兩位研究員Greene和Aja利用3D打印機和3D掃描軟件，成功恢復了一個在3000年前被打碎的瓷器獅子。由于3D打印機本身技術(shù)還不成熟，支持的材料有限，在日常生活中應用極少，但是隨著技術(shù)的進步，3D打印將在保護以及復制石刻有著廣泛的應用價值，將位于野外的摩崖石刻、摩崖造像、石雕等按比例打印出來，無論是用于收藏還是資料的保護研究，相比于拓片，都有著更好的價值，對于石刻的展示來說，則是提供了一種全新的展示模式，使得石刻資料的陳列展示不再刻板單調(diào)，而變得更為的直觀、震撼。

時代在發(fā)展，科技在進步，各種科技設備及手段的更新日新月異，而現(xiàn)代大部分文物保護以及資料采集的工作方式仍以傳統(tǒng)手工為主，社科院開設的科技考古為文物工作以后的發(fā)展提供了一個方向，新的科技手法的引入和替代傳統(tǒng)手法已經(jīng)成一種必然趨勢，在經(jīng)費允許的前提下，將一些新的科技手段引入文物保護以及文物資料的采集方面，可以讓工作更具效率和準確性，為后期的研究工作提供更為準確更為系統(tǒng)的基礎材料，其成果的應用性在新時代新環(huán)境中的應用范圍也將更為廣泛。

注釋：

（1）張圍東《國家圖書館珍藏拓片概覽》，國家圖書館館訊96年第一期

（2）王倩，陳明九，丁寧《基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護分析與展望》，山東建筑大學學報2010年6月第三期