云岡石窟數(shù)字化歷程

李麗紅

摘 要：作為世界文化遺產(chǎn)的云岡石窟，經(jīng)過上千年的時(shí)間，不同程度存在人為破壞、自然風(fēng)化等現(xiàn)象，對文物的本體安全、藝術(shù)價(jià)值造成了一定的影響。為延續(xù)石窟藝術(shù)價(jià)值，云岡研究院研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十幾年的探索，研究出了一條數(shù)字化保護(hù)之路。文中分析了不同階段研究內(nèi)容和研究成果，包括數(shù)字檔案、展示應(yīng)用、管理研究等方面，體現(xiàn)了數(shù)字化在文物領(lǐng)域上的科學(xué)記錄、融合翻譯、智慧發(fā)展的作用，不僅為本體文物的保護(hù)修復(fù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還為文物考古、研究、產(chǎn)學(xué)研智慧發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：云岡石窟;數(shù)字化;研究;文物保護(hù)

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.006

云岡石窟原名武州（周）山石窟寺，距大同市城西約16千米，距今已有1500多年的歷史，與敦煌莫高窟、龍門石窟、麥積山石窟并稱為中國四大石窟，2001年被聯(lián)合國教科文組織列為“世界文化遺產(chǎn)”名錄。云岡石窟可以說是石窟藝術(shù)“中國化”的開始，代表了公元5世紀(jì)至公元6世紀(jì)時(shí)中國杰出的佛教石窟藝術(shù)。其中的曇曜五窟，布局設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)統(tǒng)一，是中國佛教藝術(shù)第一個(gè)巔峰時(shí)期的經(jīng)典杰作。

云岡石窟現(xiàn)存有窟龕254個(gè)，造像59000余尊，經(jīng)過1500多年的洗禮，石窟現(xiàn)存在的突出問題主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)，即滲水、風(fēng)化、裂隙、危巖體、污染物等，致使部分文化遺產(chǎn)失去了原有的價(jià)值甚至產(chǎn)生毀滅性的破壞。2020年5月11日，習(xí)近平總書記來到大同云岡石窟考察歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)工作時(shí)強(qiáng)調(diào)，云岡石窟體現(xiàn)了中華文化的特色和中外文化交流的歷史，這是人類文明的瑰寶，要堅(jiān)持保護(hù)第一，在保護(hù)的基礎(chǔ)上研究利用好。同時(shí)習(xí)近平總書記曾反復(fù)強(qiáng)調(diào)要讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產(chǎn)、書寫在古籍里的文字都“活起來”。面對這流傳千年的美好，該如何更好地進(jìn)行保護(hù)和開發(fā)？對此，云岡石窟給出了它的數(shù)字化答卷。

數(shù)字化是一種技術(shù)手段，服務(wù)于大眾，也服務(wù)于保護(hù)工作、考古發(fā)掘、研究人員，這是云岡的特色所在。文物數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)文物永久保存最直接、最有效的手段，利用數(shù)字化手段不僅可以保存文物信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永續(xù)研究利用，同時(shí)還可以進(jìn)一步為文物保護(hù)、考古研究、虛擬修復(fù)、原貌再現(xiàn)、展示利用等方面提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 云岡石窟數(shù)字化探索與研究方法

云岡石窟的數(shù)字化工作具有急迫性。因?yàn)槭弑┞对趹敉?，風(fēng)吹雨淋，不保護(hù)很快就會(huì)被自然破壞。這也決定了云岡石窟的數(shù)字化保護(hù)是第一要?jiǎng)?wù)。我們時(shí)刻牢記習(xí)總書記的指示，以保護(hù)文物為第一要?jiǎng)?wù)。圖1展示了第33窟脅侍菩薩及弟子像不同年代的照片，從圖中可以看出短短幾十年時(shí)間，原來很清晰的造像細(xì)節(jié)紋理已經(jīng)模糊。這種珍貴文物的消逝令我們感到十分惋惜，云岡的佛像無時(shí)無刻不在被風(fēng)化剝蝕，把云岡的佛像全部用數(shù)字化手段將其留住，再用數(shù)字化手段將它的美保護(hù)起來，這是云岡石窟數(shù)字化的初衷。云岡石窟數(shù)字化是采用現(xiàn)代化測繪手段對現(xiàn)有洞窟現(xiàn)狀進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集處理，達(dá)到對數(shù)據(jù)的永久保存，然后將數(shù)據(jù)與石窟保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到為石窟寺文物模擬復(fù)原修復(fù)和指導(dǎo)實(shí)體文物修復(fù)的目的，最后結(jié)合3D打印技術(shù)、AR、VR、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的永續(xù)利用。

2003年，云岡研究院走上了數(shù)字化的探索之路。不同于今日文物數(shù)字化的如火如荼，當(dāng)時(shí)院內(nèi)研究人員對窟內(nèi)文物進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，國內(nèi)“石窟界”數(shù)字化工作大多還沒開啟。云岡石窟的數(shù)字化歷程主要包括以下幾個(gè)階段的發(fā)展。

第一階段，云岡研究院先是與武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、北京建筑大學(xué)等國內(nèi)多家知名科研院校合作，開始嘗試在數(shù)據(jù)采集上應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)和數(shù)字近景攝影測量技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)是利用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)獲得的測量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物三維模型的一種全自動(dòng)測量技術(shù)，該技術(shù)具有非接觸性、無損、快速、實(shí)時(shí)采集的特點(diǎn)，后被廣泛推廣應(yīng)用于文物領(lǐng)域。數(shù)字近景攝影測量技術(shù)是通過攝影手段來獲取目標(biāo)物上點(diǎn)群的三維空間坐標(biāo)，以及這些空間坐標(biāo)的長度、面積、體積等信息，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于其非接觸性測量手段不傷及被測物體，信息量高且易存儲，精度高，速度快等，這些優(yōu)點(diǎn)使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物領(lǐng)域。2005年，研究團(tuán)隊(duì)采用地面三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)對云岡石窟東、西長近1000米、高20多米的外立面進(jìn)行整體測繪，首次制作云岡石窟外立面完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)及正射影像圖各一套。文物保護(hù)工作人員根據(jù)云岡石窟外立面正射影像圖對五華洞危巖體實(shí)施加固工程和修建窟檐工程。因此，數(shù)字化手段不僅實(shí)現(xiàn)了對洞窟的科學(xué)記錄，還為石窟保護(hù)工作提供了一套真實(shí)、精確的資料。

第二階段，開始對洞窟內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集及三維模型重建，建立洞窟數(shù)字檔案。但在實(shí)際操作過程中也遇到了一些困難，最主要的問題來自石窟本身的特殊性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，體量大。云岡最大的造像高17.4米，最小的造像只有2厘米。第二，內(nèi)容豐富，造像繁多，雕刻精細(xì)。每個(gè)洞窟大小差距極大，再加上洞窟中雕刻有各種佛像、菩薩、比丘、僧人、力士、飛天、供養(yǎng)人物、天宮伎樂、器物以及佛教用品等，題材豐富，洞窟造像十分精細(xì)。即便轉(zhuǎn)為三維數(shù)字化，要想在模型中體現(xiàn)洞窟文物精細(xì)度，使觀眾有身臨其境之感，依然是個(gè)難題。第三，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地理環(huán)境惡劣，空間狹小，有的洞窟如第六窟存在很多深龕，紋理極豐富，采集十分困難。第四，上開明窗，下辟窟門，洞窟明窗與窟門可使陽光透過窗門射進(jìn)窟內(nèi)，窟內(nèi)光線較好，但不同時(shí)段各壁面及壁面上下層之間的亮度不同。有的洞窟存在中心塔柱，會(huì)形成陰影部分，這些光線的不統(tǒng)一也給高保真數(shù)據(jù)的采集帶來了困難。

針對以上特點(diǎn)，數(shù)字化實(shí)施過程的難點(diǎn)主要是：一為數(shù)據(jù)采集困難;二為數(shù)據(jù)處理困難。針對擺在面前的兩大難題，云岡研究院潛心研究數(shù)字技術(shù)10余年，在實(shí)踐中不斷探索。2015年，與浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、北京建筑大學(xué)等共同成立“數(shù)字云岡聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，專門攻關(guān)文物數(shù)字化過程中的疑難問題，研制出了一套解決數(shù)據(jù)采集困難和數(shù)據(jù)處理困難的合理方案，即從技術(shù)上采用激光掃描技術(shù)為主、多圖像三維重建技術(shù)為輔，多元數(shù)據(jù)相融合，最終實(shí)現(xiàn)高精度三維模型重建。從實(shí)施上搭建腳手架平臺，在腳手架平臺上運(yùn)用大空間掃描儀進(jìn)行整體控制，對局部精細(xì)數(shù)據(jù)采用手持掃描儀以及影像拍攝進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取與空間配準(zhǔn)，這是解決云岡石窟洞窟高精度、高覆蓋率數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵。

2016年，云岡研究院數(shù)字化研究團(tuán)隊(duì)通過三維激光掃描技術(shù)，生成了洞窟中各個(gè)方向的剖面圖，使洞窟得以多角度展示，為云岡石窟搭建起了三維的“數(shù)字檔案”。在數(shù)據(jù)獲取過程中，根據(jù)精度不同分別有手持掃描儀、地面站式掃描儀、關(guān)節(jié)臂掃描儀、無人機(jī)等掃描設(shè)備。

首先使用時(shí)根據(jù)不同場景大小、目標(biāo)的精細(xì)程度等現(xiàn)場情況，選擇使用不同精度測繪儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，針對景區(qū)大場景使用航測級無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集精度可達(dá)1厘米;針對洞窟內(nèi)部空間數(shù)據(jù)的采集使用中距離地面激光掃描儀，采集精度可為1～2毫米，而對于局部精細(xì)的佛龕造像則使用手持掃描儀以及機(jī)械臂掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，精度可以達(dá)到0.03毫米，然后在專業(yè)軟件中對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、紋理映射等操作，從而形成真三維數(shù)字模型，最后依托GIS平臺實(shí)現(xiàn)對模型的存儲、管理和展示利用。雖然經(jīng)過十幾年的探索在文物數(shù)字化上已經(jīng)形成了一定的體系，但仍有需要提高改進(jìn)之處，目前主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一是提高文物表面色彩的還原度，更進(jìn)一步做好色彩控制，更好地體現(xiàn)紋理細(xì)節(jié)特征;第二是保存與展示，我們想把云岡石窟最真實(shí)最好的一面永遠(yuǎn)留存下來并展示給大眾，需要強(qiáng)大的服務(wù)技術(shù)支撐，這也是我們急需改進(jìn)的地方（圖2）。

除了對云岡石窟進(jìn)行數(shù)字化存檔以外，本階段還使用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)了對石窟本體風(fēng)化監(jiān)測的定量研究，通過建立高精度測量控制網(wǎng)，使用三維激光掃描技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)對石窟表面數(shù)據(jù)進(jìn)行定期無損監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，得出云岡石窟表面風(fēng)化速度，首次實(shí)現(xiàn)了定量測定風(fēng)化速度，并以合適的方式表述。通過三維激光掃描和適當(dāng)表述，定量測定石窟表面的風(fēng)化速度，從而構(gòu)建石窟本體+環(huán)境監(jiān)測體系，推測石窟風(fēng)化趨勢，并對石窟保護(hù)加固效果進(jìn)行評估。該技術(shù)在國內(nèi)外同領(lǐng)域研究中處于領(lǐng)先地位，具有推廣意義。目前本技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用于云岡石窟、龍門石窟、大足石刻及龍山石窟巖石風(fēng)化速度的監(jiān)測，還有明十三陵長陵祾恩殿和銀山塔林佛覺大禪師塔數(shù)字化項(xiàng)目，同時(shí)該技術(shù)還可以應(yīng)用于石窟寺、古建筑及近現(xiàn)代建筑等文物遺產(chǎn)的沉降監(jiān)測、形變監(jiān)測、裂隙監(jiān)測及其他病害監(jiān)測中，形成了集石窟本體、環(huán)境一整套風(fēng)化定量測定及描述體系和管理模式，為文物保護(hù)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐，在文物保護(hù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

第三階段，數(shù)字化手段在云岡石窟展示展陳上的應(yīng)用。在展示展陳上，多元化的展示手段可以滿足不同游客的需求和體驗(yàn)，主要包括以下幾個(gè)方面：2016年上線了“云岡石窟全景漫游”，不少游客通過此平臺游覽景區(qū)，實(shí)現(xiàn)了足不出戶游云岡。尤其是新冠肺炎疫情期間，2020年年初響應(yīng)國家號召景區(qū)關(guān)閉，平臺點(diǎn)擊量增長了2.04萬次，不僅滿足了游客的需求，也有力地提升了云岡世界文化遺產(chǎn)的影響力。在云岡石窟“數(shù)字檔案”高清三維數(shù)據(jù)的支持下，云岡研究院打造了一套基于VR眼鏡的沉浸式石窟體驗(yàn)系統(tǒng)。通過VR設(shè)備不僅可以使游客在虛擬場景中漫游，如同身臨其境，同時(shí)可以讓游客欣賞石窟的高處以及在現(xiàn)場無法參觀到的一些藝術(shù)之美。現(xiàn)階段我們的VR展示系統(tǒng)已經(jīng)突破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)了十幾人同時(shí)體驗(yàn)，并且還可以互動(dòng)，更好地提升了游客的體驗(yàn)感。2017年，云岡研究院開始采用三維激光掃描技術(shù)、多圖像三維重建技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)路線，對云岡石窟不可移動(dòng)文物進(jìn)行3D打印，先后實(shí)現(xiàn)了第3窟、第18窟、第12窟、第20窟等大型洞窟的1∶1復(fù)制（圖3～圖5），其中第3窟1∶1的3D打印是全球首次運(yùn)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大體量、高精度文物復(fù)制，第12窟的復(fù)制還有了創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了積木式的拆裝，更方便于巡回展覽。這一系列復(fù)制應(yīng)用都貫徹了習(xí)總書記的指示，實(shí)現(xiàn)了文物“活起來”“走出去”的理念。

目前云岡石窟處于第四階段，利用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)云岡石窟景區(qū)的智慧游覽參觀管理體系、云岡石窟文物的產(chǎn)學(xué)研一體發(fā)展以及云岡學(xué)的提升。近幾年，為響應(yīng)國家號召，云岡研究院利用數(shù)字化手段完成了云岡石窟的數(shù)字化工程，目前完成了1/3石窟的數(shù)字化工作，在石窟三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，打造游客、文物工作者之間的產(chǎn)學(xué)研一體化，為虛擬修復(fù)、考古研究、文物保護(hù)等提供數(shù)據(jù)保證。在虛擬修復(fù)上，完成了云岡石窟第20窟西立佛的修復(fù)工作，虛擬修復(fù)工作為文物的復(fù)原和研究提供了準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)，提高了修復(fù)效率。

在文物保護(hù)上，首先利用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)了云岡石窟的定量監(jiān)測，并應(yīng)用于其他石質(zhì)文物的風(fēng)化監(jiān)測中，另一方面在三維模型數(shù)據(jù)上可以清楚地記錄并統(tǒng)計(jì)裂隙、起甲等病害的位置及尺寸信息，為日常保養(yǎng)加固的工作人員提供依據(jù)。在考古研究上，云岡的1992年考古和山頂考古兩次被評為全國十大發(fā)現(xiàn)之一，云岡研究院考古工作者利用數(shù)字化手段完成了出土文物的線畫圖。同時(shí)三維模型也為考古工作者無法到達(dá)的地方提供了方便，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院副院長李志榮曾言：衡量石窟寺數(shù)字化測量結(jié)果的直觀標(biāo)準(zhǔn)，就是看它是否支持原真3D復(fù)制。

2017年云岡第3窟西后室1∶1原真復(fù)制的成功，不僅標(biāo)志著石窟寺數(shù)字化成果已隨著“活起來”的石窟走向公眾，也標(biāo)志著數(shù)字化技術(shù)對于石窟寺的測量記錄已達(dá)到可復(fù)原的標(biāo)準(zhǔn)，這正是石窟寺考古測量的理想標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字化時(shí)代的實(shí)現(xiàn)。在多年文物數(shù)字化實(shí)踐基礎(chǔ)上，云岡研究院于2019年編寫發(fā)布了《石窟寺文物三維激光掃描數(shù)字化采集規(guī)程》《石窟寺文物近景攝影測量數(shù)字化采集規(guī)程》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)作為山西省地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)山西省文博系統(tǒng)地方性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“零”的突破，為文博事業(yè)添磚加瓦。

2021年合作完成的第13窟數(shù)字化模型及三維信息系統(tǒng)（圖6），實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立三維信息系統(tǒng)構(gòu)建知識圖譜，這一3DGIS系統(tǒng)的完成將代表云岡的數(shù)字化邁進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研一體化的時(shí)代，將數(shù)據(jù)分成不同類型為不同的用戶研究使用提供支持，在不同的場景模式下按照不同的需要分析洞窟及進(jìn)行考古研究。此外云岡研究院開展的“云岡數(shù)字化座談會(huì)”匯集了北京大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)等知名院校，以及華為、騰訊等知名企業(yè)，我們將匯集多方力量，多學(xué)科交叉共同打造云岡。李德仁院士參加了云岡石窟典型洞窟數(shù)字化重建與三維信息系統(tǒng)構(gòu)建項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)，為云岡數(shù)字化的發(fā)展提供了可行的建議。接下來我們將利用多媒體、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧云岡景區(qū)，更好地為公眾服務(wù)，發(fā)展云岡學(xué)。

此外，云岡研究院文物數(shù)字化團(tuán)隊(duì)在完成云岡石窟數(shù)字化研究的同時(shí)，也對外提供技術(shù)服務(wù)，先后完成北京故宮、明十三陵、洛陽龍門石窟、重慶大足石刻、西安碑林博物館等包括6處世界文化遺產(chǎn)和30多處國寶單位的文物數(shù)字化工程，涉及石窟寺、古建筑、墓葬、壁畫、雕塑、碑刻等，為全國文物事業(yè)的發(fā)展起到了引領(lǐng)示范作用。

2 結(jié)論

云岡石窟的數(shù)字化工作經(jīng)過十幾年的探索與發(fā)展，逐步形成了數(shù)字化的云岡模式，在技術(shù)上以激光掃描技術(shù)為主，多圖像三維重建技術(shù)為輔，多源數(shù)據(jù)相融合，最終實(shí)現(xiàn)高精度三維模型重建，解決了云岡石窟體量大、構(gòu)造復(fù)雜的難題，形成了一套專業(yè)的文物數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)。獲得的數(shù)字化成果在文物保護(hù)上一方面為云岡石窟文化遺產(chǎn)的有效保護(hù)修復(fù)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)技術(shù)支撐，有效合理的保護(hù)可以減緩文物消亡的速度;另一方面云岡石窟數(shù)字化成果的永久留存，在數(shù)萬年石窟遺產(chǎn)不可阻擋地消亡后，可以根據(jù)現(xiàn)存資料進(jìn)行復(fù)原，這也是對云岡石窟的永久保護(hù)，也是給子孫后代留下的寶貴財(cái)富。