莫高窟第172窟北壁建筑圖像的三維數(shù)字化呈現(xiàn)

許麗鵬，吳 健，俞天秀，丁曉宏

[1． 敦煌研究院文物數(shù)字化研究所，甘肅酒泉 736200； 2． 國家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 3． 古代壁畫保護(hù)國家文物局重點科研基地(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200； 4． 甘肅省古代壁畫與土遺址保護(hù)重點實驗室(敦煌研究院)，甘肅酒泉 736200]

0 引 言

敦煌壁畫中有大量豐富珍貴的建筑圖像，雖然藝術(shù)家繪制的是理想中的佛國世界，卻是人間宏麗宮殿的縮影[1-2]。粗略統(tǒng)計，約5萬平方米的敦煌壁畫中，單是大型西方凈土變和藥師經(jīng)變中，所描繪出的建筑就不下四千座[3]。而莫高窟第172窟北壁經(jīng)變畫中的建筑圖像，是敦煌壁畫中最具盛唐建筑風(fēng)格的典型代表作，也是藝術(shù)水平發(fā)揮得最好的建筑繪畫之一。特別是中央前殿繪制的尤為精細(xì)，盡管是作為人物的背景，畫面都忠實描摹了每一個建筑構(gòu)件。也正是如此，它成為了解唐代殿堂建筑的重要資料之一，也一直是古代建筑研究領(lǐng)域的熱點。其中，蕭默先生分析了第172窟壁畫中建筑院落布局和單體建筑結(jié)構(gòu)的特點[4-5]，孫儒僩、孫毅華先生推想出畫面之外的建筑結(jié)構(gòu)[6]。但是，數(shù)字時代的展示方式改變了受眾的視覺需求，傳統(tǒng)壁畫建筑的二維展示形態(tài)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的閱讀深度與廣度。目前，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來復(fù)原和展示古建筑已經(jīng)成為一個新的研究領(lǐng)域，如：“佛光寺詳勘數(shù)據(jù)庫”的建設(shè)將東大殿的測繪精度提高到了毫米水平[7]；運用高精度測量及計算機三維建模技術(shù)建立志蓮凈苑建筑構(gòu)件的三維模型數(shù)字檔案[8]；以歷史圖片和考證資料為依據(jù)，虛擬復(fù)原了圓明園、大明宮的建筑原貌[9-17]。

敦煌研究院從20世紀(jì)80年代末就開始聯(lián)合國內(nèi)外科研機構(gòu)嘗試?yán)孟冗M(jìn)的基于軌道的覆蓋式拍攝采集、計算機圖像處理、虛擬漫游技術(shù)，探索建立敦煌石窟數(shù)字檔案[18]，近30年的敦煌石窟數(shù)字化組織實施，形成了集數(shù)字采集、數(shù)據(jù)處理、安全存儲、有效管理等多項不可移動文物數(shù)字化技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了敦煌石窟兩百余個洞窟形狀準(zhǔn)確、色彩真實、高清晰度的數(shù)字檔案。尤其近年來，三維數(shù)字技術(shù)在敦煌石窟、壁畫的保護(hù)工作中已有不少成功的實踐案例，積累了一定的成熟經(jīng)驗[19-22]。

本研究在既往研究的基礎(chǔ)上，綜合利用史料文獻(xiàn)和實證材料，對第172窟北壁中央前殿的二維圖像進(jìn)行基于有限數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)邏輯的推測性研究，形成一套閉合的建筑尺度數(shù)據(jù)。以第172窟北壁中央前殿的建筑圖像、尺度推測、色彩復(fù)原設(shè)計等基礎(chǔ)研究為依據(jù)，結(jié)合運用多種軟件建立第172窟北壁中央前殿的三維彩色模型，科學(xué)、直觀地再現(xiàn)了壁畫中的建筑形象。通過3D打印、虛擬漫游等多種展示利用手段，突破了敦煌壁畫建筑圖像的二維展示形態(tài)，實現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，擴(kuò)展了壁畫遺產(chǎn)的價值闡釋和展示深度。

1 壁畫建筑圖像的三維數(shù)字化呈現(xiàn)

1．1 研究對象

莫高窟第172窟北璧中央前殿的建筑形象集中反映了盛唐殿堂建筑的特征，且建筑構(gòu)件描摹的準(zhǔn)確度相對較高，可為高精度三維建模提供便利。所以本研究選擇莫高窟第172窟北璧中央前殿作為研究對象，探索敦煌壁畫中二維建筑圖像三維數(shù)字化呈現(xiàn)的技術(shù)方法。

1．2 技術(shù)路線

壁畫建筑圖像的三維呈現(xiàn)需要突破以下三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：建筑尺度分析，精細(xì)建模，紋理貼圖的設(shè)計與制作。為解決以上關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)難點，圍繞敦煌石窟文物數(shù)字化保護(hù)與展示的需求，制定研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 本研究技術(shù)路線Fig.1 Technical route of this research

1．2．1建筑尺度分析 建筑結(jié)構(gòu)是立體的，而壁畫上的建筑圖像是平面的，它只反映了三維空間中一個角度的畫面，對于畫面中沒有反映出的位置和建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，除了需要從現(xiàn)存實例和壁畫建筑圖像尋找依據(jù)，還需要結(jié)合營造原則創(chuàng)造性地猜想推理。以現(xiàn)有唐代建筑研究及現(xiàn)存實物資料為基礎(chǔ)，完成中央前殿建筑結(jié)構(gòu)的營造尺度分析。

1．2．2建筑線描圖的提取和完善 首先定位糾正壁畫的拼接圖像，再以準(zhǔn)確的數(shù)字圖像為基準(zhǔn)，提取和完善建筑線描圖，通過營造尺度分析推理出遮擋位置的細(xì)節(jié)(圖2)。

圖2 莫高窟第172窟北壁中央前殿的推測線描圖Fig.2 Speculated line drawing image of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

1．2．3基于SketchUp、Rhino軟件的參數(shù)化精細(xì)建模 中央前殿建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、圖案眾多，數(shù)據(jù)量龐大，模型的精細(xì)程度決定了視覺呈現(xiàn)的真實感和細(xì)節(jié)，高質(zhì)量的模型也增多了整個場景的面塊，面數(shù)越多占用電腦存儲越大，會增加電腦的反應(yīng)時間和渲染輸出的時間。且建模要做到每個部件之間都要相互契合，必須要知曉每個結(jié)構(gòu)的具體尺寸，且符合營造法式，符合壁畫中的建筑唐代圖像，體現(xiàn)真實性、科學(xué)性和藝術(shù)性，對建筑結(jié)構(gòu)的分析和資料的相互印證提出更高的要求，也是建筑圖像三維數(shù)字化呈現(xiàn)的最難點。

針對精細(xì)建模的難點，按營造法式分解結(jié)構(gòu)，依據(jù)壁畫圖像、線描圖、營造尺度分析，以建模為導(dǎo)向，形成一套閉合的建筑尺度數(shù)據(jù)。優(yōu)先選用SketchUp軟件為主要建模軟件，以Rhino軟件為輔助建模軟件，對三維結(jié)構(gòu)和二維圖案進(jìn)行嚴(yán)格的尺度控制，建立各個構(gòu)件的精細(xì)三維模型。

1．2．4基于PhotoShop、Illustrator軟件的紋理貼圖的設(shè)計與制作 要實現(xiàn)前殿的彩色三維模型，就要使用到多種軟件相互結(jié)合使用，多種處理軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)既有平面的，也有三維的，如何將這些多源數(shù)據(jù)融合集成，建立彩色三維模型是難點。且壁畫上的建筑已褪色，有些部位被畫面中的人物、樹木或其他形象遮擋，而且建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝飾圖案在壁畫中沒有反映，所以表面裝飾紋樣的設(shè)計需要從現(xiàn)存實例和其他唐代壁畫中尋找相似元素后加以創(chuàng)作。

針對紋理貼圖的設(shè)計與制作的難點，先基于三維素模中的基準(zhǔn)尺度，以壁畫中唐代建筑裝飾圖案為基準(zhǔn)，參考現(xiàn)存實例，集成運用PhotoShop、Illustrator圖像處理軟件繪制建筑表面裝飾圖案。

1．2．5基于SketchUp軟件的三維彩色模型渲染輸出 基于SketchUp軟件，將建筑表面裝飾圖案與三維結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，渲染輸出彩色三維模型。

1．3 建筑尺度分析

第172窟北壁中央前殿為單檐廡殿頂，面闊五間，進(jìn)深三間，平面呈方形，舉折平緩，出檐深廣。檐下四周設(shè)簡式疊澀須彌座臺基，束腰部有壸門，推測臺基前、后方均居中安裝有彩繪踏跺。殿身四周為圓形木柱，柱間施重楣闌額，之間豎立立旌，柱底施覆連柱礎(chǔ)，推測蓮瓣約為10瓣。門窗位于內(nèi)層的立柱之間，上頂重楣闌額，下連地栿，中間數(shù)條橫木相連。鋪作層整體碩大，畫面中柱頭鋪作被遮擋，只露出左右兩側(cè)的轉(zhuǎn)角鋪作和補間鋪作，以左部畫法為基準(zhǔn)，參考現(xiàn)存遺構(gòu)-莫高窟五座唐宋窟檐[23-25]做法，推測柱頭鋪作、轉(zhuǎn)角鋪作為雙抄雙下昂七鋪作逐跳計心造里轉(zhuǎn)六鋪作[26-28]，補間鋪作為云紋雙旋卷草駝峰上架五鋪作里轉(zhuǎn)四鋪作。屋檐高挑向上翹起，屋脊兩端為鴟尾。這些建筑構(gòu)件體現(xiàn)了唐代建筑的壯碩堅實，雄偉大氣。

宋《營造法式》以“材”“栔”“份”為建筑構(gòu)件的基準(zhǔn)單位，材份值規(guī)定“材”的高度為15份，寬度為10份，栔的高度為6份。為了使復(fù)原的建筑形象既忠實于壁畫畫法，又符合實際邏輯，將中央前殿依據(jù)畫面內(nèi)容設(shè)計為面闊五間、進(jìn)深三間。根據(jù)材份制，中央前殿用二等三等材皆可制作，本研究選用三等材的尺度，將材份制單位換算成厘米，三等材材高7.5(寸)×3.2(厘米/寸)=24厘米，寬5(寸)3.2(厘米/寸)=16厘米，則一份為1.6 cm。為了方便尺度研究與后期建模，將三等材寬的16 cm定義為10 cm，這樣材高正好為15 cm，則《營造法式》中的一份，在建模對應(yīng)為1 cm。這樣定義后，使得單位厘米與《營造法式》材份制的份數(shù)一一對應(yīng)，且?guī)缀醵际钦麛?shù)，利于建模和尺度的換算。

1．4 基于SketchUp、Rhino軟件的參數(shù)化精細(xì)建模

本研究是在參考了與之結(jié)構(gòu)相似的唐佛光寺東大殿[29]、南禪寺大殿[30]的實測尺度及木作結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要以壁畫圖像中反映的結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)，確定建筑單體和構(gòu)件的比例、尺寸，進(jìn)而推演建立出理想模型。推演過程為：首先根據(jù)佛光寺東大殿的單個斗栱結(jié)構(gòu)件的具體尺度，參考《宋營造法式》，主要依據(jù)壁畫中的斗栱結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行預(yù)建模，并邊建模邊推演出符合唐代建筑結(jié)構(gòu)邏輯的柱頭鋪作、柱間鋪作、轉(zhuǎn)角鋪作。再綜合考慮預(yù)建模完成的斗栱的尺度、唐佛光寺東大殿各間廣的尺度、南禪寺大殿各間廣的尺度、壁畫中對中央前殿的間廣和進(jìn)深的描繪等因素后，推演出各間廣的尺度。最后，通過三等材的份數(shù)，結(jié)合壁畫圖像的建筑結(jié)構(gòu)分析，以建模為導(dǎo)向綜合推理出臺基、柱礎(chǔ)、柱網(wǎng)、鋪作層、梁架結(jié)構(gòu)、屋頂每個結(jié)構(gòu)件的具體尺寸，形成一套閉合的建筑尺度數(shù)據(jù)庫，保證了復(fù)原的建筑形象即忠實于畫面，又符合營造尺度。

基于尺度分析，中央前殿的正式建模以臺基、柱礎(chǔ)、柱網(wǎng)、鋪作層、梁架、屋頂為整體結(jié)構(gòu)，同步展開，每個整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的部件之間都要做到相互契合，建立的素模如圖3～4。

圖3 莫高窟第172窟北璧中央前殿三維數(shù)字化模型的分層結(jié)構(gòu)展示Fig.3 Layered structure display of 3D digital model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

圖4 莫高窟第172窟北璧中央前殿的三維數(shù)字化模型展示Fig.4 3D digital model display of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

因為相比其他三維建模軟件，在建筑的三維建模方面SketchUp軟件建立的低面數(shù)的模型可體現(xiàn)豐富的細(xì)節(jié)，具有更方便快捷、占用存儲小的優(yōu)勢，且Rhino(犀牛)軟件更便于建立高質(zhì)量的曲面模型。所以本研究根據(jù)每個構(gòu)件的復(fù)雜程度，以保證結(jié)構(gòu)的同時減少面數(shù)為原則，靈活選用這兩款軟件建模，這樣既保證模型精細(xì)度而又減小了存儲量。

臺基、柱網(wǎng)、鋪作層、梁架、屋頂?shù)拿總€構(gòu)件幾乎都是規(guī)則的立方體，優(yōu)先考慮用SketchUp軟件建立低等面數(shù)的精細(xì)三維模型。柱礎(chǔ)的曲面較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用SketchUp軟件與Rhino軟件相結(jié)合的建模方式。具體步驟為：先在SketchUp中確定好柱礎(chǔ)的整體尺寸，平均分割成十份，只保留其中的一份，刪除面，只保留線條；然后將線條導(dǎo)入Rhino軟件中，用貝賽爾曲面工具制作出覆蓮造型的單個花瓣模型，通過旋轉(zhuǎn)陣列合成整體柱礎(chǔ)模型；之后再將整體柱礎(chǔ)模型導(dǎo)入SketchUp軟件中。

1．5 基于PhotoShop、Illustrator軟件的紋理貼圖的設(shè)計與制作

比起目前常見的紋理貼圖的方式，本研究的方式比較新穎，也比較有優(yōu)勢。紋理貼圖有兩種：一種是矢量圖像，一種是柵格圖像。矢量圖像無限放大后清晰度不變，柵格圖像放大了會模糊，且同等效果的柵格圖像的占用空間比矢量圖像大得多。中央前殿建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免后期展示電腦卡頓，紋理制作優(yōu)先考慮矢量圖像。在SketchUp軟件中安裝插件，基于貝賽爾曲線可繪制矢量圖像，但不利于繪制過于復(fù)雜的矢量圖像。而PhotoShop、Illustrator軟件相結(jié)合便于繪制復(fù)雜的圖像，但只能作為柵格圖像導(dǎo)入SketchUp軟件。本研究綜合考慮了三種軟件的優(yōu)劣勢，探索出了一種新的渲染方法：對于沒有裝飾圖案的結(jié)構(gòu)，在SketchUp軟件中指定色彩填充，賦予模型材質(zhì)；對于圖案相對比較簡單的紋理，在SketchUp軟件中用貝賽爾曲線繪制矢量紋理，再用軟件材質(zhì)庫中的指定色彩或指定材質(zhì)填充；對于圖案相對復(fù)雜的紋理，則用PhotoShop、Illustrator軟件繪制出圖案貼圖，再導(dǎo)入SketchUp軟件賦予模型材質(zhì)；對于復(fù)雜模型與簡單模型相結(jié)合的部分，則先分解它們的結(jié)構(gòu)，再按以上方式分別操作。

壁畫中的屋脊與屋面用石綠與石青彩繪，云紋雙旋卷草駝峰表面用石青和墨綠相間繪制，柱子和梁架結(jié)構(gòu)通體木色，斗科均用明亮的石綠色。所以屋頂、梁架、斗拱、墻體、柱子的每個結(jié)構(gòu)可單獨賦予色彩，均采用在SketchUp軟件材質(zhì)庫中指定色彩填充，這種方式可以更好地反映出壁畫體現(xiàn)的建筑色彩。具體步驟為：1)先用PhotoShop軟件中的拾色器工具，在壁畫數(shù)字圖像中吸取色彩保存較好位置的RGB值，以此值為基本范圍微調(diào)，形成符合唐代建筑風(fēng)格特征與色彩語言的RGB值；2)在SketchUp軟件中打開材質(zhì)庫對話框，在下拉列表中找到指定色彩選項，選取其中任意一個顏色，編輯此顏色使其與前面獲得的RGB值一致，調(diào)整好顏色后用材質(zhì)填充工具賦予建筑構(gòu)件色彩。配色方案如圖5所示。

圖5 屋頂、梁架、斗拱、墻體、柱子的配色方案Fig.5 Color scheme of the roof， beam frame， brackets， wall and column

壁畫中柱礎(chǔ)表面用石青和赭石色相間繪制，圖案相對簡單，質(zhì)感更接近于石材，選擇用SketchUp軟件材質(zhì)庫中的石材填充。具體步驟與上文提到的相似：同樣要在PhotoShop軟件中吸取調(diào)整RGB值。不同之處是：在SketchUp軟件中的材質(zhì)庫列表中找到石頭材質(zhì)，分別選擇卡其色拉絨石材貼圖(Stone_Brushed_Khaki．jpg)、土灰色花崗巖貼圖(Earthy Granite．jpg)，再根據(jù)獲得RGB值編輯石材的顏色后填充材質(zhì)，如圖6所示。

圖6 柱礎(chǔ)的配色方案Fig.6 Color scheme of the column base

壁畫中臺基的裝飾圖案最為復(fù)雜，上下兩基座用圓圈和條形圖案點綴，地面鋪有華麗的地毯，踏跺中央有卷草彩繪。上下兩基座的圓圈圖案和條形圖案相對簡單；地毯邊緣的花朵圖案很有規(guī)律，但中央的團(tuán)花圖案相對復(fù)雜；踏跺兩側(cè)的臺階為單色彩繪，中央的卷草圖案相對復(fù)雜。圓圈圖案、條形圖案、花朵圖案的部分，均可采用在SketchUp軟件中繪制矢量紋理的方式賦予模型材質(zhì)，具體步驟在上文中已提到；地毯的團(tuán)花圖案和踏跺的卷草圖案，采用PhotoShop、Illustrator軟件繪制柵格紋理的方式賦予模型材質(zhì)，具體步驟為：1)基于素模尺度，在Illustrator軟件中用貝賽爾曲線繪制圖案。2)用PhotoShop軟件中的拾色器工具，在壁畫數(shù)字圖像中吸取色彩保存較好位置的RGB值，以此值為基本范圍微調(diào)，形成符合唐代建筑的風(fēng)格特征與色彩語言的RGB值；3)將繪制的圖案導(dǎo)入PhotoShop軟件中，用調(diào)整好的色彩上色。4)將完成的圖案保存為PNG格式。5)在SketchUp軟件導(dǎo)入PNG格式的圖案，賦予模型表面。配色方案如圖7所示。

圖7 臺基的配色方案Fig.7 Color scheme of the base

2 結(jié)果分析

建立的三維彩色模型如圖 8、圖9所示。

圖8 莫高窟第172窟北璧中央前殿的彩色模型正視圖Fig.8 Elevation view of the color model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

圖9 莫高窟第172窟北璧中央前殿的彩色模型軸側(cè)視圖Fig.9 Axial side view of the color model of central Qiandian on the north wall of Cave 172 of Mogao Grottoes

為求證此次三維復(fù)原呈現(xiàn)的效果，將三維數(shù)字模型、3D打印模型在洞窟現(xiàn)場與壁畫本體做了相互比對，現(xiàn)場效果如圖 10所示，相對科學(xué)、客觀地再現(xiàn)了壁畫中的建筑形象。需要說明的是，以壁畫建筑圖像為基本依據(jù)的研究，是基于有限數(shù)據(jù)資料與結(jié)構(gòu)邏輯推導(dǎo)的推測性研究。其原則是在盡可能接近壁畫建筑形象的同時，與同時代現(xiàn)存實例的結(jié)構(gòu)邏輯與比例規(guī)則盡可能吻合，從而在最大程度上呈現(xiàn)壁畫建筑的真實樣貌。

圖10 洞窟現(xiàn)場的3D打印模型Fig.10 3D-printed model of the cave site

3 結(jié) 論

唐代古建筑所存實物極少，在相關(guān)史料不足的現(xiàn)狀下，此三維數(shù)字化數(shù)據(jù)既是壁畫建筑二維圖像數(shù)據(jù)的拓展，也是唐代建筑形象的直觀呈現(xiàn)，可以為敦煌石窟壁畫建筑復(fù)原展示提供新視點。研究數(shù)據(jù)可還應(yīng)用在3D打印展示、建筑專題影片展示，建筑動畫創(chuàng)作、文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計等方方面面。3D打印的模型可以讓觀眾更加直接、立體地欣賞與體驗敦煌壁畫。通過3D打印等快速成型技術(shù)和虛擬投屏等展示利用手段，深度挖掘三維數(shù)字化研究的技術(shù)成果價值，擴(kuò)展了壁畫遺產(chǎn)的價值闡釋與展示深度。

本研究是壁畫建筑圖像三維數(shù)字化呈現(xiàn)的萌芽，所形成的技術(shù)和方法，可應(yīng)用于敦煌石窟的數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的普及與推廣，助力于敦煌石窟的三維數(shù)字化技術(shù)與虛擬體驗研究的發(fā)展。同時，所應(yīng)用的技術(shù)方法也并非三維數(shù)字化呈現(xiàn)的唯一方式，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，在壁畫建筑圖像的三維數(shù)字化呈現(xiàn)方面還有巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。