數(shù)字化技術賦能云岡石窟保護與傳承

1 云岡石窟及其價值

1.1 云岡石窟

云岡石窟是北魏年間，背靠武州山開鑿的一組石窟群，現(xiàn)位于大同市城西16公里處，依山傍水，環(huán)境優(yōu)美，山為武州山水為武州川（今名十里河）。武州山亦作武周山，東西綿延數(shù)十里，山勢平緩似丘，屬波狀低山丘陵區(qū)，海拔高度約為1133-1178 米，最大相對高差約45米。石窟前，武州川水由西迤東緩緩流過。武州山石窟寺，又稱靈巖寺。北魏著名地理學家、文學家酈道元在《水經(jīng)注》中寫道：“武周川水又東南流，水側有石祇洹舍并諸窟室，比丘尼所居也。其水又東轉，逕靈巖南，鑿石開山，因巖結構，真容巨壯，世法所希。山堂水殿，煙寺相望，林淵錦鏡，綴目新眺”。描述的正是北魏當年武州川水流經(jīng)云岡石窟時的情景。云岡石窟代表著公元五至六世紀中國杰出的佛教石窟藝術，其中的曇曜五窟，布局設計嚴謹統(tǒng)一，是中國佛教藝術第一個巔峰時期的經(jīng)典杰作。

作為北魏皇都的平城，由于特殊的地理與政治位置，成為連同西域、草原與中原的重要樞紐，是匯集八方文化的國際化大都市。不同文明在平城交匯、碰撞、融合，留下了絲綢之路上一顆佛教藝術的璀璨明珠——云岡石窟。云岡石窟是公元五世紀中西文化縱情交流中誕生的藝術寶庫，體現(xiàn)了中華民族的文化精神、文化胸懷和文化自信。

1.2云岡石窟價值

云岡石窟是中國新疆以東地區(qū)出現(xiàn)最早的大型石窟群，是當時中國北部統(tǒng)治者北魏皇室集中全國人力、財力、物力興造的成果，也是石窟藝術“中國化”的開始，云岡中期開鑿的石窟中出現(xiàn)的中國宮殿建筑式樣雕刻、中國式的佛像龕，在其他地區(qū)的石窟寺的建造中得到了推廣與應用。因此，它所創(chuàng)造和不斷發(fā)展的新模式，自然成為魏國領域內開鑿石窟所參考的典型，東自遼寧義縣萬佛堂石窟，西迄陜、甘、寧各地的北魏石窟，無不有云岡模式的蹤跡，甚至遠處河西走廊西端、開窟歷史早于云岡的敦煌莫高窟亦不例外。這給石窟研究者提供了對我國淮河以北的早期石窟（五世紀后半葉到七世紀前半葉）進行排年分期的標準尺度。因此，云岡石窟在東方早期石窟中占有極其重要的地位，對云岡石窟的研究在很大程度上成了研究東方早期石窟的關鍵，研究的深入與否，直接影響一大批石窟的研究工作。

古代石窟寺是統(tǒng)一規(guī)劃、功能完備的宗教活動場所，經(jīng)多次考古發(fā)掘得知，北魏時期的云岡石窟是由洞窟結合窟前木構建筑、窟頂?shù)孛娣鹚滤餐瑯嫵傻囊蛔笮褪咚略?，洞窟是禮拜供養(yǎng)的主要場所，地面佛寺是棲止禪修的空間。這種規(guī)劃是直接受到了古代健陀羅佛寺的塔院與僧院配置的影響，在新疆等地石窟尚未見與云岡相同的規(guī)劃方式。因此，對云岡石窟開鑿規(guī)劃布局進行細致地分析、綜合比較研究，是進一步探索東方石窟文化價值的一項重要工作。

2 數(shù)字化技術及其重要性

石窟文物是不可再生的文化遺產(chǎn)，是對不同時期其文化、經(jīng)濟、社會形態(tài)的一種體現(xiàn)。研究文物的價值就是對歷史發(fā)展的一種朔源，如何科學準確的挖掘文物的價值，數(shù)字化技術提供了答案。

隨著科學技術的突飛猛進和政府對文化遺產(chǎn)的不斷重視，數(shù)字化技術不斷引入文物保護研究中，測繪遙感技術、計算機圖形圖像技術、視覺技術、虛擬現(xiàn)實技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、知識圖譜、人工智能與人機互動等數(shù)字技術在文物考古勘察、考古現(xiàn)場發(fā)掘、石窟保護修復、展示展陳、利用管理等過程中表現(xiàn)出不可替代的作用，為發(fā)掘記錄、測繪保存、形態(tài)監(jiān)測、修復保護、展示與管理等文博工作者所接受與依賴。面對現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和在文化遺產(chǎn)保護領域應用的不斷拓展，文物的數(shù)字化生存將會成為文化遺產(chǎn)保護的一種重要方式，而且，在可預見的未來，將會成為文物信息留存的主要方式。文物的數(shù)字化生存，不僅僅居于文物保護的從屬地位，更應是文物保護與數(shù)字化技術兩者間全方位、多層次地有機結合。

一般地，文物數(shù)字化主要包括以下三個層面的內容：

1）對文物本體及其賦存環(huán)境信息進行數(shù)字化采集，包括：文物本體的幾何形狀、色彩、材質、結構、成分以及微小變化等信息采集，考古發(fā)掘過程的現(xiàn)場信息實時記錄，以及文物賦存環(huán)境信息的感知與監(jiān)測。

2）對文物數(shù)字化采集所獲取的數(shù)據(jù)進行組織存儲與管理，實現(xiàn)對海量文物信息的高效查詢，支持文物科學化保護、研究與利用。

3）對原始文物數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理與挖掘，以獲得有效的蘊含知識，支持對文物的價值認知。

文物數(shù)字化作為當前文物保護傳承的重要手段之一，對有效保存和利用文物具有重要意義。尤其是針對石窟寺遺址等不可移動，不可移動的文物數(shù)字化保護能更好的為數(shù)字化、智能化時代文物工作打好基礎，為更加豐富多彩的數(shù)字化生活提供豐厚滋養(yǎng)，是文化文物領域發(fā)展應該承擔的重大責任。開展不可移動文物數(shù)字化保護，像保護文物資源一樣保護好文物數(shù)字資源，像挖掘煤炭資源一樣挖掘好文物資源承載的精神文化價值，發(fā)揮文物數(shù)字資源在數(shù)字時代傳承歷史文化、促進數(shù)字經(jīng)濟中的重要作用，對云岡學發(fā)展、“數(shù)字中國”發(fā)展具有重大意義。

3 數(shù)字化在云岡石窟保護與傳承中的應用實例

3.1云岡石窟數(shù)字化資源

作為世界文化遺產(chǎn)，利用數(shù)字化手段進行云岡石窟本體的數(shù)字化數(shù)據(jù)留存對以后的保護修復、永續(xù)利用、永久保存至關重要。

基于云岡石窟體量大、結構復雜、造像精美繁多等特點，建立了以三維激光掃描技術與近景攝影測量技術相結合的多源數(shù)據(jù)采集模式。三維激光掃描技術是一種結合了結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術等技術的符合三維非接觸式的測量方法。采集過程中根據(jù)被測對象的場景大小、尺寸數(shù)據(jù)、精度要求選擇合適的測量設備，洞窟外的大場景采用效率高無人機設備采集，精度為cm級；洞窟內首先用地面激光掃描儀進行整體數(shù)據(jù)測量，精度為mm級；針對內部細節(jié)選擇更高精度的手持三維激光掃描儀采集，最終建立石窟三維模型數(shù)據(jù)。針對石窟造像的紋理信息，采用近景攝影測量的方式采集數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)采集過程按照2019年11月發(fā)布的《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》兩項規(guī)程完成，形成照片、點云、三維模型等數(shù)據(jù)。下圖為云岡石窟第28-2窟采集的點云數(shù)據(jù)和生成的模型數(shù)據(jù)。將石窟的藝術形式、內容和風格進行全面的記錄和整理，形成數(shù)字化檔案和文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)資源；在數(shù)據(jù)基礎上支撐構建數(shù)據(jù)資源展示與管理平臺，實現(xiàn)對石窟寺海量數(shù)據(jù)資源的高效率存儲、查詢與管理，實現(xiàn)文物信息永留存。

3.2數(shù)字化助力石窟考古

近年來，隨著計算機、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)及三維重建等技術的快速發(fā)展、多種學科知識、先進科技手段與考古研究實踐深度融合，為搭建中國石窟寺考古學研究框架、建立中國石窟寺傳播的時空框架及發(fā)展演變軌跡提供了先進技術動力，我國數(shù)字考古呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。

云岡石窟在數(shù)字化考古上，首先，運用數(shù)字化技術實施石窟寺數(shù)字測量，采用激光掃描或多圖像攝影測量技術對洞窟內復雜的遺跡進行全方位信息采集，通過算法獲得尺寸精確的三維模型，生成滿足石窟寺考古測量要求的包括洞窟平面、剖面、立面、各壁面以及龕像精準的系列數(shù)字測圖，同時用作傳統(tǒng)考古線圖繪制的基礎，完成復雜洞窟內外遺跡的測繪記錄，輔助科學考古；其次，數(shù)字化技術為考古工作者在困難的工作環(huán)境中提供了一種安全的考古方法。下圖為第3窟外立面照片，最上層崖壁上有12個豎長方形的梁孔，高約2米，寬約0.8米，孔深尺寸未知，為遼代在窟前修建規(guī)模宏大的木構建筑所留下，目測孔深七八米左右，空間狹小，人員測量困難，因此采用非接觸式地面三維激光掃描儀對其進行測量，模型如下圖所示，獲得孔深尺寸9.872米，為考古資料留下了準確的數(shù)據(jù)信息。

3.3云岡石窟數(shù)字化保護

云岡石窟造像開鑿在中侏羅統(tǒng)上部云岡組砂巖透鏡體上，經(jīng)過1500 余年的風雨滄桑，石窟出現(xiàn)了不同程度的風化、脫落、裂隙等問題。由于文物的特殊性，需要采取非接觸手段對這些問題的實體修復，需要提前做好保護預案，包括量測、標記、實驗都不能在石窟本體上進行操作，數(shù)字化解決了這一難題。在三維模型中可以準確標注病害的位置及類型，量測裂隙的尺寸并通過時間序列數(shù)據(jù)的對比評估病害，為云岡石窟的實體保護提供了數(shù)據(jù)和技術支持。其次，通過數(shù)字化手段對石窟等文物數(shù)據(jù)進行采集提取三維模型幾何特征，結合人工智能，對已有大數(shù)據(jù)進行智能學習，完成風化或缺損部分的形態(tài)恢復與虛擬重建，實現(xiàn)石窟的虛擬修復，以此技術2022年完成了云岡石窟代表作第20窟西立佛的虛擬復原。

對石窟本體及保存環(huán)境的監(jiān)測，實現(xiàn)石窟藝術的傳承。石窟本體在長期的保存過程中受到水害、鹽害、動植物的病害發(fā)展以及自然風化等原因，其巖石表面與內在特征會產(chǎn)生微小變化，如巖石表面巖石剝落與開裂等。而對文物這種微小變化的長期連續(xù)監(jiān)測，一直是文物領域亟待解決的重要問題。通過數(shù)字化技術對石窟本體的微小變化進行長期的連續(xù)感知監(jiān)測，對石窟周圍自然環(huán)境、保存環(huán)境及地質環(huán)境進行關聯(lián)監(jiān)測，并結合多場耦合實驗結果形成石窟寺監(jiān)測基礎理論框架和描述體系，為考古研究、預防性保護、安全監(jiān)管等應用提供文物本體殘損病害長期發(fā)展過程的重要信息。2012年利用三維激光掃描技術對云岡石窟五華洞典型風化列柱進行本體監(jiān)測，首次實現(xiàn)了對石窟風化的定量監(jiān)測；而且通過修建窟檐前后的數(shù)據(jù)對比，修建建窟可以減低70%的自然風化，證明了風化雖然是不可避免的，但是可以減緩，這一數(shù)字化結論為減緩石窟的消亡提供了可能，也為石窟的保護與傳承提供了依據(jù)。

3.4云岡石窟數(shù)字化展示

數(shù)字化技術的快速發(fā)展和廣泛應用，為石窟的展示和推廣提供了更加豐富多樣的方式，依托數(shù)字化手段，將云岡石窟的文化價值和學術成果以更加生動、直觀的方式傳播給世界各地的人們，實現(xiàn)全球共享和傳播。通過先進數(shù)字化采集設備，獲得石窟高精度三維模型數(shù)據(jù)，結合3D打印技術、虛擬展示技術、數(shù)據(jù)增強技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等實現(xiàn)石窟文物三維模型及場景的全方位立體實體展示和虛擬瀏覽參觀以及身臨其境般得人機互動化體驗。不僅增加了游客得觀覽手段、提升了參觀體驗感，也是對傳統(tǒng)中華優(yōu)秀文化得弘揚，實現(xiàn)讓文物真正活起來。 

2017年，云岡研究院與浙江大學聯(lián)合攻關，采用了三維激光掃描技術與多圖像三維重建相結合的工作方法，重建了云岡石窟第3窟的彩色三維模型，而后引入國內自主研發(fā)的高精度3D打印機，復制文物本體的所有細節(jié)，達到了高精度還原。原比例復制的第3窟整體長17.9米、寬13.6米，主佛高10米，是世界上首次使用3D打印技術實現(xiàn)的大體量文物復制工程，采集了10000張石窟照片，打印了842塊模型，安裝了3個月，最終實現(xiàn)了云岡石窟成功“搬家”，是一種全新的文物旅游宣傳手段，也是讓文化活起來、走出去的一次大膽實踐和探索，有利于中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的發(fā)揚光大。2018年承擔完成了云岡石窟第12窟原比例3D打印復制，此次以分塊打印并以搭積木式的方式實現(xiàn)復制洞窟的拼接與拆裝，方便實現(xiàn)文物移動隨時隨地展示，該項目的完成標志著世界上首次實現(xiàn)大體量不可移動文物的可移動展示，未來會邁向國內的每一個城市以及全世界各地，讓更多的人認識了解云岡石窟，提升中華民族文化自信。

4 結論

隨著數(shù)字人、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實、人工智能等一批應用于文化產(chǎn)業(yè)的技術和裝備登臺亮相，元宇宙虛實結合的新體驗等數(shù)字化技術的不斷創(chuàng)新，為云岡石窟的保護和傳承提供了新的途徑。在數(shù)據(jù)采集與處理上，采集設備向著體積輕便、操作簡易、數(shù)據(jù)精度高、人為干預少等方向不斷創(chuàng)新；數(shù)據(jù)處理軟件向著多數(shù)據(jù)融合、處理效率高、建模精度高、人為干預少等方向不斷創(chuàng)新與提高。在石窟展示方面，依托創(chuàng)新的數(shù)字技術服務，結合虛擬現(xiàn)實技術，在融交會的三維立體展廳，讓用戶的體驗從“在線”變成“在場”，不斷提升觀眾體驗感，使觀眾能夠身臨其境地感受到石窟的藝術魅力；在數(shù)據(jù)利用方面，公眾瀏覽數(shù)據(jù)的客戶端也向著通過平板、手機等常見設備不斷創(chuàng)新；展示形式可以通過微信公眾號、小程序、小游戲等方式呈現(xiàn)，使更多的人可以通過互聯(lián)網(wǎng)等渠道進行線上參觀，從而推動云岡石窟文化的傳播和推廣。隨著科技的不斷更新與創(chuàng)新，數(shù)字化將為云岡石窟的保護與傳承注入新的活力與動力。

本文來源：《炎黃地理》http://12-baidu.cn/w/xf/31001.html