运用现代摄影测量与遥感技术,对敦煌莫高窟进行三维数字重建,他们接续攻关,只为——让敦煌在数字空间永存
来源:人民日报海外版 记者 叶 子 发布日期:2022-06-30浏览(10)人次 投稿收藏

  “瑞像九寻惊巨塑,飞天万态现秋毫。”延续近2000年的敦煌文化,是世界现存规模最大、延续时间最长、内容最丰富、保存最完整的艺术宝库,是世界文明长河中的一颗璀璨明珠,也是研究中国古代各民族政治、经济、军事、文化、艺术的珍贵史料。

  如今,1∶1实景洞窟三维模型的构建,将远在大漠中的千年瑰宝展现在世人面前;数字敦煌上线,全球网民只要轻叩鼠标,就可以浏览超高清壁画图像……“窟内文物窟外看”的实现,离不开科研人员数十年的接续攻关。本报采访了参与数字敦煌项目的部分武汉大学研究人员,听他们讲述让敦煌在数字空间永存的幕后故事。

  全景复原洞窟

  “敦煌莫高窟”来武汉了!最近一段时间,武汉人的朋友圈里,这条消息刷屏了。

  由武汉大学和敦煌研究院主办的“万里千年——敦煌石窟考古特展”,正在武汉大学万林艺术博物馆展出。外交部发言人赵立坚发布微博点赞:“武汉大学运用先进的文物扫描和复制技术,把敦煌石窟‘搬’进了学校博物馆。”

  走进万林艺术博物馆,一眼就能看到一尊震撼人心的巨大卧佛像,神情安详,微含笑意。这里还原的是莫高窟南端著名的158窟场景。158窟是莫高窟著名的涅槃窟之一,这尊涅槃像为石胎泥塑像,身长15.8米。洞窟正壁上部绘有菩萨、罗汉、梵释天人、天龙八部、佛弟子及散花飞天,洞窟左壁内侧画有十大弟子举哀图。

  这尊完美的复制品,是数字敦煌和3D打印相结合的产物。它被分成好几块搬运进场馆内,再组合成一尊完整佛像。展出时,整个佛身严丝合缝,丝毫看不出拼接的痕迹。本次展览一共有4个全景复原洞窟,参观者在这些复原洞窟前久久伫立,沉浸式地探索、感受。

  参观者中,有一位80多岁的老者,他便是两院院士、著名测绘专家李德仁。

  “记得我和敦煌研究院名誉院长樊锦诗初次见面时,她跟我说:文化遗产不能永存,文化遗产也不可重生。我接着她的话讲:文化遗产可以在数字空间永存。”李德仁院士告诉记者,自己和敦煌的缘分,从一场文化遗产的保护接力开始。

  20世纪80年代,李德仁院士和他的夫人——武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室朱宜萱教授,就开始着手保护正在遭受侵蚀的敦煌莫高窟文物。后来,随着技术逐渐成熟,数字敦煌逐渐成为现实。

  “利用我们的数据,可以用3D打印机把敦煌的卧佛打印出来。现场的文物不能碰,但数字化的文物可以任意变换。我们还利用数字成果做成了一系列的文创产品。”李德仁院士说,“借助人工智能、增强现实,文物学家、历史学家、考古学家在数字敦煌里可以进行‘现场’科研,壁画上动不了的‘飞天’,在元宇宙里可以尽情歌舞。”

  保护迫在眉睫

  敦煌作为中国通向西域的重要门户,古代中国文明同来自古印度、古希腊、古波斯等不同国家和地区的思想、宗教、艺术、文化在这里汇聚交融。中华文明以海纳百川、开放包容的广阔胸襟,不断吸收借鉴域外优秀文明成果,造就了独具特色的敦煌文化和丝路精神。

  每一个去过莫高窟的人,都会赞叹它的精美。但是,石窟寺看起来坚如磐石,历经千年,在柔韧的水、尖利的风以及热胀冷缩、虫咬蚁蛀的磨蚀、淘空下,大多面临结构失稳、水害侵蚀、风化破坏等顽症的折磨。

  樊锦诗在《我心归处是敦煌》一书中介绍,目前,莫高窟壁画病害主要有空鼓、起甲、酥碱三种。

  画工绘制壁画之前,要用泥土混合碎麦秸,然后涂抹在岩壁上作为壁画的泥质地仗层。隋唐以前大都直接在地仗层上作画,自隋唐开始,画工会在地仗层上再抹上一层薄如蛋壳的白灰,经过打磨后才可以作为壁画的底色。洞窟历经千年之后,泥质的地仗层逐渐从岩体上脱离开来,形成了壁画与岩体之间的空隙,这便是空鼓。一旦遭遇地震或大风,壁画很容易整体脱落,掉至地面就会“粉身碎骨”,很难修复。

  起甲的表现形式是壁画白粉层及其上面的颜料层发生龟裂,进而形成鳞片状翘起。翘起来的龟裂层,时间长了就会脱落。久而久之只剩下壁画的泥层,严重的还会导致壁画消失。

  壁画的酥碱病害,被称为壁画的“癌症”,其现象是壁画地仗泥层黏结性丧失,泥土颗粒逐渐掉落酥粉。在水和潮湿空气的作用下,崖体及壁画地仗层中大量的硫酸钠和氯化钠活动迁移,聚积在壁画地仗层和颜料层中,反复溶解、结晶,从而产生酥碱病变。

  李德仁介绍,近年来,敦煌地区气候变化,湿度上升、降雨量增加、河道涨水,都不利于壁画保存,游客参观时呼出的二氧化碳也会产生化学反应,对壁画造成影响,保护工作迫在眉睫。

  2005年前后,三维激光扫描技术得到快速发展。正巧朱宜萱和樊锦诗都参与了香港志莲净苑的数字化保护工程。志莲净苑是一个仿唐木构佛寺建筑群,以敦煌莫高窟第172窟壁画为蓝本建造而成。朱宜萱带领团队对它的每个构件进行了数字化处理,在计算机中再建了一座三维动态数字化志莲净苑,通过虚拟漫游系统,可以展现建筑物的原始样貌。志莲净苑数字化保护工程取得的成果,让敦煌研究院看到了希望。

  2005年,李德仁夫妇前往敦煌考察,见到了樊锦诗。大家讨论后决定,在数字空间里重建敦煌胜景:运用现代摄影测量与遥感技术,对敦煌莫高窟进行三维数字重建,在计算机上建立一个立体敦煌。

  多年辛苦攻关

  很快,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室和朱宜萱教授团队开始了莫高窟整体测绘数据采集工作。

  2007年11月,研究激光扫描、刚刚博士毕业的黄先锋来到了敦煌莫高窟。他要做的,是用激光扫描石窟。第一次以崖体作为测试对象进行测试扫描,扫描仪精度低、速度慢,效果很不好。经过构网、拼接、去噪等技术处理,数据质量依然不高。

  几个月后,黄先锋再次来到敦煌。这一次,扫描仪的问题解决了,但没有能用的数据处理工具,数据处理的结果,依然无法真实反映塑像及其纹理的面目。

  “壁画、佛像是曲面的,拍摄的照片容易发生形变。变形的图片贴到立体的‘骨架’上去,总是对不准。”一周后,黄先锋再次带着遗憾作别河西走廊。

  2008年6月,不服输的黄先锋第三次来到莫高窟。这一次,团队中还有一名成员,李德仁院士的博士生张帆。

  经分析,塑像的数字化完全是在光照下进行的,而室内非自然光状态下,因角度和视线的不同,呈现的图像纹理是不一样的。黄先锋决定弃用国外的商业软件,打造一款有自主知识产权的自主纹理映射软件。

  那段时间,团队白天在石窟内采集数据,晚上继续回到出租房开发软件、研究技术。为表决心,他们在敦煌市区找了家路边理发店,一人花10元钱剪了个光头,笑称:“不完成任务,就别想着回去!”

  就这样,张帆写代码,黄先锋做算法设计,有时候白天采集数据,晚上写程序,经常连续工作30个小时。三个月后,一款名为“贴图大师”(ModelPainter)的软件在出租屋诞生,以它为工具,获得了敦煌塑像的高质量纹理重建,结果让敦煌研究院大为满意。

  扫清了技术障碍后,李德仁又提出“空地融合、室内外一体化”数据采集的方案,他认为,不只是莫高窟,敦煌的数据都应采集记录,这样才能为文物保护提供更全面的参考。

  2009年6月,黄先锋带领张帆等9人团队开始攻坚莫高窟窟内外全方位数字档案,动用机载激光扫描、地面激光扫描、摄影测量、手持式精细扫描等复刻敦煌。

  敦煌有沙都之称,尤其夏天,烈日之下、沙尘滚滚。有时刚打开盒饭,一阵风沙袭来,饭菜里全是沙。户外作业高温暴晒,窟内又很阴冷,长时间在窟内作业,黄先锋的双腿都染上了风湿。

  终于,历经2年,构想成为现实,莫高窟的空中、中距、近距和微距数据全部获得。“过去没有全貌3D数据,无法知道莫高窟洞窟与洞窟之间的距离。现在连墙壁的厚度都可以知晓,为洞窟进行加固保护提供了数据支撑。”黄先锋解释。

  这些年来,黄先锋去敦煌的次数超过50次,累计待了一年以上。回忆起那段岁月,黄先锋向记者感叹:“当时真是立下了‘不做好项目终不还’的决心,当然,这里边离不开敦煌研究院的信任和支持。”想到70多岁的朱宜萱教授在敦煌科研现场亲自登上20多米的高台,进行立体摄影测量;80多岁的李德仁院士,依旧常年奔波在外,为团队争取科研资料和经费,团队成员们不辞辛劳,黄先锋动情地说,“我们希望做的,就是通过数字技术,让文物得以永世流传。”

  传承敦煌文化

  一座球状和线条混搭的建筑拔地而起,黄色的外貌和周围的戈壁浑然一体,这便是观众到敦煌莫高窟的第一站——数字展示中心看到的景象。在实地参观莫高窟之前,观众在这里观赏《千年莫高》《梦幻佛宫》两部高清电影,与千年前的匠人进行一场跨越时空的对话。

  在数代科研人员的接力下,敦煌文物的数字化工作已达到很高水平,文物保护也开启“摄影测量+自动建模”的新模式。

  黄先锋向记者展示了一款软件,只要上传一件文物不同角度的照片,便可生成文物的3D模型。不同于科研人员使用的专业设备,即使是普通人用手机拍摄的照片,软件也能进行处理。

  “除了对敦煌石窟和相关文物进行全面的数字化采集、加工和存储,我们还做了崖体形变测量、壁画色彩还原等。把莫高窟保护好,把敦煌文化传承好,是中华民族为世界文明进步应负的责任。”李德仁院士介绍,“未来,我们还要继续研究。例如,应用大数据技术对数据进行挖掘,总结不同年代绘画风格,有助于确定壁画的年代。”

  朱宜萱也感到,敦煌文化保护传承工作需要更多科研人员参与。回想起初见莫高窟的情形,朱宜萱思绪万千。1963年至1971年,她作为国家测绘总局第一分局地形七队队员,在大西北的沙漠戈壁中进行过外业测量。1964年,进行航空摄影测量外业工作的她,骑着骆驼进了敦煌。

  “当时莫高窟的保护刚起步,洞窟还没有门,黑乎乎的,借着白天的光线才能看到一点壁画,但是对我触动很大:敦煌学是巨大的知识宝库,值得我们去研究和保护。”朱宜萱说。

  多年的敦煌工作经历也给了黄先锋这个“只懂技术的理科生”美的熏陶。他告诉记者,看了这么多次敦煌壁画,现在自己也能赏析一幅绘画作品了。“敦煌壁画里的色彩搭配、线条处理等,真的很美!”

《人民日报海外版》(2022年06月30日 第05版)

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(编辑:石建杭

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