桂林摩崖石刻數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)研究

◎鄧志強(qiáng)

（桂海碑林博物館 廣西 桂林 541004）

溶巖地區(qū)摩崖石刻的研究、保護(hù)、展示是全球性的保護(hù)課題。溶巖地區(qū)摩崖石刻以石灰?guī)r自然山體為載體，在其漫長(zhǎng)的保存過(guò)程中，受到自然和人為因素的綜合作用，石刻表面不斷被風(fēng)化和殘蝕。長(zhǎng)期以來(lái)，由于環(huán)境污染、建設(shè)開(kāi)發(fā)等造成的破壞，加之缺乏有關(guān)石質(zhì)文物保護(hù)與資料獲取方面的技術(shù)規(guī)范，以致科學(xué)性和理論系統(tǒng)化方面有所欠缺。因此，世界各國(guó)專家都在努力地嘗試采取不同方式和手段，開(kāi)展相關(guān)的保護(hù)工作。

一、桂林摩崖石刻現(xiàn)狀

桂林石刻的載體是石灰?guī)r主要類型之一的泥晶灰?guī)r（主要礦物組成為CaCO3），巖石結(jié)構(gòu)比較致密，但微裂隙發(fā)育較多。根據(jù)桂海碑林博物館2014年石刻調(diào)查與歷史文獻(xiàn)記載對(duì)比，近些年桂林摩崖石刻受人為破壞較少，亂刻亂畫現(xiàn)象極少，但觸摸石刻的現(xiàn)象較多，石刻使用單位存在亂搭亂建，故意遮擋石刻的現(xiàn)象。石刻受到自然侵蝕破壞有加劇的趨勢(shì)。以七星巖石刻為例，文獻(xiàn)資料記載石刻70件，但經(jīng)過(guò)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存石刻的數(shù)量為50件。再如獨(dú)秀峰太平巖石刻，因經(jīng)歷抗戰(zhàn)時(shí)期以來(lái)多次被破壞，資料中記載有石刻29件，但現(xiàn)今除洞口有一兩件殘刻外，其余均已無(wú)存。文物破壞是一種不可逆的過(guò)程，因此，桂林石刻的保護(hù)面臨比較嚴(yán)峻的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有石刻進(jìn)行搶救保護(hù)性的全方位信息記錄、整理和研究及開(kāi)發(fā)展示已十分迫切。

傳統(tǒng)的摩崖石刻資料收集手段為照片文字資料及拓片資料采集。這種辦法采集速度快，設(shè)備投入成本低，一部單反相機(jī)即可進(jìn)行采集，甚至一部像素較高的智能手機(jī)都能勉強(qiáng)勝任。技術(shù)難度低，采集者只需要簡(jiǎn)單的操作即可采集照片、文字資料。絕大部分地區(qū)都有條件進(jìn)行照片文字資料數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)。缺點(diǎn)在于效果一般，精度有限，對(duì)于摩崖石刻展示而言不夠直觀立體，且受照片拍攝角度與技術(shù)的限制，照片質(zhì)量不可控，對(duì)摩崖石刻展示而言，由于拍攝角度與光線等因素的不同，會(huì)存在一定程度的信息誤導(dǎo)性。測(cè)量手段相對(duì)落后、精度不高，對(duì)于后期石刻修復(fù)沒(méi)有實(shí)際意義，雖可以拓片形式進(jìn)行彌補(bǔ)，然而對(duì)于石刻病害修復(fù)以及防治而言，信息精度方面的缺陷十分明顯，比之古人臨摹書畫再進(jìn)行復(fù)刻尚有一定差距。

基于傳統(tǒng)石刻收集手法的缺陷，結(jié)合現(xiàn)有信息化技術(shù)的發(fā)展，石刻資料的收集手法大體有以下發(fā)展方向：第一種是Pitgui等其他全景照片合成720°旋轉(zhuǎn)實(shí)景展示及各種VR軟件平臺(tái)制作展示技術(shù)。目前已廣泛應(yīng)用于博物館虛擬展廳、房產(chǎn)類網(wǎng)站及其他商業(yè)用途。相對(duì)于普通照片而言，直觀性與可瀏覽性有極大的增強(qiáng)。然這種技術(shù)精度依舊有限，對(duì)于研究修復(fù)而言效用有限。相對(duì)于各種傳統(tǒng)摩崖石刻的保護(hù)展示而言，已可算作里程碑式的進(jìn)步。第二種則是摩崖石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)及平臺(tái)建設(shè)。近年來(lái)數(shù)字化三維掃描技術(shù)飛速發(fā)展，并在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，文化與科技的聯(lián)系日益緊密，數(shù)字博物館便是文化與科技充分融合的經(jīng)典實(shí)例[1]。國(guó)內(nèi)文物單位對(duì)三維數(shù)字化的探索已有二十多年的歷史，從石窟寺、博物館、古建筑到考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位進(jìn)行了卓有成效的探索。利用相關(guān)設(shè)備所采集到的文物三維數(shù)據(jù)已可精確到微米級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪手段而言，其精確度有著質(zhì)的提升。

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)就是利用當(dāng)代測(cè)繪遙感和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以數(shù)字化方式將文化遺產(chǎn)的全部動(dòng)產(chǎn)和不動(dòng)產(chǎn)真實(shí)、完整地存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)實(shí)真三維數(shù)字存檔，供保護(hù)修復(fù)、復(fù)原以及考古研究和文化交流使用[2]。結(jié)合這一信息化技術(shù)，桂林摩崖石刻數(shù)字化將能最真實(shí)的記錄現(xiàn)有石刻的相關(guān)信息。第一步通過(guò)三維掃描技術(shù)，建立摩崖石刻大量現(xiàn)場(chǎng)三維信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為摩崖石刻的保護(hù)與研究工作提供文字與影像兼?zhèn)涞脑敿?xì)資料，為今后的摩崖石刻保護(hù)與研究打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，數(shù)字三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用能兼顧摩崖石刻保護(hù)與展示。第二步經(jīng)過(guò)對(duì)三維掃描所得數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，進(jìn)而制作完成高精度的摩崖石刻3D數(shù)字文物可以代替實(shí)體場(chǎng)景、巖洞、石刻用于高清的互動(dòng)展示及研究，并可以此為基礎(chǔ)建立桂林摩崖石刻綜合性展示服務(wù)平臺(tái)。

二、桂林摩崖石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

桂林摩崖石刻由于其不可移動(dòng)性，以及背后巖體的阻隔，使得通常所用的文物三維掃描手法不再適用于摩崖石刻。摩崖石刻所在環(huán)境的復(fù)雜性，使得三維掃描相對(duì)于其他可移動(dòng)文物而言，有著更多操作上的不確定性。某些石刻更是高達(dá)十?dāng)?shù)米，對(duì)掃描而言難度大為提高，因此，桂林摩崖石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作有著更為復(fù)雜的操作模式與要求，對(duì)此我們進(jìn)行了大量的研究與論證，得出了以下心得經(jīng)驗(yàn)：

（一）高精度摩崖石刻三維數(shù)據(jù)采集

根據(jù)摩崖石刻環(huán)境的特殊性，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度對(duì)象的高精度三維掃描，可采用多種不同分辨率和不同精度的三維掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，主要用的設(shè)備可以有如下幾種：

1.大場(chǎng)景激光三維掃描儀

這種掃描儀屬于脈沖式掃描類型設(shè)備，這種掃描儀激光波長(zhǎng)532納米左右，掃描距離可以達(dá)到300米以上，掃描速度5萬(wàn)點(diǎn)/秒以上，掃描精度4毫米以上。該類設(shè)備對(duì)于石窟寺、遺址公園等大場(chǎng)景的掃描具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，可將其應(yīng)用于桂林以某一面山體為基體的摩崖石刻場(chǎng)景掃描也是較為適用的選擇，如龍隱巖、龍隱洞大場(chǎng)景的掃描。掃描所得場(chǎng)景數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)、三維虛擬游覽等，但是具體到單件石刻，精度有所欠缺。

2.中遠(yuǎn)景激光三維掃描儀進(jìn)行相位式掃描

這類掃描儀激光波長(zhǎng)785納米左右，掃描距離120米以上，掃描速度97萬(wàn)點(diǎn)/秒以上，掃描精度2毫米以上。該設(shè)備可用在巖洞整體三維形狀的掃描、如龍隱巖、龍隱洞等石刻較多的巖洞整體掃描。掃描精度略高于脈沖式掃描設(shè)備，可與脈沖式掃描設(shè)備所得數(shù)據(jù)相結(jié)合，可用于摩崖石刻三維游覽平臺(tái)的建設(shè)，同時(shí)可用于石刻數(shù)據(jù)庫(kù)中單件摩崖石刻的載體，將精度較高的單件摩崖石刻嵌于其上進(jìn)行立體三維展示。對(duì)于研究相鄰摩崖石刻之間的關(guān)聯(lián)有著更加直觀的印象。

某些單件石刻所展示出來(lái)的信息往往能從相鄰石刻中得到驗(yàn)證以及深入的發(fā)掘，如龍隱巖的元祐黨籍碑、周邊石刻多是不同時(shí)代文人墨客游覽此件石刻所作，對(duì)于該件石刻的研究而言，這些石刻可算作一個(gè)整體，石刻之間的諸多關(guān)聯(lián)，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)觀摩，該游覽平臺(tái)的展示當(dāng)更為直觀清晰、對(duì)于此石刻群信息獲取有著現(xiàn)場(chǎng)觀摩所欠缺的便捷性。同時(shí)，通過(guò)三維掃描結(jié)果摩崖石刻病害的分析具有十分重要的參考價(jià)值，如石刻滲水源頭尋找、依據(jù)巖體形狀對(duì)擋水碑檐制作方案進(jìn)行評(píng)測(cè)、摩崖石刻周邊危巖加固。

3.中小型文物高精度結(jié)構(gòu)光三維掃描系統(tǒng)

可采用光柵式三維掃描類型設(shè)備，這種類型掃描設(shè)備掃描范圍一般在5米以下，掃描精度可以精確到微米級(jí)別，大部分摩崖石刻、佛像、雕刻的精細(xì)掃描可采用此類設(shè)備。對(duì)于大型石刻如獨(dú)秀峰的巨幅摩崖石刻南天一柱，可配合三維攝影測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度掃描。此類掃描儀所得三維數(shù)據(jù)是整個(gè)石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)的核心與基礎(chǔ)所在，所得高精度數(shù)據(jù)對(duì)于摩崖石刻的測(cè)量、研究、保護(hù)都有著永久性的價(jià)值，對(duì)于某些因?yàn)榧夹g(shù)或者其他方面原因而無(wú)法體現(xiàn)在石刻拓片與照片上的信息、對(duì)石刻的研究有著不可估量的重要作用，某些因風(fēng)化、流水侵蝕等一些病害而導(dǎo)致石刻表面漫漶不清，可通過(guò)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)還原。在石刻病害方面，石刻表面剝落程度、石刻裂隙具體寬度與深度等的一些詳細(xì)數(shù)據(jù)，對(duì)于有較大剝落風(fēng)險(xiǎn)的石刻表面加固方案研究與評(píng)測(cè)以及其他石刻病害的修復(fù)方案的研究與評(píng)測(cè)都有著極為重要的參考價(jià)值。

圖1 龍隱巖摩崖石刻點(diǎn)云數(shù)據(jù)

此外，還可采用全站儀測(cè)量系統(tǒng)用于摩崖石刻點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)將摩崖石刻三維掃描數(shù)據(jù)對(duì)齊到大地坐標(biāo)系上。可選用測(cè)角精度在0.52"以上,測(cè)距精度1mm+1ppm以上的全站儀等測(cè)量系統(tǒng)儀器。

（二）摩崖石刻三維幾何模型及紋理映射處理系統(tǒng)

用于摩崖石刻三維模型貼圖的照片拍攝可選擇像素2100萬(wàn)以上、畫幅尺寸5616×3744像素以上的單反相機(jī)，對(duì)不同摩崖石刻場(chǎng)景或者單件摩崖石刻的變化選用不同的鏡頭。高清的照片對(duì)于摩崖石刻模型后期貼圖以及資料加工而言，是十分重要而直觀的組成部分。同時(shí)，因不同場(chǎng)景自然光的差別，如巖洞口與巖洞深處的光線差距較大，可采用顯色指數(shù)為90以上的三基色燈管和相應(yīng)燈架，以提供更為穩(wěn)定的照明環(huán)境。色彩管理設(shè)備可采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)愛(ài)色麗色彩管理系統(tǒng)。立體攝像的拍攝設(shè)備則可采用兩臺(tái)以上高清攝像機(jī)，在拍攝現(xiàn)場(chǎng)可采用22"3D高清立體監(jiān)視器。這些系統(tǒng)可對(duì)三維掃描所得數(shù)據(jù)進(jìn)行后期整理加工應(yīng)用。

三維幾何建模系統(tǒng)可選用MAYA跟3DMAX等通用建模軟件, 該軟件可對(duì)摩崖石刻點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三角網(wǎng)格等進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、精簡(jiǎn)、平滑、修補(bǔ)等，生成高質(zhì)量的三角網(wǎng)格模型。之后使用Photoshop軟件進(jìn)行圖片處理、Maya進(jìn)行紋理貼圖，最終得到帶紋理的三維模型。

（三）展示內(nèi)容制作系統(tǒng)

將生成的幾何模型或者帶紋理的模型使用Maya等軟件進(jìn)行雙攝像機(jī)的配置及運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)置，使用After Effects等軟件進(jìn)行視頻編輯。

（四）交互式實(shí)時(shí)渲染技術(shù)

開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)交互式實(shí)時(shí)展示程序，使用戶可以自由的設(shè)置視點(diǎn)來(lái)欣賞摩崖石刻文物的每個(gè)細(xì)節(jié)。開(kāi)發(fā)或租用大數(shù)據(jù)量渲染引擎，用于大場(chǎng)景模型的實(shí)時(shí)渲染。渲染所得的摩崖石刻場(chǎng)景可用作單件石刻文物的載體，或者直接用作進(jìn)行摩崖石刻大場(chǎng)景展示的原始素材。

建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程是利用三維數(shù)字化技術(shù)得到摩崖石刻中各文物的高精度幾何模型和帶紋理模型的過(guò)程。三維數(shù)字化技術(shù)的流程包括三維數(shù)據(jù)的獲取、三維數(shù)據(jù)的幾何建模、三維模型的紋理貼圖、虛擬展示等。

三、摩崖石刻數(shù)字化展示平臺(tái)

博物館信息化已經(jīng)走過(guò)了十余年的歷程，在博物館由收藏型向參與型轉(zhuǎn)變的當(dāng)下，信息化技術(shù)應(yīng)如何更好地為博物館建設(shè)服務(wù)，使博物館成為公眾生活不可缺少的文化需要，實(shí)現(xiàn)“和諧互動(dòng),共享文化”的博物館使命，成為各個(gè)博物館探討和實(shí)踐的焦點(diǎn)問(wèn)題[3]。建設(shè)數(shù)字展廳可用于展示桂林摩崖石刻的宏大場(chǎng)景、建造歷史及精美雕像，對(duì)于石刻數(shù)字化建設(shè)的成果展示、桂林石刻文化的普及以及觀眾的黏度構(gòu)建有著十分積極的意義。數(shù)字化展示平臺(tái)大體上可分為線上數(shù)字化展示平臺(tái)及線下數(shù)字化展示平臺(tái)兩種。

圖2 Maya貼圖后的龍隱洞三維場(chǎng)景

線下數(shù)字化展示平臺(tái)通常包括摩崖石刻數(shù)字化體驗(yàn)廳（場(chǎng)景復(fù)原、幻影成像、全息影像、摩崖石刻文物互動(dòng)體驗(yàn)、AR虛擬現(xiàn)實(shí)等）、觸摸屏展示、立體電影放映（可采用實(shí)景拍攝及掃描摩崖石刻文物渲染結(jié)合的方式制作摩崖石刻三維宣傳展示片，該展示片可展示桂林各石刻點(diǎn)的優(yōu)美風(fēng)光、宏偉氣勢(shì)和歷史沿革、刻石背景、人文內(nèi)涵）等。

線上數(shù)字化展示資源往往是線下數(shù)字化展示平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，而線下數(shù)字化展示平臺(tái)的資源往往亦可應(yīng)用于線上展示平臺(tái)。數(shù)字化展示平臺(tái)建設(shè)及線下數(shù)字化展示平臺(tái)建設(shè)有著密不可分的關(guān)系。線上摩崖石刻數(shù)字化展示平臺(tái)大體上可分為摩崖石刻PC端數(shù)字化展示平臺(tái)及石刻移動(dòng)端數(shù)字化展示平臺(tái)，兩者在建設(shè)過(guò)程中存在千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，具體則包括PC端網(wǎng)站及網(wǎng)站數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)、時(shí)下熱門App平臺(tái)的小程序建設(shè)如微信公眾號(hào)與小程序的建設(shè)、AR虛擬現(xiàn)實(shí)、小游戲及各種體驗(yàn)程序等。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)三維已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾糠?。石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)可以使用三維互聯(lián)網(wǎng)搭建平臺(tái)，構(gòu)建三維網(wǎng)上博物館。“網(wǎng)上桂林石刻”作為實(shí)體桂林石刻的數(shù)字拷貝，成為永不落幕的展覽館，同時(shí)能激發(fā)公眾對(duì)參觀實(shí)體石刻的興趣。另外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)增加互動(dòng)性，可提高游客對(duì)歷史和文化遺產(chǎn)保護(hù)的興趣。

四、“數(shù)字桂林摩崖石刻”綜合平臺(tái)

“數(shù)字桂林摩崖石刻”綜合平臺(tái)可用于進(jìn)行組織管理，并供專業(yè)人員和普通公眾使用。該平臺(tái)可分為桂林摩崖石刻文物信息綜合管理系統(tǒng)與輔助科研分析系統(tǒng)。

（一）桂林摩崖石刻文物信息綜合管理系統(tǒng)

通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩崖石刻的樹狀管理和從石刻圖片上選擇區(qū)域進(jìn)行切換等功能，利用單件摩崖石刻的各方面屬性如碑名、關(guān)鍵詞、年代、作者、內(nèi)容、年款等資料在數(shù)據(jù)庫(kù)上查詢。開(kāi)發(fā)摩崖石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)建立及管理系統(tǒng)，對(duì)每件石刻文物建立如下信息，并在服務(wù)器端建立摩崖石刻三維數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

1.摩崖石刻文物編號(hào)

規(guī)范而清晰的摩崖石刻文物編號(hào)，為后期搜索系統(tǒng)的建立，以及石刻拓片藏品數(shù)字化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.高精度摩崖石刻三維幾何模型

高精度的摩崖石刻三維幾何模型是整個(gè)數(shù)字化的基礎(chǔ)與核心，清晰度與誤差率直接關(guān)系到整個(gè)數(shù)字化的成敗。

3.高精度三維彩色模型

高精度三維彩色模型的建設(shè)對(duì)于后期展示而言，是不可多得的可視化資源。對(duì)于石刻后期的保護(hù)而言，高精度三維彩色模型具有直觀而便捷的作用，對(duì)于殘損以及保存狀況堪憂的石刻，對(duì)瀕危石刻所面臨的威脅與病害有最為直觀的第一手資料，如石刻周邊的植物侵蝕、掛流沖刷、滲水痕跡、石刻所依巖體崩塌、石刻表面較大裂縫、字體脫落等。后期對(duì)于該石刻擬采取何種保護(hù)措施，如制作碑檐或是制作引水槽、填補(bǔ)石刻空鼓、大型裂縫的填補(bǔ)提供了直接的依據(jù)。

4.高清晰照片

高清晰照片對(duì)于桂林摩崖石刻網(wǎng)上展廳以及日常資料的查看、桂林摩崖石刻資料數(shù)據(jù)庫(kù)都是十分優(yōu)質(zhì)而重要的資源。

5.文物的年代

文物的年代對(duì)于石刻資料的排序與搜索引擎的建設(shè)有重要意義。對(duì)于石刻整體研究而言，年代的排序可以作為宏觀分析的有利材料。

6.其他信息

大小、重量等為摩崖石刻文物的基本信息，簡(jiǎn)單而不可或缺，在石刻研究中以及數(shù)據(jù)庫(kù)后期建設(shè)平臺(tái)檢索方面有著重要的意義。

（二）輔助科研分析系統(tǒng)

根據(jù)摩崖石刻三維模型，通過(guò)對(duì)石刻年代風(fēng)格，作者書法風(fēng)格，石刻刻工風(fēng)格，石刻載體所在巖體的紋理、類型、走向等各方面的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩崖石刻的定量化研究。

總體而言，桂林摩崖石刻數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè)可以用下圖來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的概括，如圖3所示。

五、結(jié)語(yǔ)

“桂林山水甲天下，唐宋士大夫度嶺南來(lái)，題名賦詩(shī)，摩崖殆遍”[4]。摩崖石刻在桂林分布廣泛，由于其特殊性，保護(hù)殊為不易。而摩崖石刻的消失速度由于工業(yè)化社會(huì)的生產(chǎn)建設(shè)等影響及大自然的侵蝕，正在日漸加快。就目前調(diào)查狀況而言，桂林僅有極少數(shù)摩崖石刻進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)方面的建設(shè)，大部分摩崖石刻做了拓片資料采集。桂林摩崖石刻數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)刻不容緩。高精度綜合的摩崖石刻數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于桂林摩崖石刻的展示、內(nèi)涵發(fā)掘、保護(hù)、研究以及后期修復(fù)而言，有著不可替代的作用。

圖3 桂林摩崖石刻數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè)流程示意圖