大同云冈石窟 | 3D打印技术为千年石窟注入科技血液

 

 

　　云冈石窟研究院数字化室主任宁波告诉记者，数字化室主要负责文物数字化研究；文物数字化采集、存储、应用与管理和智慧景区建设等相关工作。在云冈石窟研究院和上级部门的大力支持下，云冈石窟研究院数字化室从无到有，摸索出一套完整的理论和实践体系。依托各种先进三维数字化采集技术、地理信息系统技术、计算机与网络等科技手段，解决了石窟雕刻的数字化获取、存储和展示等技术难题；在建立石窟数字档案、展示、研究、保护及综合管理等方面取得成就，比诸国内做得最好的北京故宫、甘肃敦煌，不遑多让，现已跻身于全国文物系统数字化应用的第一方阵。

 

　　宁波至今对3D打印复制出的第3窟大佛落户青岛时的盛况记忆犹新。复制库揭幕当天，就有93000多人参观，石窟复制成功的消息刷爆微信朋友圈。随后人民日报、环球时报、新华社等各大媒体争相报道，先后被央视《新闻联播》、《早间新闻》、《新闻直播间》、《新闻30分》、《晚间新闻》等栏目密集报道，央视外语频道和日本NHK电视台做了专题报道。

　　3D打印的第12窟“音乐窟”在深圳亮通过验收后，同样在全国范围内引发广泛关注。而这一切都离不开云冈石窟研究院数字化室，正是他们让这一切变成了可能，成功的背后是艰苦的付出。如3D打印复制出的第3窟大佛，经历了3个多月的数据采集，3个多月的数据处理，20台大型三维打印机耗时1年打印出842块模块，然后又用3个多月时间现场拼装上色，最终才实现了石窟的千里搬家。
 

　　数字技术在云冈石窟的应用，是前沿科技与古老文物的有机结合。宁波告诉记者：“文物数字化在我理解就是‘科学记录、融合翻译、智慧发展’12个字。这12个字说起来简单，但要想做好却真的是很难。”

　　他举例说：“云冈石窟从建成之日起，因为自然和人为因素，就在不断风化，亦即缓慢消亡。我们今天看到的云冈石窟，是一个不停风化和不断修补的石窟。在《水经注》中，‘山堂水殿、烟寺相望’几句话就把这么一个雄伟浩瀚的石窟记录完了，只能让我们粗略知道1500年前北魏开凿石窟的意境初景。后来石窟是通过文字和手工绘图的方式来记录，用二维的方式来反映三维的石窟，量测的精度不够，也只能记得大概；再后来照相技术出现了，以单点视角的方式较直观的记录，但依然没有解决精度和三维视角的问题。”

　　他说：“直到三维数字技术的出现，才为完美解决石窟记录方式提供了一种可能性，而从先进技术转化到1公里长、59000多尊造像，毫米级精度地工程应用上，则还需要不断的探索总结。整个工程相当于在电脑上重建一个现在的云冈石窟，要把我们能看到所有石窟信息全部准确科学地保存在电脑中，让石窟在数字世界得到永生，这就成了一个庞大而复杂的系统工程。其后还要使用这些数据，为真实的石窟保护、研究、管理和弘扬提供支持，推动相关工作的快速发展。”
 

　　自2005年起，云冈石窟研究院数字化室采用地面三维激光扫描技术成功完成对云冈石窟东西长近1公里、高20多米的外立面进行测绘。近年来，为保证测量精度，云冈石窟研究院在景区内建设了具有浓郁云冈风格的国家测量标志点——“云冈原点”。更融合利用无人机、地面三维激光扫描和手持三维激光扫描技术先后完成了云冈大景区，云冈石窟第1～4窟，第9～13窟，第18窟，第38、39窟的数据采集工作，并建立了可调整视角、可量测、毫米级精度的洞窟数字档案。根据点云数据制作了大量的正射影像图、剖面图、等值线图等一系列数字档案。

 

　　同时，他们将采集的数据与石窟保护相结合，利用虚拟现实技术模拟保护工程的各个步骤，对比收集洞窟修复前以及修复之后的相当一段时间内的图像信息，用于评估保护措施以及方法的有效性和时效性。同时还可以模拟自然灾害对石窟的影响，如模拟地震应力对石窟的损坏等。

　　近几年，在做好云冈石窟数字化工作的同时，该院数字化室还实现了走出云冈、走出山西，承接了多项文物数字化项目。2016年完成绍兴舜王庙数字化工程（国家级文物保护单位）；2017年完成北京明十三陵长陵数字化工程和北京银山塔林数字化工程（世界文化遗产）。2018年完成太原龙山石窟、晋中常家庄园砖雕、榆次老城城隍庙、河南嵩山少林寺倾斜摄影、西安碑林博物馆数字化工程、以及正在实施北京故宫奉先殿数字化项目等。

 

　　在完成云冈石窟第3窟原比例复制的基础上，今年他们又按照云冈石窟研究院领导要求，大胆尝试了可移动式、积木式组装的3D打印复制窟，取得了初步成功。相信不久的将来，云冈的代表洞窟就会飘洋过海，开始海外巡展，展示巍巍石窟，彰显中国文化自信。

 

　　文物保护，科研先行。该院数字化室在开展文物保护工程的同时，积极投身科研工作，解决工作中出现的技术难题。

　　2016年云冈石窟研究院与浙江大学、武汉大学、北京建筑大学、大同市测绘院共同成立了“数字云冈联合实验室”，为开展数字化科研工作奠定基石。数字化室陆续承担了省级课题《云冈石窟数字化工程示范》与《石质文物风化速度定量测定》，以及市级课题《基于三维激光扫描技术的云冈第12窟数字化获取及展示系统》等科研攻关项目。同时，积极开展山西省文物标准化委员会课题《石窟寺与雕塑类文物三维数字化留存标准》与《基于三维激光扫描技术的石窟寺与雕塑类文物三维数字化留存规程》、《基于多图像的高浮雕石窟寺与雕塑类文物三维数字化规程》标准和规范的制定和编写。承担的《大型复杂文物信息留取与虚拟修复关键技术研究与应用》项目获得2016年度中国测绘科技进步一等奖；《大同云冈石窟博物馆虚拟展示系统》项目，获得2016年北京市优秀测绘地理信息工程三等奖；2016年《一种可反复拆装的上人脚手架》获得国家实用新型专利授权。

 

　　特别是开展的山西省文物保护科研课题《石质文物风化速度定量测定研究（以云冈石窟第9、10窟为例）》，采用三维激光扫描技术对石窟表面风化速度进行定量监测，是一种全新的尝试，研究数据可靠、研究成果可信、研究方法正确，开创了一种新的石窟风化速度的测量方法，在国内外相同领域研究中领先一步，达到了国内外石质文物保存状态监测研究的最高水平。同时，他们配合云冈石窟五华洞保护性窟檐建设工程，完整监测了窟檐修建前三年和修建后一年的风化速度。监测结果表明，风化速度对比降低了70%，有力证实了窟檐对石窟本体所起的保护功效。2017年，该方法已获得国家发明专利授权，并成为山西省文博系统首个发明专利。目前该方法除应用在云冈石窟，还被数字化室应用于洛阳龙门石窟、重庆大足石窟和太原龙山石窟的风化监测中。

　　宁波表示，在各级领导的关怀和支持下，数字化室将继续努力，扎实工作，对标一流，争创一流，用数字科技守护千年石窟。