石窟寺文物的数字化保护与利用

石窟寺文物的数字化保护与利用 Digital protection and utilization of Grotto cultural relics 1 first-author 李敏，1990年，女，博士，研究方向为计算机视觉、文物数字化。E-mail：liminlim@126.com 李敏，1990年，女，博士，研究方向为计算机视觉、文物数字化。E-mail：liminlim@126.com liminlim@126.com 1 corresp 刁常宇，1978年，男，副教授，研究方向为文物数字化、计算机视觉、人工智能。E-mail：dcy@zju.edu.cn 刁常宇，1978年，男，副教授，研究方向为文物数字化、计算机视觉、人工智能。E-mail：dcy@zju.edu.cn dcy@zju.edu.cn 2 2 1 浙江大学 艺术与考古学院, 杭州 310028 浙江大学 艺术与考古学院, 杭州 310028 Cultural Heritage Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China Cultural Heritage Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China 浙江大学 计算机科学与技术学院, 杭州 310027 浙江大学 计算机科学与技术学院, 杭州 310027 College of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China College of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China 随着信息技术的飞速发展，石窟寺文物的数字化保护与利用引起了国内外的广泛关注。文章从石窟寺文物数字化采集、保护和利用等方面进行系统梳理，重点分析石窟寺文物数字化保护中三维信息获取、三维重建评价以及三维打印等相关前沿信息技术的应用现状。并针对石窟寺文物数字化保护和利用工程实践中的难点，给出采用激光脉冲三维采集细部结合多视图重建采集整体形状的三维重建结合三维打印的解决方案。同时，针对摄影测量计算过程中可能出现的整体形状偏差，采用脉冲式激光三维扫描仪在石窟中进行整体扫描来建立石窟三维形状的框架，以对多视图重建计算中的空间解算误差进行约束。其中，提出了基于关键参数一致化的分布式集中约束调整方法，在保障精确度的同时得到更好的计算效率。然后通过云冈石窟和龙门石窟字化保护和利用的经典案例，具体分析工程实践中的难点，并探讨以上解决方案的可行性。综合考虑成本与效果等多种因素，该方案是当前技术条件下性价比相对较高，同时可以兼顾色彩与质感原真再现的解决思路。最后对未来趋势进行展望并给出相关技术和应用建议。 With the rapid development of digital technology, the digital protection and utilization of grotto cultural relics have attracted worldwide attention. We introduce the digitalization of grotto cultural relics from three perspectives, namely, the collection, protection, and utilization of grotto cultural relics. Moreover, it laid special stress on analyzing the applying status of the cutting-edge technology related to the digital protection of these cultural relics. In analyzing the cutting-edge research, we found that digital protection research on grotto temple cultural relics has been formed, which is developing rapidly with the dropping cost of technology. The rapid update of cultural relics digitization technology and endless applications extended the scope of cultural relics digitization technology from the initial digital recording to various applications. Thus, listing all the types of technologies involved in cultural relics digitization is impossible. This study discusses the digital protection and utilization of the cultural relics of the cave temple in recent years, mainly involving the visual information category. Moreover, other technical scopes will not be introduced. The protection and utilization of digitization include protection related to digital recording and the utilization of digitized information. The technologies used by them are different but not completely unrelated. This study classifies and summarizes from the technology perspective. The Longmen Grottoes art mainly includes cave niche architecture, stone sculptures, and stele inscriptions. Cave niche architecture refers to the shape of cave niches, eaves, lintels, wood-like buildings on the walls, stone relief towers, and so on. Therefore, the technology used must also be covered extensively. Next, this study mainly introduces 3D information acquisition technology and 3D printing. However, current research topics remain relatively scattered, hence a complete system has not yet been formed. Domestic research also has problems, such as convergence of research perspectives and lack of international exchanges. Finally, through the introduction and analysis of the classic cases of Yungang Grottoes and Longmen Grottoes, the paper explores the future trends and provides relevant technology and application suggestions. The success of the two cases also shows that the digital work of the cave temple is the result of the cross integration of multiple technologies and multiple, and that over emphasis on a certain technology often fails to solve practical problems. How to deeply mine the effective information of the collected data, and flexibly use VR, AR, and artificial intelligence, and other related technologies to use and inherit the cave temple culture is a hot research trend in the future. 遥感 数字化 文化遗产 石窟寺与古建筑考古 三维建模 三维打印 颜色科学 remote sensing digitization cultural relics grotto temple and ancient architecture archeology three dimensional modeling three dimensional printing color science 1　引言 1 人类历史上曾建成大量巧夺天工的石质文物遗迹，既包括埃及金字塔、希腊神庙、吴哥窟这样雄伟的组群建筑，也包括阿富汗巴米扬大佛和中国云冈石窟这样壮美的大型石窟寺群。众所周知石头具有相当稳定的特性，可以长时间的保存，但石窟寺文物由于风化、腐蚀等自然现象的影响，其老化速度越来越快，石窟寺文物的保护研究已受到广泛关注。 从古至今，各个时代的人们都在利用当时最先进的技术对文化信息进行保护与传播，例如古代时会使用拓片、临摹等方式对文物的信息进行记录。进入工业革命以来，相机的出现极大丰富了文物信息记录的手段，信息记录的方式不断革新，文物保护的方式也从本体保护向数字化保护逐渐演变。1972年联合国教科文组织首次颁布《保护世界文化和自然遗产公约》，自此以后世界各国积极开展进行文化遗产的保护工作，欧美发达国家率先进入了数字化保护时代。随着三维扫描和数字图像处理技术的发展，以及各类数码设备的日趋普及，数字化手段逐渐成为文化遗产保护工作中不可或缺的工作环节。而石窟寺由于规模宏大、年代久远等特点，其数字化保护工作，面临着全新的技术挑战。并由此衍生出文物领域的特殊需求，需要研究人员对相关技术进行优化与升级，同时也带来了对行业标准规范的迫切需求。 作为文化遗产的重要组成部分，石窟寺文物数字化保护的探索一直受到国内外专家学者以及政府的高度重视。2014年，谷歌街景将吴哥窟呈现在全球网民的屏幕前。公众只需点击鼠标，即可游览这座位于柬埔寨北部、始建于12世纪的高棉古典建筑艺术巅峰之作。该工程汇集了超过100万张摄影图片，为吴哥窟上百座庙宇打造了9万个360度全方位景观视图（来源： https：//tech.huanqiu.com/article/9CaKrnJEMIZ https://tech.huanqiu.com/article/9CaKrnJEMIZ ［2021-04-29］）。中国同样于20世纪90年代开始进行石窟寺文物复制保护的数字化探索。自1997年开始，浙江大学网络与媒体实验室就敦煌壁画的数字保护技术进行研究，开发了敦煌壁画数字化采集系统。敦煌石窟的数字复制窟是将数十亿甚至是数百亿像素的壁画图像精细呈现于壁面之上，在复制窟内参观游客的视网膜包围在海量而又精准的信息中，游客自然会体验到仿佛身临其境的沉浸感。这样的沉浸感，就算是当前最顶级的VR显示技术仍然难以实现。 近年来，随着信息技术的飞速发展，国内石窟寺文物的数字化保护与利用也有了进一步的突破，三维打印（TDP）、大数据、增强现实（Augmented Reality）和虚拟现实（Virtual Reality）等新兴技术也在文物数字化信息的基础上得到越来越充分的应用。2016-05，“数字敦煌”资源库上线，这是敦煌研究院首次通过互联网向全球发布敦煌石窟30个经典洞窟的高清数字化内容及全景漫游（新闻来源：《“在保护修复中绽放光彩敦煌向世界讲述千年故事”》）。2018-12起，龙门石窟研究院与浙江大学开始合作，融三维数字化技术、颜色检测分析技术、雕塑艺术等为一体，将海外回归高树龛佛首与洞窟遗存通过数字化手段实现“身首合一、复位合璧”。2016年，浙江大学以云冈第十二窟为例，结合三维重建、三维打印和颜色科学等技术，实现了洞窟的1∶1等比例打印复制，也因此云冈成功迈出“行走世界”第一步。 在对国内外相关进展调查整理的基础上，本文将对适用于石窟寺文物数字化的相关技术进行综述，并以云冈石窟和龙门石窟为例分析石窟寺文物数字化的当前进展及前沿趋势，为相关研究人员提供参考。 2　石窟寺文物数字化相关技术现状 1 在文物数字化技术快速更新、应用层出不穷的当下，文物数字化技术的范围已经从最初的数字化采集记录延伸到各类应用，因此无法将文物数字化涉及的技术类型一一列出。本文将探讨近年来石窟寺文物的数字化保护和利用，主要涉及可视化信息范畴的讨论。石窟寺文物数字化保护和利用包括对文物进行记录存档等数字化保护和对文物数字化信息的传播利用，本文将从技术的角度进行分类综述。 2.1　三维信息获取技术 2 石窟寺文物的数字化保护和利用，涉及多种技术手段，尤其与三维信息获取技术密切相关。所谓三维信息获取技术，又称为三维信息数字化（或扫描）技术，其关键在于如何通过已有信息快速准确地得到物体的三维信息，对此研究人员经过长期研究，基于不同的数学原理提出了大量的方法。采用何种原理获取三维信息，与装置的构造、性能、成本、适用范围等密切相关，不同原理催生了不同的采集方式，适用于不同的场景，目前几乎不存在适用于所有文物数字化场景的通用三维扫描装置。 接下来将重点介绍石窟寺文物数字化中使用的三维信息获取技术手段以及各自适应的场景或局限性等。 2.1.1　接触式测量 3 接触式测量通过探针逐点接触物体表面，精确判断被接触点的空间坐标。探针在伺服装置的驱动下移动，分别测量其在3个方向上的位移，从而得到每个点的三维坐标。 此类尽管方法原理简单，测量精度高，但装置复杂且测量速度慢；在扫描形状复杂的物体时，探针移动的路径会异常复杂，使用非常不便；同时也无法得到物体表面的彩色信息。显而易见，探针有可能对于文物表面产生损坏，因此接触式测量设备虽然是制造业中常用的三维测量设备，但考虑到文物的珍贵性，并不适用于文物数字化领域。 2.1.2　飞行时间测距法 3 飞行时间测距法（Wiley和McLaren，1995）属于非接触式测量，依靠的是光波（或超声波等其他的波）在空气中的直线传播速度及对传播时间的精确测定，距离等于传播速度乘以传播时间。 这类方法并不依赖于图像，也不受遮挡影响，要得到精确的测量结果，光波的传播速度和时间都需精确测定，因此需由精密的测量仪器构成。但这类扫描速度慢，且光波会因物体表面呈现的反射、投射或吸收等特性而失效，同时基于该技术的装置较难直接获得物体表面颜色信息。 2.1.3　三角测距法 3 三角测距法的基本原理是模拟人类的双眼，即同一个空间点在双眼中的成像角度不同会有偏差，根据这个相差和基线（类似于双眼间的距离），利用数学公式计算空间点的位置。 基于三角测距原理的方法有的在现阶段只停留在实验室理论阶段，难于实用化，也有的已经在实际生活中广泛应用，如早期的结构光法（ Salvi等，2004 Salvi等，2004 ）、编码光法（ Posdamer和Altschuler，1982 Posdamer和Altschuler，1982 ）以及近些年大规模流行的多视图三维重建方法。 （1）结构光和编码光。结构光三维扫描同时利用了图像和有形状的光源，是典型的主动法。其基本思想是将带有形状光打到物体表面，增加物体表面的特征，基于三角测距原理得到物体表面的几何信息，扫描设备的标定是获取精确结果的关键。著名的“数字化米开朗基罗”项目中应用的就是结构光三维扫描技术。编码光法原理与结构光法近似，可以看作是改进的结构光方法，计算精度高，但会由于反光、照明等原因导致部分区域的编码信息缺失。 结构光和编码光法的突出优点是计算相对简单、速度快，同时测量结果精度高，但此方法通常只适用于室内且物体表面近乎理想漫反射的状况。这类技术目前已在许多三维重建项目中得到应用，成为应用最广泛的技术之一。这类设备的主要缺点是容易受遮挡和物体表面反射属性的影响。 目前市面上存在各类不同厂家不同性能的结构光扫描设备，可作为台式可作为手持，还有一些扫描仪通过镜头更换便可实现精准范围的三维扫描。高精度的结构光扫描仪（精度达到±1 μm）可对精细石雕等进行微痕分析，而手持式三维结构光扫描仪由于在操作上更灵活而适用于摩崖石刻等条件不佳的工作环境。 （2）摄影测量法。通过将相机摆放在不同位置对同一目标拍摄若干幅图像（不少于两幅），根据三角测量原理，同一个空间点在不同图像上的成像会有偏差，它们之间存在着匹配关系，最后通过视差求出物体的三维信息（ Marr和Poggio，1976 Marr和Poggio，1976 ； Okutomi和Kanade，1993 Okutomi和Kanade，1993 ； Kaiser等，2008 Kaiser等，2008 ； Seitz等，2006 Seitz等，2006 ），这是摄影测量的基本原理。其中近景立体摄影测量技术曾被文物数字化领域广泛应用并大量的使用在石窟寺文物数字化中，但近年来已不多见。尽管这类设备只需采集两张照片即可完成彩色三维重建，在使用上非常便利，但由于其中需要大量的人工干预，且对场景的要求比较高，因此该类设备逐渐被其他方法所替代。 近年来，多视图三维重建MVS（Multi-view Stereo）成为摄影测量技术中的研究重点。在小规模数据集上，现有的重建方法已取得较好的效果。石窟寺建筑由于其庞大的体量，会带来大规模的图像输入。因此，将重点论述面向大规模场景的多视图三维重建的最新进展。 对于这类重建，首先要使用运动恢复结构法SfM（Structure-from-Motion）（ Tomasi和Kanade，1992 Tomasi和Kanade，1992 ）进行相机姿态估计，即从输入的多视角图像恢复出相机的位姿以及场景的稀疏三维点云，这是后续计算几何形状和纹理的基础。SfM方法是通过图像间的特征匹配信息估算出相机的相对姿态，在初始输入时不需要任何相机信息。在得到二维图像信息、相机姿态和相机内参后，通过三角化原理即可得到稀疏三维点，最后，将所有的相机参数和求得的稀疏三维点使用集束调整BA（Bundle Adjustment）（ Triggs等，2000 Triggs等，2000 ）进行点云融合。如若要得到更稠密的场景，在已经获得的相机姿态和二维图像等信息的基础上，利用多视图三立体三维重建方法，即通过多视角图像得到稠密三维点云。 针对石窟寺文物数字化这个具体问题，本文将关注点放在面向大规模场景的多视图三维重建方法。从早期的理论验证到如今的大规模实践应用，多视图立体三维重建方法既可以直接对三维空间进行参数化，也可以现对二维图像空间参数化，然后再求解对应深度和法向信息，以此为依据估算出场景的三维空间。当输入规模越来越大以后，目前的单机配置远不能满足MVS计算时所需的资源，已有案例表明（见本文第3节）合适的划分方法可以有效解决石窟寺文物数字化中的大规模输入问题，使得巨型建筑的整体三维重建成为可能。 2.1.4　其他相关技术 3 在同一视角下，利用不同光照条件得到至少三幅图像的明暗信息从而求解物体表面法向进行三维重建的方法，这种方法被称为光度立体（ Woodham，1979 Woodham，1979 ），得到法向后，可以通过对物体表面深度的梯度场进行积分从而最终得到物体的三维信息。这类方法可以精确计算出物体表面每个点的法向以及深度信息，从而得到逐像素的稠密三维模型，因此具有高精度三维重建的潜力，且可以将对象扩展到非朗伯反射体（例如瓷器和金属），同时可以恢复出物体表面的材质属性从而达到文物高真实感渲染的目的，在特定的需求下发挥着不可替代的作用。 光度立体方法本身并不能很好的重建精确的三维模型，但与基于特征的方法融合后可以求出几何形状准确且细节丰富的三维模型，是非常有潜力的研究方向。最新进展利用各向同性的反射属性设计了不同规格的高精度三维扫描设备（ Li等，2020 Li等，2020 ），这类设备具有一个不可比拟的优势，即可以直接恢复成物体表面的反射属性，实现高真实感渲染，这在文物领域具有巨大的应用潜力（ Li等，2020 Li等，2020 ）。反射率变换成像RT（Reflectance Transformation Imaging）技术（ Mytum和Peterson，2018 Mytum和Peterson，2018 ； Schroer和Mudge，2017 Schroer和Mudge，2017 ）可视为光度立体三维重建方法中的一种简化实现，该方法已经在碑刻文物上取得了较为成功的应用，有效地提升了文物表面细节的区分度与表现力。 在三维重建领域，先后还提出了单目视觉法（包括从阴影恢复形状（ Horn，1989 Horn，1989 ）和从纹理恢复形状（ Aloimonos，1988 Aloimonos，1988 ）和从轮廓恢复形状法（ Martin和Aggarwal，1983 Martin和Aggarwal，1983 ）等，但这类方法目前仍主要停留在实验室论证层面，无法在文物数字化方向展开应用。 2.2　三维重建技术评价 2 尽管研究者开发了多种三维信息获取技术，并有一些实用化产品面世，在许多领域得到了成功应用，但还没有一种在各方面都令人满意的，适用范围广的通用技术，只能根据具体的应用要求来确定采用何种技术。在本节将讨论适用于文物领域尤其是石窟寺文物数字化需求的各项评价指标及选择。 2.2.1　三维信息获取技术评价指标 3 对用于三维数字化装置的三维信息获取技术的评价，一般从三维信息获取能力，精度，成本，色彩信息获取能力，能否实现非接触测量等方面考虑。 （1）三维信息获取能力。这是对三维信息获取技术评价中的一个基本要素。这种能力可以从局部和全局两个层面判定，局部上得到物体每一个采样点的三维坐标，得到精细细节，从整体上可以得到物体完整的轮廓信息。实际上对于绝大多数应用二者缺一不可。目前的三维信息获取方法中，有的并不能获得采样点的三维坐标，只能得到一些如表面法向等信息，即所谓的2.5维信息，有的技术只能得到相对深度，需要在经过其它计算得到物体的三维信息。不同方法对深度的有效测量范围也会有所不同，通常情况下，量程与精度之间是对立的。 （2）精度。绝对误差和相对误差是衡量精度的两个重要指标。前者较为直观，后者是指测量绝对误差与测量值的比。可以看出，只有在相同的度量单位下绝对误差的比较才有意义。因此，在没有参考值的情况下通常会采用相对误差作为精度的评价指标。 （3）速度。速度是衡量三维信息获取技术性能优劣的重要指标，对于文物领域的场景记录具有重要意义。 （4）算法的复杂性。复杂的算法意味着计算复杂、可能具备不存在唯一解、速度慢、鲁棒性低等特性，意味着需要更高性能的计算资源和更高的成本，这需要计算机从业者思考算法的优化和提升。 （5）获取复杂形体三维信息的能力。所有基于三角测量原理的方法，由于必须保持一定的测量基线，都可能会因为遮挡而失败，实际物体的几何外形可能非常复杂，这些方法在存在遮挡的区域会失效。获取复杂形体三维信息的能力是衡量三维信息获取技术优劣的重要指标。 （6）是否受物体表面反射特性的影响。物体表面的反射属性与三维信息的获取息息相关。对于基于图像的三维重建算法，首先假设物体表面是理想漫反射，但实际生活中物体表面可能会存在高光、投射等不同的光学现象，在此种情况下，算法可能会求解失败。而像飞行时间测距法、结构光法、编码法等需要控制光源的方法，物体表面的反射属性同样影响信号的强弱，从而导致结果出现错误。因此，每种三维信息获取技术对物体表面反射特性的敏感程度对其适用范围和实用性有重要影响。 （7）成本。同任何应用技术一样，三维信息获取装置的实现成本对于技术的实用化、商品化非常重要。 （8）色彩信息获取能力。我们生活在一个五颜六色的世界，人眼对色彩非常敏感，色彩是视觉体验的一个重要部分，它包含了极为丰富的信息。在获取物体三维空间信息的同时，获取物体的色彩信息有重要的意义。不同的获取技术具有不同的色彩获取能力，但大部分情况下都需要采取辅助手段或使用专门的计算方法，如加装彩色传感器或纹理贴图等。对文物数字化而，想要“原汁原味”地复制文物，形状和色彩信息缺一不可。 此外，还应考虑是否接触物体表面、技术的安全性、装置的易用性、可靠性以及装置是否便携等指标。 2.2.2　主要三维信息获取技术的评价和比较 3 目前的三维信息获取技术都只适用于特定对象或场景，仍然具有一定的局限性，因此单一方法无法满足上述所有标准。 飞行时间测距法使用的是无接触测量方式，基于激光脉冲飞行时间法的三维扫描仪适合进行远距离扫描，如石窟寺或大佛的整体形状获取等，且几乎可以扫描任意形状的物体，测量精度较高，已经在实际应用多次被证实其有效性，但这类方法对于物体表面的反射特性较为敏感。 结构光法可以通过控制光源打出不同形状光从而增加物体表面的纹理特征，具有获得高精度的潜力，且操作不复杂，测量速度较快，成本较低。因为用到光，这类方法同样对物体表面的反射特性较为敏感。由于结构光法基于三角测距的原理，因此具有易受遮挡影响的通病。为提高精度，很多结构光设备采用激光产生形状光，但这类做法同样存在弊端，激光可能会对物体表面造成破坏，也会改变物体表面颜色信息，不利于采集物体表面颜色，在某些情况下可能会出现散斑现象而对结果产生负面影响。编码光法与结构光法原理类似，只是把原来的机械扫描使用电子扫描代替，扫描速度因此大幅提高，精度也有了明显提高，但使用定制光源会增加成本，系统的标定和扫描算法也更为复杂。结构光与编码光法已经具备多款成熟的商业产品，也是目前文物领域三维信息获取的主流技术之一。 石窟寺、造像等大型文物由于体量巨大，从工程上实用性角度考量宜使用长距离三维扫描仪，这类扫描仪通常便是基于激光脉冲飞行测距原理，此时扫描仪距离被测文物距离较远，激光的射程较远刚好符合此时的应用需求，当然随着距离增加测量精度也会有所降低。对于石雕、碑刻等小型文物而言，由于距离较短，基于激光脉冲飞行时间测距的扫描仪在短时间内已难以正常工作，因此可以考虑改用短距离的三维扫描方法，主要包括线激光三维扫描、结构光三维扫描等。 摄影测量法可以直接求出物体或场景的完整三维模型，不需要附加光源，成本较低，操作简单，适用范围从小物体到大场景。但由于其基于三角测距原理，因此面对复杂形状时同样存在遮挡问题，由于在弱纹理或无纹理区域无法进行有效的特征点匹配，此时方法将失效。多视图三维重建技术同样具有上述优点，但因搜寻多张图像之间的特征匹配，正确率有效提升。因此，在各类扫描仪大行其道时，多视图三维重建技术越来越受到文物工作者的重视，得到越来越多的实际应用，已有从开源或免费的Bundler（ Snavely等，2006 Snavely等，2006 ）、VisualSFM（ http：//ccwu.me/vsfm/ http://ccwu.me/vsfm/ ［2021-04-29］）、COLMAP（ Schönberger等，2016 Schönberger等，2016 ）、到收费的PhotoScan、PhotoMesh、ContextCapture等各类软件。 光度立体大大促进了三维重建领域的发展，但是这个领域由于暗室操作等仍有很多值得研究的问题，离大规模商业应用还有一段距离。而单目视觉中的shape from shading，shape from texture等方法因为是病态问题所以必须加入约束条件，这意味着对输入图像的要求更高，要在特定场景下拍摄才可以，且不能保证一定存在最优解，因此极大地限制了它们的应用。目前，这方面仍然是以论证阶段为主。 表1 表1 为石窟寺文物数字化使用的主要设备和技术的价格。 名称 价格/万元 精度/mm 适用场景 Faro S350 70 1 大场景 Reigl VZ-400 90 1 大场景 Z+F 5010 90 1 大场景 Faro ARM 70 0.03 手持 Hexagon ARM 70 0.03 手持 Creaform Handyscan 700 45 0.03 手持 Artec LEO 18 0.1 手持 ContextCapture 90 1 摄影测量 Photoscan 18 1 摄影测量 Reality Capture 3 1 摄影测量 Visual SFM 开源 1 摄影测量 MeshRoom 开源 1 摄影测量 3D Flow Zephyr 开源 1 摄影测量 2.3　三维打印技术 2 自1981年三维打印技术（Hideo等，1981）首次被提出以来，已经有非常多种各具特色的三维打印技术和设备被发明出来，已经被较大规模民用的包括：熔融沉积成型FDM（Fused Deposition Modeling）、立体光刻SLA（Stereolithography）、选择性激光烧结SLS（Selective Laser Sintering）、固化油墨喷印（UV Curable Inkjet）等。不同的三维打印技术所适用的材料、打印速度、打印精度及工作成本各有不同，按石窟复制的需求可以将各自的适用性总结如下。 （1）熔融沉积成型：打印材料成本低，打印设备成本低，可进行大幅面打印，打印速度较快，打印精度较低； （2）立体光刻：打印材料成本较高，打印设备成本较高，大幅面打印设备较少，打印速度快，打印精度高； （3）选择性激光烧结：打印材料成本高，打印设备成本高，大幅面打印设备较少，打印速度较快，打印精度较高； （4）固化油墨喷印：打印材料成本高，打印设备成本高，大幅面打印设备较少，打印速度较慢，打印精度高，可打印真彩色结果。 在这几种方法中，显然固化油墨喷印的方法最有吸引力，因其有着优秀的打印精度，并且能够直接打印出包含丰富色彩的结果。但是人眼除了能感受到物体的色彩外，还能感受到物体的质感，所以同样颜色的一块布、一块木头或是一块石头能给人不一样的观感。当三维打印机生产完成一个彩色的雕塑后，只能有限改变其质感，要赋予其千年的沧桑感是极为困难的事，甚至比给一个单色的模型手工绘制表面纹理更难。反观其他几类方法，熔融沉积成型在速度、成本、幅面上都具有较好的吸引力，唯有精度低于其他方法。熔融沉积成型的三维打印方法使用热熔喷头将高分子材料熔化后逐层叠压来形成不同的形状，其主要精度取决于每一层的高度，通常不小于0.15 mm。当按0.15 mm的层高来进行三维打印时，其细节呈现能力基本上等效于150 ppi的三维模型，相当于石窟三维数字化采集的基本精度水平。熔融沉积成型的三维打印方法无法直接生产全彩色的模型，必须结合人工上色的方式来生产仿真的复制品。在上色的环节，通过营造质感细节和绘制细部纹理，可以制作出比三维打印结果更为细致的复制品。 3　工程实践中的方法与数据处理 1 3.1　石窟寺文物数字化的难点及解决方法 2 为有效解决实际问题，工程实施过程中需考虑诸多因素方能将各类技术完美结合，除第2节提到的方法技术的优劣、适用场景等因素外，还需要考虑实际应用中面临的安全性、视觉效果、制作成本以及装配成本（例如石窟复制）等因素。 近些年来三维扫描技术（基于时间飞行法、结构光或编码光法等）和摄影测量技术大行其道，已有诸多成熟产品和软件面世。经过充分地调研和实验后，目前比较先进的做法是选择激光脉冲三维采集细部结合多视图重建采集整体形状的方案进行石窟寺的数字化采集工作。同时，为防止摄影测量计算过程中出现整体形状偏差，采用脉冲式激光三维扫描仪在石窟中进行整体扫描来建立石窟三维形状的框架，来对多视图重建计算中的空间解算误差进行约束。 目前受制于硬件条件的限制，对于石窟寺这类大型建筑，若单纯使用激光脉冲三维扫描仪采集细节部无法保证整体形状的准确性，同时仅使用三维扫描仪进行重建时，需依赖手工贴图得到石窟寺表面色彩信息，其精度较差。近十余年来，摄影测量软件层出不穷，技术的自动化程度不断提高，对摄影测量设备的要求不断降低，在文化遗产领域也开始得到了越来越多的应用（ Nikolov和Madsen，2016 Nikolov和Madsen，2016 ； Vlachos等，2019 Vlachos等，2019 ）。引入摄影测量的方法，既可以得到整体的形状约束，提供更多细节，同时可实现自动纹理映射，大幅提高纹理的准确性。 3.2　石窟寺文物数字化的核心技术 2 随着各类电子设备软硬件的发展，即使不必使用过去近景摄影测量工作时专门的相机和镜头，选择专业的数码相机设备仍然是获得高质量文物数字化结果的必要条件。在照片采集的过程中，照片拍摄的数量与角度、数据有效性的检查等严格按照标准作业规程操作，特别是注重灯光的均匀性和一致性（ 图1 图1 ）。 对于绝大多数生活场景，目前的单机版摄影测量软件可以较好的完成任务，但石窟寺由于其庞大的体量为计算完整模型需要的摄影测量照片数量巨大，远远超过了目前商业分布式摄影测量计算软件的负载能力。这个问题的本质是如何高效且优质地解决摄影测量中的超大规模光束调整（Super-Large Scale Bundle Adjustment）问题，也就是如何在多台计算机上同时又快又准地计算求解出每张照片在拍摄时的位置、角度、焦距及石窟特征点的三维坐标。本文提出了基于关键参数一致化的DBA（Distributed Bundle Adjustment）方法，对块划分方式进行改进，优化计算效率，从而在保障精确度的同时得到更好的计算效率（ Liu等，2019 Liu等，2019 ），部分实验对比如 图2 图2 。在进行DBA计算时，将激光三维扫描结果中的特征数据进行匹配计算，则计算结果可实现与激光三维数据的自动优化配准。 1;2; 3.3　数据处理 2 不同的石窟寺在数据处理时会有不同的操作方式，但整体流程保持一致。分布式集束调整计算的结果再经过深度图（Depth Map）计算与融合后，就可以得到石窟的稠密三维点云结果。再经激光扫描数据融合、三角网格重建、网格模型优化、自动纹理映射等环节，就得到了拥有自适应空间采样分辨率的石窟彩色三维模型。 4　经典案例与分析 1 石窟寺是一种典型的不可移动文物，它是地面佛教寺院的石化形式，是集建筑、雕塑、绘画等多种形式于一体的佛教艺术载体。人类曾经在山崖之间艰苦卓绝创造的杰作，历经千年之后愈发拥有独特的魅力，这激发了文物工作者对石窟寺的保护和应用进行深入研究与探索实践。本节将介绍目前石窟寺文物数字化的最新成果进展—石窟寺的三维复制。 4.1　难点分析 2 要评价石窟复制方案的优劣，需要具体考虑多个方面的因素，主要应包括安全性、视觉效果、制作成本、运输成本、装配成本等。这些因素之间又存在相互制约的情况，需要综合所有条件选择整体上最优的方案。 4.1.1　安全性 3 石窟文物开凿建设在稳定的山体崖壁之上，因此，复制石窟，首要的就是考虑石窟复制品在建筑力学上的安全性，确保其能够牢固稳定地“屹立”在展览场馆中。由于石窟本来是在山体中开凿出来的，复制窟的受力结构必须采用新的设计，来支撑起复制窟的重量，确保观众的安全。当复制窟的高度达到8 m、10 m甚至更高时，就如同重新建造一座建筑，稳定安全的中空结构设计成为一个关键的技术问题。安全必须是石窟复制方案中的基本要求。 4.1.2　视觉效果 3 石窟复制的目标是为了满足参观展览的需求，复制洞窟，作为一件展品，视觉效果上应与石窟文物本体尽可能接近据实验验证，人的眼睛拥有至少5.76亿像素的分辨率。同时，人眼对色彩和明暗变化的感知能力也优于普通的摄影设备，可以观察到细微的形状变化与色彩差异。然而，用“视网膜”的标准来要求复制窟的细节，在当前的技术条件下是不现实的，必须进行合理的让步。对视觉效果的技术分析可以分解为3个方面：形状、质感和色彩。如何在复杂的石窟内采集均匀光照条件下的每处色彩细节、如何精确校正色彩数据、如何复现并评价复制窟表面的色彩，仍然面临着诸多的技术困难。 4.1.3　制作成本 3 制作成本的分析包括制作费用和制作时间两个方面。除了费用和时间两个因素之间的相互影响外，材料、加工方法、加工设备、加工精度的选择都会对制作成本带来改变。按文物保护的原则，翻模这种需要对文物本体进行物理接触的方法不在考虑之列，尽管这种方法在进行包含大量细节的快速复制方面具有明显的成本优势（事实上，在数字时代之前，许多的石窟寺都曾进行过局部翻模复制尝试）。当选用相同的加工精度时，多轴数控机床与熔融沉积成型FDM（Fused Deposition Modeling）三维打印机的加工速度相当，但是加工设备的成本却可能高很多。当考虑三维打印的技术路线时，三维打印机的加工幅面成为制约加工周期的重要因素。若不能并行开展大幅面的三维打印，加工周期可能是个天文数字。 4.1.4　运输与装配成本 3 出于安全性的考虑，复制窟应该越结实越好，而结实往往意味着更多的材料和更大的重量。但是，重量的增加意味着更多的运输成本和现场装配的成本，需要在保障安全的前提下尽量控制整体结构的尺寸和重量。为了实现更高效的运输，复制窟应支持模块化拆解和集装箱式存储，以便运用现代船舶、铁路和公路的标准化运输服务资源。 从装配成本的角度看，应尽量降低对装配过程精度控制的要求，以适应不同的装配环境。同时，应尽量减少高空作业的内容，从而降低装配费用、加快装配速度、并降低装配工作的风险。 4.2　解决思路——科技与艺术融合 2 针对石窟寺复制的多方面技术困难和前述的分析，把解决思路基本确定为“三维扫描+三维打印”这样的组合。若是简单考虑的话，得益于三维扫描的无接触工作方式，石窟文物的安全性可以得到保障；再借助三维打印的万能造型能力，就可以把计算机中的石窟三维模型变成一座实实在在的复制窟了。然而，当考虑到具体实施时的各个环节与各项技术指标时，发现仍有一些关键技术需要进行针对性的研发，甚至仍有一些技术环节仍无法单纯依靠自动化手段完成，必须结合人工处理来达到预期的目标。由上，采用第3节中的方法成功实现了云冈第十二窟和龙门古阳洞内佛龛等的三维复制，复制洞窟展览收获了巨大成功。 综合考虑成本与效果等多种因素，结合三维打印与人工上色的方法是当前技术条件下性价比最高，也是可以兼顾色彩与质感原真再现的解决思路。 4.3　云冈十二窟复制 2 4.3.1　云冈石窟概况 3 云冈石窟位于山西省大同市西郊武州山南麓，石窟依山开凿，东西绵延1 km。现存主要洞窟45个，大小造像51000余尊，为中国规模最大的古代石窟群之一。云冈石窟始建于北魏和平年间，距今已有1500年的历史。石窟规模宏大，雕饰奇伟，具有重大的历史、科学和艺术价值。 继数字技术在石窟壁画的高保真复制领域取得了显著成就后，石窟雕塑的数字化高保真复制成为了石窟寺展示领域共同期待的突破。2014年初，在已有工作的基础上（ 刁常宇和李志荣，2018 刁常宇和李志荣，2018 ），本项目组与云冈石窟合作，开始对云冈石窟十二窟进行高保真复制的探索。2020-06，云冈石窟12窟复制窟在浙江大学艺术与考古博物馆“魏风堂堂：云冈石窟的百年记忆和再现”展览中亮相，展览引起观众广泛好评，被人民网、新华社、光明日报和浙江新闻等多家媒体关注报导。这是世界上首个可移动大型高浮雕复制窟， 图3 图3 为云冈石窟第十二窟复制窟前厅。 4.3.2　云冈第12窟的高保真三维数字化采集与处理 3 经实地测量，12窟前室宽约9.28 m，深约4.67 m，高约7.15 m；主室宽约7.41 m，深约5.76 m，高约7.34 m。考虑到高处石窟细节的采集需求，项目搭建脚手架。为了避免脚手架遮挡的影响，首先将激光三维扫描仪架设在石窟内的地面上进行了激光三维扫描工作，然后逐层进行摄影测量照片的采集，如 图4 图4 所示。 云冈第12窟的激光三维扫描共选取了52个站点进行工作，耗时3 d，总计获得数据52.3 GB，建构了石窟三维模型的基本结构和整体约束。为进一步优化多次扫描数据之间的一致性，选用了索佳SET230PK全站仪对石窟内部进行了多处测绘采样，用来精细控制三维模型的整体偏差，如 图5 图5 所示。 根据云冈第12窟的整体布局与形状，照片采集工作共分了4层来完成，总计拍摄照片55680张，约合30624亿像素，数据总量约3100 GB。项目采用第3章中提到的解决方案得到了云冈十二窟的三维模型（ 图6 图6 和 图7 图7 ）。 4.3.3　云冈第12窟复制窟的三维打印与人工着色 3 通过三维打印和人工着色便可得到1∶1等比例复制窟。三维打印机的精度与幅面之间有着很强的联系，越大幅面的打印机越难保持较高的精度。经过实验摸索，项目组共制造了21台同等规格的三维打印机，其中1台用于测试打印和软硬件升级调试，另外20台用于7×24小时不间断地生产复制窟模块构件。 由于体量巨大，三维构件被分割为10个单元，10个单元内部又按运输和拼装的可操作性进一步分割，共计分为110个模块（ 图8 图8 为前室前壁单元分割情况）。每个模块的尺寸约为2 m×2 m，其内部按三维打印机的幅面限制再进一步分割成若干小块，每个小块分配到不同的三维打印机上进行同步打印制作，最终经过13个月得到全部造型模块。 拼合完成的模块背面喷涂一层加强涂层，用以增加其强度和韧性，避免在运输、拼装的过程中损坏。再在其正面喷涂一层专门调制的云冈砂岩质感涂层，将高分子材料质感的模块修饰成为岩石质感（ 图9 图9 ）。 经过拼合、喷涂处理后的110个模块，需要按云冈第12窟的原貌组合成事先设计好的10个单元，并完成单元之间的对位与拼合。为了减少高空作业和装配难度，云冈第12窟复制窟的支撑结构被设计成了电动升降的系统。所有的支撑结构均采用铝合金材料制造，总重约2 t（ 图10 图10 ）。 复制窟的各个单元由人工使用国画颜料进行绘制上色，以追求原窟厚重富丽、纯净耐久的效果。绘制现场使用特定色温的照明系统，以追求最终上色结果与石窟原色保持一致。在上色过程中，严格还原了石窟雕塑表面的现状纹理、老化痕迹及人为刻画留下的痕迹。同时，由于拥有了手工绘制的自由度，绘制过程中在考古学理念的指导下进行了一定程度的色彩复原尝试。比如剔除了原洞窟因为煤灰沉积带来的黯黑色调，复制窟整体色调较现存实际洞窟明亮。复制窟的上色表面积总计约为920 m 2 ，由5位专业人员耗时8个月艰苦绘制完成。 图11 图11 为工作人员正在为复制窟进行上色。 云冈第12窟复制项目是一项涉及三维扫描、材料、机械、精密加工、三维打印、喷涂、拼装等一系列技术的复杂工程，要实现预期目标的难度远大于早期的简单设想。在若干关键技术环节遇到当前条件下难以克服的困难时，本项目组最终采用了科技与艺术融合的综合性解决方案，制作出了世界首个可移动大型高浮雕复制窟。 4.4　龙门石窟数字化复制案例 2 位于“十三朝古都”洛阳城南，始凿于北魏孝文帝迁都洛阳之际（公元493年）的龙门石窟，是我国著名的石刻艺术宝库之一。同云岗石窟一样，龙门石窟同样具有高浮雕、精细浮雕等特点，同时龙门院藏拓本收藏鸿富。自十九世纪以来，龙门石窟佛教雕刻艺术瑰宝真容外泄而不加设防，再加上连年战争，如今大量原属龙门石窟的珍贵文物流散海外。 受云冈石窟十二窟成功在外展览的鼓舞，2018-12起，龙门石窟研究院与浙江大学开启合作之旅。在经过充分的分析和讨论后，本项目首选龙门石窟最早和最具代表性的古阳洞北壁始平公、魏灵藏、杨大眼等连续4大龛实施数字化工作，在云冈石窟数字化工作模式的基础上，沿用三扫描结合摄影测量的技术方案，探索适合古阳洞的小尺度雕凿精细龛像数字化田野采集方法和算法，获得了目前国内精度最高石窟寺数字记录成果，采集精度达到0.03 mm， 图12 图12 和 图13 图13 部分重建结果。从石窟寺考古角度看，这样的结果，是对既往考古记录的颠覆和革命。 同时实施的等比例三维打印，原真呈现了孝文帝迁洛之际龛像锦绣般精工细刻之美。2020-04广东省博物馆特展《魏唐佛光—龙门石窟精品文物展》上，“古阳洞佛龛”从天地之中飞越南岭，成为最吸引公众的高科技科研展品（ 图14 图14 ）。 2020年“5.18”国际博物馆日，龙门石窟研究院与浙江大学签署全面战略合作协议，进一步深化合作。开展龙门石窟流散文物虚拟复位研究项目，将海外回归高树龛佛首与洞窟遗存通过数字化手段实现“身首合一、复位合璧”（ 图15 图15 ）。高树龛的成功复位，对恢复龙门石窟世界文化遗产的原真性、完整性，振奋民族精神具有重要的意义。2020-09，奉先寺流散佛首与原龛的数字复位回归，是龙门石窟流散文物数字化回归最新成果。龙门石窟研究院院长史家珍表示：“数字化技术可以为文物修复、重建或鉴别来源、寻探原位提供更为精准、更为直接、更为方便的参考依据。此次奉先寺佛首的‘数字复位’，为其他流失流散文物‘回家’提供新的可能”（ 图16 图16 为佛首复位现场）。 5 结论 1 文章通过对石窟寺文物数字化采集、保护和利用等方面进行系统梳理，重点分析了石窟寺文物数字化保护涉及到的前沿信息技术的应用现状。可以看出目前石窟寺三维建模的有关技术目前已经具备大规模应用的能力，石窟寺文物数字化保护领域初步形成，云冈石窟和龙门石窟的案例充分证明了这一点。两个案例的成功也表明石窟寺文物数字化工作是通过多项技术多个学科交叉融合的结果，单独注重某一项技术往往不能解决实际问题。如何深度挖掘采集数据的有效信息，灵活运用VR、AR和人工智能等相关技术进行石窟寺文化利用与传承是未来的热点研究趋势。 参考文献（References） Aloimonos J . 1988 . 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