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武漢大學研究團隊10餘年攻關敦煌石窟數字化保護

時光流淌 接續守望(文化遺產賦彩生活)

作者:強鬱文

發佈時間:2021-08-23 10:14:21

來源:人民日報

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運用現代攝影測量與遙感技術,對敦煌莫高窟進行三維數字重建,從而實現“窟內文物窟外看”——敦煌研究院與武漢大學兩代研究人員10餘年來的接續攻關,讓文化遺產在數字化保護與傳承中綻放光彩,使越來越多人感受到敦煌石窟穿越時空的文化魅力。

一道斑駁的木門打開,滿牆壁畫映入眼簾,飛天畫像衣袂飄飄,服飾紋樣纖毫畢現;視角轉換,石窟內景象一覽無餘,恍惚間與歷史“打了個照面”。

這不是在敦煌,而是在武漢大學數字文化遺產研究中心的辦公室裏。研究中心成員、武大測繪遙感信息工程國家重點實驗室教授黃先鋒輕點鼠標,石窟的立體模型出現在電腦屏幕上。這項數字化技術“克隆”出的三維模型幾乎無一形變,並且應用於莫高窟數字展示中心球幕影院播放的高清影片,讓觀眾可以觀看石窟細節。

“窟內文物窟外看”的成果,凝結着敦煌研究院和武漢大學兩代科研工作者10多年的接續奮鬥。

歷經歲月侵蝕,文物保護時間緊迫

2006年,武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室教授朱宜萱作為測量顧問,為志蓮淨苑的數字化保護工程進行最後驗收。

志蓮淨苑是一個仿唐木構佛寺建築羣,以敦煌莫高窟第172窟壁畫為藍本建造而成。朱宜萱帶領團隊對它的每個構件進行了數字化處理,在計算機中再建了一座三維動態數字化志蓮淨苑,通過虛擬漫遊系統,可以展現建築物的原始樣貌。

當年,時任敦煌研究院院長樊錦詩受邀擔任志蓮淨苑建築顧問,兩位年近古稀的學者一見如故。上世紀60年代,朱宜萱曾作為國家測繪總局第一分局的隊員,赴敦煌進行航空攝影測量工作。

當時,敦煌的文物保護工作剛剛起步,許多洞窟連門都沒有。可朱宜萱卻在洞窟內駐足良久——她第一次近距離觀察到飛天壁畫,感到自己彷彿在與歷史對話:“那是無須語言的交流。”

然而,由於各種因素的影響,石窟內有兩成壁畫已經不同程度受損。第156窟的墨書《莫高窟記》,上世紀60年代尚依稀可見,如今已經看不到了。“樊院長多次對我説,敦煌和其他文化遺產一樣,不可再生,也不能永生,保護敦煌,時間緊迫。”朱宜萱回憶。

上世紀90年代,敦煌研究院開始推動數字敦煌工作,用測繪手段將敦煌石窟原貌複製下來,對石窟和相關文物進行全面數字化採集、加工和存儲,搭建的數字模型可為文物考古、歷史研究提供重要參考。

那時,數字化還是個新詞,因為膠片相機分辨率不高,缺乏精密儀器,也沒有成熟的技術,幾經嘗試,都被迫停止。而志蓮淨苑數字化保護工程取得的成果,讓敦煌研究院看到了希望。

三維數字重建,讓石窟藝術活起來

朱宜萱的丈夫李德仁是兩院院士、著名測繪專家。受樊錦詩之邀,2007年,朱宜萱和李德仁一起赴敦煌考察。看着曾經鮮豔的色彩、泥塑的紋理在時光中慢慢暗淡,他們痛心不已,“我們希望利用科技,使洞窟藝術超越時空,讓敦煌在數字中活起來。”朱宜萱説。

經過夫妻二人的反覆研究論證,設計方案逐漸清晰:運用現代攝影測量與遙感技術,對敦煌莫高窟進行三維數字重建,在計算機上建立一個立體敦煌,“當我們點擊電腦上的‘敦煌’時,能從任意視點觀察到現實中肉眼難以看到的細節。”李德仁説。

2008年,70多歲的朱宜萱帶隊,武漢大學10餘名研究人員來到敦煌。他們的主要任務是用激光設備對敦煌莫高窟進行三維掃描,再用數碼相機拍攝洞窟的照片,最後進行數據處理。“通俗地説就是先掃描出立體的骨架和形狀,再把色彩和紋理貼附上去,處理成高精度的彩色三維模型。”黃先鋒説。當年30歲出頭的他剛評上副教授,團隊多數成員是更年輕的博士生。

歷經歲月侵蝕,石窟裏的壁畫和佛像非常脆弱。“有些壁畫已斑駁不堪,稍有大意就可能造成破壞。”黃先鋒説,每次在洞中安放測繪儀器設備時,科研人員都倍加細心。因保護需要,許多石窟並未開放,風、光線及呼吸時產生的二氧化碳,都會對洞內文物造成破壞。每次進洞,必須嚴格控制時間,接電、架燈、拍攝都得抓緊。

然而,費盡周章採集到大量原始數據後,卻卡在最關鍵的一步。洞窟對色彩紋理還原度和精度的要求極高,“壁畫、佛像是曲面的,拍攝的照片容易發生形變。變形的圖片貼到立體的‘骨架’上去,總是對不準。”黃先鋒説,三維掃描和二維圖像始終很難“對話”,由於拍攝光照不同,色彩也會發生細微變化,“同一件文物,左邊拍了一張,右邊拍了一張,中間連接處的顏色也不同。”

提升保護水平,傳承數字文化遺產

經過這次考察,團隊發現要實現數字化1∶1複製,建模校準的複雜度成倍提升,傳統測繪的技術手段無法滿足。怎樣才能突破這個瓶頸?

為此,黃先鋒帶着博士生張帆、張志超再赴敦煌,一待就是一個暑假。經過研究,團隊確立了兩套技術方案,一套是在國外已有建模軟件的基礎上做修改,另一套方案是自己從頭開發。“國外的軟件限制很多,功能設置和框架無法突破已有的邊界,但文物數字化的精度要求又極高,所以我們乾脆自己開發,做自主可控的建模軟件。”黃先鋒説。

自主研發的進程一度很慢,誰也不知道最終能否做出成果。可幾個人心裏都憋着一股勁兒:“一定要攻關成功。”

頂着壓力,張帆寫代碼,黃先鋒做調試,有時3人輪換着幹,經常連續編程20多個小時。兩個多月後,一款能夠解決複雜文物模型高質量紋理映射的軟件工具誕生,關鍵環節終於打通。

掃清了技術障礙,李德仁又提出了“空地融合、室內外一體化”數據採集的方案,“不只是莫高窟,敦煌的數據都應採集記錄,這樣才能為文物保護提供更全面的參考。”

一年後,黃先鋒等幾名師生第三次來到敦煌,又駐紮了兩個多月。他們借來運輸機,載着激光掃描儀進行了大範圍航測,同時利用地面激光、近景攝影測量儀器,對洞窟崖壁、古建築等進行了全方位測量,莫高窟的空中、中距、近距和微距數據全部獲得。

“過去沒有全貌3D數據,我們不知道洞窟之間的距離。現在連牆壁的厚度都可以知曉,為洞窟應該如何進行加固保護提供了數據支撐。”張帆介紹,2016年,他們再次採集敦煌全貌3D數據,比對10年前記錄的數據,莫高窟的保護水平進一步提升。

這幾年,作為武漢大學數字文化遺產研究中心主力成員,張帆又陸續參與了靖江王陵、雲岡石窟等多個文化遺產數字化保護項目。

隨着時代發展,敦煌保護不斷出現新的挑戰。“我們的學生研究了壁畫虛擬修復、文物病害標註和識別系統等,保護敦煌的接力棒,我們將一代代傳下去。”張帆説。

張帆介紹,在世界範圍內,利用數字技術保護文化遺產仍然是一個具有挑戰性的課題,“實現更高效經濟、更自動精確,從完成數字化存檔到傳承和弘揚數字文化遺產,我們未來要努力的地方還有很多。”


責任編輯:車孟瑩

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