云冈石窟数字化历程

李丽红

摘 要：作为世界文化遗产的云冈石窟，经过上千年的时间，不同程度存在人为破坏、自然风化等现象，对文物的本体安全、艺术价值造成了一定的影响。为延续石窟艺术价值，云冈研究院研究团队经过十几年的探索，研究出了一条数字化保护之路。文中分析了不同阶段研究内容和研究成果，包括数字档案、展示应用、管理研究等方面，体现了数字化在文物领域上的科学记录、融合翻译、智慧发展的作用，不仅为本体文物的保护修复提供科学的数据基础，还为文物考古、研究、产学研智慧发展提供了技术支撑。

关键词：云冈石窟;数字化;研究;文物保护

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.07.006

云冈石窟原名武州（周）山石窟寺，距大同市城西约16千米，距今已有1500多年的历史，与敦煌莫高窟、龙门石窟、麦积山石窟并称为中国四大石窟，2001年被联合国教科文组织列为“世界文化遗产”名录。云冈石窟可以说是石窟艺术“中国化”的开始，代表了公元5世纪至公元6世纪时中国杰出的佛教石窟艺术。其中的昙曜五窟，布局设计严谨统一，是中国佛教艺术第一个巅峰时期的经典杰作。

云冈石窟现存有窟龛254个，造像59000余尊，经过1500多年的洗礼，石窟现存在的突出问题主要表现在以下几点，即渗水、风化、裂隙、危岩体、污染物等，致使部分文化遗产失去了原有的价值甚至产生毁灭性的破坏。2020年5月11日，习近平总书记来到大同云冈石窟考察历史文化遗产保护工作时强调，云冈石窟体现了中华文化的特色和中外文化交流的历史，这是人类文明的瑰宝，要坚持保护第一，在保护的基础上研究利用好。同时习近平总书记曾反复强调要让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地上的遗产、书写在古籍里的文字都“活起来”。面对这流传千年的美好，该如何更好地进行保护和开发？对此，云冈石窟给出了它的数字化答卷。

数字化是一种技术手段，服务于大众，也服务于保护工作、考古发掘、研究人员，这是云冈的特色所在。文物数字化是实现文物永久保存最直接、最有效的手段，利用数字化手段不仅可以保存文物信息进而实现永续研究利用，同时还可以进一步为文物保护、考古研究、虚拟修复、原貌再现、展示利用等方面提供强有力的技術支撑。

1 云冈石窟数字化探索与研究方法

云冈石窟的数字化工作具有急迫性。因为石窟暴露在户外，风吹雨淋，不保护很快就会被自然破坏。这也决定了云冈石窟的数字化保护是第一要务。我们时刻牢记习总书记的指示，以保护文物为第一要务。图1展示了第33窟胁侍菩萨及弟子像不同年代的照片，从图中可以看出短短几十年时间，原来很清晰的造像细节纹理已经模糊。这种珍贵文物的消逝令我们感到十分惋惜，云冈的佛像无时无刻不在被风化剥蚀，把云冈的佛像全部用数字化手段将其留住，再用数字化手段将它的美保护起来，这是云冈石窟数字化的初衷。云冈石窟数字化是采用现代化测绘手段对现有洞窟现状进行原始数据采集处理，达到对数据的永久保存，然后将数据与石窟保护技术相结合，达到为石窟寺文物模拟复原修复和指导实体文物修复的目的，最后结合3D打印技术、AR、VR、物联网等技术实现其价值的永续利用。

2003年，云冈研究院走上了数字化的探索之路。不同于今日文物数字化的如火如荼，当时院内研究人员对窟内文物进行数字化时，国内“石窟界”数字化工作大多还没开启。云冈石窟的数字化历程主要包括以下几个阶段的发展。

第一阶段，云冈研究院先是与武汉大学、浙江大学、北京建筑大学等国内多家知名科研院校合作，开始尝试在数据采集上应用三维激光扫描技术和数字近景摄影测量技术。三维激光扫描技术是利用三维激光扫描仪获取目标物表面点的空间坐标，然后根据获得的测量数据构造出目标物三维模型的一种全自动测量技术，该技术具有非接触性、无损、快速、实时采集的特点，后被广泛推广应用于文物领域。数字近景摄影测量技术是通过摄影手段来获取目标物上点群的三维空间坐标，以及这些空间坐标的长度、面积、体积等信息，该技术优点在于其非接触性测量手段不伤及被测物体，信息量高且易存储，精度高，速度快等，这些优点使该技术广泛应用于文物领域。2005年，研究团队采用地面三维激光扫描技术和无人机技术对云冈石窟东、西长近1000米、高20多米的外立面进行整体测绘，首次制作云冈石窟外立面完整点云数据及正射影像图各一套。文物保护工作人员根据云冈石窟外立面正射影像图对五华洞危岩体实施加固工程和修建窟檐工程。因此，数字化手段不仅实现了对洞窟的科学记录，还为石窟保护工作提供了一套真实、精确的资料。

第二阶段，开始对洞窟内的数据进行数字化采集及三维模型重建，建立洞窟数字档案。但在实际操作过程中也遇到了一些困难，最主要的问题来自石窟本身的特殊性，主要体现在以下几个方面：第一，体量大。云冈最大的造像高17.4米，最小的造像只有2厘米。第二，内容丰富，造像繁多，雕刻精细。每个洞窟大小差距极大，再加上洞窟中雕刻有各种佛像、菩萨、比丘、僧人、力士、飞天、供养人物、天宫伎乐、器物以及佛教用品等，题材丰富，洞窟造像十分精细。即便转为三维数字化，要想在模型中体现洞窟文物精细度，使观众有身临其境之感，依然是个难题。第三，空间结构复杂，地理环境恶劣，空间狭小，有的洞窟如第六窟存在很多深龛，纹理极丰富，采集十分困难。第四，上开明窗，下辟窟门，洞窟明窗与窟门可使阳光透过窗门射进窟内，窟内光线较好，但不同时段各壁面及壁面上下层之间的亮度不同。有的洞窟存在中心塔柱，会形成阴影部分，这些光线的不统一也给高保真数据的采集带来了困难。

针对以上特点，数字化实施过程的难点主要是：一为数据采集困难;二为数据处理困难。针对摆在面前的两大难题，云冈研究院潜心研究数字技术10余年，在实践中不断探索。2015年，与浙江大学、武汉大学、北京建筑大学等共同成立“数字云冈联合实验室”，专门攻关文物数字化过程中的疑难问题，研制出了一套解决数据采集困难和数据处理困难的合理方案，即从技术上采用激光扫描技术为主、多图像三维重建技术为辅，多元数据相融合，最终实现高精度三维模型重建。从实施上搭建脚手架平台，在脚手架平台上运用大空间扫描仪进行整体控制，对局部精细数据采用手持扫描仪以及影像拍摄进行数据获取与空间配准，这是解决云冈石窟洞窟高精度、高覆盖率数据获取的关键。

2016年，云冈研究院数字化研究团队通过三维激光扫描技术，生成了洞窟中各个方向的剖面图，使洞窟得以多角度展示，为云冈石窟搭建起了三维的“数字档案”。在数据获取过程中，根据精度不同分别有手持扫描仪、地面站式扫描仪、关节臂扫描仪、无人机等扫描设备。

首先使用时根据不同场景大小、目标的精细程度等现场情况，选择使用不同精度测绘仪器进行数据采集，针对景区大场景使用航测级无人机进行数据采集，采集精度可达1厘米;针对洞窟内部空间数据的采集使用中距离地面激光扫描仪，采集精度可为1～2毫米，而对于局部精细的佛龛造像则使用手持扫描仪以及机械臂扫描仪进行数据采集，精度可以达到0.03毫米，然后在专业软件中对采集数据进行去噪、纹理映射等操作，从而形成真三维数字模型，最后依托GIS平台实现对模型的存储、管理和展示利用。虽然经过十几年的探索在文物数字化上已经形成了一定的体系，但仍有需要提高改进之处，目前主要体现在两个方面：第一是提高文物表面色彩的还原度，更进一步做好色彩控制，更好地体现纹理细节特征;第二是保存与展示，我们想把云冈石窟最真实最好的一面永远留存下来并展示给大众，需要强大的服务技术支撑，这也是我们急需改进的地方（图2）。

除了对云冈石窟进行数字化存档以外，本阶段还使用数字化手段实现了对石窟本体风化监测的定量研究，通过建立高精度测量控制网，使用三维激光扫描技术和近景摄影测量技术对石窟表面数据进行定期无损监测，并进行数据对比，得出云冈石窟表面风化速度，首次实现了定量测定风化速度，并以合适的方式表述。通过三维激光扫描和适当表述，定量测定石窟表面的风化速度，从而构建石窟本体+环境监测体系，推测石窟风化趋势，并对石窟保护加固效果进行评估。该技术在国内外同领域研究中处于领先地位，具有推广意义。目前本技术已经推广应用于云冈石窟、龙门石窟、大足石刻及龙山石窟岩石风化速度的监测，还有明十三陵长陵祾恩殿和银山塔林佛觉大禅师塔数字化项目，同时该技术还可以应用于石窟寺、古建筑及近现代建筑等文物遗产的沉降监测、形变监测、裂隙监测及其他病害监测中，形成了集石窟本体、环境一整套风化定量测定及描述体系和管理模式，为文物保护修复提供数据支撑，在文物保护领域有着广泛的应用前景。

第三阶段，数字化手段在云冈石窟展示展陈上的应用。在展示展陈上，多元化的展示手段可以满足不同游客的需求和体验，主要包括以下几个方面：2016年上线了“云冈石窟全景漫游”，不少游客通过此平台游览景区，实现了足不出户游云冈。尤其是新冠肺炎疫情期间，2020年年初响应国家号召景區关闭，平台点击量增长了2.04万次，不仅满足了游客的需求，也有力地提升了云冈世界文化遗产的影响力。在云冈石窟“数字档案”高清三维数据的支持下，云冈研究院打造了一套基于VR眼镜的沉浸式石窟体验系统。通过VR设备不仅可以使游客在虚拟场景中漫游，如同身临其境，同时可以让游客欣赏石窟的高处以及在现场无法参观到的一些艺术之美。现阶段我们的VR展示系统已经突破技术壁垒，实现了十几人同时体验，并且还可以互动，更好地提升了游客的体验感。2017年，云冈研究院开始采用三维激光扫描技术、多图像三维重建技术与3D打印技术相结合的技术路线，对云冈石窟不可移动文物进行3D打印，先后实现了第3窟、第18窟、第12窟、第20窟等大型洞窟的1∶1复制（图3～图5），其中第3窟1∶1的3D打印是全球首次运用3D打印技术实现大体量、高精度文物复制，第12窟的复制还有了创新，实现了积木式的拆装，更方便于巡回展览。这一系列复制应用都贯彻了习总书记的指示，实现了文物“活起来”“走出去”的理念。

目前云冈石窟处于第四阶段，利用数字化手段实现云冈石窟景区的智慧游览参观管理体系、云冈石窟文物的产学研一体发展以及云冈学的提升。近几年，为响应国家号召，云冈研究院利用数字化手段完成了云冈石窟的数字化工程，目前完成了1/3石窟的数字化工作，在石窟三维模型数据的基础上，打造游客、文物工作者之间的产学研一体化，为虚拟修复、考古研究、文物保护等提供数据保证。在虚拟修复上，完成了云冈石窟第20窟西立佛的修复工作，虚拟修复工作为文物的复原和研究提供了准确的科学依据，提高了修复效率。

在文物保护上，首先利用数字化手段实现了云冈石窟的定量监测，并应用于其他石质文物的风化监测中，另一方面在三维模型数据上可以清楚地记录并统计裂隙、起甲等病害的位置及尺寸信息，为日常保养加固的工作人员提供依据。在考古研究上，云冈的1992年考古和山顶考古两次被评为全国十大发现之一，云冈研究院考古工作者利用数字化手段完成了出土文物的线画图。同时三维模型也为考古工作者无法到达的地方提供了方便，浙江大学文化遗产研究院副院长李志荣曾言：衡量石窟寺数字化测量结果的直观标准，就是看它是否支持原真3D复制。

2017年云冈第3窟西后室1∶1原真复制的成功，不仅标志着石窟寺数字化成果已随着“活起来”的石窟走向公众，也标志着数字化技术对于石窟寺的测量记录已达到可复原的标准，这正是石窟寺考古测量的理想标准在数字化时代的实现。在多年文物数字化实践基础上，云冈研究院于2019年编写发布了《石窟寺文物三维激光扫描数字化采集规程》《石窟寺文物近景摄影测量数字化采集规程》两项标准，这两项标准作为山西省地方行业标准，实现山西省文博系统地方性行业标准“零”的突破，为文博事业添砖加瓦。

2021年合作完成的第13窟数字化模型及三维信息系统（图6），实现了在数字化数据的基础上建立三维信息系统构建知识图谱，这一3DGIS系统的完成将代表云冈的数字化迈进了产学研一体化的时代，将数据分成不同类型为不同的用户研究使用提供支持，在不同的场景模式下按照不同的需要分析洞窟及进行考古研究。此外云冈研究院开展的“云冈数字化座谈会”汇集了北京大学、浙江大学、武汉大学等知名院校，以及华为、腾讯等知名企业，我们将汇集多方力量，多学科交叉共同打造云冈。李德仁院士参加了云冈石窟典型洞窟数字化重建与三维信息系统构建项目验收会，为云冈数字化的发展提供了可行的建议。接下来我们将利用多媒体、物联网、5G等技术实现智慧云冈景区，更好地为公众服务，发展云冈学。

此外，云冈研究院文物数字化团队在完成云冈石窟数字化研究的同时，也对外提供技术服务，先后完成北京故宫、明十三陵、洛阳龙门石窟、重庆大足石刻、西安碑林博物馆等包括6处世界文化遗产和30多处国宝单位的文物数字化工程，涉及石窟寺、古建筑、墓葬、壁画、雕塑、碑刻等，为全国文物事业的发展起到了引领示范作用。

2 结论

云冈石窟的数字化工作经过十几年的探索与发展，逐步形成了数字化的云冈模式，在技术上以激光扫描技术为主，多图像三维重建技术为辅，多源数据相融合，最终实现高精度三维模型重建，解决了云冈石窟体量大、构造复杂的难题，形成了一套专业的文物数字化标准。获得的数字化成果在文物保护上一方面为云冈石窟文化遗产的有效保护修复提供了强有力的数据技术支撑，有效合理的保护可以减缓文物消亡的速度;另一方面云冈石窟数字化成果的永久留存，在数万年石窟遗产不可阻挡地消亡后，可以根据现存资料进行复原，这也是对云冈石窟的永久保护，也是给子孙后代留下的宝贵财富。