浙大數(shù)字化團隊在云岡12窟前室進行數(shù)字化信息采集

云岡12窟前室西壁正射影像圖，原真的形色信息記錄后的數(shù)字化測圖

復(fù)制窟局部

“鑿石開山，因巖結(jié)構(gòu)，真容巨壯，世法所希。”北魏地理學(xué)家酈道元在《水經(jīng)注》中，這樣描繪彼時云岡石窟的盛景。

如今，想要領(lǐng)略云岡石窟著稱于世的精細(xì)樂舞雕刻和獨特藝術(shù)風(fēng)格，不一定要前往山西大同，“分身”石窟已經(jīng)可以移動到它想要展示的地方。這次，云岡石窟離開駐守千年的大同武周山，“移步”浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館，開啟了世界巡展的第一站。

6月12日起，由浙江大學(xué)與云岡石窟研究院合作的全球首例可移動3D打印復(fù)制洞窟在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館亮相。在這里，可以清晰地觀看欣賞云岡石窟第12窟。美輪美奐的造像、莊生天籟的境界、博大精深的內(nèi)涵……到場觀眾無不為這場石壁上的大型音樂會所震撼，有網(wǎng)友發(fā)微博感慨：“3D打印復(fù)制洞實在太酷了!古代智慧與現(xiàn)代科技的奇妙結(jié)合。”

先后三年，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院聯(lián)合項目組，費盡心血，攻克了數(shù)據(jù)采集處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、分塊打印上色等多項技術(shù)難關(guān)，才得以完成這座全球首例可移動3D打印復(fù)制洞窟。

同時，這座3D打印復(fù)制洞窟實現(xiàn)了云岡石窟研究院長久以來的夙愿，讓千年云岡石窟邁出了“行走”于世界的第一步。

夙愿

讓龐大的云岡石窟 可以“走”出去做展覽

地處大同城西十六公里的云岡石窟，是舉世聞名的佛教藝術(shù)寶庫。它作為世界文化遺產(chǎn)，距今已有1500余年的歷史。石窟現(xiàn)存洞窟45座，造像59000余尊，花紋圖案更是數(shù)不勝數(shù)，代表了公元5世紀(jì)世界美術(shù)雕刻的最高水平。

一直以來，云岡石窟研究院有著曾經(jīng)難以完成的夢想：讓龐大的云岡石窟可以“走”出去做展覽，加強對外交流，讓更多人切身感受到云岡石窟的藝術(shù)魅力。

2014年4月，云岡石窟研究院與浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院達成了文物數(shù)字化保護戰(zhàn)略合作——浙大文化遺產(chǎn)研究院協(xié)助云岡石窟進行3D數(shù)字化數(shù)據(jù)采集建模，制作可以用電腦直接觀看云岡石窟的三維模型，永久保存云岡石窟及其珍貴文物信息。

這樣的信息采集工作對浙大文化遺產(chǎn)研究院來說已非首次。浙大文化遺產(chǎn)研究院雖然成立于2010年，可是對于文物數(shù)字化保護工作，最早可以追溯到1997年。

那時，浙江大學(xué)潘云鶴院士開創(chuàng)了信息技術(shù)用于考古、文物保護和藝術(shù)復(fù)原方向的研究，“浙大團隊最早開始嘗試將3D技術(shù)運用到文化遺產(chǎn)領(lǐng)域是在敦煌石窟中，開發(fā)了敦煌石窟虛擬漫游系統(tǒng)，在電腦中可以像玩3D游戲一樣看敦煌石窟，該系統(tǒng)作為展示作品曾在2000年德國漢諾威世界博覽會上展出。”浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院副院長刁常宇介紹道。

浙大與云岡的聯(lián)合團隊在建立三維數(shù)字化模型時，決定大膽地挑戰(zhàn)多年夙愿：是否可以跳脫出電腦，在現(xiàn)實生活中也能實際觀看云岡石窟，讓不可移動的石窟完成可移動的展示呢?

顯然，3D技術(shù)創(chuàng)造的虛擬系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足云岡石窟的要求。于是，浙大團隊開始萌發(fā)了使用3D復(fù)制技術(shù)的想法，“云岡石窟研究院開始鼓勵我們做攻關(guān)實驗，我們也認(rèn)為這是非常具有前景的研究方向，于是開始了該項目的實驗。”刁常宇說道。

探索

經(jīng)過兩年反復(fù)實驗 才確定采用3D打印技術(shù)

從想法到實踐并非易事，云岡石窟項目有著更高的難度。“云岡石窟都是雕塑，我們一直在試圖用3D打印技術(shù)，可是成本很高，技術(shù)也需要不斷攻關(guān)。”

到底能不能成功運用3D復(fù)制技術(shù)?浙大團隊開始做了不同技術(shù)的速度、成本、精度、效果和材料等方面的比較和實驗。

首先，如果想要把云岡石窟“搬”出去做展覽，必須要選擇輕質(zhì)材料。對比人工合成材料與來自大自然的材料，浙大團隊選擇了相對較輕的人工合成材料。

其次是3D復(fù)制技術(shù)的對比，其大致分為增材制造和減材制造兩類。增材制造是用材料不斷地把石窟雕像堆積出來，而減材制造是3D雕刻機一點點把石窟造型挖出來，將多余部分從原本的材料中切出去。“我們最早嘗試的是3D雕刻技術(shù)，它的高精度數(shù)控車床CNC技術(shù)的精度很高，可以達到非常好的復(fù)制效果。但是對材料的要求很嚴(yán)格，如果用輕質(zhì)材料進行加工，如何在雕刻過程中讓輕質(zhì)材料保持承受強度才能達到很好的精準(zhǔn)度是一個挑戰(zhàn)。”浙大團隊在復(fù)制品的材質(zhì)重量和它的精度之間難以抉擇。實驗過程中，浙大團隊發(fā)現(xiàn)3D雕刻技術(shù)有著它的局限性。“云岡石窟的雕刻造型千變?nèi)f化，當(dāng)3D雕刻技術(shù)處理形狀比較復(fù)雜的造型時，就會產(chǎn)生雕像之間互相遮擋的問題，因此就必須要將它們拆解，進行分別加工，這給工作帶來了極大的不便。”刁常宇解釋著。

而增材制造的3D打印技術(shù)，卻沒有這方面的缺陷。經(jīng)過了兩年多的研究試驗，浙大團隊最終確定采用3D打印技術(shù)。

2016年8月，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院合作的“可移動3D打印復(fù)制洞窟”正式立項。

項目團隊由云岡石窟研究院、浙江大學(xué)、美科圖像(深圳)有限公司聯(lián)合組成，云岡石窟研究院主要負(fù)責(zé)學(xué)術(shù)研究和人工上色，浙江大學(xué)主要負(fù)責(zé)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，美科圖像主要負(fù)責(zé)3D打印和結(jié)構(gòu)制作，山西云岡數(shù)字科技主要負(fù)責(zé)人工上色，其中石窟三維數(shù)字化采集與處理工作主要由云岡石窟研究院和浙江大學(xué)合作完成。三家團隊將攜手挑戰(zhàn)“不可能”。

遇阻

處理海量掃描數(shù)據(jù) 觸及到了這個領(lǐng)域的“天花板”

云岡石窟第12窟又名“音樂窟”，開鑿于公元五世紀(jì)，色彩豐富，其中雕刻的天人形象和中外樂器，是我國古代最早的宮廷交響樂團，在中國音樂舞蹈史上具有極其重要的地位，很好地展現(xiàn)出音樂風(fēng)尚與時代風(fēng)貌。此外，第12窟前殿后室，入深14米，寬11米，高9米的大小適合可移動展覽，方便運輸且可操作性強。最終，云岡石窟研究院選擇了第12窟作為復(fù)制對象。

“對第12窟的數(shù)字化采集觸及到了這個領(lǐng)域的‘天花板’。”刁常宇感嘆道。云岡石窟的洞窟空間巨大，造像高浮雕、淺浮雕等多種雕刻手法純熟應(yīng)用，各種遺跡空間深度尺度復(fù)雜，掃描和測繪難度極高。

浙江大學(xué)與云岡石窟研究院的合作團隊采用浙大團隊探索出來的一套三維激光掃描與攝影測量融合構(gòu)建文物三維模型的解決方案，對第12窟進行高保真三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集。歷時三個月，最終完成了52站三維激光掃描并拍攝了55680張照片。

數(shù)據(jù)采集之后，需著手做分析和計算，“團隊要把采集掃描的圖像和數(shù)據(jù)通過算法合并在一起，合并的過程形成了數(shù)據(jù)之間的連接，相互之間有一種約束，讓整體的結(jié)果互相補充，不留下死角，使其精度更高。”

然而，海量的高精度三維掃描數(shù)據(jù)采集和大量的分析計算是數(shù)字化記錄中的“攔路虎”。

“我們感受最深的是數(shù)據(jù)處理的困難，我們拿到海量數(shù)據(jù)時，最好的計算機都沒有完成對它的處理，現(xiàn)成軟件處理所需要的時間也遠遠超出我們的接受范疇，甚至有的軟件根本不知道它能運行多長時間才能結(jié)束。”刁老師回憶道。

對他們來說，這是跟時間賽跑的實驗，“在我們處理信息的時候，其他兩家合作公司只能等著我們。這是我們感到壓力最大的事情。”

浙大團隊只能回到最初的原點，再次研究最基本的算法。團隊的四位博士與碩士不斷攻關(guān)，把不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)整合在一起。慶幸的是，他們最后實現(xiàn)了關(guān)鍵性突破，保證在有限時間里處理完了數(shù)據(jù)，成功建立了第12窟的高保真彩色三維模型。

“比我承諾的時間晚了半年左右，這是我們沒有預(yù)料到的。原本以為半年就可以完成數(shù)據(jù)處理，但最后用了一年左右的時間。”刁常宇笑道。

攻關(guān)

沒有參考案例 每一個環(huán)節(jié)都充滿挑戰(zhàn)

漫長的等待之后，負(fù)責(zé)成型加工的深圳美科圖像有限公司終于拿到了處理完成的數(shù)據(jù)，然而他們面臨的是單次打印成型的成品體積較小的問題。

相繼而來的困難和攻關(guān)實驗已經(jīng)是團隊的家常便飯，“每一個環(huán)節(jié)都有新的挑戰(zhàn)，因為我們是第一個做這件事的團隊，沒有可供參考的技術(shù)和案例，在摸索的過程中，肯定會不停碰釘子。”

采用分體式3D打印方式，他們是第一個“吃螃蟹”的團隊。此前沒有先例，也沒有技術(shù)成形的路徑，需要邊摸索邊突破。為解決單次成型體積較小的問題，美科圖像有限公司專門研發(fā)了可以打印1×1×1.5米的大型3D打印機。制作的20臺大型3D打印機可以確保一次打印成型，運用3D打印鑄模技術(shù)復(fù)制文物本體的所有細(xì)節(jié)。

將第12窟分割成110塊2米見方的“積木塊”，再將每個大塊切割成十幾個左右的小塊進行打印，每打印一個小塊都需要將近一周不分晝夜的工作才能完成。

如果說拆開來分塊難，那么合在一起的數(shù)據(jù)拼接就非常考驗分塊間的空間精度。浙大團隊將誤差盡可能地解決在設(shè)計中。

所謂“萬丈高樓平地起”，這是人們對壘砌的一般概念，從下往上地搭建是最常用的方式。不過，在3D拼裝的過程中任何一個小的誤差都會導(dǎo)致錯位，并可能導(dǎo)致最后無法安裝。合作團隊再一次另辟蹊徑，選擇了從上往下安裝的策略，把誤差往下壓，“把累積誤差留給開口的位置，誤差就被消化掉了。”

石窟實現(xiàn)了形的打印后，要如何賦予它完美的“色”呢?色，不單單只是石窟表層的顏色，還包含了文物的材料、質(zhì)感等綜合的歷史信息。使用高分子材料固化成型的復(fù)制石窟，還未具備石材的質(zhì)感，慶幸的是可以通過“賦色”環(huán)節(jié)填補缺憾。

問題又接踵而至，當(dāng)前各類3D著色或3D打印技術(shù)，都無法在賦色的同時又可以營造指定的質(zhì)感，“我們試了3D彩色打印，也嘗試了打印之后再給凹凸不平的模型上色的方式，但都沒有達到想要的質(zhì)感。我們想要的是石窟砂巖開鑿的質(zhì)感，先上色再營造質(zhì)感這條路行不通。”刁常宇認(rèn)為。

經(jīng)過之前與數(shù)據(jù)收集同時進行的比對實驗，合作團隊還是決定采用人工上色的方法，以尋求最大程度的原真再現(xiàn)。當(dāng)必須選擇人工上色來完成云岡復(fù)制窟的制作時，同時也擁有了另一種自由。團隊認(rèn)為，既然有了可以變化的選項，為什么不能改變一下色彩呢?只要這個變化是有依據(jù)的。

經(jīng)過論證，合作團隊提出了大膽的上色方案建議——不與現(xiàn)存的12窟“一模一樣”。云岡石窟研究院最終決定賦色的具體操作方案，是將基于科學(xué)數(shù)據(jù)與專家對文物的理解綜合起來一起考慮。“我們并不是天馬行空地創(chuàng)新賦色，而是必須在考古學(xué)的指導(dǎo)下來制定賦色方案，比方說，現(xiàn)存石窟中的顏色與過去的顏色有什么關(guān)系，哪些是有依據(jù)的變化，是否可以按照這些依據(jù)去提升色彩亮度呢?”

復(fù)制的過程也是一種復(fù)原研究。在色調(diào)的鮮與暗上，團隊在可驗證的區(qū)域選擇了洞窟未被遮蓋時候的鮮亮，而沒有采用煤灰等問題導(dǎo)致的石窟雕像變化后的顏色。在洞窟的風(fēng)化上，他們認(rèn)為是不可抗的自然之力給予的，便不再做調(diào)整，并把人為的破壞痕跡保留了下來。

云岡石窟研究院美術(shù)工作團隊依照古法用礦物顏料為面積大約900多平方米的復(fù)制窟上色，歷經(jīng)8個月的時間，終于讓12窟完成了其形色具足的復(fù)制，煥然呈現(xiàn)。

通過手工在現(xiàn)代材質(zhì)基底上“裝鑾繪色”來恢復(fù)如此規(guī)模的石窟樣貌，這是文物界有史以來的第一次。

行走

可像積木一樣組裝 向世界顯示云岡石窟的永恒魅力

“我們所做的工作不單是某一個學(xué)科領(lǐng)域，而是實實在在跨學(xué)科的事情，涉及到了考古學(xué)、文物保護、計算機、精密機械、3D打印、材料學(xué)、美術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、公路運輸?shù)裙こ绦缘膯栴}。”

制作完成了，讓云岡石窟真正地“行走”于世界各地展覽，還必須有結(jié)構(gòu)力學(xué)、公路運輸?shù)葘W(xué)科的考量。這次，浙大團隊創(chuàng)新性地使用了“積木式”的新技術(shù)和制作方法，開創(chuàng)了一種文物藝術(shù)品展覽便捷運輸、安裝、展陳的新模式。

目前，復(fù)制成功的第12窟由110塊2米見方的“積木塊”分為6層進行組裝。這些“積木塊”總重量大約2噸，8輛標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車就可以裝得下，能夠拉運自如地行走天下。裝配過程主要由四位工程師合作，僅花費兩周的時間即可組裝完成布展。

“說走就走”的展覽結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)鋁合金框架，分體式半自動化安裝。現(xiàn)場無需搭建傳統(tǒng)的腳手架，低空作業(yè)組在地面上組裝好一層再吊到頂部安裝，整個過程就像由上往下搭積木，提高了裝配效率，縮短了安裝周期。

“技術(shù)攻關(guān)”是刁常宇常常提到的詞語，在制作復(fù)制石窟的時間里，技術(shù)攻關(guān)實驗為他們解決了太多的難題。盡管如此，刁常宇認(rèn)為，科技對考古學(xué)的幫助是提供高精度的數(shù)據(jù)，考古學(xué)對科技有著學(xué)術(shù)支持，而更多的是讓科技更好地服務(wù)于學(xué)術(shù)研究。

從今年6月12日至11月30日，浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館舉辦特展“魏風(fēng)堂堂——云岡石窟百年記憶和再現(xiàn)”，展覽精選了云岡石窟研究院所藏石雕造像、碑刻、陶瓷器具，建筑構(gòu)件等文物112件(套)，以及一個多世紀(jì)以來研究和記錄云岡石窟的中外學(xué)術(shù)文獻、珍貴歷史影像，集中展現(xiàn)了云岡石窟的歷史價值和藝術(shù)價值。

此次展覽是云岡石窟第12窟環(huán)游世界所到的第一站，這也是云岡石窟夢圓的第一站。目前已有多家得到消息的美術(shù)館、展覽館和相關(guān)機構(gòu)在聯(lián)系展出，云岡第12窟將是“行走的石窟，永不落幕的絲路音樂廳”。

正如梁思成先生在考察云岡時所言：“從雕塑的體態(tài)、衣著，可以直觀地感受到中外文明交融的印記。”今后，可移動3D打印復(fù)制洞窟可以讓越來越多的世界觀眾感受到云岡石窟的藝術(shù)內(nèi)涵。