数字化技术赋能云冈石窟保护与传承

1 云冈石窟及其价值

1.1 云冈石窟

云冈石窟是北魏年间，背靠武州山开凿的一组石窟群，现位于大同市城西16公里处，依山傍水，环境优美，山为武州山水为武州川（今名十里河）。武州山亦作武周山，东西绵延数十里，山势平缓似丘，属波状低山丘陵区，海拔高度约为1133-1178 米，最大相对高差约45米。石窟前，武州川水由西迤东缓缓流过。武州山石窟寺，又称灵岩寺。北魏著名地理学家、文学家郦道元在《水经注》中写道：“武周川水又东南流，水侧有石祇洹舍并诸窟室，比丘尼所居也。其水又东转，迳灵岩南，凿石开山，因岩结构，真容巨壮，世法所希。山堂水殿，烟寺相望，林渊锦镜，缀目新眺”。描述的正是北魏当年武州川水流经云冈石窟时的情景。云冈石窟代表着公元五至六世纪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。

作为北魏皇都的平城，由于特殊的地理与政治位置，成为连同西域、草原与中原的重要枢纽，是汇集八方文化的国际化大都市。不同文明在平城交汇、碰撞、融合，留下了丝绸之路上一颗佛教艺术的璀璨明珠——云冈石窟。云冈石窟是公元五世纪中西文化纵情交流中诞生的艺术宝库，体现了中华民族的文化精神、文化胸怀和文化自信。

1.2云冈石窟价值

云冈石窟是中国新疆以东地区出现最早的大型石窟群，是当时中国北部统治者北魏皇室集中全国人力、财力、物力兴造的成果，也是石窟艺术“中国化”的开始，云冈中期开凿的石窟中出现的中国宫殿建筑式样雕刻、中国式的佛像龛，在其他地区的石窟寺的建造中得到了推广与应用。因此，它所创造和不断发展的新模式，自然成为魏国领域内开凿石窟所参考的典型，东自辽宁义县万佛堂石窟，西迄陕、甘、宁各地的北魏石窟，无不有云冈模式的踪迹，甚至远处河西走廊西端、开窟历史早于云冈的敦煌莫高窟亦不例外。这给石窟研究者提供了对我国淮河以北的早期石窟（五世纪后半叶到七世纪前半叶）进行排年分期的标准尺度。因此，云冈石窟在东方早期石窟中占有极其重要的地位，对云冈石窟的研究在很大程度上成了研究东方早期石窟的关键，研究的深入与否，直接影响一大批石窟的研究工作。

古代石窟寺是统一规划、功能完备的宗教活动场所，经多次考古发掘得知，北魏时期的云冈石窟是由洞窟结合窟前木构建筑、窟顶地面佛寺所共同构成的一座大型石窟寺院，洞窟是礼拜供养的主要场所，地面佛寺是栖止禅修的空间。这种规划是直接受到了古代健陀罗佛寺的塔院与僧院配置的影响，在新疆等地石窟尚未见与云冈相同的规划方式。因此，对云冈石窟开凿规划布局进行细致地分析、综合比较研究，是进一步探索东方石窟文化价值的一项重要工作。

2 数字化技术及其重要性

石窟文物是不可再生的文化遗产，是对不同时期其文化、经济、社会形态的一种体现。研究文物的价值就是对历史发展的一种朔源，如何科学准确的挖掘文物的价值，数字化技术提供了答案。

随着科学技术的突飞猛进和政府对文化遗产的不断重视，数字化技术不断引入文物保护研究中，测绘遥感技术、计算机图形图像技术、视觉技术、虚拟现实技术、物联网技术、知识图谱、人工智能与人机互动等数字技术在文物考古勘察、考古现场发掘、石窟保护修复、展示展陈、利用管理等过程中表现出不可替代的作用，为发掘记录、测绘保存、形态监测、修复保护、展示与管理等文博工作者所接受与依赖。面对现代科学技术的发展和在文化遗产保护领域应用的不断拓展，文物的数字化生存将会成为文化遗产保护的一种重要方式，而且，在可预见的未来，将会成为文物信息留存的主要方式。文物的数字化生存，不仅仅居于文物保护的从属地位，更应是文物保护与数字化技术两者间全方位、多层次地有机结合。

一般地，文物数字化主要包括以下三个层面的内容：

1）对文物本体及其赋存环境信息进行数字化采集，包括：文物本体的几何形状、色彩、材质、结构、成分以及微小变化等信息采集，考古发掘过程的现场信息实时记录，以及文物赋存环境信息的感知与监测。

2）对文物数字化采集所获取的数据进行组织存储与管理，实现对海量文物信息的高效查询，支持文物科学化保护、研究与利用。

3）对原始文物数据进行进一步的分析处理与挖掘，以获得有效的蕴含知识，支持对文物的价值认知。

文物数字化作为当前文物保护传承的重要手段之一，对有效保存和利用文物具有重要意义。尤其是针对石窟寺遗址等不可移动，不可移动的文物数字化保护能更好的为数字化、智能化时代文物工作打好基础，为更加丰富多彩的数字化生活提供丰厚滋养，是文化文物领域发展应该承担的重大责任。开展不可移动文物数字化保护，像保护文物资源一样保护好文物数字资源，像挖掘煤炭资源一样挖掘好文物资源承载的精神文化价值，发挥文物数字资源在数字时代传承历史文化、促进数字经济中的重要作用，对云冈学发展、“数字中国”发展具有重大意义。

3 数字化在云冈石窟保护与传承中的应用实例

3.1云冈石窟数字化资源

作为世界文化遗产，利用数字化手段进行云冈石窟本体的数字化数据留存对以后的保护修复、永续利用、永久保存至关重要。

基于云冈石窟体量大、结构复杂、造像精美繁多等特点，建立了以三维激光扫描技术与近景摄影测量技术相结合的多源数据采集模式。三维激光扫描技术是一种结合了结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术等技术的符合三维非接触式的测量方法。采集过程中根据被测对象的场景大小、尺寸数据、精度要求选择合适的测量设备，洞窟外的大场景采用效率高无人机设备采集，精度为cm级；洞窟内首先用地面激光扫描仪进行整体数据测量，精度为mm级；针对内部细节选择更高精度的手持三维激光扫描仪采集，最终建立石窟三维模型数据。针对石窟造像的纹理信息，采用近景摄影测量的方式采集数据。具体数据采集过程按照2019年11月发布的《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》两项规程完成，形成照片、点云、三维模型等数据。下图为云冈石窟第28-2窟采集的点云数据和生成的模型数据。将石窟的艺术形式、内容和风格进行全面的记录和整理，形成数字化档案和文化遗产数据资源；在数据基础上支撑构建数据资源展示与管理平台，实现对石窟寺海量数据资源的高效率存储、查询与管理，实现文物信息永留存。

3.2数字化助力石窟考古

近年来，随着计算机、卫星遥感、地理信息系统及三维重建等技术的快速发展、多种学科知识、先进科技手段与考古研究实践深度融合，为搭建中国石窟寺考古学研究框架、建立中国石窟寺传播的时空框架及发展演变轨迹提供了先进技术动力，我国数字考古呈现加速发展态势。

云冈石窟在数字化考古上，首先，运用数字化技术实施石窟寺数字测量，采用激光扫描或多图像摄影测量技术对洞窟内复杂的遗迹进行全方位信息采集，通过算法获得尺寸精确的三维模型，生成满足石窟寺考古测量要求的包括洞窟平面、剖面、立面、各壁面以及龛像精准的系列数字测图，同时用作传统考古线图绘制的基础，完成复杂洞窟内外遗迹的测绘记录，辅助科学考古；其次，数字化技术为考古工作者在困难的工作环境中提供了一种安全的考古方法。下图为第3窟外立面照片，最上层崖壁上有12个竖长方形的梁孔，高约2米，宽约0.8米，孔深尺寸未知，为辽代在窟前修建规模宏大的木构建筑所留下，目测孔深七八米左右，空间狭小，人员测量困难，因此采用非接触式地面三维激光扫描仪对其进行测量，模型如下图所示，获得孔深尺寸9.872米，为考古资料留下了准确的数据信息。

3.3云冈石窟数字化保护

云冈石窟造像开凿在中侏罗统上部云冈组砂岩透镜体上，经过1500 余年的风雨沧桑，石窟出现了不同程度的风化、脱落、裂隙等问题。由于文物的特殊性，需要采取非接触手段对这些问题的实体修复，需要提前做好保护预案，包括量测、标记、实验都不能在石窟本体上进行操作，数字化解决了这一难题。在三维模型中可以准确标注病害的位置及类型，量测裂隙的尺寸并通过时间序列数据的对比评估病害，为云冈石窟的实体保护提供了数据和技术支持。其次，通过数字化手段对石窟等文物数据进行采集提取三维模型几何特征，结合人工智能，对已有大数据进行智能学习，完成风化或缺损部分的形态恢复与虚拟重建，实现石窟的虚拟修复，以此技术2022年完成了云冈石窟代表作第20窟西立佛的虚拟复原。

对石窟本体及保存环境的监测，实现石窟艺术的传承。石窟本体在长期的保存过程中受到水害、盐害、动植物的病害发展以及自然风化等原因，其岩石表面与内在特征会产生微小变化，如岩石表面岩石剥落与开裂等。而对文物这种微小变化的长期连续监测，一直是文物领域亟待解决的重要问题。通过数字化技术对石窟本体的微小变化进行长期的连续感知监测，对石窟周围自然环境、保存环境及地质环境进行关联监测，并结合多场耦合实验结果形成石窟寺监测基础理论框架和描述体系，为考古研究、预防性保护、安全监管等应用提供文物本体残损病害长期发展过程的重要信息。2012年利用三维激光扫描技术对云冈石窟五华洞典型风化列柱进行本体监测，首次实现了对石窟风化的定量监测；而且通过修建窟檐前后的数据对比，修建建窟可以减低70%的自然风化，证明了风化虽然是不可避免的，但是可以减缓，这一数字化结论为减缓石窟的消亡提供了可能，也为石窟的保护与传承提供了依据。

3.4云冈石窟数字化展示

数字化技术的快速发展和广泛应用，为石窟的展示和推广提供了更加丰富多样的方式，依托数字化手段，将云冈石窟的文化价值和学术成果以更加生动、直观的方式传播给世界各地的人们，实现全球共享和传播。通过先进数字化采集设备，获得石窟高精度三维模型数据，结合3D打印技术、虚拟展示技术、数据增强技术、物联网技术等实现石窟文物三维模型及场景的全方位立体实体展示和虚拟浏览参观以及身临其境般得人机互动化体验。不仅增加了游客得观览手段、提升了参观体验感，也是对传统中华优秀文化得弘扬，实现让文物真正活起来。 

2017年，云冈研究院与浙江大学联合攻关，采用了三维激光扫描技术与多图像三维重建相结合的工作方法，重建了云冈石窟第3窟的彩色三维模型，而后引入国内自主研发的高精度3D打印机，复制文物本体的所有细节，达到了高精度还原。原比例复制的第3窟整体长17.9米、宽13.6米，主佛高10米，是世界上首次使用3D打印技术实现的大体量文物复制工程，采集了10000张石窟照片，打印了842块模型，安装了3个月，最终实现了云冈石窟成功“搬家”，是一种全新的文物旅游宣传手段，也是让文化活起来、走出去的一次大胆实践和探索，有利于中华优秀传统文化的发扬光大。2018年承担完成了云冈石窟第12窟原比例3D打印复制，此次以分块打印并以搭积木式的方式实现复制洞窟的拼接与拆装，方便实现文物移动随时随地展示，该项目的完成标志着世界上首次实现大体量不可移动文物的可移动展示，未来会迈向国内的每一个城市以及全世界各地，让更多的人认识了解云冈石窟，提升中华民族文化自信。

4 结论

随着数字人、数字孪生、虚拟现实与增强现实、人工智能等一批应用于文化产业的技术和装备登台亮相，元宇宙虚实结合的新体验等数字化技术的不断创新，为云冈石窟的保护和传承提供了新的途径。在数据采集与处理上，采集设备向着体积轻便、操作简易、数据精度高、人为干预少等方向不断创新；数据处理软件向着多数据融合、处理效率高、建模精度高、人为干预少等方向不断创新与提高。在石窟展示方面，依托创新的数字技术服务，结合虚拟现实技术，在融交会的三维立体展厅，让用户的体验从“在线”变成“在场”，不断提升观众体验感，使观众能够身临其境地感受到石窟的艺术魅力；在数据利用方面，公众浏览数据的客户端也向着通过平板、手机等常见设备不断创新；展示形式可以通过微信公众号、小程序、小游戏等方式呈现，使更多的人可以通过互联网等渠道进行线上参观，从而推动云冈石窟文化的传播和推广。随着科技的不断更新与创新，数字化将为云冈石窟的保护与传承注入新的活力与动力。

本文来源：《炎黄地理》https://www.zzqklm.com/w/xf/31001.html