南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護研究

葛懷東,鄧抒揚

(金陵科技學院人文學院,江蘇南京 210038)

南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護研究

葛懷東?,鄧抒揚

(金陵科技學院人文學院,江蘇南京 210038)

南朝陵墓石刻為南朝帝王、貴族陵墓神道石刻。由于千余年來不斷遭受自然及人為破壞,南朝陵墓石刻已處于瀕危境地。而三維數(shù)字化技術能夠使石刻文物本體及其所處遺址環(huán)境的方位信息得以永存。文章介紹了南朝陵墓石刻的藝術價值與保存狀況,并針對南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復雜、不可移動以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點,引入自適應三維重建系統(tǒng)與三維全景空間測量技術,構建南朝陵墓石刻數(shù)字化保護方案。

南朝陵墓石刻;數(shù)字化保護;三維重建;文物保護

1 引 言

南朝陵墓石刻系南朝帝王、貴族陵墓神道石刻,分布在南京、句容、丹陽等地,雕刻生動、氣勢宏偉,是中國中古時代石刻藝術的珍品。由于受到自然災害、戰(zhàn)爭變革等因素的影響,南朝陵墓石刻已處于瀕危境地,如何有效保護、研究這些石刻資源已經(jīng)越來越迫切。三維掃描、數(shù)字模型不僅能夠準確記錄石刻文物本體及其所處遺址環(huán)境的全方位信息,并且在石刻文物修復、監(jiān)測等方面擁有廣泛的前景。針對南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復雜、不可移動以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點,文章引入三維重建系統(tǒng)以及全景空間測量技術,以構建對南朝石刻文物的數(shù)字化保護方案。

2 南朝陵墓石刻遺存及其藝術價值

南朝是宋、齊、梁、陳四個政權的總稱,而南朝陵墓石刻,是指這四個朝代的帝陵和王侯墓前的石刻,一般由成對的神獸、神道石柱和碑組成,其中至今保存較為完整的是大型的石刻神獸及其神道石柱等。就目前所能見到的南朝陵墓石刻,共有33處[1],其年代可考最早的始于南朝劉宋,距今約1 500年,而比較著名的包括宋武帝劉裕初寧陵,陳武帝陳霸先萬安陵,陳文帝陳倩永寧陵,梁蕭宏、蕭秀、蕭館及蕭景等陵墓石刻。每座陵墓神道都有若干大型石雕,如天祿、麒麟、碑、柱等,氣勢雄偉,紋飾精美,在雕刻藝術上獨樹一幟,其中蕭景墓的辟邪石刻就是南京市官方標志物圖形的取樣原版。

南朝陵墓石刻的造型藝術,歷來在藝術史上頗受重視。它以其自身的制度化、造型的規(guī)范化、組合的簡約化而區(qū)別于自漢以降至魏晉南北朝其他時期的同類作品,以其闊大恢弘的氣勢、精致華美的刻跡、生動靈秀的神韻展示了中國傳統(tǒng)雕刻的審美特征和語言魅力。即使是在宋、齊、梁、陳四個時期也有略有不同,各有特色。其石獸造型由凝重向窈窕靈動演變,裝飾紋樣由簡練樸素向繁華富麗過渡,藝術風格由平實渾厚向夸張豪邁發(fā)展。在這個過程中,可以看出它們之間的繼承、發(fā)展和成熟的過程,雕刻技術也日趨完美[2]。

3 南朝陵墓石刻的保護狀況

南朝陵墓石刻上承秦漢,下啟隋唐,與我國北魏時期的大同云岡石窟、洛陽龍門石窟藝術遙相媲美,是漢族造像藝術的美麗升華。從這個意義上講,南朝陵墓石刻的歷史價值、文物價值和藝術價值都獨樹一幟。因此,南朝陵墓石刻閃爍著中華民族傳統(tǒng)文化的光輝,是中國古代藝術寶庫中的瑰寶,顯示了中國古代石刻藝術的杰出成就。1988年1月,國務院正式將南朝陵墓石刻列為全國重點文物保護單位[3]。

如今,南朝陵墓石刻大多屹立在鄉(xiāng)野農(nóng)田中,加上千余年來不斷遭受自然及人為破壞,風化現(xiàn)象十分嚴重,部分石刻殘缺不全。而在南朝陵墓石刻保護的問題上,也存在“集中保護”與“原地保護”兩種觀點。一種觀點主張興建南朝石刻博物館,對其進行集中有效的保護;而另一種主張在原地保護,其依據(jù)是現(xiàn)存陵墓石刻都是當初帝王陵墓的重要組成部分,屬不可移動文物范疇。

2005年,江蘇省文物局曾以文件形式,確定了對南朝陵墓石刻保護的十六字方針,即“原地保護,加強管理,全面規(guī)劃,區(qū)別對待”[4]。2006年10月,丹陽南朝陵墓石刻被列入國家“十一五”大遺址文物保護規(guī)劃項目[5]。2014年9月,南京南朝石刻的保護方案亦基本確定,即所有石刻原址保護,選擇其中一點打造“石刻公園”。其中“石刻公園”選址位于南京市棲霞西南麓新合村的南朝梁代蕭恢、蕭憺的陵墓神道石刻,而其他石刻在不移動位置的同時,將進行“加頂保護”,以防止風雨侵蝕的現(xiàn)象[6]。

4 南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護的重要性

南朝陵墓石刻是我國古代雕刻的瑰寶,極具歷史、藝術和考古價值。與文物的唯一性、不可共享和不可再生性相比,數(shù)字化的石刻文物信息是無限的、可共享的、可再生的。因此,數(shù)字化技術為文化遺產(chǎn)保護、開發(fā)與展現(xiàn)提供了新的發(fā)展契機,同時也改變了傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)的保護方式,推動了社會公眾更廣泛享有人類文化遺產(chǎn)。

三維數(shù)字化技術是近幾年發(fā)展起來的一項高新技術,它通過高速激光掃描測量的方法,以被測對象的采樣點、離散點集合為“點云”的形式獲取物體表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù),為快速、精確地獲取文物的三維信息,進而建立起科學準確的數(shù)據(jù)模型提供了一種全新的技術手段[7]。通過三維掃描建立數(shù)字模型,在不接觸石刻文物表面的前提下,通過計算機屏幕觀察石刻形貌,分段、截面石刻形狀,測量石刻尺寸等。不僅能夠記錄石刻文物保存現(xiàn)狀的定量化數(shù)據(jù),而且還為石刻文物的修繕及整體恢復提供重要的模型支持[8]。故宮博物院的古建筑數(shù)字建模、圓明園的數(shù)字重建、洛陽龍門石窟研究院的三維數(shù)字檔案等項目,都為三維重建技術在文物保護領域的深入開展提供了全新的視角。

另外,聯(lián)合國教科文組織一直都在倡導“文化空間”的概念,即文化遺產(chǎn)與其所存在的周邊也是密不可分。針對南朝陵墓石刻體態(tài)龐大、形態(tài)復雜、不可移動以及多數(shù)暴露在荒郊野外等特點,除了推行“原址保護”的方案外,也亟待引入三維數(shù)字化技術為石刻遺存的保護提供監(jiān)測和修復數(shù)據(jù)。同時,在不影響原有文化遺產(chǎn)本體的情況下,借助虛擬技術能夠真實地反映文化遺址的場景,這也是當前文化遺產(chǎn)保護的一個重要趨勢。

5 南朝陵墓石刻三維數(shù)字化保護方案

隨著三維掃描技術的發(fā)展,數(shù)字模型已不僅僅只作為一種信息存檔的手段,更是為后期相關研究提供了重要的資料來源、參考信息和一種全新的研究方法,并在石刻、古建筑等文物考古與保護研究中發(fā)揮著越來越大的作用。為配合南朝陵墓石刻“原址保護”的大原則,可引入三維重建系統(tǒng)與全景空間測量技術,著手對南朝陵墓石刻的數(shù)字化保護,以維系其石刻遺存原有的文化生態(tài)。

5.1 南朝陵墓石刻的三維數(shù)字化重建

(1)自適應三維重建系統(tǒng)的技術原理

自適應三維重建系統(tǒng)是一種基于圖像的三維重建技術,其最大的優(yōu)勢是在保證重建精度的前提下不受重建物體大小和拍攝距離的限制。該系統(tǒng)利用獨有的多視點體視匹配算法,得到的是由每個像素點還原成的有序三維點云,無需插值就能實現(xiàn)完整測量模型的重建,像素點上固有的RGB色彩信息會自動附著到三維點云上。因此,重建的三維模型點云在有序性、完整性、三維分辨率、模型幾何精度、色彩位置精度、色彩還原度等項指標上,都能夠?qū)崿F(xiàn)高保真彩色模型還原并且達到像素級匹配的三維重建,從而確保真實再現(xiàn)南朝陵墓石刻的原貌。

(2)自適應三維重建的系統(tǒng)架構

阮小棉又來到樓頂。她折了九十九只紙飛機，逐一飛下去。這一次她選擇了彩色的紙，赤橙黃綠青藍紫，五顏六色的，煞是好看。樓下有幾個年幼的孩子歡快地追逐起來，邊撿邊仰起臉龐向樓頂看。

自適應圖像三維重建系統(tǒng)采用的三維數(shù)據(jù)測量設備包括:①光干涉儀;②圖像獲取儀;③配套機械臂與支撐架;④升降微調(diào)平臺;⑤工控控制臺;⑥主制電腦;⑦自適應定標儀等。該組設備具有自動校正圖片幾何變形、三維點云自動拼接、每個還原的三維點云帶有RGB真實色彩、即時、高效、高精度等特點。另外還配套有“自適應圖像三維空間技術及三維重建軟件”,通過物體一幅以上不同視點的二維圖像,即可獲得物體的三維點云數(shù)據(jù)。

(3)自適應三維重建系統(tǒng)展開南朝陵墓石刻數(shù)字化重建的優(yōu)勢

①獨有的自適應系統(tǒng)

自適應圖像三維重建系統(tǒng),可在任何角度均可以對需重建物體進行即時信息采集,尤其對不可移動的大型物體進行三維重建。所以,對于體態(tài)龐大的南朝陵墓石刻而言,自適應三維重建系統(tǒng)對獲取高精度數(shù)據(jù)非常重要。

②重建精度高

重建后的Z方向精度為6.8 μm(1∶1拍攝),從而最大限度保證了最終三維結果的精度。

③重建速度快

圖像在經(jīng)過軟件特別處理后可以在60 s內(nèi)完成三維模型重建,尤其在完成室外大型物體三維重建時,效率是其他同類掃描設備的10倍以上。

④真色彩還原

⑤無需粘貼任何標志點

自適應圖像三維重建系統(tǒng)是根據(jù)每次所采集到相鄰的像素上的特征來實現(xiàn)點自動拼接的,不需要在被重建物體上粘貼任何標志點。因此,自適應圖像三維重建掃描儀真正實現(xiàn)了非接觸三維圖像采集并重建三維彩色模型。

⑥高精度姿態(tài)標定與自動拼接

自適應圖像三維重建系統(tǒng),能以不同視點的三維數(shù)據(jù)通過像素點自動拼接三維數(shù)據(jù)構建結構的數(shù)字信息技術。

⑦非接觸信息采集

采用非接觸數(shù)據(jù)采集方式,穩(wěn)定性高,適用廣泛,不受物體大小限制,做大最限度的保證被采集對象的安全。

5.2 南朝陵墓石刻三維全景空間的構建

三維全景技術是一種基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術,能給人以全新的現(xiàn)場感。該技術通過采集現(xiàn)場真實圖像信息,汲取圖片內(nèi)含的空間及屬性信息,并借助專業(yè)圖像合成手段,將圖像繪制成空間立體形態(tài),視點可從中心點環(huán)視四周360°,從而達到還原現(xiàn)場的效果[9]。

由于南朝陵墓石刻所處環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大變化,昔日帝王陵墓的壯觀場面已不復存在。但所遺存下來的每一尊石刻都是歷史信息與坐標的真實反映。借助三維全景空間測量技術,在不影響原有石刻文物本體的情況下,準確地還原陵墓石刻的遺址場景,并為石刻遺存的保護提供監(jiān)測和修復數(shù)據(jù)。對于南朝陵墓石刻的三維全景空間測量,可采用德國SpheroCam HDR全景三維掃描儀,所采集的數(shù)據(jù)能夠形成:

(1)高動態(tài)、高精度影像

利用SpheroCam HDR全景三維掃描系統(tǒng),采集的是高動態(tài)、原始的數(shù)字數(shù)據(jù)(可達96比特格式),能夠生成遺址環(huán)境內(nèi)各個可見部分的高精度數(shù)字影像(輸出TIFF文件高達650 M)而不受光源條件的影響。借助這種高動態(tài)掃描技術,其相關影像都是一次性自動采集,就可以清晰地表現(xiàn)相關部分的細節(jié)。

(2)影像文件中帶有精確的空間位置數(shù)據(jù)

由于一次錄入的影像已包含空間位置數(shù)據(jù),因此不必人工在現(xiàn)場測量與記錄,減少人為錯誤。如想了解石刻文物某一部分的尺寸,只需在采集的影像數(shù)據(jù)中點選需要測量的兩個點,相應測量尺寸便顯示出來,其顯示值精確誤差僅正負0.1 mm。對測量的數(shù)量及范圍,設備系統(tǒng)是沒有限制的,只要影像中能看到的部分都可以測量。同時,還可以將測量的數(shù)據(jù)儲存成文本文件或打印出來,極大提高了工作效率與數(shù)據(jù)測量精度。

(3)利用影像數(shù)據(jù)可生成CAD文件,并輸出平面和立面圖,完成虛擬場景重建

功能包括:將圖像中導出三維點的X,Y,Z坐標數(shù)據(jù)(文本格式)作為定位對象用于Autodesk軟件中;把點數(shù)據(jù)(文本格式)導入三維建模軟件,同時在Autodesk軟件中可以直接打開導出HDR圖像Mel腳本;再通過捕捉三維點繪制幾何模型;還可將掃描的HDR圖像作為繪制的幾何模型紋理。

(4)所采集的數(shù)據(jù)可制作成數(shù)據(jù)庫文件和VR虛擬漫游形式的交互文件

把采集數(shù)據(jù)通過SceneCenter軟件處理后,輸出至專業(yè)VR制作軟件進行素材整合,即可生成VR虛擬交互演示文件。由于生成的VR文件精度較高,不僅能夠滿足多媒體展覽的精度要求,而且還便于研究人員準確了解各相關物件和結構的位置與關系。

6 結 語

本文以南朝陵墓石刻為例,詳細闡述了體態(tài)龐大、形態(tài)復雜的石刻文物三維數(shù)字化保護的方法和技術。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面,引入自適應三維重建系統(tǒng)、三維全景空間測量等先進測繪手段,準確獲取南朝陵墓石刻文物的三維模型數(shù)據(jù),為今后的石刻文物的保護與研究打下良好的基礎。

[1] 楊祥民.南朝陵墓石刻保護現(xiàn)狀調(diào)研及對策[J].文物世界,2009(1):30～42.

[2] 羅濤.南朝陵墓石刻的美學特質(zhì)及其保護理念[J].北京理工大學學報·社會科學版,2007(3):6～10.

[3] 國務院關于公布第三批全國重點文物保護單位的通知(1988年1月13日).

[4] 束有春.走出南朝陵墓石刻保護的困境[N].中國文物報,2008-03-07(8).

[5] 裘麗.丹陽南朝陵墓石刻列入國家“十一五”文保項目[N].新華日報,2006-10-10(3).

[6] 張可.南京南朝石刻公園方案敲定南朝石刻不準遷移原址加頂保護[N].揚子晚報,2014-9-9(6).

[7] 胡少興,查紅彬,張愛武.大型古文物真三維數(shù)字化方法[J].系統(tǒng)仿真學報,2006(4):951～954.

[8] 李樹坤,侯妙樂,吳育華等.石質(zhì)文物三維信息留存與應用[J].城市勘測,2013(2):85～88.

[9] 金淼,易愛華,朱家文等.歷史保護建筑的三維全景展示研究[J].土木建筑工程信息技術,2013(2):37～40.

A Research on 3-D Digitalization Protection and Virtual Recover of Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties

Ge Huaidong,Deng Shuyang
(School of Humanities,Jinling Institute of Technology,Nanjing 210038,China)

Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties are tombstones of emperors and nobles of the Southern Dynasties.These vivid and imposing sculptures are treasures of stone carving art in mediaeval times of China.Because of factors of natural disaster and warfare,the Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties are in imminent danger.Digital Three-dimension Data can remain all-dimensional information of stone sculptures and its environments forever.Aiming at the specialties that Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties have large postures which are immovable and exposed in wilderness,this essay introduced three-dimensional reconstruction,3-D Panorama space measurement and digit recover to preserve and repair the Tomb Stone Sculptures of Southern Dynasties to build the good foundation for the future protection and research.

tomb stone sculptures of southern dynasties;digital protection;three-dimensional reconstruction;virtual recover

1672-8262(2014)06-14-04

P234.4

B

2014—08—02

葛懷東(1970—),男,副教授,主要研究方向:古籍數(shù)字化、三維重建。

2014年度教育部人文社會科學研究青年基金項目(14YJC790171)。