三維數(shù)字技術(shù)在唐昭陵雕塑保護(hù)與傳播中的應(yīng)用研究

張 輝，王怡心，劉煜天

（西安理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，西安 710054）

在陜西省境內(nèi)，坐落著十八座規(guī)模不等的唐代帝王陵墓，它們是唐朝國(guó)力昌盛的縮影。而位于咸陽(yáng)市禮泉縣九嵕山之上的唐昭陵是唐十八陵中規(guī)模最大，同時(shí)也是陪葬品最多的墓葬，其中最為著名的有“昭陵六駿”“十四藩臣像”等石刻雕塑。但由于歷史久遠(yuǎn)和缺乏保護(hù)等原因?qū)е绿普蚜晔痰袼艹霈F(xiàn)了不同程度的損毀，再加之近年來(lái)新冠肺炎疫情全球肆虐，使得唐昭陵雕塑陷入了前所未有的文化傳播困境。三維數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展以及廣泛應(yīng)用使得唐昭陵雕塑保護(hù)與傳播困境猶如枯木逢春，同時(shí)也為其提供了新的發(fā)展思路——數(shù)字化保護(hù)與傳播。

1 唐昭陵遺址雕塑保護(hù)現(xiàn)狀及已采用的三維數(shù)字化保護(hù)方法

從目前的狀況來(lái)看,唐昭陵文化遺產(chǎn)已經(jīng)出現(xiàn)了保護(hù)不當(dāng)甚至是損毀的現(xiàn)象。其根本原因是過(guò)度的、沒(méi)有科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃、研究和旅游開(kāi)發(fā)對(duì)唐昭陵遺址內(nèi)的文物石刻造成了嚴(yán)重的磨損損耗，對(duì)唐昭陵文化遺產(chǎn)的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展造成了極為嚴(yán)重的破壞。重視開(kāi)發(fā)而忽視了保護(hù)，只關(guān)注文物資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使文化資源和自然資源遭到嚴(yán)重?fù)p害[1]。近些年受到氣候影響，九嵕山多發(fā)泥石流和滑坡等自然災(zāi)害，使游客參觀唐昭陵遺址時(shí)困難重重，對(duì)唐昭陵的文化傳播有很大影響，阻礙了唐文化的發(fā)展與交流。唐陵雕塑是我國(guó)古代文明的精華，在當(dāng)今科技背景下，應(yīng)該通過(guò)數(shù)字媒介、互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)信息終端等新方式、新技術(shù)，對(duì)唐陵雕塑遺址進(jìn)行保護(hù)[2]。針對(duì)上述情況，西安理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)唐昭陵以及其他關(guān)中十七個(gè)陵做了大量三維數(shù)字化保護(hù)工作，采集了海量現(xiàn)場(chǎng)三維數(shù)據(jù)。因此對(duì)于研究唐昭陵有著豐富經(jīng)驗(yàn)和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本文希望通過(guò)全方位的三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)唐昭陵石刻雕塑進(jìn)行三維復(fù)原，建立唐昭陵石刻原貌。同時(shí)運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行線上傳播的方式達(dá)到鑒物審美的效果，同時(shí)，了解祖國(guó)歷史，起到文化養(yǎng)心、修身養(yǎng)性的作用。以新穎的方式提供鑒賞與娛樂(lè)、求知與審美的多元文化體驗(yàn)。利用現(xiàn)代技術(shù)使文物呈現(xiàn)方式靈活生動(dòng)，讓更多人喜歡上唐文化[3]。

唐昭陵與現(xiàn)實(shí)中很大一部分景區(qū)以及文物遺址面臨相似的問(wèn)題，比如交通不便、保存不善、文化宣傳匱乏。甚至唐十八陵中大多數(shù)未發(fā)展成為景區(qū)，即便是已經(jīng)成型的景區(qū)，環(huán)境衛(wèi)生、旅游秩序、道路交通、基礎(chǔ)設(shè)施、配套設(shè)施和科學(xué)管理等發(fā)展也相對(duì)滯后。同時(shí)近幾年由于疫情原因無(wú)法大規(guī)模聚集導(dǎo)致景區(qū)無(wú)法開(kāi)放，景區(qū)完全露天，受天氣影響嚴(yán)重，存在文物損毀破壞丟失等現(xiàn)象。以唐昭陵為例，其部分文物現(xiàn)存于西安碑林博物館，與昭陵景區(qū)距離80 km，距離較遠(yuǎn)，不便參觀。唐昭陵原貌已在漫長(zhǎng)歲月中消失，望通過(guò)現(xiàn)代科技對(duì)此進(jìn)行部分復(fù)原。且目前看來(lái)唐陵相關(guān)文化傳播途徑單一，只有官方簡(jiǎn)易的二維網(wǎng)頁(yè)和實(shí)體旅游，不具備功能主義。因此提出通過(guò)三維數(shù)字化手段還原唐昭陵部分模型，并運(yùn)用三維數(shù)字化線上傳播方式來(lái)解決以上問(wèn)題。

項(xiàng)目研究過(guò)程中利用圖像處理與三維技術(shù)結(jié)合的新手段，將3DF Zephyr與EinScan3D以及3D Studio Max三者結(jié)合，作為一種創(chuàng)新技術(shù)手段運(yùn)用在數(shù)字化文物修復(fù)的項(xiàng)目中，這是前所未有的。

首先，使用“先臨EinScan Pro 2X”三維數(shù)字掃描儀對(duì)唐昭陵“昭陵六駿”進(jìn)行三維掃描，該三維掃描儀可通過(guò)拓展紋理模塊快速獲取物體表面所有的色彩信息，真實(shí)還原物體的視覺(jué)外觀，同時(shí)該三維掃描儀在手持模式下掃描精度可高達(dá)0.045 mm，利用標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拼接定位，體積精度可達(dá)0.01 mm+0.03 mm，輕松獲取實(shí)物的高質(zhì)量3D數(shù)據(jù)。

其次，項(xiàng)目中所利用的軟件3DF Zephyr是2019年11月發(fā)行的一款無(wú)人機(jī)圖像后期處理軟件，該軟件可以基于圖像以及視頻數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速分辨以及高精度三維模型的自動(dòng)生成。為用戶提供從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型生成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)應(yīng)用和展示的一套完整的實(shí)景建模全生產(chǎn)周期解決方案。3DF Zephyr功能豐富強(qiáng)大，能夠處理各種無(wú)人機(jī)航拍畫面，非常適合用于“唐十四藩臣”雕塑的三維數(shù)字化還原工作。

最后一個(gè)重要的軟件是3ds Max，三維制作和動(dòng)畫渲染軟件。相比其他軟件，這個(gè)軟件的性價(jià)比高，它所能提供的功能和價(jià)值遠(yuǎn)超其自身價(jià)格，同時(shí)3ds Max使用的人群廣泛便于交流，網(wǎng)絡(luò)上很多教程隨處可見(jiàn)，而且3ds Max具有上手快速輕松等優(yōu)點(diǎn)，這樣可以大大降低作品的制作成本。關(guān)于硬件方面，3ds Max對(duì)硬件系統(tǒng)的要求很低，一臺(tái)普通配置的計(jì)算機(jī)設(shè)備就可以滿足學(xué)習(xí)這個(gè)軟件的需要，這大大降低了建模和后期實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的門檻。

項(xiàng)目中利用全方位多角度的三維數(shù)字技術(shù)與HTML5互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的文物修復(fù)與虛擬展示方式，這同樣是目前較為先進(jìn)的文化保護(hù)以及傳播途徑，將唐昭陵雕塑整合并制作成為一款三維可交互式瀏覽的數(shù)字化平臺(tái)。這種實(shí)現(xiàn)方式相比現(xiàn)實(shí)中對(duì)文物雕塑復(fù)原來(lái)看，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)成本低，耗時(shí)短，效率高。加之近幾年全球疫情泛濫，施工進(jìn)程難以保證。且實(shí)體雕塑無(wú)法做到線上傳播，給文化傳播又帶來(lái)了新的難題。而新型沉浸式體驗(yàn)文物修復(fù)新技術(shù)在解決了上述問(wèn)題的同時(shí)還能帶來(lái)全新的視覺(jué)體驗(yàn)，可隨時(shí)隨地參觀唐昭陵傳播文化知識(shí)。

2 以EinScan Pro為技術(shù)路線的“昭陵六駿”石刻數(shù)字化掃描復(fù)原

相傳李世民于貞觀十年（公元636年）葬文德皇后于昭陵之后，便命令閻立本、閻立德兄弟繪制其開(kāi)國(guó)征戰(zhàn)時(shí)騎過(guò)的六匹戰(zhàn)馬，即拳毛騧、什伐赤、白蹄烏、特勒驃、颯露紫、青騅?！傲E”利用浮雕技術(shù)雕刻在寬2.04 m、高1.71 m、厚0.3 m的石板上[4]。但由于歷史戰(zhàn)亂等原因，其中兩匹戰(zhàn)馬浮雕，拳毛騧和颯露紫被打破并運(yùn)往美國(guó)，現(xiàn)存于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)博物館，而其余四匹戰(zhàn)馬浮雕也受到不同程度的損毀，現(xiàn)狀同樣令人堪憂，現(xiàn)存于西安碑林博物館。

2020年3月16日西安理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院副院長(zhǎng)張輝教授，帶領(lǐng)研究生團(tuán)隊(duì)前往西安碑林博物館對(duì)“昭陵六駿”石刻進(jìn)行三維數(shù)字化掃描。并使用先臨EinScan Pro 2X 2020掃描儀，且掃描速度出色達(dá)到了30幀/s；150萬(wàn)點(diǎn)/s，與此同時(shí)該掃描儀還支持輸出OBJ、Stl、ASC及PLY等多種三維格式且還可以直接連接3D打印機(jī)進(jìn)行模型打印。通過(guò)手持掃描“昭陵六駿”石刻即可在EinScan Pro軟件中直接查看到被掃描模型。由于在掃描時(shí)模型反光以及一些模型細(xì)節(jié)掃描難度大，進(jìn)而導(dǎo)致被掃描模型出現(xiàn)漏洞、破損等情況。進(jìn)一步地需要對(duì)被掃描模型進(jìn)行修補(bǔ)處理，在EinScan Pro軟件中可以對(duì)輕微漏洞及破損進(jìn)行計(jì)算修復(fù)，但出現(xiàn)大面積破損的情況EinScan Pro軟件就無(wú)法應(yīng)對(duì)了，此時(shí)需要將該模型導(dǎo)入專業(yè)三維軟件3ds Max中進(jìn)行手工修補(bǔ)，如圖1所示，圖1（a）為“昭陵六駿”中“青騅”石刻三維掃描文件，圖1（b）為三維數(shù)字修復(fù)后文件。

圖1 “青騅”石刻三維數(shù)字修復(fù)前后對(duì)比圖

3 以3DF Zephyr為技術(shù)路線的唐昭陵“十四國(guó)蕃臣長(zhǎng)石像”復(fù)原

公元629年，李世民一戰(zhàn)滅東突厥汗國(guó)。公元630年，周邊10多個(gè)國(guó)家的君主來(lái)到長(zhǎng)安，共同向李世民獻(xiàn)上尊號(hào)“天可汗”。唐朝的外交局面迅速打開(kāi)，而“昭陵十四國(guó)蕃臣像”，就是李世民時(shí)期和唐朝有較多往來(lái)的國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的雕刻像，展示唐朝“天可汗”時(shí)代海納百川的胸襟和崇高的國(guó)際地位。而這十四位蕃臣分別為來(lái)自東突厥的頡利可汗；來(lái)自東突厥的突利可汗；來(lái)自東突厥的乙彌泥熟俟利苾可汗，右武衛(wèi)大將軍阿史那思摩；來(lái)自東突厥的答布可汗阿史那社爾；薛延陀真珠毗伽可汗；吐蕃首領(lǐng)松贊干布；新羅女王金真德；吐谷渾烏地也拔勒豆可汗；古印度婆羅門國(guó)王阿羅那順；越南境內(nèi)的國(guó)王范頭利；高昌國(guó)王鞠智勇；焉耆國(guó)王龍突騎支；龜茲國(guó)王訶黎布失畢；于闐王尉遲伏阇信。

唐昭陵“十四國(guó)蕃君長(zhǎng)石像”，是以唐代少數(shù)民族首領(lǐng)為題材而創(chuàng)作的寫實(shí)性雕刻作品。然而千余年來(lái)，由于自然和人為的破壞，這群雕像或身首異處，或深埋地下，個(gè)別像座也被用做了明清時(shí)所立祭陵碑的碑座，例如，1982年右側(cè)掛魚符袋石人下半身出土于“焉耆國(guó)王龍突騎支”石像座西南29 cm處，殘高93 cm，相距14 cm。青灰色石灰?guī)r，石質(zhì)較好，制作規(guī)整修長(zhǎng)，表面光滑，微有水銹。腰系革帶，帶扣、帶跨、魚符袋交待清楚，裙側(cè)開(kāi)氣用雙鉤線，腰帶以上殘，腳腕以下殘[5]。唐代時(shí)腰間束帶材質(zhì)主要為2種，即革帶和布帶，石刻呈現(xiàn)的也是如此。各唐陵番酋像中腰束革帶的占多數(shù)，且多為北方各少數(shù)民族，這一點(diǎn)可以清晰地從昭陵出土的石刻實(shí)物上得到印證[6]。

由于唐昭陵“十四國(guó)蕃君長(zhǎng)石像”均受到不同程度的損毀，歷史真跡已無(wú)法確切考證，但在唐昭陵遺址中有考古學(xué)家以及雕塑家共同考證分析出的最為貼近歷史的石刻雕像，筆者同樣采用三維掃描的方式對(duì)唐十四國(guó)蕃君長(zhǎng)石像進(jìn)行了三維數(shù)字化復(fù)原工作?？紤]到十四藩臣雕塑的復(fù)雜程度，用三維手工建模的方式已不再適用本次復(fù)原工作。故此，筆者采用無(wú)人機(jī)高空拍攝以及照相機(jī)細(xì)節(jié)補(bǔ)拍的方式對(duì)“十四國(guó)藩臣長(zhǎng)石像”進(jìn)行基于圖像生成處理方式的三維模型建立。

首先，筆者驅(qū)車前往距離西安市區(qū)90 km處的唐昭陵遺址，進(jìn)一步利用無(wú)人機(jī)對(duì)唐十四藩臣像進(jìn)行360°環(huán)繞視頻拍攝，其目的在于通過(guò)3DF Zhper軟件的系統(tǒng)算法可基于圖像或視頻文件自動(dòng)生成點(diǎn)陣模型，值得注意的是，筆者在此均采用視頻拍攝模型進(jìn)行操作，其優(yōu)勢(shì)在于，與拍攝圖像相比視頻拍攝能夠完美地避免圖像拼接所帶來(lái)的模型接縫，其次在工作量及復(fù)雜程度上，視頻拍攝法也具有明顯優(yōu)勢(shì)。

但是，使用無(wú)人機(jī)拍攝工作也存在弊端，那就是在遺址內(nèi)所種植的樹(shù)木，由于枝繁葉茂遮擋住了藩臣雕塑，無(wú)人機(jī)無(wú)法拍攝。故此，筆者將使用相機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)法工作區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)拍，為了使接下來(lái)的三維模型貼圖顏色明暗均勻一致且無(wú)明顯接縫，筆者將照相機(jī)的光圈及焦距均設(shè)置與無(wú)人機(jī)相同，保證所拍攝的相片明暗光影與之前一致。

接下來(lái)筆者將拍攝完成的素材文件導(dǎo)入至3DF Zhper軟件，并點(diǎn)擊生成點(diǎn)陣模型，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)視頻以及圖像進(jìn)行三維模型的生成，如圖2所示。隨后將軟件自動(dòng)生成的三維模型以“OBJ”格式導(dǎo)入至3ds Max軟件中，將不需要的模型部分進(jìn)行刪除，隨后將軟件自動(dòng)生成的三維模型以“OBJ”格式導(dǎo)入至3ds Max軟件中。

圖2 基于3DF Zephyr技術(shù)下的唐昭陵“十四藩臣”長(zhǎng)石像航拍建模

4 基于Verge 3D技術(shù)下的唐昭陵藝術(shù)石刻三維數(shù)字化線上多媒體展陳

Verge 3D是一套基于三維數(shù)字化軟件下的Web GL應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，其高度的適應(yīng)性可支持市面上主流的三維軟件，例如3ds Max、Maya、Blender等，并且完成制作后即可直接導(dǎo)出至網(wǎng)頁(yè)，創(chuàng)建出基于web的沉浸式三維交互式體驗(yàn)程序，而且Verge 3D使設(shè)計(jì)工作可實(shí)時(shí)觀看到進(jìn)度效果，值得一提的是Verge 3D使用“零代碼”設(shè)計(jì)，使準(zhǔn)入門檻進(jìn)一步降低。

基于上述Verge 3D的一系列優(yōu)勢(shì)，將“昭陵六駿”以及“唐十四藩臣長(zhǎng)石像”三維數(shù)字模型導(dǎo)入帶有Verge 3D插件的3ds Max軟件中通過(guò)對(duì)場(chǎng)景添加攝像機(jī)以及對(duì)三維模型的一系列數(shù)字化處理，然后將三維模型發(fā)布至指定服務(wù)器，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即可高速快捷地欣賞到距今1 400多年的石刻雕塑藝術(shù)。并且用戶可以使用鼠標(biāo)進(jìn)行360°視圖操作，自由縮放，完全可控，任意交互。圖3為“昭陵六駿”中“颯露紫”的三維交互式展陳。

圖3 基于Verge 3D技術(shù)下的“颯露紫”三維交互式展陳

5 結(jié)束語(yǔ)

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)與傳播是一項(xiàng)十分艱苦的工作，筆者研究生學(xué)習(xí)生涯中多次前往唐昭陵進(jìn)行實(shí)地考察，而取得的研究成果也不過(guò)滄海一粟，每次接近唐昭陵遺址都能感受到其藝術(shù)之精美、氣勢(shì)之恢弘。但虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的唐昭陵體驗(yàn)設(shè)計(jì)還存在些許不足，但面對(duì)這些問(wèn)題，筆者始終堅(jiān)信后來(lái)的研究者一定會(huì)給出更好的答案。