南朝陵墓石刻三维数字化保护研究

葛怀东,邓抒扬

(金陵科技学院人文学院,江苏南京 210038)

南朝陵墓石刻三维数字化保护研究

葛怀东∗,邓抒扬

(金陵科技学院人文学院,江苏南京 210038)

南朝陵墓石刻为南朝帝王、贵族陵墓神道石刻。由于千余年来不断遭受自然及人为破坏,南朝陵墓石刻已处于濒危境地。而三维数字化技术能够使石刻文物本体及其所处遗址环境的方位信息得以永存。文章介绍了南朝陵墓石刻的艺术价值与保存状况,并针对南朝陵墓石刻体态庞大、形态复杂、不可移动以及多数暴露在荒郊野外等特点,引入自适应三维重建系统与三维全景空间测量技术,构建南朝陵墓石刻数字化保护方案。

南朝陵墓石刻;数字化保护;三维重建;文物保护

1 引 言

南朝陵墓石刻系南朝帝王、贵族陵墓神道石刻,分布在南京、句容、丹阳等地,雕刻生动、气势宏伟,是中国中古时代石刻艺术的珍品。由于受到自然灾害、战争变革等因素的影响,南朝陵墓石刻已处于濒危境地,如何有效保护、研究这些石刻资源已经越来越迫切。三维扫描、数字模型不仅能够准确记录石刻文物本体及其所处遗址环境的全方位信息,并且在石刻文物修复、监测等方面拥有广泛的前景。针对南朝陵墓石刻体态庞大、形态复杂、不可移动以及多数暴露在荒郊野外等特点,文章引入三维重建系统以及全景空间测量技术,以构建对南朝石刻文物的数字化保护方案。

2 南朝陵墓石刻遗存及其艺术价值

南朝是宋、齐、梁、陈四个政权的总称,而南朝陵墓石刻,是指这四个朝代的帝陵和王侯墓前的石刻,一般由成对的神兽、神道石柱和碑组成,其中至今保存较为完整的是大型的石刻神兽及其神道石柱等。就目前所能见到的南朝陵墓石刻,共有33处[1],其年代可考最早的始于南朝刘宋,距今约1 500年,而比较著名的包括宋武帝刘裕初宁陵,陈武帝陈霸先万安陵,陈文帝陈倩永宁陵,梁萧宏、萧秀、萧馆及萧景等陵墓石刻。每座陵墓神道都有若干大型石雕,如天禄、麒麟、碑、柱等,气势雄伟,纹饰精美,在雕刻艺术上独树一帜,其中萧景墓的辟邪石刻就是南京市官方标志物图形的取样原版。

南朝陵墓石刻的造型艺术,历来在艺术史上颇受重视。它以其自身的制度化、造型的规范化、组合的简约化而区别于自汉以降至魏晋南北朝其他时期的同类作品,以其阔大恢弘的气势、精致华美的刻迹、生动灵秀的神韵展示了中国传统雕刻的审美特征和语言魅力。即使是在宋、齐、梁、陈四个时期也有略有不同,各有特色。其石兽造型由凝重向窈窕灵动演变,装饰纹样由简练朴素向繁华富丽过渡,艺术风格由平实浑厚向夸张豪迈发展。在这个过程中,可以看出它们之间的继承、发展和成熟的过程,雕刻技术也日趋完美[2]。

3 南朝陵墓石刻的保护状况

南朝陵墓石刻上承秦汉,下启隋唐,与我国北魏时期的大同云冈石窟、洛阳龙门石窟艺术遥相媲美,是汉族造像艺术的美丽升华。从这个意义上讲,南朝陵墓石刻的历史价值、文物价值和艺术价值都独树一帜。因此,南朝陵墓石刻闪烁着中华民族传统文化的光辉,是中国古代艺术宝库中的瑰宝,显示了中国古代石刻艺术的杰出成就。1988年1月,国务院正式将南朝陵墓石刻列为全国重点文物保护单位[3]。

如今,南朝陵墓石刻大多屹立在乡野农田中,加上千余年来不断遭受自然及人为破坏,风化现象十分严重,部分石刻残缺不全。而在南朝陵墓石刻保护的问题上,也存在“集中保护”与“原地保护”两种观点。一种观点主张兴建南朝石刻博物馆,对其进行集中有效的保护;而另一种主张在原地保护,其依据是现存陵墓石刻都是当初帝王陵墓的重要组成部分,属不可移动文物范畴。

2005年,江苏省文物局曾以文件形式,确定了对南朝陵墓石刻保护的十六字方针,即“原地保护,加强管理,全面规划,区别对待”[4]。2006年10月,丹阳南朝陵墓石刻被列入国家“十一五”大遗址文物保护规划项目[5]。2014年9月,南京南朝石刻的保护方案亦基本确定,即所有石刻原址保护,选择其中一点打造“石刻公园”。其中“石刻公园”选址位于南京市栖霞西南麓新合村的南朝梁代萧恢、萧憺的陵墓神道石刻,而其他石刻在不移动位置的同时,将进行“加顶保护”,以防止风雨侵蚀的现象[6]。

4 南朝陵墓石刻三维数字化保护的重要性

南朝陵墓石刻是我国古代雕刻的瑰宝,极具历史、艺术和考古价值。与文物的唯一性、不可共享和不可再生性相比,数字化的石刻文物信息是无限的、可共享的、可再生的。因此,数字化技术为文化遗产保护、开发与展现提供了新的发展契机,同时也改变了传统文化遗产的保护方式,推动了社会公众更广泛享有人类文化遗产。

三维数字化技术是近几年发展起来的一项高新技术,它通过高速激光扫描测量的方法,以被测对象的采样点、离散点集合为“点云”的形式获取物体表面的阵列式几何图像数据,为快速、精确地获取文物的三维信息,进而建立起科学准确的数据模型提供了一种全新的技术手段[7]。通过三维扫描建立数字模型,在不接触石刻文物表面的前提下,通过计算机屏幕观察石刻形貌,分段、截面石刻形状,测量石刻尺寸等。不仅能够记录石刻文物保存现状的定量化数据,而且还为石刻文物的修缮及整体恢复提供重要的模型支持[8]。故宫博物院的古建筑数字建模、圆明园的数字重建、洛阳龙门石窟研究院的三维数字档案等项目,都为三维重建技术在文物保护领域的深入开展提供了全新的视角。

另外,联合国教科文组织一直都在倡导“文化空间”的概念,即文化遗产与其所存在的周边也是密不可分。针对南朝陵墓石刻体态庞大、形态复杂、不可移动以及多数暴露在荒郊野外等特点,除了推行“原址保护”的方案外,也亟待引入三维数字化技术为石刻遗存的保护提供监测和修复数据。同时,在不影响原有文化遗产本体的情况下,借助虚拟技术能够真实地反映文化遗址的场景,这也是当前文化遗产保护的一个重要趋势。

5 南朝陵墓石刻三维数字化保护方案

随着三维扫描技术的发展,数字模型已不仅仅只作为一种信息存档的手段,更是为后期相关研究提供了重要的资料来源、参考信息和一种全新的研究方法,并在石刻、古建筑等文物考古与保护研究中发挥着越来越大的作用。为配合南朝陵墓石刻“原址保护”的大原则,可引入三维重建系统与全景空间测量技术,着手对南朝陵墓石刻的数字化保护,以维系其石刻遗存原有的文化生态。

5.1 南朝陵墓石刻的三维数字化重建

(1)自适应三维重建系统的技术原理

自适应三维重建系统是一种基于图像的三维重建技术,其最大的优势是在保证重建精度的前提下不受重建物体大小和拍摄距离的限制。该系统利用独有的多视点体视匹配算法,得到的是由每个像素点还原成的有序三维点云,无需插值就能实现完整测量模型的重建,像素点上固有的RGB色彩信息会自动附着到三维点云上。因此,重建的三维模型点云在有序性、完整性、三维分辨率、模型几何精度、色彩位置精度、色彩还原度等项指标上,都能够实现高保真彩色模型还原并且达到像素级匹配的三维重建,从而确保真实再现南朝陵墓石刻的原貌。

(2)自适应三维重建的系统架构

阮小棉又来到楼顶。她折了九十九只纸飞机，逐一飞下去。这一次她选择了彩色的纸，赤橙黄绿青蓝紫，五颜六色的，煞是好看。楼下有几个年幼的孩子欢快地追逐起来，边捡边仰起脸庞向楼顶看。

自适应图像三维重建系统采用的三维数据测量设备包括:①光干涉仪;②图像获取仪;③配套机械臂与支撑架;④升降微调平台;⑤工控控制台;⑥主制电脑;⑦自适应定标仪等。该组设备具有自动校正图片几何变形、三维点云自动拼接、每个还原的三维点云带有RGB真实色彩、即时、高效、高精度等特点。另外还配套有“自适应图像三维空间技术及三维重建软件”,通过物体一幅以上不同视点的二维图像,即可获得物体的三维点云数据。

(3)自适应三维重建系统展开南朝陵墓石刻数字化重建的优势

①独有的自适应系统

自适应图像三维重建系统,可在任何角度均可以对需重建物体进行即时信息采集,尤其对不可移动的大型物体进行三维重建。所以,对于体态庞大的南朝陵墓石刻而言,自适应三维重建系统对获取高精度数据非常重要。

②重建精度高

重建后的Z方向精度为6.8 μm(1∶1拍摄),从而最大限度保证了最终三维结果的精度。

③重建速度快

图像在经过软件特别处理后可以在60 s内完成三维模型重建,尤其在完成室外大型物体三维重建时,效率是其他同类扫描设备的10倍以上。

④真色彩还原

⑤无需粘贴任何标志点

自适应图像三维重建系统是根据每次所采集到相邻的像素上的特征来实现点自动拼接的,不需要在被重建物体上粘贴任何标志点。因此,自适应图像三维重建扫描仪真正实现了非接触三维图像采集并重建三维彩色模型。

⑥高精度姿态标定与自动拼接

自适应图像三维重建系统,能以不同视点的三维数据通过像素点自动拼接三维数据构建结构的数字信息技术。

⑦非接触信息采集

采用非接触数据采集方式,稳定性高,适用广泛,不受物体大小限制,做大最限度的保证被采集对象的安全。

5.2 南朝陵墓石刻三维全景空间的构建

三维全景技术是一种基于静态图像的虚拟现实技术,能给人以全新的现场感。该技术通过采集现场真实图像信息,汲取图片内含的空间及属性信息,并借助专业图像合成手段,将图像绘制成空间立体形态,视点可从中心点环视四周360°,从而达到还原现场的效果[9]。

由于南朝陵墓石刻所处环境已经发生了很大变化,昔日帝王陵墓的壮观场面已不复存在。但所遗存下来的每一尊石刻都是历史信息与坐标的真实反映。借助三维全景空间测量技术,在不影响原有石刻文物本体的情况下,准确地还原陵墓石刻的遗址场景,并为石刻遗存的保护提供监测和修复数据。对于南朝陵墓石刻的三维全景空间测量,可采用德国SpheroCam HDR全景三维扫描仪,所采集的数据能够形成:

(1)高动态、高精度影像

利用SpheroCam HDR全景三维扫描系统,采集的是高动态、原始的数字数据(可达96比特格式),能够生成遗址环境内各个可见部分的高精度数字影像(输出TIFF文件高达650 M)而不受光源条件的影响。借助这种高动态扫描技术,其相关影像都是一次性自动采集,就可以清晰地表现相关部分的细节。

(2)影像文件中带有精确的空间位置数据

由于一次录入的影像已包含空间位置数据,因此不必人工在现场测量与记录,减少人为错误。如想了解石刻文物某一部分的尺寸,只需在采集的影像数据中点选需要测量的两个点,相应测量尺寸便显示出来,其显示值精确误差仅正负0.1 mm。对测量的数量及范围,设备系统是没有限制的,只要影像中能看到的部分都可以测量。同时,还可以将测量的数据储存成文本文件或打印出来,极大提高了工作效率与数据测量精度。

(3)利用影像数据可生成CAD文件,并输出平面和立面图,完成虚拟场景重建

功能包括:将图像中导出三维点的X,Y,Z坐标数据(文本格式)作为定位对象用于Autodesk软件中;把点数据(文本格式)导入三维建模软件,同时在Autodesk软件中可以直接打开导出HDR图像Mel脚本;再通过捕捉三维点绘制几何模型;还可将扫描的HDR图像作为绘制的几何模型纹理。

(4)所采集的数据可制作成数据库文件和VR虚拟漫游形式的交互文件

把采集数据通过SceneCenter软件处理后,输出至专业VR制作软件进行素材整合,即可生成VR虚拟交互演示文件。由于生成的VR文件精度较高,不仅能够满足多媒体展览的精度要求,而且还便于研究人员准确了解各相关物件和结构的位置与关系。

6 结 语

本文以南朝陵墓石刻为例,详细阐述了体态庞大、形态复杂的石刻文物三维数字化保护的方法和技术。在外业数据采集方面,引入自适应三维重建系统、三维全景空间测量等先进测绘手段,准确获取南朝陵墓石刻文物的三维模型数据,为今后的石刻文物的保护与研究打下良好的基础。

[1] 杨祥民.南朝陵墓石刻保护现状调研及对策[J].文物世界,2009(1):30～42.

[2] 罗涛.南朝陵墓石刻的美学特质及其保护理念[J].北京理工大学学报·社会科学版,2007(3):6～10.

[3] 国务院关于公布第三批全国重点文物保护单位的通知(1988年1月13日).

[4] 束有春.走出南朝陵墓石刻保护的困境[N].中国文物报,2008-03-07(8).

[5] 裘丽.丹阳南朝陵墓石刻列入国家“十一五”文保项目[N].新华日报,2006-10-10(3).

[6] 张可.南京南朝石刻公园方案敲定南朝石刻不准迁移原址加顶保护[N].扬子晚报,2014-9-9(6).

[7] 胡少兴,查红彬,张爱武.大型古文物真三维数字化方法[J].系统仿真学报,2006(4):951～954.

[8] 李树坤,侯妙乐,吴育华等.石质文物三维信息留存与应用[J].城市勘测,2013(2):85～88.

[9] 金淼,易爱华,朱家文等.历史保护建筑的三维全景展示研究[J].土木建筑工程信息技术,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

葛怀东(1970—),男,副教授,主要研究方向:古籍数字化、三维重建。

2014年度教育部人文社会科学研究青年基金项目(14YJC790171)。