三维数字技术在唐昭陵雕塑保护与传播中的应用研究

2023-01-06王怡心刘煜天

科技创新与应用 2022年36期

张辉，王怡心，刘煜天

（西安理工大学艺术与设计学院，西安 710054）

在陕西省境内，坐落着十八座规模不等的唐代帝王陵墓，它们是唐朝国力昌盛的缩影。而位于咸阳市礼泉县九嵕山之上的唐昭陵是唐十八陵中规模最大，同时也是陪葬品最多的墓葬，其中最为著名的有“昭陵六骏”“十四藩臣像”等石刻雕塑。但由于历史久远和缺乏保护等原因导致唐昭陵石刻雕塑出现了不同程度的损毁，再加之近年来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传播困境。三维数字技术的高速发展以及广泛应用使得唐昭陵雕塑保护与传播困境犹如枯木逢春，同时也为其提供了新的发展思路——数字化保护与传播。

1 唐昭陵遗址雕塑保护现状及已采用的三维数字化保护方法

从目前的状况来看,唐昭陵文化遗产已经出现了保护不当甚至是损毁的现象。其根本原因是过度的、没有科学的发展规划、研究和旅游开发对唐昭陵遗址内的文物石刻造成了严重的磨损损耗，对唐昭陵文化遗产的保护和可持续发展造成了极为严重的破坏。重视开发而忽视了保护，只关注文物资源的经济价值，使文化资源和自然资源遭到严重损害[1]。近些年受到气候影响，九嵕山多发泥石流和滑坡等自然灾害，使游客参观唐昭陵遗址时困难重重，对唐昭陵的文化传播有很大影响，阻碍了唐文化的发展与交流。唐陵雕塑是我国古代文明的精华，在当今科技背景下，应该通过数字媒介、互联网及数据信息终端等新方式、新技术，对唐陵雕塑遗址进行保护[2]。针对上述情况，西安理工大学的研究团队，对唐昭陵以及其他关中十七个陵做了大量三维数字化保护工作，采集了海量现场三维数据。因此对于研究唐昭陵有着丰富经验和坚实基础。在此基础上，本文希望通过全方位的三维数字化技术对唐昭陵石刻雕塑进行三维复原，建立唐昭陵石刻原貌。同时运用互联网技术进行线上传播的方式达到鉴物审美的效果，同时，了解祖国历史，起到文化养心、修身养性的作用。以新颖的方式提供鉴赏与娱乐、求知与审美的多元文化体验。利用现代技术使文物呈现方式灵活生动，让更多人喜欢上唐文化[3]。

唐昭陵与现实中很大一部分景区以及文物遗址面临相似的问题，比如交通不便、保存不善、文化宣传匮乏。甚至唐十八陵中大多数未发展成为景区，即便是已经成型的景区，环境卫生、旅游秩序、道路交通、基础设施、配套设施和科学管理等发展也相对滞后。同时近几年由于疫情原因无法大规模聚集导致景区无法开放，景区完全露天，受天气影响严重，存在文物损毁破坏丢失等现象。以唐昭陵为例，其部分文物现存于西安碑林博物馆，与昭陵景区距离80 km，距离较远，不便参观。唐昭陵原貌已在漫长岁月中消失，望通过现代科技对此进行部分复原。且目前看来唐陵相关文化传播途径单一，只有官方简易的二维网页和实体旅游，不具备功能主义。因此提出通过三维数字化手段还原唐昭陵部分模型，并运用三维数字化线上传播方式来解决以上问题。

项目研究过程中利用图像处理与三维技术结合的新手段，将3DF Zephyr与EinScan3D以及3D Studio Max三者结合，作为一种创新技术手段运用在数字化文物修复的项目中，这是前所未有的。

首先，使用“先临EinScan Pro 2X”三维数字扫描仪对唐昭陵“昭陵六骏”进行三维扫描，该三维扫描仪可通过拓展纹理模块快速获取物体表面所有的色彩信息，真实还原物体的视觉外观，同时该三维扫描仪在手持模式下扫描精度可高达0.045 mm，利用标志点进行拼接定位，体积精度可达0.01 mm+0.03 mm，轻松获取实物的高质量3D数据。

其次，项目中所利用的软件3DF Zephyr是2019年11月发行的一款无人机图像后期处理软件，该软件可以基于图像以及视频数据信息进行快速分辨以及高精度三维模型的自动生成。为用户提供从数据采集、数据检验、数据预处理、模型生成、数据转换到数据应用和展示的一套完整的实景建模全生产周期解决方案。3DF Zephyr功能丰富强大，能够处理各种无人机航拍画面，非常适合用于“唐十四藩臣”雕塑的三维数字化还原工作。

最后一个重要的软件是3ds Max，三维制作和动画渲染软件。相比其他软件，这个软件的性价比高，它所能提供的功能和价值远超其自身价格，同时3ds Max使用的人群广泛便于交流，网络上很多教程随处可见，而且3ds Max具有上手快速轻松等优点，这样可以大大降低作品的制作成本。关于硬件方面，3ds Max对硬件系统的要求很低，一台普通配置的计算机设备就可以满足学习这个软件的需要，这大大降低了建模和后期实现虚拟现实技术的门槛。

项目中利用全方位多角度的三维数字技术与HTML5互联网技术相结合的文物修复与虚拟展示方式，这同样是目前较为先进的文化保护以及传播途径，将唐昭陵雕塑整合并制作成为一款三维可交互式浏览的数字化平台。这种实现方式相比现实中对文物雕塑复原来看，利用计算机技术成本低，耗时短，效率高。加之近几年全球疫情泛滥，施工进程难以保证。且实体雕塑无法做到线上传播，给文化传播又带来了新的难题。而新型沉浸式体验文物修复新技术在解决了上述问题的同时还能带来全新的视觉体验，可随时随地参观唐昭陵传播文化知识。

2 以EinScan Pro为技术路线的“昭陵六骏”石刻数字化扫描复原

相传李世民于贞观十年（公元636年）葬文德皇后于昭陵之后，便命令阎立本、阎立德兄弟绘制其开国征战时骑过的六匹战马，即拳毛騧、什伐赤、白蹄乌、特勒骠、飒露紫、青骓。“六骏”利用浮雕技术雕刻在宽2.04 m、高1.71 m、厚0.3 m的石板上[4]。但由于历史战乱等原因，其中两匹战马浮雕，拳毛騧和飒露紫被打破并运往美国，现存于美国宾夕法尼亚大学博物馆，而其余四匹战马浮雕也受到不同程度的损毁，现状同样令人堪忧，现存于西安碑林博物馆。

2020年3月16日西安理工大学艺术与设计学院副院长张辉教授，带领研究生团队前往西安碑林博物馆对“昭陵六骏”石刻进行三维数字化扫描。并使用先临EinScan Pro 2X 2020扫描仪，且扫描速度出色达到了30帧/s；150万点/s，与此同时该扫描仪还支持输出OBJ、Stl、ASC及PLY等多种三维格式且还可以直接连接3D打印机进行模型打印。通过手持扫描“昭陵六骏”石刻即可在EinScan Pro软件中直接查看到被扫描模型。由于在扫描时模型反光以及一些模型细节扫描难度大，进而导致被扫描模型出现漏洞、破损等情况。进一步地需要对被扫描模型进行修补处理，在EinScan Pro软件中可以对轻微漏洞及破损进行计算修复，但出现大面积破损的情况EinScan Pro软件就无法应对了，此时需要将该模型导入专业三维软件3ds Max中进行手工修补，如图1所示，图1（a）为“昭陵六骏”中“青骓”石刻三维扫描文件，图1（b）为三维数字修复后文件。

图1 “青骓”石刻三维数字修复前后对比图

3 以3DF Zephyr为技术路线的唐昭陵“十四国蕃臣长石像”复原

公元629年，李世民一战灭东突厥汗国。公元630年，周边10多个国家的君主来到长安，共同向李世民献上尊号“天可汗”。唐朝的外交局面迅速打开，而“昭陵十四国蕃臣像”，就是李世民时期和唐朝有较多往来的国家领导人的雕刻像，展示唐朝“天可汗”时代海纳百川的胸襟和崇高的国际地位。而这十四位蕃臣分别为来自东突厥的颉利可汗；来自东突厥的突利可汗；来自东突厥的乙弥泥熟俟利苾可汗，右武卫大将军阿史那思摩；来自东突厥的答布可汗阿史那社尔；薛延陀真珠毗伽可汗；吐蕃首领松赞干布；新罗女王金真德；吐谷浑乌地也拔勒豆可汗；古印度婆罗门国王阿罗那顺；越南境内的国王范头利；高昌国王鞠智勇；焉耆国王龙突骑支；龟兹国王诃黎布失毕；于阗王尉迟伏阇信。

唐昭陵“十四国蕃君长石像”，是以唐代少数民族首领为题材而创作的写实性雕刻作品。然而千余年来，由于自然和人为的破坏，这群雕像或身首异处，或深埋地下，个别像座也被用做了明清时所立祭陵碑的碑座，例如，1982年右侧挂鱼符袋石人下半身出土于“焉耆国王龙突骑支”石像座西南29 cm处，残高93 cm，相距14 cm。青灰色石灰岩，石质较好，制作规整修长，表面光滑，微有水锈。腰系革带，带扣、带跨、鱼符袋交待清楚，裙侧开气用双钩线，腰带以上残，脚腕以下残[5]。唐代时腰间束带材质主要为2种，即革带和布带，石刻呈现的也是如此。各唐陵番酋像中腰束革带的占多数，且多为北方各少数民族，这一点可以清晰地从昭陵出土的石刻实物上得到印证[6]。

由于唐昭陵“十四国蕃君长石像”均受到不同程度的损毁，历史真迹已无法确切考证，但在唐昭陵遗址中有考古学家以及雕塑家共同考证分析出的最为贴近历史的石刻雕像，笔者同样采用三维扫描的方式对唐十四国蕃君长石像进行了三维数字化复原工作。考虑到十四藩臣雕塑的复杂程度，用三维手工建模的方式已不再适用本次复原工作。故此，笔者采用无人机高空拍摄以及照相机细节补拍的方式对“十四国藩臣长石像”进行基于图像生成处理方式的三维模型建立。

首先，笔者驱车前往距离西安市区90 km处的唐昭陵遗址，进一步利用无人机对唐十四藩臣像进行360°环绕视频拍摄，其目的在于通过3DF Zhper软件的系统算法可基于图像或视频文件自动生成点阵模型，值得注意的是，笔者在此均采用视频拍摄模型进行操作，其优势在于，与拍摄图像相比视频拍摄能够完美地避免图像拼接所带来的模型接缝，其次在工作量及复杂程度上，视频拍摄法也具有明显优势。

但是，使用无人机拍摄工作也存在弊端，那就是在遗址内所种植的树木，由于枝繁叶茂遮挡住了藩臣雕塑，无人机无法拍摄。故此，笔者将使用相机对无人机无法工作区域进行进一步补拍，为了使接下来的三维模型贴图颜色明暗均匀一致且无明显接缝，笔者将照相机的光圈及焦距均设置与无人机相同，保证所拍摄的相片明暗光影与之前一致。

接下来笔者将拍摄完成的素材文件导入至3DF Zhper软件，并点击生成点阵模型，系统将自动根据视频以及图像进行三维模型的生成，如图2所示。随后将软件自动生成的三维模型以“OBJ”格式导入至3ds Max软件中，将不需要的模型部分进行删除，随后将软件自动生成的三维模型以“OBJ”格式导入至3ds Max软件中。

图2 基于3DF Zephyr技术下的唐昭陵“十四藩臣”长石像航拍建模

4 基于Verge 3D技术下的唐昭陵艺术石刻三维数字化线上多媒体展陈

Verge 3D是一套基于三维数字化软件下的Web GL应用开发工具，其高度的适应性可支持市面上主流的三维软件，例如3ds Max、Maya、Blender等，并且完成制作后即可直接导出至网页，创建出基于web的沉浸式三维交互式体验程序，而且Verge 3D使设计工作可实时观看到进度效果，值得一提的是Verge 3D使用“零代码”设计，使准入门槛进一步降低。

基于上述Verge 3D的一系列优势，将“昭陵六骏”以及“唐十四藩臣长石像”三维数字模型导入带有Verge 3D插件的3ds Max软件中通过对场景添加摄像机以及对三维模型的一系列数字化处理，然后将三维模型发布至指定服务器，用户通过互联网即可高速快捷地欣赏到距今1 400多年的石刻雕塑艺术。并且用户可以使用鼠标进行360°视图操作，自由缩放，完全可控，任意交互。图3为“昭陵六骏”中“飒露紫”的三维交互式展陈。