基于数字技术的唐陵石刻遗产保护研究

孔庆鹏 张辉

摘要：唐十八陵分布在当时都城长安以北的关中地区，西至咸阳乾县唐高宗李治与武则天的合葬墓乾陵，东至渭南蒲城县唐玄宗李隆基泰陵，北至渭南蒲城县唐穆宗李恒光陵，南至咸阳乾县唐僖宗李儇靖陵，东西长约150千米，南北长约50千米，总面积近4000平方千米。唐陵石刻遗产是唐陵文化遗产的重要组成部分，被喻为“石刻艺术的露天陈列室”，有数以千计的石刻。这些石刻雕塑造型独特，栩栩如生，千变万化，生动活泼，不仅质量和数量超越了前代陵墓石刻，还对后世产生了极大的影响。文章以唐陵现状为切入点，运用数字技术对唐陵文物进行三维重建，解决了数字化保护的难题，为保护、传播唐陵文化遗产提供了参考和案例，也对文物的鉴赏及保护有着重要意义。

关键词：唐陵石刻；数字技术；三维重建；数字化保护

中图分类号：K877.4；TP399 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）20-00-03

0 引言

近年来，我国科技迅速发展，计算机算力不断提升，利用数字化信息技术对大型不可移动文物和可移动文物进行保护、修复及展示、传播，弘扬中华优秀传统文化，能让更多人深入了解我国传统文化，更好地丰富自身的精神世界，足不出户就可以感受到唐代帝王陵墓的宏伟，也可以更深刻地认识和了解唐陵石刻遗产。如今，快速发展的数字技术正在改变人们的生活，它无时不在、无时不有。人们开始关注历史文化遗产，重视文化遗产的文化表达［1］。

1 唐陵文物现状

陕西关中渭北高原上的唐代陵墓石刻，以磅礴的气势、精湛的技法、丰富的造型艺术和审美内涵在中国帝陵历史上占据着重要地位［2］。唐陵石刻是唐代帝王陵墓的代表，这些石刻雕塑历经盗墓、周期性温差、暴晒、沉积、风蚀、降雨、地基沉降等，使得原本历史风貌不再的陵墓雪上加霜，经历了1300余年的风雨历程，留存了大量石刻雕塑，其中唐献陵的石犀、石虎，昭陵六骏，顺陵的走狮、天禄，乾陵石狮、翼马，桥陵的石狮、仗马，丰陵和章陵的华表，泰陵和贞陵的石刻，都是唐代石刻作品中的精品，也是唐朝由盛到衰的文化缩影［3］。

多年来，唐陵石刻不乏盗贼的骚扰，为避免盗贼将石刻运走，文管所将建陵西门和北门的两对石狮及北门的三对石马均移到了昭陵博物馆。大量的唐陵文物长期没有得到相应保护，再加上周期性温差、暴晒、沉积、风蚀、降雨、地基沉降等因素，使得文物出现裂痕、霉斑。例如，崇陵朱雀门西侧瓮仲第五尊，手持佩剑，剑的两头从胸前和肘后露出，头戴高冠，上刻有花纹，如今文物表面满是斑驳。另外，为了增加耕地，大规模开垦土地，田间散落着许多唐陵文物。例如，唐章陵西侧翁仲仅存一座残像，身高1.75 m，宽0.55 m，半身裸露在田野中，没有任何保护措施；唐建陵西侧华表，目前断裂成四块散落在田野中；唐光陵东侧华表，目前断裂成三块散落在田野中；唐光陵西侧翁仲第二尊，身高2.68 m，头戴高冠，冠前饰团花纹，两侧配饰品有花纹，身穿长袖长袍，袖口过膝，脚上穿有长靴，双手拄五节剑于胸前，半掩埋在土地中。此外还有为开采山石进行山体开凿、生态环境遭到破坏等人为原因，使得伫立田间的唐陵文物逐渐失去了原本的风采［4］。

2 数字技术赋能唐陵石刻

数字技术是将不同特性的声音、图像、文字、代码等信息加工成数字信号，由计算机识别、存储、分析、传输的新兴技术。数字技术作为20世纪最引人注目的一项科技，在艺术、医药、互联网、军事、通信等众多与人类社会生产生活密切相关的产业和领域得到了广泛应用。文化遗产保护方面涉及的数字技术主要包括激光扫描技术和数字建模技术，用于测绘、测量、信息检测、展示传播、虚拟漫游、交互仿真等［5］。

数字化保护首次将文物保护纳入了科学的范畴。数字技术能够精准采集数据，对文物所处的环境进行科学分析，将文物保护所需要的信息存储到数据中，并通过网络传输给相关人员。数字技术的蓬勃发展扩大了文化遗产保护的范围，也突破了传统技术在信息采集效率和全面性方面的局限。

数字技术分为激光三维扫描、数字摄影测量、TOF3D感应等。三维扫描仪价格昂贵，国产三维扫描仪虽然价格相对较低，但在软件开发配套方面不及国外三维扫描仪。而且三维扫描仪使用不方便，需要外接交流电设备、电脑工作站，对环境要求苛刻，精度虽然高，但是数据量大，不便对大型文化遗产进行数据采集。便携式LiDAR Scanner虽然体积小，方便快捷，数据量小，但是可靠性不强，精度较低，纹理有时无法拼接。相比之下，数字摄影测量方便快捷，有特定纹理，效果好，精度高。与此同时，为满足不同形态文化遗产的信息采集需求，通常会采用不同的方法。例如，德国斯圖加特大学将激光三维扫描技术和摄影测量技术结合起来，获得了较好的三维模型，并把这种方法应用于约旦佩特拉一座著名的遗址——Al-Khasneh的3D虚拟建模。采用多种方法，不但提高了效率，而且能够充分理解每个类型的优势和劣势，有助于取长补短，对现有的方法进行优化，形成最终的方案，并制定相关的数据采集注意事项及要求。

3 数字技术在唐陵石刻遗产保护中的应用设计

3.1 数据采集流程

唐陵雕塑分布广泛，往往杂草荆棘遍布周围。因此，唐陵石刻三维数据获取需要在地形复杂的坡地上进行。

根据处理流程，先进行实地考察，了解唐陵现状，接着运用无人机、相机等数字化设备进行数据获取。获取准确的数据，目的在于还原色彩。如遇到曝光的情况，应根据环境光的变化进行调整，使获取到的唐陵雕塑主体样貌保持不变，真实且自然；之后进行三维影像构建，生成稀疏点云、密集点云，构成纹理化网格；最后查看网格是否需要修补，对需要修补处进行修补后导出模型，并通过网络化设计表达进行展示。

3.2 全方位采集

本次采集主要采用一台sonyA7M4全画幅微单数码相机，有效像素达3400万，同时还使用了一只标准变焦大光圈28～75 mm镜头，这是因为唐陵雕塑体量庞大，大多高度都在2～3 m，其中最大的桥陵獬豸高达4.5 m左右，应尽可能避免镜头畸变所造成的影像数据失实。采用600瓦大功率专业影像闪光灯设备，在光线不足和大光比的情况下进行补光，搭配移动式电源，在满功率下可以使用2小时左右。闪光灯前加以聚光罩，增强灯光聚合能力，减少光线衰减。采用一台专业航拍大疆御3无人机，4/3英寸传感器便携式无人机有效像素达2000万，搭配广角24 mm定焦和162 mm长焦定焦镜头，有效弥补了地面空间的不足。在禁飞区地段，需要使用梯子进行雕塑顶部扫描拍摄。扫描设备参数总结如下（见表1）。

数据采集使用轴线式扫描和平行式扫描或两种方式相结合。轴线式扫描：以目标物体为中心轴，在距离较远的地方进行多角度、同心圆式的环状扫描。平行式扫描：以目标物体为中心，在距离较近的地方进行平行细节扫描。轴线式扫描主要需要了解物体在大环境中所处的位置；平行式扫描则是根据目标物体的各种细节信息进行对比、验证，进而得到精细化结果的扫描过程。总结长期实践经验，得出结论：平行式扫描分为上下两段式扫描，每次扫描重叠率至少维持在70%以上，这样可以确保扫描过程高效准确，白色三角形表示摄影机的位置及其视野；轴线式扫描分为上中下三段式扫描，每次扫描保证至少60%的重叠率，这样可以确保扫描过程高效准确，白色三角形表示摄影机的位置及其视野。

针对细节极其丰富的唐陵雕塑，若正视不能捕捉到被遮挡的部位，需要更突出细节部位，则需要变换相机焦距进行近距离多角度的细节采集，这样有利于真实显示。在扫描唐建陵朱雀门东侧翁仲第三尊时，运用轴线式扫描和平行式扫描相结合的方式，保证能精准、高效地扫描细节。

在不同的天气情况下，环境光比有很大的区别，被摄物体上的光斑会严重影响数据采集的结果，从而影响三维重建的效果，因此调整拍摄的布光使唐陵石刻上无明显光斑尤为重要。唐陵石刻主要散落在露天的关中平原上，主要光源来自太阳光，因此补光极为重要。本次主要使用了金贝ad600闪光灯为唐陵石刻进行补光，以闪光灯为主光，太阳光、环境光为辅助光，使主体对象更加清晰，与环境背景相互分离，突出主体画面；主光面前还添加了柔光罩，使光线柔和，达到消除光斑的预期效果。

采集后得到大量数据，仅仅采集唐陵石刻中体量最小的鸵鸟就需要约4.6 GB的内存空间，唐十八陵有500余座石刻雕塑，需要进行统一管理和梳理。笔者在三年研究生期间对唐陵石刻雕塑进行了长期的数据采集，采集了330余座雕塑数据，数据量达到惊人的5 TB。为了解决数据分散的问题，进行了数据分类和管理、规范文档等，因此数据库的建立至关重要。

3.3 构建贴图

贴图构建需要运用3DMax软件，它是集三维建模、制作、动画等于一身的三维软件。这款软件主要用于三维模型的构建、渲染和网格拼贴。利用着色球为模型添加贴图纹理，使模型更加逼真；还要运用3Dmax对模型纹理进行梳理，以获得更好的三维效果。模型导入后，需要增加底座以保证模型的美观。在唐桥陵东侧獬豸模型的调整中，导入模型后，选择生成的纹理贴图并对模型进行优化，对原本三角面进行结构优化，形成光滑的面。

展UV是将模型图案纹理贴图有序展开，此环节应当注意以下几点：第一，不能出现重叠，否则会影响模型效果；第二，需要平铺模型贴图，有序进行调整，使模型贴图都在一张UV上；第三，尽量减少操作步骤，有助于减少对模型法线、凹凸等的影响；第四，必要时可以运用拓扑工具对纹理进行拓扑，使模型层次更加丰富。

3.4 网络化表达

随着网页2.0的发展，普通网页的2D页面对网民来说平淡无奇，另外，普通网页附着大量的图文信息，增加了用户浏览的负担，因此创新设计展示网络页面成为软件开发领域研究的重点。基于Verge3D平台的新媒介表达，数字技术的广泛应用和发展提供了更多的可能，也出现了更多的数字媒介终端，展示了这一红利下新的方式，参与者借助专用的三维交互设备与虚拟环境之间以自然的方式进行交互，这样的交互比平面图形交互形式更加丰富。还可以借助VR、AR眼镜来实现虚拟漫游，借助Verge3D平台实现增强现实的虚拟展示。唐陵石刻雕塑的网络化表达有助于快速实现唐陵文化的传播［6］。

4 结语

数字化技术的发展使模型的精确性和完整性得到了极大提升，并使模型的3D浏览和数据的测量成为可能，进而建立起空间数据库，它是信息处理的基础。分析、归纳及存储收集到的信息，为动态监测与安全评估提供了数据基础。同时，运用数字技术进行文化遗产重现与还原，这一创新模式将传统的静态展示与动态体验相结合，打破了以往浏览文献或者在网络上查询唐陵文化遺产简介这样的碎片化信息获取方式的局限，给观看者带来身临其境的体验。

参考文献：

［1］ 潘志庚，袁庆曙，陈胜男，等.文化遗产数字化展示与互动技术研究与进展［J］.浙江大学学报（理学版），2020，47（3）：261-273.

［2］ 陈安利.唐十八陵［M］.北京：中国青年出版社，2001：10-12.

［3］ 魏小红，李会晓，桑振.唐十八陵数字化保护与传承的应用探索［J］.文物鉴定与鉴赏，2021（19）：103-105.

［4］ 王晶.唐帝陵石雕刻受损原因浅析［J］.大众文艺，2012（16）：299-300.

［5］ 王晓芬，王艳贞，苑鹏军.数字化技术在文物保护中的应用与传播［J］. 轻合金加工技术，2020，48（2）：71.

［6］ 王辰启，王一帆，陈翔宇，等.基于Verge3D的3D技术在网页中的应用［J］.电脑知识与技术，2022，18（36）：92-94.

作者简介：孔庆鹏（1994—），男，陕西西安人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：影像与数字媒体艺术。

张辉（1970—），男，陕西西安人，硕士，教授，研究方向：影像与数字媒体艺术，研究方向：影像艺术与信息技术。

基金项目：本论文为2020年度西安理工大学国家艺术基金交流推广项目“唐十八陵雕塑艺术网络平台建设”研究成果，项目编号：2020-A-04（084）-360；2021年度西安理工大学国家社科基金后期资助项目“唐帝陵石像生艺术研究”成果，项目编号：21FYSB032