三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中的应用研究

摘要：目的：栖霞山石窟作为我国南方著名的石窟艺术遗址，以独特的石刻造像闻名于世。然而，随着时间的推移和自然环境的侵蚀，这些珍贵石窟造像的保护与传承面临着严峻的考验。文章深入探讨三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中的应用，为保护和传承这一石窟艺术遗址提供创新性解决方案。方法：为了研究这一问题，采用全新的数字化技术手段，包括三维扫描、点云重建、摄影测量等方法，对栖霞山石窟造像进行全面的数字化采集。通过三维重建技术，笔者构建出栖霞山石窟造像的虚拟化数字场景，并在后续的数字化平台上实现虚拟展示。结果：三维重建技术为栖霞山石窟造像的保护与传承提供了全新的展示方式。通过这一技术手段，受众能够身临其境地感受到栖霞山石窟艺术的独特魅力，仿佛置身于石窟之中，也能够为学者深入研究栖霞山石窟造像艺术提供重要依据。结论：三维重建技术的应用为宝贵的文化遗产保护与传承提供了有效的技术手段。通过高精度的数字化模型，石窟造像的精美细节得以还原，为学术研究和教育教学提供了丰富的数字资源，而基于数字资产的虚拟化展示不仅拓展了文化遗产的传播范围，还可为其他文化遗产的保护提供借鉴与参考。

关键词：三维重建技术；栖霞山石窟造像艺术；传播

中图分类号：K879.3；TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）05-0-05

栖霞山石窟是我国杰出的佛教石窟艺术遗产，其千余年的历史与独特的造像艺术吸引着无数游客和学者。然而，随着时间的推移，栖霞山石窟造像面临着保护难题。为了更好地传承这一宝贵的文化遗产，可科学应用三维重建技术，使其在文化遗产保护与传播中发挥重要作用。三维重建技术作为一种高精度的非侵入性手段，能将栖霞山石窟造像以三维数字模型的形式还原。通过三维扫描、影像处理和计算机图形学等技术手段，三维重建使虚拟现实成为可能，可以让观众身临其境地感受栖霞山石窟的壮丽与神秘。此外，数字化重建技术能够为保护与传承栖霞山石窟造像艺术贡献力量，为后人更好地了解和研究这一璀璨的文化遗产提供新的视角与途径。

1 三维重建技术概述

1.1 三维重建技术的定义与分类

三维重建技术是一种将实体对象、场景或数据转化为数字化模型或图像的技术。它利用计算机和数学算法处理采集的数据，以还原物体或场景的形状、结构和外观特征。根据输入数据和重建对象，三维重建技术可分为以下几类。第一，点云重建。通过激光扫描或其他传感器采集物体表面的点云数据，并将其转换为三维模型。点云是由大量离散点组成的空间坐标集合，能有效描述物体的几何形状。第二，摄影测量。利用多张从不同视角拍摄的图像，通过图像处理和计算机视觉技术推断物体的三维形状和纹理信息。这种方法适用于平面或立体物体的重建。第三，混合重建。结合使用多种数据源和方法，如点云、图像、体素等数据，以获取更全面、更精确的三维模型。第四，虚拟现实与增强现实。虚拟现实技术构建虚拟世界，让用户沉浸于虚拟场景中。增强现实技术则将数字化重建的三维模型与真实场景结合，实现虚拟与现实的交互。三维重建技术在文化遗产保护、游戏开发、虚拟仿真、工程设计等领域发挥重要作用，为各行业提供高效、精确的数据处理和可视化手段。随着科技的发展，三维重建技术将不断创新，为人们带来更丰富的数字化体验和更多元的应用场景。

1.2 三维重建技术的工作原理与流程

三维重建技术的工作原理与流程主要包括数据采集、数据预处理、特征提取、重建算法、模型融合与优化以及输出。首先，通过传感器和设备采集目标物体或场景的数据，包括点云数据、图像或其他传感器收集的信息。然后，对采集的数据进行预处理，去除噪声、填补缺失，并进行数据校准，确保后续处理的准确性和可靠性。接下来，根据特征提取的结果，运用合适的重建算法将数据转化为数字化模型。常见的算法有结构光三维重建和点云配准等。对于复杂的对象或场景，需要融合与优化多个重建模型，得到更完整、更准确的三维模型。如果需要赋予模型真实的外观特征，可以将采集的纹理图像映射到模型表面。最后生成的数字化模型可以应用于虚拟现实、增强现实、游戏开发、文化遗产保护等领域，并输出成图像、视频、三维模型文件等格式，以供后续应用和交流。通过这些步骤，三维重建技术能够有效地将实体对象和场景转化为数字化模型，实现高精度的还原和可视化。

1.3 三维重建技术研究现状和发展趋势

目前，三维重建技术得到了广泛的研究和应用。在国内，三维重建技术研究取得了重要进展。在文化遗产保护领域，国内研究机构利用三维重建技术保护和研究敦煌莫高窟、故宫、兵马俑等的重要文物。在虚拟现实领域，国内企业和学术界积极探索三维重建技术在游戏、教育、医疗等领域的应用，推动虚拟现实产业发展。此外，国外很多高校和研究机构对三维重建技术不断提出新的算法和方法，取得了一系列创新成果。许多国家和地区的研究机构和学术界积极探索三维重建技术在文化遗产保护、虚拟现实、工程设计等领域的应用。例如，欧洲各国的研究机构在数字化文化遗产保护方面取得了很多成果，通过图像重建、激光扫描等技术达到数字化保护和展示古建筑和艺术品的目的。国内外三维重建技术都在不断发展，并取得了显著的研究成果。

2 栖霞山石窟造像艺术概述

2.1 栖霞山石窟概况

栖霞山石窟位于江苏省南京市栖霞山脚下，是我国传统石窟艺术的重要代表。栖霞山石窟从南朝齐永明二年（484年）至梁天监十年（511年）逐渐开凿而成，隋唐五代时期续有增补，形成了独特而壮观的造像艺术。栖霞山石窟造像艺术独具特色，展现出浓厚的佛教氛围和丰富的历史文化内涵。现存石窟294个，佛造像515尊，集中分布于千佛岩、千佛岭和纱帽峰三个区域。其中，著名的“三圣殿”凿于南齐永明七年（公元489年），为开凿时间最早、规模最大的一座石窟。石窟正中是无量寿佛像，两侧胁侍为观世音、大势至二菩萨像，造像精致古朴，身段匀称，线条流畅，保留了南朝佛像的原韵。千佛岩旁的舍利塔为我国最大的古舍利塔，通高18米，五级八面，使用白色石灰岩石砌造，代表了南唐时期雕刻艺术的最高水平。栖霞山石窟作为六朝都城唯一的石窟寺遗存，对于研究六朝佛教文化以及中國古代文化交流具有重要意义。

2.2 栖霞山石窟造像的艺术特点

栖霞山石窟群以佛像为主，包括释迦牟尼佛、无量寿佛、弥勒佛、观音菩萨、大势至菩萨、天王、力士等各类佛教神明。此外，还有大量的壁画、浮雕和文字题记，展现了佛教故事、经典教义、历史文化等内容。栖霞山石窟分布在千佛岩、千佛岭、纱帽峰等几个区域。其中，千佛岩区域以南朝时期的佛造像为主，现存南朝时期的石窟16个，石窟形制保存完整，造像时代特征鲜明。三圣殿中无量寿佛面相方圆，手施禅定印，身着双领下垂袈裟，衣裙下摆遮覆于坛前，呈现出“秀骨清像”的南朝审美风格，为南朝时期典型的佛教造像。千佛岭和纱帽峰区域的石窟造像主要开凿于唐及五代时期，石窟形制特点明确，融汇了当时雕塑和壁画的传统技法与审美意趣，成为佛教石刻造像的典范。此外，栖霞山还保存了大量的历代碑刻题记，这为研究栖霞山石窟的历史、文化、艺术等提供了极大的帮助。栖霞山石窟造像是宝贵的历史文化遗产，为研究中国古代佛教艺术、历史文化、社会风貌等提供了重要的历史资料。

3 三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中的应用

3.1 石窟内部与外部的数字化扫描与建模

石窟内部与外部的数字化扫描与建模是一种重要的文化遗产保护与研究技术。在数字化扫描过程中，内部和外部采集不同的数据，利用先进的技术将这些数据转换为数字模型，实现对石窟的全面还原与虚拟展示。对于石窟内部的数字化扫描，常用的技术是激光扫描、结构光扫描、蓝光扫描。激光扫描仪会发射激光束，然后测量激光与石窟内表面的交点位置，从而获取大量点云数据。这些点云数据能够准确表现石窟内部的三维空间信息。结构光扫描仪将红外结构光投射到物体表面，根据深度相机计算出物体表面各点的深度信息，从而得到三维点云数据。蓝光扫描仪将蓝光光束投射到待测物体表面，可以快速、高精度地获取三维点云数据。

笔者使用结构光与蓝光技术对栖霞山千佛岩区域石窟进行扫描。针对高度在1米以上的中等规模石窟使用了红外结构光，红外结构光可以在较短的时间内获取大量的点云数据（见图1）。相比传统的激光扫描技术，红外结构光扫描不需要慢速旋转的激光器，在扫描过程中，光图案会实时投射到物体表面，确定二维图像上每个像素点与真实物体对应点之间的变换关系，然后利用该关系确定待重建图像上每个像素点对应的点云几何信息［1］，即时捕捉图案的形变，方便实时监控和调整扫描进度和质量。红外结构光扫描过程中要注意避免受环境光的干扰，基于光采集的方法能得到准确的三维数据，但采集过程中对光照环境比较敏感，且投射的照射光会影响到目标物表面纹理数据的采集［2］。笔者特意选择阴天扫描，提高了扫描的成功率。针对高度在1米以下的小型石窟，由于佛造像体量较小，因此使用蓝光扫描。蓝光的波长较短，受环境光的干扰较小，能够提高扫描的分辨率和精度（见图2）。而对于石窟外部的数字化扫描，由于体量巨大，因此可以采用大型户外激光扫描仪以及摄影测量技术。大型激光扫描仪可以扫描大型户外场景，但需要较长的扫描时间，后期需要拼接多个扫描位置，数据量巨大，需要使用性能强大的计算机处理和优化数据。

笔者使用RealityCapture和Agisoft Metashape摄影测量技术对栖霞山石窟进行三维重建。摄影测量是一种利用图像和摄影原理进行测量和三维重建的技术，通过拍摄不同角度和位置的图像，利用摄影测量方法推导出物体的三维形状、尺寸、位置等信息。摄影测量技术主要包括对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理4个步骤［3］。笔者使用高像素数码相机索尼A7RV在千佛岩、三圣殿、舍利塔周围拍摄了数百张高质量图片，尽量规划所要捕捉的场景，使影像拍摄有序进行［4］。拍摄过程中确保相邻两张照片之间有足够的重叠率，建议至少30%以上。拍摄时要注意对焦清晰、多角度、多视角，避免强烈反光和阴影，以提供全面的信息。对于视野比较高的区域可以使用无人机辅助拍摄，以获取完整的石窟外景环境。在数字化建模方面，可以通过图像处理和计算机视觉技术，对点云数据进行建模与重建（见图3）。常用的方法包括三角网格重建和体素化技术。三角网格重建能将点云数据转化为平滑的三维网格模型，而体素化技术则能将点云数据转换为由体素构成的三维模型，这些数字模型能准确表现栖霞山石窟的形状和结构。笔者使用三角网格重建技术对点云数据进行滤波和降采样，去除冗余点和噪声，保留关键特征。对生成的三角网格模型进行简化处理，减少三角面片的数量，在保持主要形状的基础上，适当降低模型的精度，从而减少模型文件的大小，提高后期渲染效率（见图4）。

3.2 三维模型的纹理映射与修复

栖霞山石窟造像的数字化重建是一项复杂而关键的任务，其中纹理映射与修复起着至关重要的作用。纹理映射旨在赋予三维模型真实的外观和细节，而纹理修复则旨在修复受损或缺失的纹理信息，从而保护和传承栖霞山石窟文化遗产。

笔者在石窟内外进行高分辨率的摄影测量，以获得真实的纹理图像。这些数据为后续准确开展纹理映射与修复提供了基础。首先，通过图像处理算法对纹理图像进行预处理，包括去噪、对齐、校正等步骤，以保证纹理图像的质量和准确性。然后，将纹理图像和点云数据对齐，确定纹理图像在三维模型中的位置和方向。这一步骤需要高精度的配准，确保纹理图像与三维模型的各个表面准确匹配，可以根据特征点进行图像匹配，实现高分辨率数字图像与点云信息的准确配准［5］。随后，进行纹理坐标的映射。对于三维模型的每个表面点，通过计算其在纹理图像上的对应坐标，将纹理图像上的像素与模型表面的对应点关联。在纹理映射过程中，笔者使用MAYA软件，采用插值和多通道映射等方法，使纹理在模型表面投影更加平滑和自然，避免出现断裂或扭曲的情况（见图5）。经过纹理映射，三维模型呈现出具有真实细节的外观，使观者仿佛置身于实际的石窟内部。然而，栖霞山石窟造像历史悠久，纹理图像可能因年代久远或其他原因受损或缺失。在纹理修复阶段，笔者使用ZBrush软件恢复受损的纹理图像，保证模型的真实性。纹理修复是关键环节。通常采用填补和插值等方法恢复损坏的纹理区域。同时，可以运用纹理合成技术，从其他相似石窟造像或图像中获取纹理信息，并将其应用到目标模型上，使模型的纹理信息更加完整和真实（见图6）。通过纹理修复，三维模型的表面纹理得到了有效的還原，观者可以欣赏到石窟造像的原貌。

3.3 交互式虚拟展览与展示

栖霞山石窟造像交互式虚拟展览与展示的技术实现过程包括数字化重建、虚拟现实技术应用、交互式展示设计、虚拟参观等关键步骤。数字化重建后，将模型应用到虚拟现实技术中。虚拟现实技术是实现交互式虚拟展览的关键。通过头戴式显示器或智能手机等设备，观众可以进入虚拟的栖霞山石窟展览空间。虚拟现实技术能够打破时空限制，给观众带来身临其境的体验，观众可以自由移动、观赏石窟造像，并与其互动。依托虚拟现实技术，观众仿佛置身于真实的石窟内部，增强了参观的沉浸感和现场感。在虚拟现实展示的基础上，进行交互式展示设计。交互式展示是虚拟展览的关键特点之一。观众可以通过自由选择观赏角度、缩放模型、旋转视角等方式，自主探索栖霞山石窟造像。这种交互性设计使观众可以根据个人兴趣和需求，自由选择观赏内容和展示方式，获得个性化的参观体验。为了丰富展示内容，可以加入图文解说、音频讲解和多媒体展示等元素。通过这些辅助信息，观众可以更深入地了解栖霞山石窟的历史、文化背景和艺术价值。图文解说可以为观众提供文字描述和解释，音频讲解可以通过声音传达更生动的讲解内容，多媒体展示可以展示石窟造像的细节和特点。这些辅助元素的融入丰富了展示内容，使观众能够全面了解栖霞山石窟的文化遗产。总的来说，栖霞山石窟造像交互式虚拟展览与展示的技术实现过程是三维重建技术和虚拟现实技术相结合的成果。通过三维重建技术，栖霞山石窟的宝贵文化遗产将得到更好的传承和传播。

4 三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中的价值与展望

4.1 三维重建技术的价值

三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中具有重要价值与意义。首先，它为石窟文化遗产的传承和保护提供了有效手段，通过高精度的数字化模型，还原了石窟内外的造像、壁画等。其次，三维重建技术拓展了石窟艺术的传播渠道，通过虚拟展览与展示，观众可以通过网络等媒介远程参观栖霞山石窟，加深对其历史与文化内涵的了解。再次，三维重建技术促进了学术研究与教育教学，学者们可以借助数字化模型进行深入研究，推动相关学科发展，教育机构则可以利用虚拟展览将石窟艺术融入教学中，培养学生的文化意识与审美能力。最后，三维重建技术为石窟艺术的文化传播提供了全新的方式，通过数字化展示，栖霞山石窟艺术可以借助互联网传播到世界各地，吸引更多人了解与关注，促进栖霞山石窟文化的传承与弘扬。总的来说，三维重建技术对于文化遗产保护、学术研究、教育教学、旅游业发展、文化创意产业等都有重要价值。

4.2 三维重建技术的发展趋势

未来三维重建技术将更加多样化和智能化。首先，随着技术的不断进步，三维重建技术的精度和效率将得到进一步提升。高分辨率的三维扫描设备和先进的数据处理算法能使石窟内外的文化遗产数字化重建更加精准和快速。其次，虚拟现实和增强现实技术的融合将为栖霞山石窟艺术传播带来全新的体验。观众可以通过佩戴智能设备，在虚拟空间沉浸式体验石窟艺术。同时，增强现实技术可以将虚拟的石窟造像与现实场景融合，为参观者带来全新的观展体验。此外，三维重建技术将与大数据、人工智能等前沿技术相结合。通过分析大量的历史文献、图像资料和遗址数据，人工智能可以辅助学者深入研究栖霞山石窟的历史与艺术背景。技术的不断创新和应用将为栖霞山石窟的文化遗产保护、学术研究带来更广阔的前景。

5 结语

本文分析了三维重建技术在栖霞山石窟造像艺术传播中的重要价值与意义。三维重建技术为栖霞山石窟的保护、传承与传播提供了有效的技术手段。通过高精度的数字化模型，石窟造像的细节与结构得以真实还原，这为学术研究和教育教学提供了丰富的信息资源。而虚拟化展览与展示则为受众带来了身临其境的体验，拓展了文化遗产的传播范围与传播效果。未来将继续探索创新，提高技术水平，为三维重建技术在文化遗产保护与传承中发挥更大的作用而不断努力。相信随着三维重建技术的不断发展与应用，我国宝贵的文化遗产将得到更加广泛的传播与推广。

参考文献：

［1］ 余生吉，吴健，王春雪，等.敦煌莫高窟第45窟彩塑高保真三维重建方法研究［J］.文物保护与考古科学，2021（3）：10-18.

［2］ 黄腾达，李有鹏，吕亚磊，等.一种基于非量測相机图像的三维模型快速重建方法研究［J］.河南城建学院学报，2018（1）：80-85.

［3］ 欧阳宏.故宫院藏文物的三维数据采集与应用［J］.数字图书馆论坛，2019（7）：48-53.

［4］ 姚娅，宋国定.三维重建技术在考古中的应用探讨［J］.文物保护与考古科学，2017（5）：96-101.

［5］ 许丽鹏，黄先锋，吴健，等.基于激光点云的敦煌洞窟空间信息重建［J］.敦煌研究，2019（4）：121-127.

作者简介：葛凌蓝（1979—），男，江苏南京人，硕士，讲师，研究方向：数字媒体艺术。

课题项目：本论文为2022年度江苏省教育厅高校哲学社会科学研究一般项目“数字媒体在栖霞山石窟造像艺术传播中的应用研究”阶段性成果，项目编号：2022SJYB0733