桂林摩崖石刻数字化平台建设研究

◎邓志强

（桂海碑林博物馆 广西 桂林 541004）

溶岩地区摩崖石刻的研究、保护、展示是全球性的保护课题。溶岩地区摩崖石刻以石灰岩自然山体为载体，在其漫长的保存过程中，受到自然和人为因素的综合作用，石刻表面不断被风化和残蚀。长期以来，由于环境污染、建设开发等造成的破坏，加之缺乏有关石质文物保护与资料获取方面的技术规范，以致科学性和理论系统化方面有所欠缺。因此，世界各国专家都在努力地尝试采取不同方式和手段，开展相关的保护工作。

一、桂林摩崖石刻现状

桂林石刻的载体是石灰岩主要类型之一的泥晶灰岩（主要矿物组成为CaCO3），岩石结构比较致密，但微裂隙发育较多。根据桂海碑林博物馆2014年石刻调查与历史文献记载对比，近些年桂林摩崖石刻受人为破坏较少，乱刻乱画现象极少，但触摸石刻的现象较多，石刻使用单位存在乱搭乱建，故意遮挡石刻的现象。石刻受到自然侵蚀破坏有加剧的趋势。以七星岩石刻为例，文献资料记载石刻70件，但经过调查后发现，现存石刻的数量为50件。再如独秀峰太平岩石刻，因经历抗战时期以来多次被破坏，资料中记载有石刻29件，但现今除洞口有一两件残刻外，其余均已无存。文物破坏是一种不可逆的过程，因此，桂林石刻的保护面临比较严峻的问题，对现有石刻进行抢救保护性的全方位信息记录、整理和研究及开发展示已十分迫切。

传统的摩崖石刻资料收集手段为照片文字资料及拓片资料采集。这种办法采集速度快，设备投入成本低，一部单反相机即可进行采集，甚至一部像素较高的智能手机都能勉强胜任。技术难度低，采集者只需要简单的操作即可采集照片、文字资料。绝大部分地区都有条件进行照片文字资料数据库的建设。缺点在于效果一般，精度有限，对于摩崖石刻展示而言不够直观立体，且受照片拍摄角度与技术的限制，照片质量不可控，对摩崖石刻展示而言，由于拍摄角度与光线等因素的不同，会存在一定程度的信息误导性。测量手段相对落后、精度不高，对于后期石刻修复没有实际意义，虽可以拓片形式进行弥补，然而对于石刻病害修复以及防治而言，信息精度方面的缺陷十分明显，比之古人临摹书画再进行复刻尚有一定差距。

基于传统石刻收集手法的缺陷，结合现有信息化技术的发展，石刻资料的收集手法大体有以下发展方向：第一种是Pitgui等其他全景照片合成720°旋转实景展示及各种VR软件平台制作展示技术。目前已广泛应用于博物馆虚拟展厅、房产类网站及其他商业用途。相对于普通照片而言，直观性与可浏览性有极大的增强。然这种技术精度依旧有限，对于研究修复而言效用有限。相对于各种传统摩崖石刻的保护展示而言，已可算作里程碑式的进步。第二种则是摩崖石刻三维数据库及平台建设。近年来数字化三维扫描技术飞速发展，并在文化遗产保护方面得到了广泛的应用。随着现代科技的快速发展，文化与科技的联系日益紧密，数字博物馆便是文化与科技充分融合的经典实例[1]。国内文物单位对三维数字化的探索已有二十多年的历史，从石窟寺、博物馆、古建筑到考古发掘现场，国内外相关单位进行了卓有成效的探索。利用相关设备所采集到的文物三维数据已可精确到微米级，相对于传统的测绘手段而言，其精确度有着质的提升。

文化遗产的数字化保护就是利用当代测绘遥感和计算机虚拟现实技术，以数字化方式将文化遗产的全部动产和不动产真实、完整地存储到计算机网络，现实真三维数字存档，供保护修复、复原以及考古研究和文化交流使用[2]。结合这一信息化技术，桂林摩崖石刻数字化将能最真实的记录现有石刻的相关信息。第一步通过三维扫描技术，建立摩崖石刻大量现场三维信息数据库，为摩崖石刻的保护与研究工作提供文字与影像兼备的详细资料，为今后的摩崖石刻保护与研究打下良好的基础。同时，数字三维数据的应用能兼顾摩崖石刻保护与展示。第二步经过对三维扫描所得数据进行再加工，进而制作完成高精度的摩崖石刻3D数字文物可以代替实体场景、岩洞、石刻用于高清的互动展示及研究，并可以此为基础建立桂林摩崖石刻综合性展示服务平台。

二、桂林摩崖石刻三维数据库建设

桂林摩崖石刻由于其不可移动性，以及背后岩体的阻隔，使得通常所用的文物三维扫描手法不再适用于摩崖石刻。摩崖石刻所在环境的复杂性，使得三维扫描相对于其他可移动文物而言，有着更多操作上的不确定性。某些石刻更是高达十数米，对扫描而言难度大为提高，因此，桂林摩崖石刻三维数据库建设工作有着更为复杂的操作模式与要求，对此我们进行了大量的研究与论证，得出了以下心得经验：

（一）高精度摩崖石刻三维数据采集

根据摩崖石刻环境的特殊性，为实现对不同尺度对象的高精度三维扫描，可采用多种不同分辨率和不同精度的三维扫描仪进行三维数据采集，主要用的设备可以有如下几种：

1.大场景激光三维扫描仪

这种扫描仪属于脉冲式扫描类型设备，这种扫描仪激光波长532纳米左右，扫描距离可以达到300米以上，扫描速度5万点/秒以上，扫描精度4毫米以上。该类设备对于石窟寺、遗址公园等大场景的扫描具有得天独厚的优势，因此，可将其应用于桂林以某一面山体为基体的摩崖石刻场景扫描也是较为适用的选择，如龙隐岩、龙隐洞大场景的扫描。扫描所得场景数据可用于数据库的建设、三维虚拟游览等，但是具体到单件石刻，精度有所欠缺。

2.中远景激光三维扫描仪进行相位式扫描

这类扫描仪激光波长785纳米左右，扫描距离120米以上，扫描速度97万点/秒以上，扫描精度2毫米以上。该设备可用在岩洞整体三维形状的扫描、如龙隐岩、龙隐洞等石刻较多的岩洞整体扫描。扫描精度略高于脉冲式扫描设备，可与脉冲式扫描设备所得数据相结合，可用于摩崖石刻三维游览平台的建设，同时可用于石刻数据库中单件摩崖石刻的载体，将精度较高的单件摩崖石刻嵌于其上进行立体三维展示。对于研究相邻摩崖石刻之间的关联有着更加直观的印象。

某些单件石刻所展示出来的信息往往能从相邻石刻中得到验证以及深入的发掘，如龙隐岩的元祐党籍碑、周边石刻多是不同时代文人墨客游览此件石刻所作，对于该件石刻的研究而言，这些石刻可算作一个整体，石刻之间的诸多关联，相对于现场观摩，该游览平台的展示当更为直观清晰、对于此石刻群信息获取有着现场观摩所欠缺的便捷性。同时，通过三维扫描结果摩崖石刻病害的分析具有十分重要的参考价值，如石刻渗水源头寻找、依据岩体形状对挡水碑檐制作方案进行评测、摩崖石刻周边危岩加固。

3.中小型文物高精度结构光三维扫描系统

可采用光栅式三维扫描类型设备，这种类型扫描设备扫描范围一般在5米以下，扫描精度可以精确到微米级别，大部分摩崖石刻、佛像、雕刻的精细扫描可采用此类设备。对于大型石刻如独秀峰的巨幅摩崖石刻南天一柱，可配合三维摄影测量系统实现高精度扫描。此类扫描仪所得三维数据是整个石刻三维数据库的核心与基础所在，所得高精度数据对于摩崖石刻的测量、研究、保护都有着永久性的价值，对于某些因为技术或者其他方面原因而无法体现在石刻拓片与照片上的信息、对石刻的研究有着不可估量的重要作用，某些因风化、流水侵蚀等一些病害而导致石刻表面漫漶不清，可通过数字技术进行一定程度的数据还原。在石刻病害方面，石刻表面剥落程度、石刻裂隙具体宽度与深度等的一些详细数据，对于有较大剥落风险的石刻表面加固方案研究与评测以及其他石刻病害的修复方案的研究与评测都有着极为重要的参考价值。

图1 龙隐岩摩崖石刻点云数据

此外，还可采用全站仪测量系统用于摩崖石刻点坐标的测量，实现将摩崖石刻三维扫描数据对齐到大地坐标系上。可选用测角精度在0.52"以上,测距精度1mm+1ppm以上的全站仪等测量系统仪器。

（二）摩崖石刻三维几何模型及纹理映射处理系统

用于摩崖石刻三维模型贴图的照片拍摄可选择像素2100万以上、画幅尺寸5616×3744像素以上的单反相机，对不同摩崖石刻场景或者单件摩崖石刻的变化选用不同的镜头。高清的照片对于摩崖石刻模型后期贴图以及资料加工而言，是十分重要而直观的组成部分。同时，因不同场景自然光的差别，如岩洞口与岩洞深处的光线差距较大，可采用显色指数为90以上的三基色灯管和相应灯架，以提供更为稳定的照明环境。色彩管理设备可采用行业标准爱色丽色彩管理系统。立体摄像的拍摄设备则可采用两台以上高清摄像机，在拍摄现场可采用22"3D高清立体监视器。这些系统可对三维扫描所得数据进行后期整理加工应用。

三维几何建模系统可选用MAYA跟3DMAX等通用建模软件, 该软件可对摩崖石刻点云数据、三角网格等进行数据拼接、精简、平滑、修补等，生成高质量的三角网格模型。之后使用Photoshop软件进行图片处理、Maya进行纹理贴图，最终得到带纹理的三维模型。

（三）展示内容制作系统

将生成的几何模型或者带纹理的模型使用Maya等软件进行双摄像机的配置及运动路径设置，使用After Effects等软件进行视频编辑。

（四）交互式实时渲染技术

开发软件开发交互式实时展示程序，使用户可以自由的设置视点来欣赏摩崖石刻文物的每个细节。开发或租用大数据量渲染引擎，用于大场景模型的实时渲染。渲染所得的摩崖石刻场景可用作单件石刻文物的载体，或者直接用作进行摩崖石刻大场景展示的原始素材。

建立三维数据库的过程是利用三维数字化技术得到摩崖石刻中各文物的高精度几何模型和带纹理模型的过程。三维数字化技术的流程包括三维数据的获取、三维数据的几何建模、三维模型的纹理贴图、虚拟展示等。

三、摩崖石刻数字化展示平台

博物馆信息化已经走过了十余年的历程，在博物馆由收藏型向参与型转变的当下，信息化技术应如何更好地为博物馆建设服务，使博物馆成为公众生活不可缺少的文化需要，实现“和谐互动,共享文化”的博物馆使命，成为各个博物馆探讨和实践的焦点问题[3]。建设数字展厅可用于展示桂林摩崖石刻的宏大场景、建造历史及精美雕像，对于石刻数字化建设的成果展示、桂林石刻文化的普及以及观众的黏度构建有着十分积极的意义。数字化展示平台大体上可分为线上数字化展示平台及线下数字化展示平台两种。

图2 Maya贴图后的龙隐洞三维场景

线下数字化展示平台通常包括摩崖石刻数字化体验厅（场景复原、幻影成像、全息影像、摩崖石刻文物互动体验、AR虚拟现实等）、触摸屏展示、立体电影放映（可采用实景拍摄及扫描摩崖石刻文物渲染结合的方式制作摩崖石刻三维宣传展示片，该展示片可展示桂林各石刻点的优美风光、宏伟气势和历史沿革、刻石背景、人文内涵）等。

线上数字化展示资源往往是线下数字化展示平台建设的基础，而线下数字化展示平台的资源往往亦可应用于线上展示平台。数字化展示平台建设及线下数字化展示平台建设有着密不可分的关系。线上摩崖石刻数字化展示平台大体上可分为摩崖石刻PC端数字化展示平台及石刻移动端数字化展示平台，两者在建设过程中存在千丝万缕的联系，具体则包括PC端网站及网站数字化平台建设、时下热门App平台的小程序建设如微信公众号与小程序的建设、AR虚拟现实、小游戏及各种体验程序等。

随着互联网技术的成熟及虚拟现实技术的发展，互联网三维已经成为人们日常生活的重要部分。石刻三维数据库可以使用三维互联网搭建平台，构建三维网上博物馆。“网上桂林石刻”作为实体桂林石刻的数字拷贝，成为永不落幕的展览馆，同时能激发公众对参观实体石刻的兴趣。另外，通过网络技术增加互动性，可提高游客对历史和文化遗产保护的兴趣。

四、“数字桂林摩崖石刻”综合平台

“数字桂林摩崖石刻”综合平台可用于进行组织管理，并供专业人员和普通公众使用。该平台可分为桂林摩崖石刻文物信息综合管理系统与辅助科研分析系统。

（一）桂林摩崖石刻文物信息综合管理系统

通过该数据库管理系统，以实现对摩崖石刻的树状管理和从石刻图片上选择区域进行切换等功能，利用单件摩崖石刻的各方面属性如碑名、关键词、年代、作者、内容、年款等资料在数据库上查询。开发摩崖石刻三维数据库建立及管理系统，对每件石刻文物建立如下信息，并在服务器端建立摩崖石刻三维数据库系统。

1.摩崖石刻文物编号

规范而清晰的摩崖石刻文物编号，为后期搜索系统的建立，以及石刻拓片藏品数字化建设奠定坚实的基础。

2.高精度摩崖石刻三维几何模型

高精度的摩崖石刻三维几何模型是整个数字化的基础与核心，清晰度与误差率直接关系到整个数字化的成败。

3.高精度三维彩色模型

高精度三维彩色模型的建设对于后期展示而言，是不可多得的可视化资源。对于石刻后期的保护而言，高精度三维彩色模型具有直观而便捷的作用，对于残损以及保存状况堪忧的石刻，对濒危石刻所面临的威胁与病害有最为直观的第一手资料，如石刻周边的植物侵蚀、挂流冲刷、渗水痕迹、石刻所依岩体崩塌、石刻表面较大裂缝、字体脱落等。后期对于该石刻拟采取何种保护措施，如制作碑檐或是制作引水槽、填补石刻空鼓、大型裂缝的填补提供了直接的依据。

4.高清晰照片

高清晰照片对于桂林摩崖石刻网上展厅以及日常资料的查看、桂林摩崖石刻资料数据库都是十分优质而重要的资源。

5.文物的年代

文物的年代对于石刻资料的排序与搜索引擎的建设有重要意义。对于石刻整体研究而言，年代的排序可以作为宏观分析的有利材料。

6.其他信息

大小、重量等为摩崖石刻文物的基本信息，简单而不可或缺，在石刻研究中以及数据库后期建设平台检索方面有着重要的意义。

（二）辅助科研分析系统

根据摩崖石刻三维模型，通过对石刻年代风格，作者书法风格，石刻刻工风格，石刻载体所在岩体的纹理、类型、走向等各方面的分析，实现对摩崖石刻的定量化研究。

总体而言，桂林摩崖石刻数字化平台的建设可以用下图来做一个简单的概括，如图3所示。

五、结语

“桂林山水甲天下，唐宋士大夫度岭南来，题名赋诗，摩崖殆遍”[4]。摩崖石刻在桂林分布广泛，由于其特殊性，保护殊为不易。而摩崖石刻的消失速度由于工业化社会的生产建设等影响及大自然的侵蚀，正在日渐加快。就目前调查状况而言，桂林仅有极少数摩崖石刻进行了数据库方面的建设，大部分摩崖石刻做了拓片资料采集。桂林摩崖石刻数据库建设刻不容缓。高精度综合的摩崖石刻数据库，对于桂林摩崖石刻的展示、内涵发掘、保护、研究以及后期修复而言，有着不可替代的作用。

图3 桂林摩崖石刻数字化平台的建设流程示意图