龙隐岩龙隐洞石刻三维数字化研究

肖 瑾 桂海碑林博物馆

三维数字化技术的出现和发展为文物保护提供了方便快捷的手段和先进的技术支持。该项技术可准确获取文物的三维坐标，其与传统技术相比采样率更高、速度更快，且无接触，使文物本体及其所处的大遗址环境的全方位信息得以永存。对此，现以龙隐岩龙隐洞石刻数字化项目为例，阐述三维数字化技术在该项目中的应用。三维数字化技术的应用不仅为石刻研究与展示提供了充足的文字影像资料，也将文物承载的信息全面准确地传递给大众，为桂林石刻数字化发展打下了坚实基础。

现有的文物保护技术有效地保护了文物本体、载体及其赋存环境，但也只能延缓文物受到外界侵蚀的进程，无法实现文物的永久保存。三维数字化技术的出现和发展为文物保护提供了方便快捷的手段和先进的技术支持，使保护文物的方式更加多样化，大众获取的信息更加准确全面。三维数字化技术通过对石刻所处空间、外形和结构进行三维激光扫描，以获取石刻的三维坐标，再将石刻的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，进行石刻数字化重建，最终建立石刻三维数据库。三维数据能使文物本体及其所处的大遗址环境的全方位信息得以永存，并且在文物研究、展示、修复和病害监控等方面拥有广阔的应用前景。

项目概况

桂林石刻包括摩崖石刻、摩崖造像和碑刻，其中以摩崖石刻为主，现存石刻2000余件，是唐、宋以来摩崖石刻留存最多的地方。其中龙隐岩龙隐洞石刻是桂林石刻最为集中、典型的地点，镌刻有自唐代以来历代诗人名士留下的石刻213件。龙隐岩龙隐洞石刻文体多样，有题名题记、诗词曲赋、赞颂歌铭等，主要内容包括游记性题名、题榜，抒情写景诗文，历史记事等，具有重要的历史、文学和艺术价值。龙隐岩龙隐洞石刻以石灰岩自然山体为载体，因为长期受到自然环境和人为因素的综合作用，损坏非常严重，且传统的静态展陈方式比较单一，不利于石刻文化的传承和传播，所以现阶段对桂林石刻进行抢救性保护和建设桂林石刻数据库已经非常紧迫且必要。

近年来，三维数字化技术飞速发展并在文物保护方面得到了广泛的应用，最具代表性的项目有：龙门石窟三维数字化工程、敦煌莫高窟壁画数字化保存等。龙隐岩龙隐洞石刻数字化项目借助三维激光扫描技术，对现有石刻的全方位信息进行记录、整理和研究，将石刻本体、载体及其赋存环境情况模拟到计算机系统中，创建文物信息数据库，为石刻保护、研究与展示提供了充足的文字影像资料，既可以最大限度地保护文物本体载体，又能将文物承载的信息全面准确地传递给大众。这为桂林石刻数字化的全面实施提供了参考。

三维数字化技术

三维数字化技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，能以无接触、无损害、全方位和完全数字化的方式准确、有效地记录文物的真实信息，还能以虚拟的方式进行展示，对促进文物的保护、研究、展示及利用具有十分重要的意义。

三维激光扫描技术

三维激光扫描技术出现于20世纪90年代中期，是继GPS之后的又一项高新技术。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，可以大面积、高清地快速采集文物表面的坐标、反射率、颜色等信息，并根据采集到的信息构建文物三维模型，为后续的内业处理、数据分析等提供准确数据。三维激光扫描技术根据搭载的扫描平台不同可划分为机载测量系统、车载测量系统、地面测量系统和手持测量系统等。其中地面测量系统和手持测量系统广泛应用于古建筑保护、文物考古等方面。

近景摄影测量技术

近景摄影测量技术是摄影测量与遥感学科的一个分支，是借助人眼的双眼视差，通过拍摄对象不同位置的照片，解析计算出地面坐标，进而重建三维模型。主要包括文物摄影测量、工业摄影测量、生物医学摄影测量三个部分。

虚拟现实技术

虚拟现实技术是借助计算机技术模拟人的听觉、触觉等，应用三维建模技术、交互传感技术以及高清显示技术等，建立三维立体的虚拟现实空间。虚拟现实技术涉及众多高新科技领域，包括计算机、仿真技术等，具有安全、局限少的优势，在文物陈列展览应用中取得了良好的效果。

三维数字化技术在龙隐岩龙隐洞石刻中的应用

龙隐岩龙隐洞石刻数字化项目是桂林石刻数字化的试点项目，涉及石刻数量超过200件。该项目采用三维数字化技术对龙隐岩龙隐洞石刻外形构造、色彩、纹理、历史背景、环境等多维度信息进行数字化记录，依托先进的扫描设备群与计算设备，创建三维重建展示系统、石刻数字化系统等，为文物保护提供强有力的技术支持，全面提升文化遗产展示水平和传播能力。

数据采集处理平台与三维数据库

龙隐岩龙隐洞石刻数字化项目应用三维激光扫描技术对摩崖石刻进行三维点云数据收集，将采集的数据进行配准、去噪、取样等处理，使三维模型更加精细准确，并利用高分辨率相机将采集的纹理映射出来，最终生成摩崖石刻高精度模型，实现石刻数字化重建和构建桂林石刻数据库的目标。

1.点云数据采集

本项目的点云数据采集利用高精度结构光扫描仪、大场景激光扫描仪、数码相机来完成，对龙隐岩龙隐洞213件石刻和大场景、外立面、岩洞整体三维形状进行高精度三维数据采集。点云数据采集前应根据项目数据采集高精度的要求和岩洞现场采集高难度的特点，对摩崖石刻所处的自然山体、测区周围地理情况与相关测量信息进行综合分析，实地勘测作业位置，编制三维数据采集方案。该项目因涉及范围较广，扫描区域较大，且山崖前方临水，因此选择在多个区域设置扫描测站，对不同范围、距离的作业区，设置对应的扫描参数，以实现高质量的数据采集和对石刻细节的展现，确保石刻采集数据更加精准全面。控制点测量的目的在于对多个测站间的数据进行转换与拼接，利用三维激光扫描仪获得自定义直角标；另外，若想采集石刻实际地理坐标，可创建控制点进行坐标转换。

2.数据预处理

外业点云采用三维激光扫描仪、建模软件等进行数据预处理，包括数据配准、去噪以及采样等一系列操作流程。

（1）配准。石刻三维数据需要采集多个不同的扫描区域，并通过数据拼接来完成，但每一个点采集的数据都有独立的空间坐标系，所以要建立一个完整的三维几何模型，就要进行三维数据配准。该环节作为数据处理的首要流程，可为后续操作打好基础。此外，配准精度还会直接影响后期建模精度。

（2）去噪。三维激光扫描仪在采集数据时，受到震动和外部环境等因素的影响，会产生噪声点，以自身误差、偶然噪声为主。在数据预处理期间，先用建模软件对粗差点进行剔除，再对采集数据进行计算，删除差异较大的点，最后对数据进行优化。

（3）采样。在正式采样之前要对数据边界、点云曲率中较大的点位进行计算，并将此类点剔除，人为设定曲率优先级。采样期间尽量压低间隔值，使采集的点云密度增加，以采集到更为完整的石刻表面点，并将更多数据特征点保存下来。

3.三维建模

建模的目标是对分散的点云数据进行统一的数学描述，将石刻原始形状准确地展现出来。以往描述对象多用曲面形状，但石刻表面粗糙不平，故该项目选用三角网进行描述，用众多三角面描述石刻的表面，使三角网顶点的信息能够准确地传达出来。

（1）封装处理。在建模软件内，将点云数据划分为以曲面为基础和以体积为基础两种类型。在项目封装期间，由于石壁上带有许多大褶皱岩块，当数据投影到拟合平面后，便会出现漏点问题，导致构造曲面带有诸多漏洞。建模软件具备自动检测孔洞的功能，根据孔洞形成一个检测孔洞边，并根据边的连接明确洞的数量，结合石壁自身特点，采用曲率填充方式剔除畸形点。

（2）优化凹陷点。在孔洞填充完毕后，目标对象的雏形已基本完成，对表面质量缺陷进行检验，将尖角、粗糙、钉状物等去除，使表面更加完善。例如，石刻表面存在许多多边凹陷情况，因部分角度较为隐蔽，激光反射性较弱，凹陷位置点云数据较为稀疏，所形成的三角网较少，数据质量较低，因此需要对稀疏面块进行编辑和优化，将多边形进行细分后，再将尖锐处打磨圆润。

（3）简化无特征部分。经过封装处理后，目标对象表面特点、空间信息被充分记录下来，后续可以根据纹理信息创建模型，但是模型的精度会对贴图效率产生较大影响。对此，应采取数据压缩的方法，在纹理贴图之前先对其无特征部分进行简化，把石刻特征完整地保留下来。

4.内业建模贴图

纹理可将石刻表面纹路和字体展现出来，在内业贴图期间应完成纹理采集、映射处理等工作，具体如下。在纹理采集时，利用高清相机获取石刻影像信息，再利用PS软件对相片进行处理，经过拉伸、裁剪等一系列操作后获取石刻表面信息，确保石刻原有外观完整统一。在纹理映射时，为满足可视化的要求，应对真实景观进行还原，将真实色彩加入模型内，实现纹理映射的目标。在纹理贴图时，因为石刻表面粗糙坑洼，所以利用UV贴图法可以获得模型投影。

三维数字展厅

利用三维数字化技术对石刻的高精度纹理进行采集，并通过三维数字展厅将龙隐岩龙隐洞的宏伟场面、精美石刻充分展现出来。一方面，建设三维电影放映厅，将实景拍摄与文物渲染有机结合起来，制作三维宣传展示片，展现龙隐岩龙隐洞石刻的气势与建造历史。另一方面，建设虚拟现实展示厅，通过近几年科技界最热门的虚拟现实技术，对采集的三维扫描数据和纹理数据进行整合处理，建立龙隐岩龙隐洞的三维虚拟空间。游客戴上虚拟现实设备后，不仅可以在虚拟岩洞内自由行走，还可以通过传送、放大和讲解等多种方式近距离观察岩洞内的石刻和环境细节。虚拟现实技术是对博物馆陈列展览的重要补充，既可以解决文物保护与参观游览的矛盾，又有助于人们进一步领略石刻的艺术之美。

石刻病害调查

龙隐岩龙隐洞石刻镌刻在山石之上，以石灰岩山体为载体，处于无保护的露天或半露天保存环境。因长期受到自然、人为等因素的影响，发生了复杂多样的病变。近几十年，龙隐岩龙隐洞有近30%的石刻被碳酸钙或苔藓覆盖，字迹模糊不清；还有部分石刻风化严重，残损不全。龙隐岩龙隐洞石刻三维数字化项目利用三维扫描数据构建了石刻的三维模型，在进行石刻病害调查和编制病害防治方案时可以在三维模型上标示出地质病害，直观地将问题呈现出来。也可以通过建模对岩层进行稳固性评估，做好预防性保护措施。对于受条件所限无法近距离进行岩体病害调查的石刻及其环境，可以采用三维激光扫描仪远距离、高精度地采集石刻点云数据，生成石刻三维模型，进行病害分析。同时利用三维激光扫描技术精度高的特点，采集不同时期的石刻三维数字信息，对比不同时期文物的三维扫描数据，可以得出文物的变化规律和特点。

石刻修复与复制

对于受病害影响出现破损的石刻，可以应用石刻虚拟修复技术进行修复，即利用三维数字化技术对石刻进行扫描获取三维模型后，利用文献典籍中保存的原石刻文字信息，在计算机中进行虚拟修复，从而实现不可移动文物无接触的反复利用。对于需要移动展出和残损消失的石刻，可以利用3D打印技术制作石刻3D打印复制品以供陈列展览使用，减少参观游览对石刻文物的损伤。3D打印技术复制精度高、还原性强，不但实现了石刻的高精度复制，也解决了不可移动文物外出展览的问题。

石刻拓片数字化

拓片是中国古老的传统艺术表现形式，是使用宣纸和墨汁，将石刻上的文字或图案清晰地拓印下来的文化样式，具有很高的历史和美学价值。石刻拓片数字化就是通过三维数字成像仿真拓片技术、文字图像校正技术、数字拓片背景建模技术、墨汁与宣纸扩散渗透效果模拟技术、缺失字体修复技术等获取拓片形体、纹理、质地和材料等数据信息，再利用三维数字化技术生成石刻的数字拓片并建立拓片数据库，以实现拓片内容数字化和检索手段的现代化。石刻拓片数字化不但可以促进拓片资料资源共享，而且能够减少对拓片原件的损害，让拓片这门古老的传统技艺焕发新的生命力。

数字博物馆

随着基于互联网的云漫游展示平台技术的成熟以及虚拟现实技术的发展，尤其是智能手机、平板电脑等数字终端的智能化，数字博物馆的概念得以真正实现。数字博物馆就是利用石刻三维数据库和互联网等新兴技术搭建平台，将文物进行数字化，并结合展陈的互联网化，通过生动有趣的方式展示文物的外形构造、色彩、纹理、历史背景、环境等多维度信息，构建文物云漫游展示平台，使游客不用亲临博物馆就可以在网上近距离欣赏文物，增加了游览的互动性，提高了游客的兴趣。数字博物馆的开发有利于桂林石刻文物和“摩崖石刻传拓技艺”非物质文化遗产的保护和展示，同时还能够促进中华优秀传统文化的传承和传播。

综合平台开发

该平台由文化旅游系统、文物信息综合管理、辅助科研分析系统构成，通过数据库进行文物管理，还可以自由切换图片选择区域，根据对象属性进行数据库查询等。该平台支持三维模型、文字与图片综合管理，还可以截取高清图像信息，对三维模型进行分析与测量，获取最为准确可靠的测绘资料，支持多人同时在客户端浏览文物。通过辅助科研系统的应用，可以对石刻进行定量化研究。在交互式辅助线图绘制系统的支持下，其可与石刻信息管理系统联合应用，取得更加理想的管理成果。

综上所述，对龙隐岩龙隐洞石刻进行三维数字化保护，与传统保护方法相比有着巨大的优势，能够对龙隐岩龙隐洞石刻进行完整的、永久的记录，充分满足石刻文物展示、存档与研究的需求，还可以将摩崖石刻空间信息真实展现出来。新的技术手段推动了桂林石刻文化的传播，让更多人有机会接触并欣赏桂林石刻之美，也大力推动了石刻文物保护管理的现代化进程，为桂林石刻数字化发展打下了坚实基础。