位于山西大同的云冈石窟,一千五百年屹立不倒.但通过精细的测量手段,保护它的人知道,每年在自然状态下,洞窟每平方米平均有超过10立方厘米砂岩剥落.
看似微不足道的形变,放在十年,百年,千年的尺度里,便十分可观.虽然文物保护的手段越来越丰富,但石窟的退化遵照自然的法则,无法彻底遏制.
保护者正通过别的方式,挽留这些精美而历经沧桑的佛像.云冈石窟研究院通过数字化技术,正在将石窟的信息全部记录,重现在数字空间里,再利用3D打印,将这些洞窟等大,逼真地再现.
云冈45个大窟和200多个小窟分布在武周山南麓,自东向西延绵一公里,其中立着约5.9万尊千姿百态的佛像.这些融汇中国,印度,希腊,罗马等中西风格的壮丽石窟,一千五百年来与山融为一体,俯视大同.
如今,被"复制"的云冈大佛们,走出大山,走进青岛,北京,杭州等地,未来还计划环游世界.
10月20日晚上7点,潘鹏跟同事打着手电,走进云冈第十一窟的窟檐.窟檐是一座三层仿古木质建筑,为了保护石窟所建,紧贴在石窟外面,相当于一层外壳."壳"内还可以安装设备,为石窟调节干湿度.
这一天大同气温骤降,晚上已经低于10℃.他们穿着抓绒开衫,外面套上冲锋衣,冷气依然侵入身体,保温水壶必不可少.
一台无影灯和棚闪灯投向工作区,将黑暗的石窟照亮.李泽华和王超拿着单反相机,拍摄东壁最后剩余的一部分,在内壁投下巨大的影子.为了补光均匀,相机都安装了特别的环形LED补光灯.窟檐里的工作准备区,立着十几个棚闪灯,无影灯,各种器材的黑色充电器铺了一地.
他们站立的地方,是距离地面十多米的脚手架,脚手架上铺着木板,行走时会晃动.脚手架的钢管从地面升起来,纵贯石窟,每隔1.5米左右分为一层.
第十一窟的数字化采集在今年国庆假期后启动,前几天刚完成窟顶第一层的工作,第一层木板随即拆除.现在是从上往下数的第二层,仰头就是窟顶.王超从木板上小心走过,脚边不远,木板边缘已经露出半个佛头.
当天白天,洞窟里还进行了另外两种采集工作:手持三维扫描和站式三维扫描.
庞博手持三维激光扫描仪,如超市收银的扫码器大小,一点点在壁面前移动,与之相连的电脑上实时出现扫描出的画面.没接收到的地方,就形成一个黑洞,他一边扫一边盯着电脑检查,随时弥补缺失.
站式激光扫描仪则在整层基本采集完时启用,定位在一点,自动对周边空间进行360度扫描.站式激光扫描仪对稳定性要求极高,扫描时周边不能有任何晃动,除了负责操作的王家鑫,其余人全部退出洞窟.
近景摄影测量,手持三维激光扫描和站式三维激光扫描,三种采集方式各有所长.
"摄影的优势是像素比较高,纹理十分清晰,但由于是二维转三维,空间结构有误差.激光扫描的空间坐标准,可以对摄影测量进行校准,使得三维结构更准确."云冈石窟研究院数字化室第十一窟数字化项目负责人潘鹏解释.站式三维扫描则可以记录整个洞窟的空间尺度,就像定制一个尺寸标准的框架,将此前采集的三维图像装进去.最终产出的结果,是准确的三维彩色模型.
这三种方式结合的技术方案,云冈石窟数字化团队探索了10多年才形成.
云冈的约5.9万尊佛造像,最高达17.3米,最小仅2厘米高,拇指大小.他们一寸寸采集图片和数据,正在将让这些佛造像在数字空间里"重生",永远保持今天的容貌和色彩.
一夜的赶工,第十一窟的第二层数据采集全部结束.
近景摄影组的两台单反相机,每台每天大约要摁1万次快门,一共采集近2万张照片.一个项目完工,要采集50万张以上,快门基本被摁到失效.最困难的部分是佛龛内的死角,他们得换用卡片相机,"凹"出各种姿势,伸到佛像的耳后,侧面拍摄,脚下要注意安全,手上又不能触碰文物.
10月21日一早,工人师傅入场,拆除第二层的木板.拆完以后,木板将移到第三层铺设.整个过程持续一到两天,整层的数据采集需要一天半到两天,加起来,每一层的工作需要4天完工.
"一共搭了九层,还有七层,那就是28天左右."潘鹏算了一下,"必须抓紧工期了,要不然到时候就很冷了."
他预计到11月下旬,窟内的采集就要停止了.前车之鉴就在眼前,前几年岁末年初,他们做了第十二窟的数据采集,当时气温低到相机自动关机,设备接连出了问题.
数据处理员赵晓丹的工作环境稍好,不用在窟内受冻.在办公室,她负责将前方拍摄的照片导入电脑,快速浏览检查,剔除不合要求的照片,然后导入图像处理软件.软件会自动提取每张照片的特征点,抽离色彩信息和几何特征,变成间隔0.02毫米的一个个点源.由点连成线,三条线组成一个面,面与面合成空间,完成从二维照片到三维模型的初步处理.
云冈石窟研究院数字化室的办公室里,五台电脑承担着这项工作,每台电脑的显示器连接多达5台主机,才能满足运算能力.这样"叠罗汉"式的配置,能够用一夜时间处理当天拍摄的1万至2万张照片,白天则继续处理前晚加班采集的数据.
每当一个新的采集项目启动,这些计算机都嗡嗡作响,夜以继日.
最让赵晓丹担心的是,有时候算了一夜,结果计算出的模型出了差错,他们称之为"跑飞了".有时,庞大的运算量还会让计算机宕机,只能从头再来.不过,云冈石窟研究院正在建设文物系统第一个先进计算中心,他们将"鸟枪换炮",拥有更大,更快的运算能力.
这时,远在深圳的合作工厂里,数十台3D打印机将三维模型的数据,打印成数百个立体模块.其后,美术师与工人师傅一起,为与洞窟等大的十几米高3D模型上色.
这个过程将持续8个月.去年夏天,平面设计出身的赵晓丹在深圳待了两个月,为此前采集完数据的第十二窟模型上色,"画面十分壮观."
今年6月,浙江大学艺术与考古博物馆迎来一个完整的云冈洞窟.通过3D打印和组装,第十二窟被等比例"复制+粘贴"到杭州.
这是浙江大学文化遗产研究院与云冈石窟研究院联合完成的世界首个可拆卸3D打印数字化石窟,双方希望这个石窟未来能走向全球巡展.
第一个等比例3D打印的石窟,是2017年在青岛城市传媒集团广场永久落地的第三窟.第三窟是云冈最大的石窟,整个项目历经数据采集,数据处理,3D打印,结构体设计施工,打印件拼装,光源设计安装,喷砂上色等工序,历时2年.
"如果你想看云冈石窟,必须来现场,所以有人一辈子都不知道云冈石窟什么样子."云冈石窟研究院数字化室技术员王家鑫说,"最好的方式,就是让文物走到大家身边."
不过,一开始,石窟数字化的目的并非为了展示,而是出于对文物保护的迫切需要.
直观来看,云冈石窟可能每隔十年都有可见的变化.现代技术佐证了这一感受,从2012年起,配合云冈五华洞窟檐保护工程,云冈石窟研究院对第九,十窟的列柱进行了持续表面落沙量监测.监测结果表明,在未修建窟檐前,1平方米的面积上,平均每年大约会剥掉落10点多立方厘米的砂岩.
在一些石窟最内侧的北壁,因山体渗水导致的壁面剥落尤为剧烈,造像已经模糊不清,甚至退化成近乎一个平面,无法知道曾经是什么样.留存当下的数字资料,将为未来弥补这种遗憾.
去年4月,巴黎圣母院遭遇火灾.庆幸的是,此前完成的激光扫描数字化采集,用10亿多个数据点记录了圣母院的全貌,可为重修提供依据.这件事提醒全世界文化遗产机构,为应对不测之虞,必须尽早建立数字档案.
浙江大学文化遗产研究院副院长李志荣认为,当前石窟寺数字化最核心的目的,是了解我国石窟寺文物本体基本现状,用数字化方法,将中国大地上石窟所有信息在21世纪老老实实,系统记录下来.
近期目标来看,她希望5年之后,使中国能得到一个包含石窟寺翔实基本信息的大数据库,各石窟寺都能收获扎实的数字档案,使得其他各项事务都能升级.
在云冈石窟研究院数字化室主任宁波看来,云冈石窟是开展数字化难度最高的一类石窟.
云冈石窟作为高浮雕石窟杰作,体量巨大,"山是一座窟,窟是一座山".而且空间结构复杂,既有印度的穹庐顶,又有北魏皇家的中式宫殿样式,遍布希腊,罗马,印度,中式的建筑,人物,动物,花草纹样的精湛雕刻."那么巨大的体量,复杂的空间,精湛的雕刻,造成的整个三维数字化工作的采集难,存储难,应用难."宁波说.
最早,云冈石窟曾经想借用敦煌的数字化采集方法来做,走了弯路,因为敦煌数字化的对象主要是壁画,而云冈石窟的主体是高浮雕造像."大窟大像,从技术到工程遇到许多实际问题,我们经过10多年的探索,才基本解决了云冈石窟三维数字化采集的难题."
在此过程中,云冈石窟充分借助外力.例如,北京建筑大学最早为云冈石窟解决了外立面数字化难题,浙江大学,武汉大学与云冈研究院合作,提供了充分的技术支持.
由于云冈石窟在全国石窟寺中具有典型性,"当他们来到云冈时,都觉得解决了云冈的数字化采集难题,全国大部分石窟的难题也会迎刃而解."宁波说,这几家共同成立了"数字云冈联合实验室",解决石窟采集,保存和应用难题.
当石窟建立起数据库,更多的历史缺憾将被弥补.一个典型案例,是位于河南洛阳的龙门石窟,曾利用数字技术"复原"过残缺的文物.
龙门石窟万佛洞前室南壁的观世音像龛,体态婀娜优雅,雕刻细腻流畅,素有龙门"最美观世音"的美誉,但这尊造像的发髻以下至鼻子以上惨遭破坏,面目全非.去年,龙门石窟研究院对其进行虚拟复原,不仅重现菩萨面容,还恢复了色彩.
虚拟复原的依据,主要来自四个方面:老照片,三维数据测量,颜色检测分析报告,以及同时期,同类型造像参考.研究人员利用三维扫描测绘数据,首先推断出缺失部位的体积,长宽,弧度等,然后结合老照片资料和同时期,同类型造像规律,进行造型复原.
由于没有第一手的资料,彩绘的复原也相当困难.肉眼只能看到残留的红色和黑色,但颜色检测分析测出了少量金元素,意味着曾有金色.再根据其他洞窟色彩检测和出土文物对照,并考虑到褪色效果,复原了造像的彩绘.
如今,龙门石窟通过APP的AR扫描,纪录片,3D打印等多种形式,让观众在现场和线上都可以看到"最美观世音"的完整面目,并了解虚拟修复背后的故事.
还有一种可能的应用途径,是让流失海外的石窟文物"数字回归".
例如一些佛像的佛头在历史上被盗,经过转手,成为外国博物馆的藏品.被盗文物的追索,仍然是一个难题.不过,在被返还之前,如果能采集到被盗文物的数字信息,就能通过数字化手段让佛像复原.
据统计,全国重点文物保护单位中,石窟寺及石刻超过三百处.石窟寺历史悠久,延绵近两千年,纵使有免遭雷火毁灭的优势,但依然遭受着风化,渗水等自然病害,以及历史上的人为破坏,被盗流失.
此前不久,麦积山石窟艺术研究所数字中心主任董广强在云冈石窟举办的一次石窟寺数字化保护论坛上表示,目前麦积山石窟有数字中心,但没有专业队伍,人员培训和设备增加等没有同步跟上.
麦积山石窟游客量逐年增加,已经达到80万人次,但是由于多数是小型洞窟,绝大多数内部空间仅2至3立方米,平常都是处于封闭状态.董广强称,希望后续根据洞窟内塑像精美程度等因素,完成部分重点洞窟的三维扫描,并在适当位置建立麦积山石窟文物数字展示中心,为更多游客提供数字化参观体验.
全国更多小型,分散的石窟寺,更难以具备专业的数字化技术和团队.
宁波认为,全国石窟数量巨大,在短期内都将存在数字化工作量大,时间紧迫的问题,同时数字化采集,存储标准还不完善,将来的数据所有权也都会面临一些难题需要解决.
全国石窟寺正在通过一些平台联合起来.例如,今年9月,中国文物保护基金会启动"数字重生 -  - 丝绸之路沿线石窟寺数字化保护项目",云冈,龙门,麦积山三大石窟首批参与,探索更多数字化保护利用方式.其长远目的在于,在当前石窟寺数字化工作基础上,推动丝绸之路沿线石窟整体数字化进程.
预计项目周期为6年,前三年更侧重于数字化记录存储,虚拟修复,数字回归,以及探索数字化标准建立,后三年更侧重于展览展示,公众教育,公益活动,以及文化价值阐释和传播,筹资与传播贯穿于全过程.
作为数字化起步较早,技术较为成熟的石窟寺,云冈石窟正在走出去,帮助其他文物单位建立数字档案.
近年来,该团队带着全套设备,走入北京明十三陵的长陵祾恩殿,山西运城广仁王庙,五台山南禅寺以及永乐宫和华严寺等.长陵祾恩殿是难度最大的一个项目,他们待了两个月,花的时间比采集云冈石窟一个洞窟还要多.
潘鹏回忆,长陵祾恩殿难度主要在于体量太大,结构复杂,外部要用无人机摄影测量,内部使用三维扫描仪.大殿地面铺设古砖,无法直接立钢柱,他们自己设计定制了一个气柱,底部为气垫,可以将钢柱升到十米多高,将扫描仪放在上面,扫描高处的建筑细节.
从2005年云冈石窟启动外立面数字化采集开始,至今大约完成整体石窟三分之一的数据采集.不过,随着技术的迭代,这项工作往往需要"从头再来".
云计算,大数据,虚拟现实,知识图谱,人工智能等更多的数字技术,正摆到文保工作者面前.李志荣认为,要对技术持开放态度,新技术的介入将扩展石窟寺保护的手段,升级石窟寺保护的流程,也将提升数字化的标准.
潘鹏说,四五年前进行了第五窟的数字化,现在看,当时的技术已经落后了,数据精度也不如现在.他预计,当前设备采集的数据,五到十年可以保持在先进水平.但在那之后,新一轮的采集或许又要开始了.