浅谈数字化图像技术在蓝田水陆庵的应用

浅谈数字化图像技术在蓝田水陆庵的应用
　　作者：西安文物保护修复中心 王展
　　蓝田水陆庵是在唐代悟真寺水陆殿的基础上发展而来的，它位于陕西西安蓝田县城东10公里的普华镇王顺山下。现寺院中的水陆殿是明嘉靖四十二年（1563年）至明隆庆元年(1567年)修建。殿内各墙壁精雕细塑着大量泥制彩绘塑像、壁塑和悬塑，是陕西省年代最久、规模最大、保存最完整的彩绘泥塑群。1996年水陆庵被公布为第四批全国重点文物保护单位。
　　随着信息技术在我国的发展，20世纪90年代开始，在文物领域，敦煌、故宫等文博单位进行了数字化图像技术的应用研究，已积累了许多经验。2003~2006年，美国梅隆基金会和西安文物保护修复中心合作在水陆庵开展了数字化图像技术的应用研究。
　　这次中美合作是基于从本质上改变二维高清晰数字化图像研究应用对象，以尝试高清晰二维图像拍摄及后期处理技术在水陆庵彩绘泥塑群应用的可行性，并且对三维测量测绘及三维扫描技术进行了试验性研究。
　　蓝田水陆庵泥塑是我国古代雕塑中的珍品，其间的塑像、壁塑、悬塑讲述了大量的佛经故事，有“小敦煌”之称。作为珍贵古代文化遗产，蓝田水陆庵泥塑具有篇幅巨大、数量多、体态大小各异、雕塑工艺精湛、色彩丰富、不可移动等特点。它们分布在水陆殿内，在左右前檐墙、南北山墙、后檐墙、背光墙两面、左右横墙两面，总计有13面墙壁，面积400百多平方米，约3700余尊彩绘泥塑。
　　水陆庵的泥塑主要是用泥土雕塑并插悬在泥土墙上，内容、结构和彩绘保存了多种历史、艺术、文化和雕塑的信息，具有极高的艺术、历史和佛教研究价值。由于在数百年的风化侵蚀和自然灾害的破坏下，存在土墙空臌、塑像脱落、颜色蜕变等诸多病害。虽然，西安文物保护修复中心已经对水陆庵壁塑保存现状、风化机理和加固技术等诸多方面进行了研究和保护。但是，利用数字化图像技术，存储翔实准确的多层次、多元化和多媒体的数字资料十分紧迫和必要，这种数字化信息必将对今后的管理、保护、研究、交流等具有重要意义。
　　蓝田水陆庵水陆殿建筑及泥塑数字化主要应用了四种数字化图像技术，即高清晰数字摄影、虚拟漫游、三维测量测绘、三维扫描。这四项技术都由两部分组成：现场原始数据资料的采集和后期计算机处理制作。在这两个方面，四种技术是多元性的，有着自身独特的现场采集手段和技术及后期处理方法。虽然，在某些方面，比如被拍摄文物局部细节的清晰程度、色彩还原逼真一致，形象的栩栩如生以及与周边环境关联等，几种技术各有优势及利弊，但几种技术在水陆庵同时应用，可以扬长避短，相得益彰，可以达到全方位、多信息的数字化文物数据。实际应用中，考虑各项技术的现场采集和后期处理的实现难度和应用成本，确定所用技术图像的采集、处理的技术指标，保证未来在文物工作中应用的性价比和效果。
　　在古代寺庙中，许多古代建筑内都保存着大型泥塑或泥塑群或壁画。由于中国古代建筑，尤其木构建筑的特殊结构和布局，使其内部存世的泥塑、壁画的二维平面图像拍摄存在不少难点，如光的使用、幅面大小、体态大小各异等，以至这些珍贵的文物没有整体的和局部的高清晰图像资料。数字摄影技术的发展打破了传统摄影的种种局限，尤其在计算机软件这个“暗房”的帮助下，使许多传统相机和暗房难以驾驭的拍摄方法得以轻易实现。这使多种不可移动文物的二维图像采集成为可能。而且，随着数码相机的成熟发展，其主要优点成像精度和色彩还原已经可以满足文物数字信息的需要。在美国梅隆基金会资金的支持下，敦煌博物院和美国西北大学Harlan Wallach先生，曾在敦煌壁画上使用了数字图像技术。蓝田水陆庵就是在此基础上，从平面的壁画到立体的彩绘泥塑群，为了更深层次的数字化技术的突破，2004年中、美合作对水陆庵北山墙进行的局部试验性拍摄和处理，解决了立体泥塑分区采集图像的景深变化、光线一致以及三向水平误差和后期处理拼接等难点问题。2005~2006年，完成现场图像采集和后期处理，获得的图像色彩还原逼真，图像完整及高清晰度的文物数字信息，其中单幅图像1420张，每张4096×5456 像素，1毫米细节可见，制作了13面墙的完整图像。
　　VR虚拟漫游 (Virtual Reality)是通过由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的人工环境——虚拟环境。这种虚拟环境是使用者在视、听、触、嗅等感知行为处于虚拟三维的逼真体验中。通常在文物领域，主要使用的是三维全景虚拟现实（也称实景虚拟），这种技术是在数字摄影技术的基础上，使用特殊的拍摄器材和专门的计算机软件得以实现。水陆庵的实景虚拟是根据该技术的特点，以营造良好的自然光照效果，使漫游者有身临其境感为目标，选择了7个图像采集点，基本做到了参观路线与泥塑内容的统一。
　　三维测量测绘是使用激光测量测绘技术，通过人为对实体的几何空间规律进行定点，获取各个点的三维空间坐标，使用数字建模软件形成三维模型，再辅以数字摄影贴图，可以达到实体三维场景再现。水陆庵的应用还在这种技术的基础上，结合摄影测量技术，获取了诸如墙面、屋顶等全部的三维空间数据，使水陆殿的三维模型更加真实可靠，并且，由三维数据模型可以获取大量的建筑参数，如建筑的任意高度平面和剖面图。这种技术在古建保护的规划、设计以及施工中有高的使用价值。
　　三维扫描是一种逆向工程RE（Reverse Engineering），也称三维激光扫描抄数，是通过三维激光扫描仪或者三坐标测量仪对物体表面进行三维扫描或测量，获得物体的三维点云数据，再利用逆向工程软件对获得的三维扫描数据进行整理、编辑、获取所需的三维特征曲线，最终通过三维曲面表达出物体的外形。随着三维扫描的发展，其扫描精度已能达到毫米乃至微米级。该技术在水陆庵的应用是我国首次将近距离的高精度扫描使用到文物泥塑群体上，虽然是试验性的，但是也获取了北山墙部分泥塑的翔实而精确的三维扫描图像，精度达到0.4毫米，处理得到的三维图像数据非常完美。
　　三维扫描在水陆庵的应用表明，该技术应用设备、软件非常昂贵，特别是对专业技术人员的综合技术、艺术水平要求甚高；现场采集和后期处理的数据巨大；水陆庵三维扫描得到泥塑完整三维图像数据，在使用上也需要设备、软件等的很高支持。但是，其形成的数字化信息，在文物管理、文物研究、文物保护等领域的应用价值是极其重要和必要的。
　　文物图像作为最直观的文物数字资料，是一个时代为后人留下的最宝贵的文物资料。数字图像技术的应用，可以全面保存文物的各类不同信息数据。多样的文物图像，作为一种多媒体的数字化载体，能在文物管理、研究、保护、交流、教育中发挥非常重要的作用。
　　目前，项目组正在对水陆庵数字化图像的应用所获取的数字资料进行整合，以追求各方位的泥塑资料，对水陆庵泥塑进行全面的阐释。　　
　　在文物领域，水陆庵应用的几种数字化图像技术并非首次使用。但是，对于水陆庵泥塑群，在许多方面面临的难点、重点及解决的技术手段问题，在一定程度上，对于这几种数字化技术在文物领域的应用推广有着借鉴意义。
　　二维数字化图像技术如数字摄影、实景虚拟发展比较成熟，在有限的资金条件下，能够保存满足文物文博需要的数字信息，可以普遍推广和应用。
　　三维测量测绘对有规律的几何实体能够充分发挥功能，在硬件、软件保障的前提下，有选择性地使用在文物领域，可以发挥其便捷、成本较低的优点。
　　三维扫描（贴膜）技术，尤其三维有色扫描技术可以获得以往无法获得的文物外形数据和色彩数据，应是文物图像资料保存最好的选择。目前，这项技术尚处于发展研究阶段，对于不可移动文物、复杂的场地及实体，软硬件的高要求和价值昂贵、海量的采集数据、浩大的后期制作工作量，在有限的文物资金中应用难点较大。但是，应用在馆藏的小型可移动文物上，应是博物馆数字化的很好的选择。
　　信息技术的发展，可以采集制作可移动文物和不可移动文物的各种数据资料，如何将这些各有所长的资料有机组合，如何面向不同的用户群体利用好这些资料，将是下一步应用研究的对象。