三維數字技術在唐昭陵雕塑保護與傳播中的應用研究

張 輝，王怡心，劉煜天

（西安理工大學 藝術與設計學院，西安 710054）

在陜西省境內，坐落著十八座規模不等的唐代帝王陵墓，它們是唐朝國力昌盛的縮影。而位于咸陽市禮泉縣九嵕山之上的唐昭陵是唐十八陵中規模最大，同時也是陪葬品最多的墓葬，其中最為著名的有“昭陵六駿”“十四藩臣像”等石刻雕塑。但由于歷史久遠和缺乏保護等原因導致唐昭陵石刻雕塑出現了不同程度的損毀，再加之近年來新冠肺炎疫情全球肆虐，使得唐昭陵雕塑陷入了前所未有的文化傳播困境。三維數字技術的高速發展以及廣泛應用使得唐昭陵雕塑保護與傳播困境猶如枯木逢春，同時也為其提供了新的發展思路——數字化保護與傳播。

1 唐昭陵遺址雕塑保護現狀及已采用的三維數字化保護方法

從目前的狀況來看,唐昭陵文化遺產已經出現了保護不當甚至是損毀的現象。其根本原因是過度的、沒有科學的發展規劃、研究和旅游開發對唐昭陵遺址內的文物石刻造成了嚴重的磨損損耗，對唐昭陵文化遺產的保護和可持續發展造成了極為嚴重的破壞。重視開發而忽視了保護，只關注文物資源的經濟價值，使文化資源和自然資源遭到嚴重損害[1]。近些年受到氣候影響，九嵕山多發泥石流和滑坡等自然災害，使游客參觀唐昭陵遺址時困難重重，對唐昭陵的文化傳播有很大影響，阻礙了唐文化的發展與交流。唐陵雕塑是我國古代文明的精華，在當今科技背景下，應該通過數字媒介、互聯網及數據信息終端等新方式、新技術，對唐陵雕塑遺址進行保護[2]。針對上述情況，西安理工大學的研究團隊，對唐昭陵以及其他關中十七個陵做了大量三維數字化保護工作，采集了海量現場三維數據。因此對于研究唐昭陵有著豐富經驗和堅實基礎。在此基礎上，本文希望通過全方位的三維數字化技術對唐昭陵石刻雕塑進行三維復原，建立唐昭陵石刻原貌。同時運用互聯網技術進行線上傳播的方式達到鑒物審美的效果，同時，了解祖國歷史，起到文化養心、修身養性的作用。以新穎的方式提供鑒賞與娛樂、求知與審美的多元文化體驗。利用現代技術使文物呈現方式靈活生動，讓更多人喜歡上唐文化[3]。

唐昭陵與現實中很大一部分景區以及文物遺址面臨相似的問題，比如交通不便、保存不善、文化宣傳匱乏。甚至唐十八陵中大多數未發展成為景區，即便是已經成型的景區，環境衛生、旅游秩序、道路交通、基礎設施、配套設施和科學管理等發展也相對滯后。同時近幾年由于疫情原因無法大規模聚集導致景區無法開放，景區完全露天，受天氣影響嚴重，存在文物損毀破壞丟失等現象。以唐昭陵為例，其部分文物現存于西安碑林博物館，與昭陵景區距離80 km，距離較遠，不便參觀。唐昭陵原貌已在漫長歲月中消失，望通過現代科技對此進行部分復原。且目前看來唐陵相關文化傳播途徑單一，只有官方簡易的二維網頁和實體旅游，不具備功能主義。因此提出通過三維數字化手段還原唐昭陵部分模型，并運用三維數字化線上傳播方式來解決以上問題。

項目研究過程中利用圖像處理與三維技術結合的新手段，將3DF Zephyr與EinScan3D以及3D Studio Max三者結合，作為一種創新技術手段運用在數字化文物修復的項目中，這是前所未有的。

首先，使用“先臨EinScan Pro 2X”三維數字掃描儀對唐昭陵“昭陵六駿”進行三維掃描，該三維掃描儀可通過拓展紋理模塊快速獲取物體表面所有的色彩信息，真實還原物體的視覺外觀，同時該三維掃描儀在手持模式下掃描精度可高達0.045 mm，利用標志點進行拼接定位，體積精度可達0.01 mm+0.03 mm，輕松獲取實物的高質量3D數據。

其次，項目中所利用的軟件3DF Zephyr是2019年11月發行的一款無人機圖像后期處理軟件，該軟件可以基于圖像以及視頻數據信息進行快速分辨以及高精度三維模型的自動生成。為用戶提供從數據采集、數據檢驗、數據預處理、模型生成、數據轉換到數據應用和展示的一套完整的實景建模全生產周期解決方案。3DF Zephyr功能豐富強大，能夠處理各種無人機航拍畫面，非常適合用于“唐十四藩臣”雕塑的三維數字化還原工作。

最后一個重要的軟件是3ds Max，三維制作和動畫渲染軟件。相比其他軟件，這個軟件的性價比高，它所能提供的功能和價值遠超其自身價格，同時3ds Max使用的人群廣泛便于交流，網絡上很多教程隨處可見，而且3ds Max具有上手快速輕松等優點，這樣可以大大降低作品的制作成本。關于硬件方面，3ds Max對硬件系統的要求很低，一臺普通配置的計算機設備就可以滿足學習這個軟件的需要，這大大降低了建模和后期實現虛擬現實技術的門檻。

項目中利用全方位多角度的三維數字技術與HTML5互聯網技術相結合的文物修復與虛擬展示方式，這同樣是目前較為先進的文化保護以及傳播途徑，將唐昭陵雕塑整合并制作成為一款三維可交互式瀏覽的數字化平臺。這種實現方式相比現實中對文物雕塑復原來看，利用計算機技術成本低，耗時短，效率高。加之近幾年全球疫情泛濫，施工進程難以保證。且實體雕塑無法做到線上傳播，給文化傳播又帶來了新的難題。而新型沉浸式體驗文物修復新技術在解決了上述問題的同時還能帶來全新的視覺體驗，可隨時隨地參觀唐昭陵傳播文化知識。

2 以EinScan Pro為技術路線的“昭陵六駿”石刻數字化掃描復原

相傳李世民于貞觀十年（公元636年）葬文德皇后于昭陵之后，便命令閻立本、閻立德兄弟繪制其開國征戰時騎過的六匹戰馬，即拳毛騧、什伐赤、白蹄烏、特勒驃、颯露紫、青騅。“六駿”利用浮雕技術雕刻在寬2.04 m、高1.71 m、厚0.3 m的石板上[4]。但由于歷史戰亂等原因，其中兩匹戰馬浮雕，拳毛騧和颯露紫被打破并運往美國，現存于美國賓夕法尼亞大學博物館，而其余四匹戰馬浮雕也受到不同程度的損毀，現狀同樣令人堪憂，現存于西安碑林博物館。

2020年3月16日西安理工大學藝術與設計學院副院長張輝教授，帶領研究生團隊前往西安碑林博物館對“昭陵六駿”石刻進行三維數字化掃描。并使用先臨EinScan Pro 2X 2020掃描儀，且掃描速度出色達到了30幀/s；150萬點/s，與此同時該掃描儀還支持輸出OBJ、Stl、ASC及PLY等多種三維格式且還可以直接連接3D打印機進行模型打印。通過手持掃描“昭陵六駿”石刻即可在EinScan Pro軟件中直接查看到被掃描模型。由于在掃描時模型反光以及一些模型細節掃描難度大，進而導致被掃描模型出現漏洞、破損等情況。進一步地需要對被掃描模型進行修補處理，在EinScan Pro軟件中可以對輕微漏洞及破損進行計算修復，但出現大面積破損的情況EinScan Pro軟件就無法應對了，此時需要將該模型導入專業三維軟件3ds Max中進行手工修補，如圖1所示，圖1（a）為“昭陵六駿”中“青騅”石刻三維掃描文件，圖1（b）為三維數字修復后文件。

圖1 “青騅”石刻三維數字修復前后對比圖

3 以3DF Zephyr為技術路線的唐昭陵“十四國蕃臣長石像”復原

公元629年，李世民一戰滅東突厥汗國。公元630年，周邊10多個國家的君主來到長安，共同向李世民獻上尊號“天可汗”。唐朝的外交局面迅速打開，而“昭陵十四國蕃臣像”，就是李世民時期和唐朝有較多往來的國家領導人的雕刻像，展示唐朝“天可汗”時代海納百川的胸襟和崇高的國際地位。而這十四位蕃臣分別為來自東突厥的頡利可汗；來自東突厥的突利可汗；來自東突厥的乙彌泥熟俟利苾可汗，右武衛大將軍阿史那思摩；來自東突厥的答布可汗阿史那社爾；薛延陀真珠毗伽可汗；吐蕃首領松贊干布；新羅女王金真德；吐谷渾烏地也拔勒豆可汗；古印度婆羅門國王阿羅那順；越南境內的國王范頭利；高昌國王鞠智勇；焉耆國王龍突騎支；龜茲國王訶黎布失畢；于闐王尉遲伏阇信。

唐昭陵“十四國蕃君長石像”，是以唐代少數民族首領為題材而創作的寫實性雕刻作品。然而千余年來，由于自然和人為的破壞，這群雕像或身首異處，或深埋地下，個別像座也被用做了明清時所立祭陵碑的碑座，例如，1982年右側掛魚符袋石人下半身出土于“焉耆國王龍突騎支”石像座西南29 cm處，殘高93 cm，相距14 cm。青灰色石灰巖，石質較好，制作規整修長，表面光滑，微有水銹。腰系革帶，帶扣、帶跨、魚符袋交待清楚，裙側開氣用雙鉤線，腰帶以上殘，腳腕以下殘[5]。唐代時腰間束帶材質主要為2種，即革帶和布帶，石刻呈現的也是如此。各唐陵番酋像中腰束革帶的占多數，且多為北方各少數民族，這一點可以清晰地從昭陵出土的石刻實物上得到印證[6]。

由于唐昭陵“十四國蕃君長石像”均受到不同程度的損毀，歷史真跡已無法確切考證，但在唐昭陵遺址中有考古學家以及雕塑家共同考證分析出的最為貼近歷史的石刻雕像，筆者同樣采用三維掃描的方式對唐十四國蕃君長石像進行了三維數字化復原工作。考慮到十四藩臣雕塑的復雜程度，用三維手工建模的方式已不再適用本次復原工作。故此，筆者采用無人機高空拍攝以及照相機細節補拍的方式對“十四國藩臣長石像”進行基于圖像生成處理方式的三維模型建立。

首先，筆者驅車前往距離西安市區90 km處的唐昭陵遺址，進一步利用無人機對唐十四藩臣像進行360°環繞視頻拍攝，其目的在于通過3DF Zhper軟件的系統算法可基于圖像或視頻文件自動生成點陣模型，值得注意的是，筆者在此均采用視頻拍攝模型進行操作，其優勢在于，與拍攝圖像相比視頻拍攝能夠完美地避免圖像拼接所帶來的模型接縫，其次在工作量及復雜程度上，視頻拍攝法也具有明顯優勢。

但是，使用無人機拍攝工作也存在弊端，那就是在遺址內所種植的樹木，由于枝繁葉茂遮擋住了藩臣雕塑，無人機無法拍攝。故此，筆者將使用相機對無人機無法工作區域進行進一步補拍，為了使接下來的三維模型貼圖顏色明暗均勻一致且無明顯接縫，筆者將照相機的光圈及焦距均設置與無人機相同，保證所拍攝的相片明暗光影與之前一致。

接下來筆者將拍攝完成的素材文件導入至3DF Zhper軟件，并點擊生成點陣模型，系統將自動根據視頻以及圖像進行三維模型的生成，如圖2所示。隨后將軟件自動生成的三維模型以“OBJ”格式導入至3ds Max軟件中，將不需要的模型部分進行刪除，隨后將軟件自動生成的三維模型以“OBJ”格式導入至3ds Max軟件中。

圖2 基于3DF Zephyr技術下的唐昭陵“十四藩臣”長石像航拍建模

4 基于Verge 3D技術下的唐昭陵藝術石刻三維數字化線上多媒體展陳

Verge 3D是一套基于三維數字化軟件下的Web GL應用開發工具，其高度的適應性可支持市面上主流的三維軟件，例如3ds Max、Maya、Blender等，并且完成制作后即可直接導出至網頁，創建出基于web的沉浸式三維交互式體驗程序，而且Verge 3D使設計工作可實時觀看到進度效果，值得一提的是Verge 3D使用“零代碼”設計，使準入門檻進一步降低。

基于上述Verge 3D的一系列優勢，將“昭陵六駿”以及“唐十四藩臣長石像”三維數字模型導入帶有Verge 3D插件的3ds Max軟件中通過對場景添加攝像機以及對三維模型的一系列數字化處理，然后將三維模型發布至指定服務器，用戶通過互聯網即可高速快捷地欣賞到距今1 400多年的石刻雕塑藝術。并且用戶可以使用鼠標進行360°視圖操作，自由縮放，完全可控，任意交互。圖3為“昭陵六駿”中“颯露紫”的三維交互式展陳。

圖3 基于Verge 3D技術下的“颯露紫”三維交互式展陳

5 結束語

文化遺產的數字化保護與傳播是一項十分艱苦的工作，筆者研究生學習生涯中多次前往唐昭陵進行實地考察，而取得的研究成果也不過滄海一粟，每次接近唐昭陵遺址都能感受到其藝術之精美、氣勢之恢弘。但虛擬現實環境下的唐昭陵體驗設計還存在些許不足，但面對這些問題，筆者始終堅信后來的研究者一定會給出更好的答案。