石刻资料采集手法概

[摘 要]本文以桂林石刻为参照,对石刻资料采集的手法做一个系统的概论,并就新出现的其他科技手法用于石刻数据采集做一些猜想.

[关 键 词]拓片；三维技术扫描；数字博物馆；3D打印

石刻作为一门艺术及记事的手法,在世界范围内有着悠久的历史,然而随着时代变迁,自然的损坏及人为的毁坏,导致大多数石刻已湮没于历史的长河中,尤其随着现代工业化步伐的迈进,自然环境的破坏,石刻消失的速度在急速加剧,每年都有大量石刻消失,对石刻的保存保护以及资料的收集记录已经刻不容缓.传统的石刻资料采集手法主要是拓片、卷尺测量、照相、文字记录等,随着科技手段的进步,逐渐出现了更为先进的gps定位测量,全站仪测绘,cad平面剖面图的处理、数字三维扫描、数字摄影测量、石刻数字博物馆等等,本文仅就桂林石刻为参照,对石刻资料采集的手法做一个系统的概论,并就新出现的其他科技手法用于石刻数据采集做一些猜想.

桂林石刻位于广西壮族自治区桂林市,从形制上大体可分为摩崖石刻、碑碣、陵墓石刻、其他石刻等.分布于市区的普陀山、月牙山、龙隐岩龙隐洞、虞山、象鼻山、伏波山、独秀峰、叠彩山、隐山、西山、南溪山、鹦鹉山、铁封山、宝积山、中隐山、清秀山、雉山、穿山、骝马山、会仙岩、文庙等30余处风景名山洞府,堪称碑刻如林.石刻种类繁多、内容丰富、形制巨大,且拥有众多的名人佳作,集中反映了桂林乃至广西地区政治、军事、经济、文化的发展历程,是国内少有的古代石刻精品.桂林石刻是桂林市历史文化名城的重要组成部分.桂林市因历史悠久、山水甲天下被冠以“历史文化名城”、“国家重点风景名胜区”两顶桂冠.而分布于山水之间的桂林石刻,更为山水名胜增色,构成了桂林名胜的一道亮丽的风景线,是桂林山水文化、历史名城的重要组成部分.同时在国内外具有重要影响,既是研究中国山水文化的文献宝库,又是了解古代书法发展的难得的实物资料和证史补史的一部石刻编年史书,具有重要的历史、科学和艺术价值.

由于桂林石刻在其漫长的保存过程中,来自自然和人为两方面因素的综合作用对石刻造成了明显地影响.长期以来,由于环境污染、旅游开发等造成的破坏以及缺乏有关石质文物保护方面的技术规范,以致科学性和理论系统化方面有所欠缺.且石刻多处于不易控制的诸多自然营力作用下,其病变情况复杂多样,石刻的破坏现象已经比较严重,其中百分之八十五以上的的桂林石刻存在表面溶蚀、剥落、岩溶覆盖、生物侵蚀、人为破坏等病害,由于文物破坏是一种不可逆的过程,随着现代化工业的发展以及其对空气等各方面污染的加剧,自然损害、宗教毁坏、游客游览时候的破坏、陵墓石刻的人为盗掘等各方面因素对石刻的损害,桂林各地的石刻保护形势十分严峻,几乎每年都有石刻消失,对现有石刻的整理记录工作刻不容缓,但是长期以来我们的资料收集还停留在比较原始的手工测绘记录阶段,大大降低了石刻资料保护收集的质量和效率,为此,全国各地的文物工作者在资料采集方面进行了大量新技术的尝试和应用,并取得了不俗的成效.

一、传统石刻资料收集手法

传统资料收集手法主要为拓片.拓片,又称拓本,就是将宣纸蒙在器物表面用墨拓印来记录花纹和文字,包括甲骨青铜、碑刻墓志、摩崖造像、钱币画像等等.关于拓片的起源,王国维的《宋代之金石学》一文中写道：拓墨之法,始于六朝,始用之以拓汉魏石经,继以拓秦石刻.至于唐代,此法大行,宋初遂用之以拓古器文字.最早出现有关于“拓”的记载于文献南北朝虞和的《临表书》,目前传世最早的拓片据记载是唐代注明书法家欧阳询所书《化度故僧邕禅师舍利塔铭》,简称《化度寺碑》（1）,为法国人伯希和携往国外,分存于法国巴黎图书馆、英国伦敦博物馆.拓片技艺又分为南派及北派,各派又有许多分支,拓法因用墨的差别,主要有蝉翼拓、乌金拓、朱拓等,作为中国文化的一项传统技艺.拓片是记录中华民族文化的重要载体之一,比如许多已散失毁坏的碑刻,因有拓片,才得以让其内容及书法等得以传世.拓片本身作为一种艺术品甚至文物,其自身有着较高的历史价值、艺术价值及资料价值.从资料收集角度来看,可以比较真实的还原石刻内容及石刻表面信息,是传统石刻收集手法中最行之有效也是保存信息最完整的收集方法,但是其不足之处在于,其信息保留程度过于依赖拓片制作者本身的技艺水平及制作方法,主观因素对拓片质量的影响较大,其信息的记录仅限于石刻本身,对碑面现存状况的反映程度有限,对石刻周围环境,以及石刻与附近其他石刻之间的关系,缺乏系统性与整体性,给研究带来一定的局限性,研究者往往还要去实地进行考察才能准确的得出自己想要的结论,尤其是造像以及石雕,由于其特殊性,拓片拉伸变形以及过于依赖后期处理,对石刻原始信息的保存的准确性有限,其艺术的价值远大于作为资料保存以及学术研究的价值.总的说来,虽然拓片有其局限性,但是在中华文明的传承中发挥过巨大的作用,并至今仍具有较大的资料收集和艺术的价值.传统的测量主要以卷尺为主,由于工作环境和个人因素的影响,存在一定的误差,同样,文字记录一般包括石刻的地点、方位、尺寸、字径、字体、石刻现状、周边环境、病害、碑文等等,作为第一手现场资料,也受个人判断的因素影响较大,个人判断登记的失误直接影响到资料的质量,从而影响到后期的研究.照相是反映石刻本身真实状况比较直观的手段,但是受拍照者水平、天气、角度等影响较大,取得的图像在二维平面上难免会产生一定的扭曲变形.拓片与简单的测量、照相、文字记录相结合,在经费有限的情况下,仍可以作为摩崖石刻主要资料收集手段.传统石刻资料收集手法主要优势在于需要投入的人力物力较小,同时拓片也可以作为艺术品甚至文物保存.缺点在于资料受个人主观性影响较大,准确性有限,为研究工作带来了一定的不便和误差,很多时候研究者还需要去石刻点实地考察校正,后期可以用于展示的实物直观性较差,展示效果不佳.

二、现代科技手法应用

近年来随着科技发展,现代科技手法用于文物保护的尝试日趋增加,其先进性也在尝试的过程中得到了很好的展现,其中比较成功的有全站仪测绘、GPS定位、三维数字扫描,数字摄影测量、数字博物馆建设等等,都取得了比较好的效果,这些科技手段在文物保护领域的应用也日益广泛,但是用于摩崖石刻保护,石刻资料收集的尝试还不多.全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角测距仪器,集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体,将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数,使测角操作简单化,且可避免读数误差的产生.全站仪功能强大,除了角度测量、距离测量、坐标测量等,还可以通过偏心测量、悬高测量、对边测量等解决测量中遇到的各种特殊状况.它的主要工作原理是通过两个或多个已知点的坐标,在仪器内部输入预先设定的三维坐标系,然后通过不同的测站,测得不同的点在该坐标系内的坐标（X,Y,Z）,然后存储在仪器内,最终导入到CAD中获得一个统一坐标系下的点的分布情况图,然后根据需要加工成我们所需要的图象.世界上最高精度的全站仪测角精度（一测回方向标准偏差）仅0.52,测距精度1mm+1ppm,相对传统测绘手段,有着无法比拟的优势.近年来,全站仪已经广泛应用于田野考古,极大的减少了人工测量的误差,提高了工作效率,保障了资料获取的准确性与系统性.全站仪目前在石刻资料收集中的应用极少,然而不代表它不适合用于石刻的测绘,全站仪应用于石刻资料收集,特别是陵墓石刻分布以及摩崖石刻点的整体测绘,可以精确的在一个石刻点的地形图中给每件石刻的位置进行定位,并可后期制作成石刻CAD分布图,可以在分布图上直观的看出每件石刻的位置及相互之间的关系,这是人工测量手段所无法实现的,制作形成的分布图与照相等传统方式相结合,将使传统资料具备其缺少的整体性和系统性,同时由于全站仪成本较低,在石刻资料的收集保护中也可以得到广泛应用.

GPS全球定位系统在第三次全国文物普查中已经得到广泛应用,包括石刻点的精确定位,为后期保护工作提供了极大的便利.

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,是近年来出现的新技术,在国内越来越引起各领域的关注.三维扫描可以快速、大量的采集空间点位信息,快速精确的建立物体的三维影像模型,在建筑、土木工程、规划、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域得到了广泛的应用（2）,在文物资料收集方面也已经开始进行尝试,包括古迹（古建筑、雕像等）的保护测量、文物修复,古建筑测量、资料保存等古迹保护,遗址测绘,现场虚拟模型,现场保护性影像记录等.在石刻资料收集方面,龙门石窟,云冈石窟等石窟寺在三维技术扫描的应用上已经取得了巨大成功.三维数字扫描应用于其他类型石刻数据采集刚刚起步,以与周围环境以及历史人文联系更为密切的桂林摩崖石刻为例,其大体工作过程为摩崖山体形状和表面特征的数字化,摩崖石刻模型的数字化,并将多个模型融合成一个完整的模型,为模型贴上相应材质,构建出高分辨率的虚拟摩崖山体复原造型,主要技术为数据获取、数据处理、形体重构和表面渲染.

1.数据获取

采用三维激光扫描仪,三维激光扫描测量技术,三维摄像技术,根据石刻具体状况,采用不同的测量方法.石刻由于其自身特点,表面几何数据可以采用二维图像结合激光扫描以及软件方法获取三维数据.

表面属性数据（颜色、纹理等）利用数字相机拍摄二维图像,利用软件方法计算得到表面属性数据.

2.数据处理与三维重构

首先进行数据预处理.由于测量的精确性以及测量对象本身的缺损等自然原因,以及分片测量后的数据需要拼接,测量获得的点云数据必须进行一定的预处理才能进行三维重构,包括排除噪声数据和异常数据,数据光滑,压缩和归并多余数据,遗失点补齐,三角面片化等.对于分片测量获得的数据,需要采用坐标转换的方法将多次测量的数据拼接为一个完整的点云数据.数据的预处理可以采用测量系统软件或者专用软件系统完成.

预处理之后的点云数据还需要做进一步处理.首先根据模型对象的具体特点划分曲面面片,然后针对不同的曲面构造方式提取特征点,对特征点进行拟台建立决定曲面形状的特征线,最后利用特征线结合精度点进行三维重构,采用这种方法,自动修补了实物缺损处.三维重构的结果以一定的文件格式来保存.由于后续的渲染,虚拟现实等操作的需要,一般我们将其保存为3DS格式文件.在3DS格式的文件中,可以包括山体以及石刻的材质、纹理特征、灯光等信息.

由于目前没有针对文物的三维重构软件平台,数据处理及三维重构借用了通用逆向工程反求软件进行数据处理.将来可以根据摩崖石刻文物特点自行开发软件平台.

3.表面渲染

表面渲染是为了达到高质量的显示效果,目前较为常用的被称为基于图像的渲染技术,表面渲染所需要的表面属性数据来自二维图像.

采用3DAX或者MAYA作为渲染工具.3DAX以及MAYA软件已经具有先进的渲染技术,完全可以达到需要的效果.

通过三维扫描可以将实物准确的还原成3D模型,得来的数据在目前所有测绘手法里面最为精确（可以精确到0.01mm）、直观（所见即所得）、系统,展示效果最好以及后期的应用范围也最广,在石刻资料收集方面完全可以替代各种传统手法以及其他方式,并还具有快速、精确、无需布控制等优点.在快速获取三维数据并建立三维立体模型方面有着无可比拟的优越性,对石刻数据采集成果的数字化、最终建立石刻数字化系统,提供高效的管理、查询与分析功能.但是其造价也最为昂贵.

石刻的数字化建设是一项复杂而艰巨的过程,其中涉及到方方面面的技术难题,但是数字化建设一旦完成,观众将可以通过电脑生动完整的“游览”石刻点,查阅到更加全面生动的相关资料,对以后石刻的研究保护展示事业是一个巨大的推动,不仅对文物研究保护展示具有里程碑的意义,由于一些石刻点位于风景名胜点,石刻数字化建设可以让名胜更富于文化历史气息,对于当地的科技旅游事业的发展,也是一个极具重要意义的推进点,从长远的角度来看,其昂贵的造价还是物有所值.

数字博物馆的建设则是建立于已收集资料基础上的一个保护展示、查询、管理的平台跟系统,不同的资料录入方式有不同的建设方法,其展现出来的信息量跟形式也有多种.以桂林摩崖石刻为例,较为先进完善的数字博物馆建设思路可以在高精度的3D石刻分布图上面对每块石刻设置链接,输入相关石刻资料,点击石刻即可查看该石刻的相关信息,如名称、方位、GPS坐标点、方向、碑文、字径、额题、跋语、落款、保护现状、温湿度记录、尺寸、病害、拓片资料（可点击进入查看编号、拓制时间、照片等相关资料）、石刻介绍（可点击进入查看刻碑的时间、经过、刻石背景,相关研究,石刻价值等等相关资料）、照片（可点击查看拍摄时间、拍摄方位）、作者（可点击查看作者生平,大体介绍等信息）、撰文者（可点击查看其生平,大体介绍等）、书丹者（可点击查看其生平,大体介绍等）、刻石者（可点击查看其生平,大体介绍等）、著作资料等.并同时将石刻按朝代、类型（记事、题名、题榜等等）分好类,方便查询,对于留存石刻比较多、比较出名的个人、也归类于首页之上,方便查询.数字博物馆在文物信息管理展示的现代化代表着未来博物馆虚拟展示、管理的的发展方向.针对三维数据扫描造价偏高的缺陷,近年来也出现了利用大量数码照片建模、近景摄影测绘等手段,其精确度相对三维扫描略有逊色,对复杂器物表面的测绘也容易出现死角,但是在对精度要求不高的大场景和造型较简单的石刻的复制建模方面,其低于三维数据扫描十倍的成本,也具有较高的应用价值,相对传统的测量测绘手法,还是具有极大的优越性.

相对于传统石刻资料采集手法,现代科技采集手法的优越性不言而喻,但是其缺陷在于缺少实物品,近些年兴起的3D打印机弥补了这一缺陷.3D打印（3Dprinting）,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术.目前主要应用于工业设计、珠宝、鞋类、建筑、工程和施工（AEC）、汽车、牙科和医疗产业、航空航天、教育、地理信息系统、土木工程、等领域,打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体.这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品.全球首辆3D打印汽车时速可达112公里,而在文物复制的领域的应用基本还是空白,相对于以往的文物复制手段,3D打印将极大的减少成本,而且复制速度相对于以往的文物复制手段有了质的提升,用传统方法制造出一个模型通常需要数天,而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,使大规模的文物复制可能性大大增加.2012年,根据Wired的报道,两位研究员Greene和Aja利用3D打印机和3D扫描软件,成功恢复了一个在3000年前被打碎的瓷器狮子.由于3D打印机本身技术还不成熟,支持的材料有限,在日常生活中应用极少,但是随着技术的进步,3D打印将在保护以及复制石刻有着广泛的应用价值,将位于野外的摩崖石刻、摩崖造像、石雕等按比例打印出来,无论是用于还是资料的保护研究,相比于拓片,都有着更好的价值,对于石刻的展示来说,则是提供了一种全新的展示模式,使得石刻资料的陈列展示不再刻板单调,而变得更为的直观、震撼.

时代在发展,科技在进步,各种科技设备及手段的更新日新月异,而现代大部分文物保护以及资料采集的工作方式仍以传统手工为主,社科院开设的科技考古为文物工作以后的发展提供了一个方向,新的科技手法的引入和替代传统手法已经成一种必然趋势,在经费允许的前提下,将一些新的科技手段引入文物保护以及文物资料的采集方面,可以让工作更具效率和准确性,为后期的研究工作提供更为准确更为系统的基础材料,其成果的应用性在新时代新环境中的应用范围也将更为广泛.

注释：

（1）张围东《国家图书馆珍藏拓片概览》,国家图书馆馆讯96年第一期

（2）王倩,陈明九,丁宁《基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望》,山东建筑大学学报2010年6月第三期