全球首例可移動(dòng)3D打印復(fù)制洞窟成功落成

　　不可移動(dòng)的云岡石窟 “離家出走 環(huán)游世界”

　　“鑿石開(kāi)山，因巖結(jié)構(gòu)，真容巨壯，世法所希。”北魏地理學(xué)家酈道元在《水經(jīng)注》中，這樣描繪彼時(shí)云岡石窟的盛景。

　　如今，想要領(lǐng)略云岡石窟著稱(chēng)于世的精細(xì)樂(lè)舞雕刻和獨(dú)特藝術(shù)風(fēng)格，不一定要前往山西大同，“分身”石窟已經(jīng)可以移動(dòng)到它想要展示的地方。這次，云岡石窟離開(kāi)駐守千年的大同武周山，“移步”浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館，開(kāi)啟了世界巡展的第一站。

　　6月12日起，由浙江大學(xué)與云岡石窟研究院合作的全球首例可移動(dòng)3D打印復(fù)制洞窟在浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館亮相。在這里，可以清晰地觀(guān)看欣賞云岡石窟第12窟。美輪美奐的造像、莊生天籟的境界、博大精深的內(nèi)涵……到場(chǎng)觀(guān)眾無(wú)不為這場(chǎng)石壁上的大型音樂(lè)會(huì)所震撼，有網(wǎng)友發(fā)微博感慨：“3D打印復(fù)制洞實(shí)在太酷了！古代智慧與現(xiàn)代科技的奇妙結(jié)合。”

浙大數(shù)字化團(tuán)隊(duì)在云岡12窟前室進(jìn)行數(shù)字化信息采集

　　先后三年，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院聯(lián)合項(xiàng)目組，費(fèi)盡心血，攻克了數(shù)據(jù)采集處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分塊打印上色等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，才得以完成這座全球首例可移動(dòng)3D打印復(fù)制洞窟。

　　同時(shí)，這座3D打印復(fù)制洞窟實(shí)現(xiàn)了云岡石窟研究院長(zhǎng)久以來(lái)的夙愿，讓千年云岡石窟邁出了“行走”于世界的第一步。

　　夙愿

　　讓龐大的云岡石窟 可以“走”出去做展覽

　　地處大同城西十六公里的云岡石窟，是舉世聞名的佛教藝術(shù)寶庫(kù)。它作為世界文化遺產(chǎn)，距今已有1500余年的歷史。石窟現(xiàn)存洞窟45座，造像59000余尊，花紋圖案更是數(shù)不勝數(shù)，代表了公元5世紀(jì)世界美術(shù)雕刻的最高水平。

　　一直以來(lái)，云岡石窟研究院有著曾經(jīng)難以完成的夢(mèng)想：讓龐大的云岡石窟可以“走”出去做展覽，加強(qiáng)對(duì)外交流，讓更多人切身感受到云岡石窟的藝術(shù)魅力。

　　2014年4月，云岡石窟研究院與浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院達(dá)成了文物數(shù)字化保護(hù)戰(zhàn)略合作——浙大文化遺產(chǎn)研究院協(xié)助云岡石窟進(jìn)行3D數(shù)字化數(shù)據(jù)采集建模，制作可以用電腦直接觀(guān)看云岡石窟的三維模型，永久保存云岡石窟及其珍貴文物信息。

　　這樣的信息采集工作對(duì)浙大文化遺產(chǎn)研究院來(lái)說(shuō)已非首次。浙大文化遺產(chǎn)研究院雖然成立于2010年，可是對(duì)于文物數(shù)字化保護(hù)工作，最早可以追溯到1997年。

　　那時(shí)，浙江大學(xué)潘云鶴院士開(kāi)創(chuàng)了信息技術(shù)用于考古、文物保護(hù)和藝術(shù)復(fù)原方向的研究，“浙大團(tuán)隊(duì)最早開(kāi)始嘗試將3D技術(shù)運(yùn)用到文化遺產(chǎn)領(lǐng)域是在敦煌石窟中，開(kāi)發(fā)了敦煌石窟虛擬漫游系統(tǒng)，在電腦中可以像玩3D游戲一樣看敦煌石窟，該系統(tǒng)作為展示作品曾在2000年德國(guó)漢諾威世界博覽會(huì)上展出。”浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院副院長(zhǎng)刁常宇介紹道。

　　浙大與云岡的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在建立三維數(shù)字化模型時(shí)，決定大膽地挑戰(zhàn)多年夙愿：是否可以跳脫出電腦，在現(xiàn)實(shí)生活中也能實(shí)際觀(guān)看云岡石窟，讓不可移動(dòng)的石窟完成可移動(dòng)的展示呢？

　　顯然，3D技術(shù)創(chuàng)造的虛擬系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足云岡石窟的要求。于是，浙大團(tuán)隊(duì)開(kāi)始萌發(fā)了使用3D復(fù)制技術(shù)的想法，“云岡石窟研究院開(kāi)始鼓勵(lì)我們做攻關(guān)實(shí)驗(yàn)，我們也認(rèn)為這是非常具有前景的研究方向，于是開(kāi)始了該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。”刁常宇說(shuō)道。

　　探索

　　經(jīng)過(guò)兩年反復(fù)實(shí)驗(yàn) 才確定采用3D打印技術(shù)

　　從想法到實(shí)踐并非易事，云岡石窟項(xiàng)目有著更高的難度。“云岡石窟都是雕塑，我們一直在試圖用3D打印技術(shù)，可是成本很高，技術(shù)也需要不斷攻關(guān)。”

　　到底能不能成功運(yùn)用3D復(fù)制技術(shù)？浙大團(tuán)隊(duì)開(kāi)始做了不同技術(shù)的速度、成本、精度、效果和材料等方面的比較和實(shí)驗(yàn)。

　　首先，如果想要把云岡石窟“搬”出去做展覽，必須要選擇輕質(zhì)材料。對(duì)比人工合成材料與來(lái)自大自然的材料，浙大團(tuán)隊(duì)選擇了相對(duì)較輕的人工合成材料。

　　其次是3D復(fù)制技術(shù)的對(duì)比，其大致分為增材制造和減材制造兩類(lèi)。增材制造是用材料不斷地把石窟雕像堆積出來(lái)，而減材制造是3D雕刻機(jī)一點(diǎn)點(diǎn)把石窟造型挖出來(lái)，將多余部分從原本的材料中切出去。“我們最早嘗試的是3D雕刻技術(shù)，它的高精度數(shù)控車(chē)床CNC技術(shù)的精度很高，可以達(dá)到非常好的復(fù)制效果。但是對(duì)材料的要求很?chē)?yán)格，如果用輕質(zhì)材料進(jìn)行加工，如何在雕刻過(guò)程中讓輕質(zhì)材料保持承受強(qiáng)度才能達(dá)到很好的精準(zhǔn)度是一個(gè)挑戰(zhàn)。”浙大團(tuán)隊(duì)在復(fù)制品的材質(zhì)重量和它的精度之間難以抉擇。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，浙大團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)3D雕刻技術(shù)有著它的局限性。“云岡石窟的雕刻造型千變?nèi)f化，當(dāng)3D雕刻技術(shù)處理形狀比較復(fù)雜的造型時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雕像之間互相遮擋的問(wèn)題，因此就必須要將它們拆解，進(jìn)行分別加工，這給工作帶來(lái)了極大的不便。”刁常宇解釋著。

　　而增材制造的3D打印技術(shù)，卻沒(méi)有這方面的缺陷。經(jīng)過(guò)了兩年多的研究試驗(yàn)，浙大團(tuán)隊(duì)最終確定采用3D打印技術(shù)。

　　2016年8月，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院合作的“可移動(dòng)3D打印復(fù)制洞窟”正式立項(xiàng)。

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由云岡石窟研究院、浙江大學(xué)、美科圖像（深圳）有限公司聯(lián)合組成，云岡石窟研究院主要負(fù)責(zé)學(xué)術(shù)研究和人工上色，浙江大學(xué)主要負(fù)責(zé)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，美科圖像主要負(fù)責(zé)3D打印和結(jié)構(gòu)制作，山西云岡數(shù)字科技主要負(fù)責(zé)人工上色，其中石窟三維數(shù)字化采集與處理工作主要由云岡石窟研究院和浙江大學(xué)合作完成。三家團(tuán)隊(duì)將攜手挑戰(zhàn)“不可能”。

　　遇阻

　　處理海量掃描數(shù)據(jù) 觸及到了這個(gè)領(lǐng)域的“天花板”

　　云岡石窟第12窟又名“音樂(lè)窟”，開(kāi)鑿于公元五世紀(jì)，色彩豐富，其中雕刻的天人形象和中外樂(lè)器，是我國(guó)古代最早的宮廷交響樂(lè)團(tuán)，在中國(guó)音樂(lè)舞蹈史上具有極其重要的地位，很好地展現(xiàn)出音樂(lè)風(fēng)尚與時(shí)代風(fēng)貌。此外，第12窟前殿后室，入深14米，寬11米，高9米的大小適合可移動(dòng)展覽，方便運(yùn)輸且可操作性強(qiáng)。最終，云岡石窟研究院選擇了第12窟作為復(fù)制對(duì)象。

復(fù)制窟局部

　　“對(duì)第12窟的數(shù)字化采集觸及到了這個(gè)領(lǐng)域的‘天花板’。”刁常宇感嘆道。云岡石窟的洞窟空間巨大，造像高浮雕、淺浮雕等多種雕刻手法純熟應(yīng)用，各種遺跡空間深度尺度復(fù)雜，掃描和測(cè)繪難度極高。

　　浙江大學(xué)與云岡石窟研究院的合作團(tuán)隊(duì)采用浙大團(tuán)隊(duì)探索出來(lái)的一套三維激光掃描與攝影測(cè)量融合構(gòu)建文物三維模型的解決方案，對(duì)第12窟進(jìn)行高保真三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集。歷時(shí)三個(gè)月，最終完成了52站三維激光掃描并拍攝了55680張照片。

云岡12窟前室西壁正射影像圖，原真的形色信息記錄后的數(shù)字化測(cè)圖

　　數(shù)據(jù)采集之后，需著手做分析和計(jì)算，“團(tuán)隊(duì)要把采集掃描的圖像和數(shù)據(jù)通過(guò)算法合并在一起，合并的過(guò)程形成了數(shù)據(jù)之間的連接，相互之間有一種約束，讓整體的結(jié)果互相補(bǔ)充，不留下死角，使其精度更高。”

　　然而，海量的高精度三維掃描數(shù)據(jù)采集和大量的分析計(jì)算是數(shù)字化記錄中的“攔路虎”。

　　“我們感受最深的是數(shù)據(jù)處理的困難，我們拿到海量數(shù)據(jù)時(shí)，最好的計(jì)算機(jī)都沒(méi)有完成對(duì)它的處理，現(xiàn)成軟件處理所需要的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的接受范疇，甚至有的軟件根本不知道它能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間才能結(jié)束。”刁老師回憶道。

　　對(duì)他們來(lái)說(shuō)，這是跟時(shí)間賽跑的實(shí)驗(yàn)，“在我們處理信息的時(shí)候，其他兩家合作公司只能等著我們。這是我們感到壓力最大的事情。”

　　浙大團(tuán)隊(duì)只能回到最初的原點(diǎn)，再次研究最基本的算法。團(tuán)隊(duì)的四位博士與碩士不斷攻關(guān)，把不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)整合在一起。慶幸的是，他們最后實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性突破，保證在有限時(shí)間里處理完了數(shù)據(jù)，成功建立了第12窟的高保真彩色三維模型。

　　“比我承諾的時(shí)間晚了半年左右，這是我們沒(méi)有預(yù)料到的。原本以為半年就可以完成數(shù)據(jù)處理，但最后用了一年左右的時(shí)間。”刁常宇笑道。

　　攻關(guān)

　　沒(méi)有參考案例 每一個(gè)環(huán)節(jié)都充滿(mǎn)挑戰(zhàn)

　　漫長(zhǎng)的等待之后，負(fù)責(zé)成型加工的深圳美科圖像有限公司終于拿到了處理完成的數(shù)據(jù)，然而他們面臨的是單次打印成型的成品體積較小的問(wèn)題。

　　相繼而來(lái)的困難和攻關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)是團(tuán)隊(duì)的家常便飯，“每一個(gè)環(huán)節(jié)都有新的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兪堑谝粋€(gè)做這件事的團(tuán)隊(duì)，沒(méi)有可供參考的技術(shù)和案例，在摸索的過(guò)程中，肯定會(huì)不停碰釘子。”

　　采用分體式3D打印方式，他們是第一個(gè)“吃螃蟹”的團(tuán)隊(duì)。此前沒(méi)有先例，也沒(méi)有技術(shù)成形的路徑，需要邊摸索邊突破。為解決單次成型體積較小的問(wèn)題，美科圖像有限公司專(zhuān)門(mén)研發(fā)了可以打印1×1×1.5米的大型3D打印機(jī)。制作的20臺(tái)大型3D打印機(jī)可以確保一次打印成型，運(yùn)用3D打印鑄模技術(shù)復(fù)制文物本體的所有細(xì)節(jié)。

　　將第12窟分割成110塊2米見(jiàn)方的“積木塊”，再將每個(gè)大塊切割成十幾個(gè)左右的小塊進(jìn)行打印，每打印一個(gè)小塊都需要將近一周不分晝夜的工作才能完成。

　　如果說(shuō)拆開(kāi)來(lái)分塊難，那么合在一起的數(shù)據(jù)拼接就非常考驗(yàn)分塊間的空間精度。浙大團(tuán)隊(duì)將誤差盡可能地解決在設(shè)計(jì)中。

　　所謂“萬(wàn)丈高樓平地起”，這是人們對(duì)壘砌的一般概念，從下往上地搭建是最常用的方式。不過(guò)，在3D拼裝的過(guò)程中任何一個(gè)小的誤差都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)位，并可能導(dǎo)致最后無(wú)法安裝。合作團(tuán)隊(duì)再一次另辟蹊徑，選擇了從上往下安裝的策略，把誤差往下壓，“把累積誤差留給開(kāi)口的位置，誤差就被消化掉了。”

　　石窟實(shí)現(xiàn)了形的打印后，要如何賦予它完美的“色”呢？色，不單單只是石窟表層的顏色，還包含了文物的材料、質(zhì)感等綜合的歷史信息。使用高分子材料固化成型的復(fù)制石窟，還未具備石材的質(zhì)感，慶幸的是可以通過(guò)“賦色”環(huán)節(jié)填補(bǔ)缺憾。

　　問(wèn)題又接踵而至，當(dāng)前各類(lèi)3D著色或3D打印技術(shù)，都無(wú)法在賦色的同時(shí)又可以營(yíng)造指定的質(zhì)感，“我們?cè)嚵?D彩色打印，也嘗試了打印之后再給凹凸不平的模型上色的方式，但都沒(méi)有達(dá)到想要的質(zhì)感。我們想要的是石窟砂巖開(kāi)鑿的質(zhì)感，先上色再營(yíng)造質(zhì)感這條路行不通。”刁常宇認(rèn)為。

　　經(jīng)過(guò)之前與數(shù)據(jù)收集同時(shí)進(jìn)行的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，合作團(tuán)隊(duì)還是決定采用人工上色的方法，以尋求最大程度的原真再現(xiàn)。當(dāng)必須選擇人工上色來(lái)完成云岡復(fù)制窟的制作時(shí)，同時(shí)也擁有了另一種自由。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，既然有了可以變化的選項(xiàng)，為什么不能改變一下色彩呢？只要這個(gè)變化是有依據(jù)的。

　　經(jīng)過(guò)論證，合作團(tuán)隊(duì)提出了大膽的上色方案建議——不與現(xiàn)存的12窟“一模一樣”。云岡石窟研究院最終決定賦色的具體操作方案，是將基于科學(xué)數(shù)據(jù)與專(zhuān)家對(duì)文物的理解綜合起來(lái)一起考慮。“我們并不是天馬行空地創(chuàng)新賦色，而是必須在考古學(xué)的指導(dǎo)下來(lái)制定賦色方案，比方說(shuō)，現(xiàn)存石窟中的顏色與過(guò)去的顏色有什么關(guān)系，哪些是有依據(jù)的變化，是否可以按照這些依據(jù)去提升色彩亮度呢？”

　　復(fù)制的過(guò)程也是一種復(fù)原研究。在色調(diào)的鮮與暗上，團(tuán)隊(duì)在可驗(yàn)證的區(qū)域選擇了洞窟未被遮蓋時(shí)候的鮮亮，而沒(méi)有采用煤灰等問(wèn)題導(dǎo)致的石窟雕像變化后的顏色。在洞窟的風(fēng)化上，他們認(rèn)為是不可抗的自然之力給予的，便不再做調(diào)整，并把人為的破壞痕跡保留了下來(lái)。

　　云岡石窟研究院美術(shù)工作團(tuán)隊(duì)依照古法用礦物顏料為面積大約900多平方米的復(fù)制窟上色，歷經(jīng)8個(gè)月的時(shí)間，終于讓12窟完成了其形色具足的復(fù)制，煥然呈現(xiàn)。

　　通過(guò)手工在現(xiàn)代材質(zhì)基底上“裝鑾繪色”來(lái)恢復(fù)如此規(guī)模的石窟樣貌，這是文物界有史以來(lái)的第一次。

　　行走

　　可像積木一樣組裝 向世界顯示云岡石窟的永恒魅力

　　“我們所做的工作不單是某一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，而是實(shí)實(shí)在在跨學(xué)科的事情，涉及到了考古學(xué)、文物保護(hù)、計(jì)算機(jī)、精密機(jī)械、3D打印、材料學(xué)、美術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、公路運(yùn)輸?shù)裙こ绦缘膯?wèn)題。”

　　制作完成了，讓云岡石窟真正地“行走”于世界各地展覽，還必須有結(jié)構(gòu)力學(xué)、公路運(yùn)輸?shù)葘W(xué)科的考量。這次，浙大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地使用了“積木式”的新技術(shù)和制作方法，開(kāi)創(chuàng)了一種文物藝術(shù)品展覽便捷運(yùn)輸、安裝、展陳的新模式。

　　目前，復(fù)制成功的第12窟由110塊2米見(jiàn)方的“積木塊”分為6層進(jìn)行組裝。這些“積木塊”總重量大約2噸，8輛標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車(chē)就可以裝得下，能夠拉運(yùn)自如地行走天下。裝配過(guò)程主要由四位工程師合作，僅花費(fèi)兩周的時(shí)間即可組裝完成布展。

　　“說(shuō)走就走”的展覽結(jié)構(gòu)為輕質(zhì)鋁合金框架，分體式半自動(dòng)化安裝。現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需搭建傳統(tǒng)的腳手架，低空作業(yè)組在地面上組裝好一層再吊到頂部安裝，整個(gè)過(guò)程就像由上往下搭積木，提高了裝配效率，縮短了安裝周期。

　　“技術(shù)攻關(guān)”是刁常宇常常提到的詞語(yǔ)，在制作復(fù)制石窟的時(shí)間里，技術(shù)攻關(guān)實(shí)驗(yàn)為他們解決了太多的難題。盡管如此，刁常宇認(rèn)為，科技對(duì)考古學(xué)的幫助是提供高精度的數(shù)據(jù)，考古學(xué)對(duì)科技有著學(xué)術(shù)支持，而更多的是讓科技更好地服務(wù)于學(xué)術(shù)研究。

　　從今年6月12日至11月30日，浙江大學(xué)藝術(shù)與考古博物館舉辦特展“魏風(fēng)堂堂——云岡石窟百年記憶和再現(xiàn)”，展覽精選了云岡石窟研究院所藏石雕造像、碑刻、陶瓷器具，建筑構(gòu)件等文物112件（套），以及一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)研究和記錄云岡石窟的中外學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、珍貴歷史影像，集中展現(xiàn)了云岡石窟的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。

　　此次展覽是云岡石窟第12窟環(huán)游世界所到的第一站，這也是云岡石窟夢(mèng)圓的第一站。目前已有多家得到消息的美術(shù)館、展覽館和相關(guān)機(jī)構(gòu)在聯(lián)系展出，云岡第12窟將是“行走的石窟，永不落幕的絲路音樂(lè)廳”。

　　正如梁思成先生在考察云岡時(shí)所言：“從雕塑的體態(tài)、衣著，可以直觀(guān)地感受到中外文明交融的印記。”今后，可移動(dòng)3D打印復(fù)制洞窟可以讓越來(lái)越多的世界觀(guān)眾感受到云岡石窟的藝術(shù)內(nèi)涵。（文/韓世容 供圖/刁常宇）