三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中的應用研究

摘要：目的：棲霞山石窟作為我國南方著名的石窟藝術遺址，以獨特的石刻造像聞名于世。然而，隨著時間的推移和自然環境的侵蝕，這些珍貴石窟造像的保護與傳承面臨著嚴峻的考驗。文章深入探討三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中的應用，為保護和傳承這一石窟藝術遺址提供創新性解決方案。方法：為了研究這一問題，采用全新的數字化技術手段，包括三維掃描、點云重建、攝影測量等方法，對棲霞山石窟造像進行全面的數字化采集。通過三維重建技術，筆者構建出棲霞山石窟造像的虛擬化數字場景，并在后續的數字化平臺上實現虛擬展示。結果：三維重建技術為棲霞山石窟造像的保護與傳承提供了全新的展示方式。通過這一技術手段，受眾能夠身臨其境地感受到棲霞山石窟藝術的獨特魅力，仿佛置身于石窟之中，也能夠為學者深入研究棲霞山石窟造像藝術提供重要依據。結論：三維重建技術的應用為寶貴的文化遺產保護與傳承提供了有效的技術手段。通過高精度的數字化模型，石窟造像的精美細節得以還原，為學術研究和教育教學提供了豐富的數字資源，而基于數字資產的虛擬化展示不僅拓展了文化遺產的傳播范圍，還可為其他文化遺產的保護提供借鑒與參考。

關鍵詞：三維重建技術；棲霞山石窟造像藝術；傳播

中圖分類號：K879.3；TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）05-0-05

棲霞山石窟是我國杰出的佛教石窟藝術遺產，其千余年的歷史與獨特的造像藝術吸引著無數游客和學者。然而，隨著時間的推移，棲霞山石窟造像面臨著保護難題。為了更好地傳承這一寶貴的文化遺產，可科學應用三維重建技術，使其在文化遺產保護與傳播中發揮重要作用。三維重建技術作為一種高精度的非侵入性手段，能將棲霞山石窟造像以三維數字模型的形式還原。通過三維掃描、影像處理和計算機圖形學等技術手段，三維重建使虛擬現實成為可能，可以讓觀眾身臨其境地感受棲霞山石窟的壯麗與神秘。此外，數字化重建技術能夠為保護與傳承棲霞山石窟造像藝術貢獻力量，為后人更好地了解和研究這一璀璨的文化遺產提供新的視角與途徑。

1 三維重建技術概述

1.1 三維重建技術的定義與分類

三維重建技術是一種將實體對象、場景或數據轉化為數字化模型或圖像的技術。它利用計算機和數學算法處理采集的數據，以還原物體或場景的形狀、結構和外觀特征。根據輸入數據和重建對象，三維重建技術可分為以下幾類。第一，點云重建。通過激光掃描或其他傳感器采集物體表面的點云數據，并將其轉換為三維模型。點云是由大量離散點組成的空間坐標集合，能有效描述物體的幾何形狀。第二，攝影測量。利用多張從不同視角拍攝的圖像，通過圖像處理和計算機視覺技術推斷物體的三維形狀和紋理信息。這種方法適用于平面或立體物體的重建。第三，混合重建。結合使用多種數據源和方法，如點云、圖像、體素等數據，以獲取更全面、更精確的三維模型。第四，虛擬現實與增強現實。虛擬現實技術構建虛擬世界，讓用戶沉浸于虛擬場景中。增強現實技術則將數字化重建的三維模型與真實場景結合，實現虛擬與現實的交互。三維重建技術在文化遺產保護、游戲開發、虛擬仿真、工程設計等領域發揮重要作用，為各行業提供高效、精確的數據處理和可視化手段。隨著科技的發展，三維重建技術將不斷創新，為人們帶來更豐富的數字化體驗和更多元的應用場景。

1.2 三維重建技術的工作原理與流程

三維重建技術的工作原理與流程主要包括數據采集、數據預處理、特征提取、重建算法、模型融合與優化以及輸出。首先，通過傳感器和設備采集目標物體或場景的數據，包括點云數據、圖像或其他傳感器收集的信息。然后，對采集的數據進行預處理，去除噪聲、填補缺失，并進行數據校準，確保后續處理的準確性和可靠性。接下來，根據特征提取的結果，運用合適的重建算法將數據轉化為數字化模型。常見的算法有結構光三維重建和點云配準等。對于復雜的對象或場景，需要融合與優化多個重建模型，得到更完整、更準確的三維模型。如果需要賦予模型真實的外觀特征，可以將采集的紋理圖像映射到模型表面。最后生成的數字化模型可以應用于虛擬現實、增強現實、游戲開發、文化遺產保護等領域，并輸出成圖像、視頻、三維模型文件等格式，以供后續應用和交流。通過這些步驟，三維重建技術能夠有效地將實體對象和場景轉化為數字化模型，實現高精度的還原和可視化。

1.3 三維重建技術研究現狀和發展趨勢

目前，三維重建技術得到了廣泛的研究和應用。在國內，三維重建技術研究取得了重要進展。在文化遺產保護領域，國內研究機構利用三維重建技術保護和研究敦煌莫高窟、故宮、兵馬俑等的重要文物。在虛擬現實領域，國內企業和學術界積極探索三維重建技術在游戲、教育、醫療等領域的應用，推動虛擬現實產業發展。此外，國外很多高校和研究機構對三維重建技術不斷提出新的算法和方法，取得了一系列創新成果。許多國家和地區的研究機構和學術界積極探索三維重建技術在文化遺產保護、虛擬現實、工程設計等領域的應用。例如，歐洲各國的研究機構在數字化文化遺產保護方面取得了很多成果，通過圖像重建、激光掃描等技術達到數字化保護和展示古建筑和藝術品的目的。國內外三維重建技術都在不斷發展，并取得了顯著的研究成果。

2 棲霞山石窟造像藝術概述

2.1 棲霞山石窟概況

棲霞山石窟位于江蘇省南京市棲霞山腳下，是我國傳統石窟藝術的重要代表。棲霞山石窟從南朝齊永明二年（484年）至梁天監十年（511年）逐漸開鑿而成，隋唐五代時期續有增補，形成了獨特而壯觀的造像藝術。棲霞山石窟造像藝術獨具特色，展現出濃厚的佛教氛圍和豐富的歷史文化內涵?，F存石窟294個，佛造像515尊，集中分布于千佛巖、千佛嶺和紗帽峰三個區域。其中，著名的“三圣殿”鑿于南齊永明七年（公元489年），為開鑿時間最早、規模最大的一座石窟。石窟正中是無量壽佛像，兩側脅侍為觀世音、大勢至二菩薩像，造像精致古樸，身段勻稱，線條流暢，保留了南朝佛像的原韻。千佛巖旁的舍利塔為我國最大的古舍利塔，通高18米，五級八面，使用白色石灰巖石砌造，代表了南唐時期雕刻藝術的最高水平。棲霞山石窟作為六朝都城唯一的石窟寺遺存，對于研究六朝佛教文化以及中國古代文化交流具有重要意義。

2.2 棲霞山石窟造像的藝術特點

棲霞山石窟群以佛像為主，包括釋迦牟尼佛、無量壽佛、彌勒佛、觀音菩薩、大勢至菩薩、天王、力士等各類佛教神明。此外，還有大量的壁畫、浮雕和文字題記，展現了佛教故事、經典教義、歷史文化等內容。棲霞山石窟分布在千佛巖、千佛嶺、紗帽峰等幾個區域。其中，千佛巖區域以南朝時期的佛造像為主，現存南朝時期的石窟16個，石窟形制保存完整，造像時代特征鮮明。三圣殿中無量壽佛面相方圓，手施禪定印，身著雙領下垂袈裟，衣裙下擺遮覆于壇前，呈現出“秀骨清像”的南朝審美風格，為南朝時期典型的佛教造像。千佛嶺和紗帽峰區域的石窟造像主要開鑿于唐及五代時期，石窟形制特點明確，融匯了當時雕塑和壁畫的傳統技法與審美意趣，成為佛教石刻造像的典范。此外，棲霞山還保存了大量的歷代碑刻題記，這為研究棲霞山石窟的歷史、文化、藝術等提供了極大的幫助。棲霞山石窟造像是寶貴的歷史文化遺產，為研究中國古代佛教藝術、歷史文化、社會風貌等提供了重要的歷史資料。

3 三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中的應用

3.1 石窟內部與外部的數字化掃描與建模

石窟內部與外部的數字化掃描與建模是一種重要的文化遺產保護與研究技術。在數字化掃描過程中，內部和外部采集不同的數據，利用先進的技術將這些數據轉換為數字模型，實現對石窟的全面還原與虛擬展示。對于石窟內部的數字化掃描，常用的技術是激光掃描、結構光掃描、藍光掃描。激光掃描儀會發射激光束，然后測量激光與石窟內表面的交點位置，從而獲取大量點云數據。這些點云數據能夠準確表現石窟內部的三維空間信息。結構光掃描儀將紅外結構光投射到物體表面，根據深度相機計算出物體表面各點的深度信息，從而得到三維點云數據。藍光掃描儀將藍光光束投射到待測物體表面，可以快速、高精度地獲取三維點云數據。

筆者使用結構光與藍光技術對棲霞山千佛巖區域石窟進行掃描。針對高度在1米以上的中等規模石窟使用了紅外結構光，紅外結構光可以在較短的時間內獲取大量的點云數據（見圖1）。相比傳統的激光掃描技術，紅外結構光掃描不需要慢速旋轉的激光器，在掃描過程中，光圖案會實時投射到物體表面，確定二維圖像上每個像素點與真實物體對應點之間的變換關系，然后利用該關系確定待重建圖像上每個像素點對應的點云幾何信息［1］，即時捕捉圖案的形變，方便實時監控和調整掃描進度和質量。紅外結構光掃描過程中要注意避免受環境光的干擾，基于光采集的方法能得到準確的三維數據，但采集過程中對光照環境比較敏感，且投射的照射光會影響到目標物表面紋理數據的采集［2］。筆者特意選擇陰天掃描，提高了掃描的成功率。針對高度在1米以下的小型石窟，由于佛造像體量較小，因此使用藍光掃描。藍光的波長較短，受環境光的干擾較小，能夠提高掃描的分辨率和精度（見圖2）。而對于石窟外部的數字化掃描，由于體量巨大，因此可以采用大型戶外激光掃描儀以及攝影測量技術。大型激光掃描儀可以掃描大型戶外場景，但需要較長的掃描時間，后期需要拼接多個掃描位置，數據量巨大，需要使用性能強大的計算機處理和優化數據。

筆者使用RealityCapture和Agisoft Metashape攝影測量技術對棲霞山石窟進行三維重建。攝影測量是一種利用圖像和攝影原理進行測量和三維重建的技術，通過拍攝不同角度和位置的圖像，利用攝影測量方法推導出物體的三維形狀、尺寸、位置等信息。攝影測量技術主要包括對齊照片、建立密集點云、生成網格、生成紋理4個步驟［3］。筆者使用高像素數碼相機索尼A7RV在千佛巖、三圣殿、舍利塔周圍拍攝了數百張高質量圖片，盡量規劃所要捕捉的場景，使影像拍攝有序進行［4］。拍攝過程中確保相鄰兩張照片之間有足夠的重疊率，建議至少30%以上。拍攝時要注意對焦清晰、多角度、多視角，避免強烈反光和陰影，以提供全面的信息。對于視野比較高的區域可以使用無人機輔助拍攝，以獲取完整的石窟外景環境。在數字化建模方面，可以通過圖像處理和計算機視覺技術，對點云數據進行建模與重建（見圖3）。常用的方法包括三角網格重建和體素化技術。三角網格重建能將點云數據轉化為平滑的三維網格模型，而體素化技術則能將點云數據轉換為由體素構成的三維模型，這些數字模型能準確表現棲霞山石窟的形狀和結構。筆者使用三角網格重建技術對點云數據進行濾波和降采樣，去除冗余點和噪聲，保留關鍵特征。對生成的三角網格模型進行簡化處理，減少三角面片的數量，在保持主要形狀的基礎上，適當降低模型的精度，從而減少模型文件的大小，提高后期渲染效率（見圖4）。

3.2 三維模型的紋理映射與修復

棲霞山石窟造像的數字化重建是一項復雜而關鍵的任務，其中紋理映射與修復起著至關重要的作用。紋理映射旨在賦予三維模型真實的外觀和細節，而紋理修復則旨在修復受損或缺失的紋理信息，從而保護和傳承棲霞山石窟文化遺產。

筆者在石窟內外進行高分辨率的攝影測量，以獲得真實的紋理圖像。這些數據為后續準確開展紋理映射與修復提供了基礎。首先，通過圖像處理算法對紋理圖像進行預處理，包括去噪、對齊、校正等步驟，以保證紋理圖像的質量和準確性。然后，將紋理圖像和點云數據對齊，確定紋理圖像在三維模型中的位置和方向。這一步驟需要高精度的配準，確保紋理圖像與三維模型的各個表面準確匹配，可以根據特征點進行圖像匹配，實現高分辨率數字圖像與點云信息的準確配準［5］。隨后，進行紋理坐標的映射。對于三維模型的每個表面點，通過計算其在紋理圖像上的對應坐標，將紋理圖像上的像素與模型表面的對應點關聯。在紋理映射過程中，筆者使用MAYA軟件，采用插值和多通道映射等方法，使紋理在模型表面投影更加平滑和自然，避免出現斷裂或扭曲的情況（見圖5）。經過紋理映射，三維模型呈現出具有真實細節的外觀，使觀者仿佛置身于實際的石窟內部。然而，棲霞山石窟造像歷史悠久，紋理圖像可能因年代久遠或其他原因受損或缺失。在紋理修復階段，筆者使用ZBrush軟件恢復受損的紋理圖像，保證模型的真實性。紋理修復是關鍵環節。通常采用填補和插值等方法恢復損壞的紋理區域。同時，可以運用紋理合成技術，從其他相似石窟造像或圖像中獲取紋理信息，并將其應用到目標模型上，使模型的紋理信息更加完整和真實（見圖6）。通過紋理修復，三維模型的表面紋理得到了有效的還原，觀者可以欣賞到石窟造像的原貌。

3.3 交互式虛擬展覽與展示

棲霞山石窟造像交互式虛擬展覽與展示的技術實現過程包括數字化重建、虛擬現實技術應用、交互式展示設計、虛擬參觀等關鍵步驟。數字化重建后，將模型應用到虛擬現實技術中。虛擬現實技術是實現交互式虛擬展覽的關鍵。通過頭戴式顯示器或智能手機等設備，觀眾可以進入虛擬的棲霞山石窟展覽空間。虛擬現實技術能夠打破時空限制，給觀眾帶來身臨其境的體驗，觀眾可以自由移動、觀賞石窟造像，并與其互動。依托虛擬現實技術，觀眾仿佛置身于真實的石窟內部，增強了參觀的沉浸感和現場感。在虛擬現實展示的基礎上，進行交互式展示設計。交互式展示是虛擬展覽的關鍵特點之一。觀眾可以通過自由選擇觀賞角度、縮放模型、旋轉視角等方式，自主探索棲霞山石窟造像。這種交互性設計使觀眾可以根據個人興趣和需求，自由選擇觀賞內容和展示方式，獲得個性化的參觀體驗。為了豐富展示內容，可以加入圖文解說、音頻講解和多媒體展示等元素。通過這些輔助信息，觀眾可以更深入地了解棲霞山石窟的歷史、文化背景和藝術價值。圖文解說可以為觀眾提供文字描述和解釋，音頻講解可以通過聲音傳達更生動的講解內容，多媒體展示可以展示石窟造像的細節和特點。這些輔助元素的融入豐富了展示內容，使觀眾能夠全面了解棲霞山石窟的文化遺產?？偟膩碚f，棲霞山石窟造像交互式虛擬展覽與展示的技術實現過程是三維重建技術和虛擬現實技術相結合的成果。通過三維重建技術，棲霞山石窟的寶貴文化遺產將得到更好的傳承和傳播。

4 三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中的價值與展望

4.1 三維重建技術的價值

三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中具有重要價值與意義。首先，它為石窟文化遺產的傳承和保護提供了有效手段，通過高精度的數字化模型，還原了石窟內外的造像、壁畫等。其次，三維重建技術拓展了石窟藝術的傳播渠道，通過虛擬展覽與展示，觀眾可以通過網絡等媒介遠程參觀棲霞山石窟，加深對其歷史與文化內涵的了解。再次，三維重建技術促進了學術研究與教育教學，學者們可以借助數字化模型進行深入研究，推動相關學科發展，教育機構則可以利用虛擬展覽將石窟藝術融入教學中，培養學生的文化意識與審美能力。最后，三維重建技術為石窟藝術的文化傳播提供了全新的方式，通過數字化展示，棲霞山石窟藝術可以借助互聯網傳播到世界各地，吸引更多人了解與關注，促進棲霞山石窟文化的傳承與弘揚?？偟膩碚f，三維重建技術對于文化遺產保護、學術研究、教育教學、旅游業發展、文化創意產業等都有重要價值。

4.2 三維重建技術的發展趨勢

未來三維重建技術將更加多樣化和智能化。首先，隨著技術的不斷進步，三維重建技術的精度和效率將得到進一步提升。高分辨率的三維掃描設備和先進的數據處理算法能使石窟內外的文化遺產數字化重建更加精準和快速。其次，虛擬現實和增強現實技術的融合將為棲霞山石窟藝術傳播帶來全新的體驗。觀眾可以通過佩戴智能設備，在虛擬空間沉浸式體驗石窟藝術。同時，增強現實技術可以將虛擬的石窟造像與現實場景融合，為參觀者帶來全新的觀展體驗。此外，三維重建技術將與大數據、人工智能等前沿技術相結合。通過分析大量的歷史文獻、圖像資料和遺址數據，人工智能可以輔助學者深入研究棲霞山石窟的歷史與藝術背景。技術的不斷創新和應用將為棲霞山石窟的文化遺產保護、學術研究帶來更廣闊的前景。

5 結語

本文分析了三維重建技術在棲霞山石窟造像藝術傳播中的重要價值與意義。三維重建技術為棲霞山石窟的保護、傳承與傳播提供了有效的技術手段。通過高精度的數字化模型，石窟造像的細節與結構得以真實還原，這為學術研究和教育教學提供了豐富的信息資源。而虛擬化展覽與展示則為受眾帶來了身臨其境的體驗，拓展了文化遺產的傳播范圍與傳播效果。未來將繼續探索創新，提高技術水平，為三維重建技術在文化遺產保護與傳承中發揮更大的作用而不斷努力。相信隨著三維重建技術的不斷發展與應用，我國寶貴的文化遺產將得到更加廣泛的傳播與推廣。

參考文獻：

［1］ 余生吉，吳健，王春雪，等.敦煌莫高窟第45窟彩塑高保真三維重建方法研究［J］.文物保護與考古科學，2021（3）：10-18.

［2］ 黃騰達，李有鵬，呂亞磊，等.一種基于非量測相機圖像的三維模型快速重建方法研究［J］.河南城建學院學報，2018（1）：80-85.

［3］ 歐陽宏.故宮院藏文物的三維數據采集與應用［J］.數字圖書館論壇，2019（7）：48-53.

［4］ 姚婭，宋國定.三維重建技術在考古中的應用探討［J］.文物保護與考古科學，2017（5）：96-101.

［5］ 許麗鵬，黃先鋒，吳健，等.基于激光點云的敦煌洞窟空間信息重建［J］.敦煌研究，2019（4）：121-127.

作者簡介：葛凌藍（1979—），男，江蘇南京人，碩士，講師，研究方向：數字媒體藝術。

課題項目：本論文為2022年度江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究一般項目“數字媒體在棲霞山石窟造像藝術傳播中的應用研究”階段性成果，項目編號：2022SJYB0733