全球首例可移動3D打印復制洞窟成功落成

　　不可移動的云岡石窟 “離家出走 環游世界”

　　“鑿石開山，因巖結構，真容巨壯，世法所希。”北魏地理學家酈道元在《水經注》中，這樣描繪彼時云岡石窟的盛景。

　　如今，想要領略云岡石窟著稱于世的精細樂舞雕刻和獨特藝術風格，不一定要前往山西大同，“分身”石窟已經可以移動到它想要展示的地方。這次，云岡石窟離開駐守千年的大同武周山，“移步”浙江大學藝術與考古博物館，開啟了世界巡展的第一站。

　　6月12日起，由浙江大學與云岡石窟研究院合作的全球首例可移動3D打印復制洞窟在浙江大學藝術與考古博物館亮相。在這里，可以清晰地觀看欣賞云岡石窟第12窟。美輪美奐的造像、莊生天籟的境界、博大精深的內涵……到場觀眾無不為這場石壁上的大型音樂會所震撼，有網友發微博感慨：“3D打印復制洞實在太酷了！古代智慧與現代科技的奇妙結合。”

浙大數字化團隊在云岡12窟前室進行數字化信息采集

　　先后三年，浙江大學文化遺產研究院與云岡石窟研究院聯合項目組，費盡心血，攻克了數據采集處理、結構設計、分塊打印上色等多項技術難關，才得以完成這座全球首例可移動3D打印復制洞窟。

　　同時，這座3D打印復制洞窟實現了云岡石窟研究院長久以來的夙愿，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寶庫。它作為世界文化遺產，距今已有1500余年的歷史。石窟現存洞窟45座，造像59000余尊，花紋圖案更是數不勝數，代表了公元5世紀世界美術雕刻的最高水平。

　　一直以來，云岡石窟研究院有著曾經難以完成的夢想：讓龐大的云岡石窟可以“走”出去做展覽，加強對外交流，讓更多人切身感受到云岡石窟的藝術魅力。

　　2014年4月，云岡石窟研究院與浙江大學文化遺產研究院達成了文物數字化保護戰略合作——浙大文化遺產研究院協助云岡石窟進行3D數字化數據采集建模，制作可以用電腦直接觀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浙大文化遺產研究院來說已非首次。浙大文化遺產研究院雖然成立于2010年，可是對于文物數字化保護工作，最早可以追溯到1997年。

　　那時，浙江大學潘云鶴院士開創了信息技術用于考古、文物保護和藝術復原方向的研究，“浙大團隊最早開始嘗試將3D技術運用到文化遺產領域是在敦煌石窟中，開發了敦煌石窟虛擬漫游系統，在電腦中可以像玩3D游戲一樣看敦煌石窟，該系統作為展示作品曾在2000年德國漢諾威世界博覽會上展出。”浙江大學文化遺產研究院副院長刁常宇介紹道。

　　浙大與云岡的聯合團隊在建立三維數字化模型時，決定大膽地挑戰多年夙愿：是否可以跳脫出電腦，在現實生活中也能實際觀看云岡石窟，讓不可移動的石窟完成可移動的展示呢？

　　顯然，3D技術創造的虛擬系統已經不能滿足云岡石窟的要求。于是，浙大團隊開始萌發了使用3D復制技術的想法，“云岡石窟研究院開始鼓勵我們做攻關實驗，我們也認為這是非常具有前景的研究方向，于是開始了該項目的實驗。”刁常宇說道。

　　探索

　　經過兩年反復實驗 才確定采用3D打印技術

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

　　到底能不能成功運用3D復制技術？浙大團隊開始做了不同技術的速度、成本、精度、效果和材料等方面的比較和實驗。

　　首先，如果想要把云岡石窟“搬”出去做展覽，必須要選擇輕質材料。對比人工合成材料與來自大自然的材料，浙大團隊選擇了相對較輕的人工合成材料。

　　其次是3D復制技術的對比，其大致分為增材制造和減材制造兩類。增材制造是用材料不斷地把石窟雕像堆積出來，而減材制造是3D雕刻機一點點把石窟造型挖出來，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，它的高精度數控車床CNC技術的精度很高，可以達到非常好的復制效果。但是對材料的要求很嚴格，如果用輕質材料進行加工，如何在雕刻過程中讓輕質材料保持承受強度才能達到很好的精準度是一個挑戰。”浙大團隊在復制品的材質重量和它的精度之間難以抉擇。實驗過程中，浙大團隊發現3D雕刻技術有著它的局限性。“云岡石窟的雕刻造型千變萬化，當3D雕刻技術處理形狀比較復雜的造型時，就會產生雕像之間互相遮擋的問題，因此就必須要將它們拆解，進行分別加工，這給工作帶來了極大的不便。”刁常宇解釋著。

　　而增材制造的3D打印技術，卻沒有這方面的缺陷。經過了兩年多的研究試驗，浙大團隊最終確定采用3D打印技術。

　　2016年8月，浙江大學文化遺產研究院與云岡石窟研究院合作的“可移動3D打印復制洞窟”正式立項。

　　項目團隊由云岡石窟研究院、浙江大學、美科圖像（深圳）有限公司聯合組成，云岡石窟研究院主要負責學術研究和人工上色，浙江大學主要負責關鍵技術研發，美科圖像主要負責3D打印和結構制作，山西云岡數字科技主要負責人工上色，其中石窟三維數字化采集與處理工作主要由云岡石窟研究院和浙江大學合作完成。三家團隊將攜手挑戰“不可能”。

　　遇阻

　　處理海量掃描數據 觸及到了這個領域的“天花板”

　　云岡石窟第12窟又名“音樂窟”，開鑿于公元五世紀，色彩豐富，其中雕刻的天人形象和中外樂器，是我國古代最早的宮廷交響樂團，在中國音樂舞蹈史上具有極其重要的地位，很好地展現出音樂風尚與時代風貌。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展覽，方便運輸且可操作性強。最終，云岡石窟研究院選擇了第12窟作為復制對象。

復制窟局部

　　“對第12窟的數字化采集觸及到了這個領域的‘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用，各種遺跡空間深度尺度復雜，掃描和測繪難度極高。

　　浙江大學與云岡石窟研究院的合作團隊采用浙大團隊探索出來的一套三維激光掃描與攝影測量融合構建文物三維模型的解決方案，對第12窟進行高保真三維數字化數據采集。歷時三個月，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字化測圖

　　數據采集之后，需著手做分析和計算，“團隊要把采集掃描的圖像和數據通過算法合并在一起，合并的過程形成了數據之間的連接，相互之間有一種約束，讓整體的結果互相補充，不留下死角，使其精度更高。”

　　然而，海量的高精度三維掃描數據采集和大量的分析計算是數字化記錄中的“攔路虎”。

　　“我們感受最深的是數據處理的困難，我們拿到海量數據時，最好的計算機都沒有完成對它的處理，現成軟件處理所需要的時間也遠遠超出我們的接受范疇，甚至有的軟件根本不知道它能運行多長時間才能結束。”刁老師回憶道。

　　對他們來說，這是跟時間賽跑的實驗，“在我們處理信息的時候，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。”

　　浙大團隊只能回到最初的原點，再次研究最基本的算法。團隊的四位博士與碩士不斷攻關，把不同設備采集的數據整合在一起。慶幸的是，他們最后實現了關鍵性突破，保證在有限時間里處理完了數據，成功建立了第12窟的高保真彩色三維模型。

　　“比我承諾的時間晚了半年左右，這是我們沒有預料到的。原本以為半年就可以完成數據處理，但最后用了一年左右的時間。”刁常宇笑道。

　　攻關

　　沒有參考案例 每一個環節都充滿挑戰

　　漫長的等待之后，負責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據，然而他們面臨的是單次打印成型的成品體積較小的問題。

　　相繼而來的困難和攻關實驗已經是團隊的家常便飯，“每一個環節都有新的挑戰，因為我們是第一個做這件事的團隊，沒有可供參考的技術和案例，在摸索的過程中，肯定會不停碰釘子。”

　　采用分體式3D打印方式，他們是第一個“吃螃蟹”的團隊。此前沒有先例，也沒有技術成形的路徑，需要邊摸索邊突破。為解決單次成型體積較小的問題，美科圖像有限公司專門研發了可以打印1×1×1.5米的大型3D打印機。制作的20臺大型3D打印機可以確保一次打印成型，運用3D打印鑄模技術復制文物本體的所有細節。

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

　　如果說拆開來分塊難，那么合在一起的數據拼接就非常考驗分塊間的空間精度。浙大團隊將誤差盡可能地解決在設計中。

　　所謂“萬丈高樓平地起”，這是人們對壘砌的一般概念，從下往上地搭建是最常用的方式。不過，在3D拼裝的過程中任何一個小的誤差都會導致錯位，并可能導致最后無法安裝。合作團隊再一次另辟蹊徑，選擇了從上往下安裝的策略，把誤差往下壓，“把累積誤差留給開口的位置，誤差就被消化掉了。”

　　石窟實現了形的打印后，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、質感等綜合的歷史信息。使用高分子材料固化成型的復制石窟，還未具備石材的質感，慶幸的是可以通過“賦色”環節填補缺憾。

　　問題又接踵而至，當前各類3D著色或3D打印技術，都無法在賦色的同時又可以營造指定的質感，“我們試了3D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，但都沒有達到想要的質感。我們想要的是石窟砂巖開鑿的質感，先上色再營造質感這條路行不通。”刁常宇認為。

　　經過之前與數據收集同時進行的比對實驗，合作團隊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。當必須選擇人工上色來完成云岡復制窟的制作時，同時也擁有了另一種自由。團隊認為，既然有了可以變化的選項，為什么不能改變一下色彩呢？只要這個變化是有依據的。

　　經過論證，合作團隊提出了大膽的上色方案建議——不與現存的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，是將基于科學數據與專家對文物的理解綜合起來一起考慮。“我們并不是天馬行空地創新賦色，而是必須在考古學的指導下來制定賦色方案，比方說，現存石窟中的顏色與過去的顏色有什么關系，哪些是有依據的變化，是否可以按照這些依據去提升色彩亮度呢？”

　　復制的過程也是一種復原研究。在色調的鮮與暗上，團隊在可驗證的區域選擇了洞窟未被遮蓋時候的鮮亮，而沒有采用煤灰等問題導致的石窟雕像變化后的顏色。在洞窟的風化上，他們認為是不可抗的自然之力給予的，便不再做調整，并把人為的破壞痕跡保留了下來。

　　云岡石窟研究院美術工作團隊依照古法用礦物顏料為面積大約900多平方米的復制窟上色，歷經8個月的時間，終于讓12窟完成了其形色具足的復制，煥然呈現。

　　通過手工在現代材質基底上“裝鑾繪色”來恢復如此規模的石窟樣貌，這是文物界有史以來的第一次。

　　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學科領域，而是實實在在跨學科的事情，涉及到了考古學、文物保護、計算機、精密機械、3D打印、材料學、美術、結構力學、公路運輸等工程性的問題。”

　　制作完成了，讓云岡石窟真正地“行走”于世界各地展覽，還必須有結構力學、公路運輸等學科的考量。這次，浙大團隊創新性地使用了“積木式”的新技術和制作方法，開創了一種文物藝術品展覽便捷運輸、安裝、展陳的新模式。

　　目前，復制成功的第12窟由110塊2米見方的“積木塊”分為6層進行組裝。這些“積木塊”總重量大約2噸，8輛標準集裝箱車就可以裝得下，能夠拉運自如地行走天下。裝配過程主要由四位工程師合作，僅花費兩周的時間即可組裝完成布展。

　　“說走就走”的展覽結構為輕質鋁合金框架，分體式半自動化安裝。現場無需搭建傳統的腳手架，低空作業組在地面上組裝好一層再吊到頂部安裝，整個過程就像由上往下搭積木，提高了裝配效率，縮短了安裝周期。

　　“技術攻關”是刁常宇常常提到的詞語，在制作復制石窟的時間里，技術攻關實驗為他們解決了太多的難題。盡管如此，刁常宇認為，科技對考古學的幫助是提供高精度的數據，考古學對科技有著學術支持，而更多的是讓科技更好地服務于學術研究。

　　從今年6月12日至11月30日，浙江大學藝術與考古博物館舉辦特展“魏風堂堂——云岡石窟百年記憶和再現”，展覽精選了云岡石窟研究院所藏石雕造像、碑刻、陶瓷器具，建筑構件等文物112件（套），以及一個多世紀以來研究和記錄云岡石窟的中外學術文獻、珍貴歷史影像，集中展現了云岡石窟的歷史價值和藝術價值。

　　此次展覽是云岡石窟第12窟環游世界所到的第一站，這也是云岡石窟夢圓的第一站。目前已有多家得到消息的美術館、展覽館和相關機構在聯系展出，云岡第12窟將是“行走的石窟，永不落幕的絲路音樂廳”。

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