全球首例可移动3D打印复制洞窟成功落成

　　不可移动的云冈石窟 “离家出走 环游世界”

　　“凿石开山，因岩结构，真容巨壮，世法所希。”北魏地理学家郦道元在《水经注》中，这样描绘彼时云冈石窟的盛景。

　　如今，想要领略云冈石窟著称于世的精细乐舞雕刻和独特艺术风格，不一定要前往山西大同，“分身”石窟已经可以移动到它想要展示的地方。这次，云冈石窟离开驻守千年的大同武周山，“移步”浙江大学艺术与考古博物馆，开启了世界巡展的第一站。

　　6月12日起，由浙江大学与云冈石窟研究院合作的全球首例可移动3D打印复制洞窟在浙江大学艺术与考古博物馆亮相。在这里，可以清晰地观看欣赏云冈石窟第12窟。美轮美奂的造像、庄生天籁的境界、博大精深的内涵……到场观众无不为这场石壁上的大型音乐会所震撼，有网友发微博感慨：“3D打印复制洞实在太酷了！古代智慧与现代科技的奇妙结合。”

浙大数字化团队在云冈12窟前室进行数字化信息采集

　　先后三年，浙江大学文化遗产研究院与云冈石窟研究院联合项目组，费尽心血，攻克了数据采集处理、结构设计、分块打印上色等多项技术难关，才得以完成这座全球首例可移动3D打印复制洞窟。

　　同时，这座3D打印复制洞窟实现了云冈石窟研究院长久以来的夙愿，让千年云冈石窟迈出了“行走”于世界的第一步。

　　夙愿

　　让庞大的云冈石窟 可以“走”出去做展览

　　地处大同城西十六公里的云冈石窟，是举世闻名的佛教艺术宝库。它作为世界文化遗产，距今已有1500余年的历史。石窟现存洞窟45座，造像59000余尊，花纹图案更是数不胜数，代表了公元5世纪世界美术雕刻的最高水平。

　　一直以来，云冈石窟研究院有着曾经难以完成的梦想：让庞大的云冈石窟可以“走”出去做展览，加强对外交流，让更多人切身感受到云冈石窟的艺术魅力。

　　2014年4月，云冈石窟研究院与浙江大学文化遗产研究院达成了文物数字化保护战略合作——浙大文化遗产研究院协助云冈石窟进行3D数字化数据采集建模，制作可以用电脑直接观看云冈石窟的三维模型，永久保存云冈石窟及其珍贵文物信息。

　　这样的信息采集工作对浙大文化遗产研究院来说已非首次。浙大文化遗产研究院虽然成立于2010年，可是对于文物数字化保护工作，最早可以追溯到1997年。

　　那时，浙江大学潘云鹤院士开创了信息技术用于考古、文物保护和艺术复原方向的研究，“浙大团队最早开始尝试将3D技术运用到文化遗产领域是在敦煌石窟中，开发了敦煌石窟虚拟漫游系统，在电脑中可以像玩3D游戏一样看敦煌石窟，该系统作为展示作品曾在2000年德国汉诺威世界博览会上展出。”浙江大学文化遗产研究院副院长刁常宇介绍道。

　　浙大与云冈的联合团队在建立三维数字化模型时，决定大胆地挑战多年夙愿：是否可以跳脱出电脑，在现实生活中也能实际观看云冈石窟，让不可移动的石窟完成可移动的展示呢？

　　显然，3D技术创造的虚拟系统已经不能满足云冈石窟的要求。于是，浙大团队开始萌发了使用3D复制技术的想法，“云冈石窟研究院开始鼓励我们做攻关实验，我们也认为这是非常具有前景的研究方向，于是开始了该项目的实验。”刁常宇说道。

　　探索

　　经过两年反复实验 才确定采用3D打印技术

　　从想法到实践并非易事，云冈石窟项目有着更高的难度。“云冈石窟都是雕塑，我们一直在试图用3D打印技术，可是成本很高，技术也需要不断攻关。”

　　到底能不能成功运用3D复制技术？浙大团队开始做了不同技术的速度、成本、精度、效果和材料等方面的比较和实验。

　　首先，如果想要把云冈石窟“搬”出去做展览，必须要选择轻质材料。对比人工合成材料与来自大自然的材料，浙大团队选择了相对较轻的人工合成材料。

　　其次是3D复制技术的对比，其大致分为增材制造和减材制造两类。增材制造是用材料不断地把石窟雕像堆积出来，而减材制造是3D雕刻机一点点把石窟造型挖出来，将多余部分从原本的材料中切出去。“我们最早尝试的是3D雕刻技术，它的高精度数控车床CNC技术的精度很高，可以达到非常好的复制效果。但是对材料的要求很严格，如果用轻质材料进行加工，如何在雕刻过程中让轻质材料保持承受强度才能达到很好的精准度是一个挑战。”浙大团队在复制品的材质重量和它的精度之间难以抉择。实验过程中，浙大团队发现3D雕刻技术有着它的局限性。“云冈石窟的雕刻造型千变万化，当3D雕刻技术处理形状比较复杂的造型时，就会产生雕像之间互相遮挡的问题，因此就必须要将它们拆解，进行分别加工，这给工作带来了极大的不便。”刁常宇解释着。

　　而增材制造的3D打印技术，却没有这方面的缺陷。经过了两年多的研究试验，浙大团队最终确定采用3D打印技术。

　　2016年8月，浙江大学文化遗产研究院与云冈石窟研究院合作的“可移动3D打印复制洞窟”正式立项。

　　项目团队由云冈石窟研究院、浙江大学、美科图像（深圳）有限公司联合组成，云冈石窟研究院主要负责学术研究和人工上色，浙江大学主要负责关键技术研发，美科图像主要负责3D打印和结构制作，山西云冈数字科技主要负责人工上色，其中石窟三维数字化采集与处理工作主要由云冈石窟研究院和浙江大学合作完成。三家团队将携手挑战“不可能”。

　　遇阻

　　处理海量扫描数据 触及到了这个领域的“天花板”

　　云冈石窟第12窟又名“音乐窟”，开凿于公元五世纪，色彩丰富，其中雕刻的天人形象和中外乐器，是我国古代最早的宫廷交响乐团，在中国音乐舞蹈史上具有极其重要的地位，很好地展现出音乐风尚与时代风貌。此外，第12窟前殿后室，入深14米，宽11米，高9米的大小适合可移动展览，方便运输且可操作性强。最终，云冈石窟研究院选择了第12窟作为复制对象。

复制窟局部

　　“对第12窟的数字化采集触及到了这个领域的‘天花板’。”刁常宇感叹道。云冈石窟的洞窟空间巨大，造像高浮雕、浅浮雕等多种雕刻手法纯熟应用，各种遗迹空间深度尺度复杂，扫描和测绘难度极高。

　　浙江大学与云冈石窟研究院的合作团队采用浙大团队探索出来的一套三维激光扫描与摄影测量融合构建文物三维模型的解决方案，对第12窟进行高保真三维数字化数据采集。历时三个月，最终完成了52站三维激光扫描并拍摄了55680张照片。

云冈12窟前室西壁正射影像图，原真的形色信息记录后的数字化测图

　　数据采集之后，需着手做分析和计算，“团队要把采集扫描的图像和数据通过算法合并在一起，合并的过程形成了数据之间的连接，相互之间有一种约束，让整体的结果互相补充，不留下死角，使其精度更高。”

　　然而，海量的高精度三维扫描数据采集和大量的分析计算是数字化记录中的“拦路虎”。

　　“我们感受最深的是数据处理的困难，我们拿到海量数据时，最好的计算机都没有完成对它的处理，现成软件处理所需要的时间也远远超出我们的接受范畴，甚至有的软件根本不知道它能运行多长时间才能结束。”刁老师回忆道。

　　对他们来说，这是跟时间赛跑的实验，“在我们处理信息的时候，其他两家合作公司只能等着我们。这是我们感到压力最大的事情。”

　　浙大团队只能回到最初的原点，再次研究最基本的算法。团队的四位博士与硕士不断攻关，把不同设备采集的数据整合在一起。庆幸的是，他们最后实现了关键性突破，保证在有限时间里处理完了数据，成功建立了第12窟的高保真彩色三维模型。

　　“比我承诺的时间晚了半年左右，这是我们没有预料到的。原本以为半年就可以完成数据处理，但最后用了一年左右的时间。”刁常宇笑道。

　　攻关

　　没有参考案例 每一个环节都充满挑战

　　漫长的等待之后，负责成型加工的深圳美科图像有限公司终于拿到了处理完成的数据，然而他们面临的是单次打印成型的成品体积较小的问题。

　　相继而来的困难和攻关实验已经是团队的家常便饭，“每一个环节都有新的挑战，因为我们是第一个做这件事的团队，没有可供参考的技术和案例，在摸索的过程中，肯定会不停碰钉子。”

　　采用分体式3D打印方式，他们是第一个“吃螃蟹”的团队。此前没有先例，也没有技术成形的路径，需要边摸索边突破。为解决单次成型体积较小的问题，美科图像有限公司专门研发了可以打印1×1×1.5米的大型3D打印机。制作的20台大型3D打印机可以确保一次打印成型，运用3D打印铸模技术复制文物本体的所有细节。

　　将第12窟分割成110块2米见方的“积木块”，再将每个大块切割成十几个左右的小块进行打印，每打印一个小块都需要将近一周不分昼夜的工作才能完成。

　　如果说拆开来分块难，那么合在一起的数据拼接就非常考验分块间的空间精度。浙大团队将误差尽可能地解决在设计中。

　　所谓“万丈高楼平地起”，这是人们对垒砌的一般概念，从下往上地搭建是最常用的方式。不过，在3D拼装的过程中任何一个小的误差都会导致错位，并可能导致最后无法安装。合作团队再一次另辟蹊径，选择了从上往下安装的策略，把误差往下压，“把累积误差留给开口的位置，误差就被消化掉了。”

　　石窟实现了形的打印后，要如何赋予它完美的“色”呢？色，不单单只是石窟表层的颜色，还包含了文物的材料、质感等综合的历史信息。使用高分子材料固化成型的复制石窟，还未具备石材的质感，庆幸的是可以通过“赋色”环节填补缺憾。

　　问题又接踵而至，当前各类3D着色或3D打印技术，都无法在赋色的同时又可以营造指定的质感，“我们试了3D彩色打印，也尝试了打印之后再给凹凸不平的模型上色的方式，但都没有达到想要的质感。我们想要的是石窟砂岩开凿的质感，先上色再营造质感这条路行不通。”刁常宇认为。

　　经过之前与数据收集同时进行的比对实验，合作团队还是决定采用人工上色的方法，以寻求最大程度的原真再现。当必须选择人工上色来完成云冈复制窟的制作时，同时也拥有了另一种自由。团队认为，既然有了可以变化的选项，为什么不能改变一下色彩呢？只要这个变化是有依据的。

　　经过论证，合作团队提出了大胆的上色方案建议——不与现存的12窟“一模一样”。云冈石窟研究院最终决定赋色的具体操作方案，是将基于科学数据与专家对文物的理解综合起来一起考虑。“我们并不是天马行空地创新赋色，而是必须在考古学的指导下来制定赋色方案，比方说，现存石窟中的颜色与过去的颜色有什么关系，哪些是有依据的变化，是否可以按照这些依据去提升色彩亮度呢？”

　　复制的过程也是一种复原研究。在色调的鲜与暗上，团队在可验证的区域选择了洞窟未被遮盖时候的鲜亮，而没有采用煤灰等问题导致的石窟雕像变化后的颜色。在洞窟的风化上，他们认为是不可抗的自然之力给予的，便不再做调整，并把人为的破坏痕迹保留了下来。

　　云冈石窟研究院美术工作团队依照古法用矿物颜料为面积大约900多平方米的复制窟上色，历经8个月的时间，终于让12窟完成了其形色具足的复制，焕然呈现。

　　通过手工在现代材质基底上“装銮绘色”来恢复如此规模的石窟样貌，这是文物界有史以来的第一次。

　　行走

　　可像积木一样组装 向世界显示云冈石窟的永恒魅力

　　“我们所做的工作不单是某一个学科领域，而是实实在在跨学科的事情，涉及到了考古学、文物保护、计算机、精密机械、3D打印、材料学、美术、结构力学、公路运输等工程性的问题。”

　　制作完成了，让云冈石窟真正地“行走”于世界各地展览，还必须有结构力学、公路运输等学科的考量。这次，浙大团队创新性地使用了“积木式”的新技术和制作方法，开创了一种文物艺术品展览便捷运输、安装、展陈的新模式。

　　目前，复制成功的第12窟由110块2米见方的“积木块”分为6层进行组装。这些“积木块”总重量大约2吨，8辆标准集装箱车就可以装得下，能够拉运自如地行走天下。装配过程主要由四位工程师合作，仅花费两周的时间即可组装完成布展。

　　“说走就走”的展览结构为轻质铝合金框架，分体式半自动化安装。现场无需搭建传统的脚手架，低空作业组在地面上组装好一层再吊到顶部安装，整个过程就像由上往下搭积木，提高了装配效率，缩短了安装周期。

　　“技术攻关”是刁常宇常常提到的词语，在制作复制石窟的时间里，技术攻关实验为他们解决了太多的难题。尽管如此，刁常宇认为，科技对考古学的帮助是提供高精度的数据，考古学对科技有着学术支持，而更多的是让科技更好地服务于学术研究。

　　从今年6月12日至11月30日，浙江大学艺术与考古博物馆举办特展“魏风堂堂——云冈石窟百年记忆和再现”，展览精选了云冈石窟研究院所藏石雕造像、碑刻、陶瓷器具，建筑构件等文物112件（套），以及一个多世纪以来研究和记录云冈石窟的中外学术文献、珍贵历史影像，集中展现了云冈石窟的历史价值和艺术价值。

　　此次展览是云冈石窟第12窟环游世界所到的第一站，这也是云冈石窟梦圆的第一站。目前已有多家得到消息的美术馆、展览馆和相关机构在联系展出，云冈第12窟将是“行走的石窟，永不落幕的丝路音乐厅”。

　　正如梁思成先生在考察云冈时所言：“从雕塑的体态、衣着，可以直观地感受到中外文明交融的印记。”今后，可移动3D打印复制洞窟可以让越来越多的世界观众感受到云冈石窟的艺术内涵。（文/韩世容 供图/刁常宇）