敦煌石窟保护与展示工作中的数字技术应用
樊锦诗
内容摘要：数字技术在敦煌莫高窟的保护与展示中已得到了广泛的应用。应用数字技术，对敦煌石窟艺术的全部信息进行记录，同时也应用于洞窟壁画现状调查、日常监测等保护工作，又为美术临摹工作的线描稿起稿提供了技术支持。采用数字无线传感器网络技术在洞窟实时监测和管理方面发挥了独特的作用，为莫高窟洞窟的开放管理水平提升提供了技术支持。三维激光扫描的数字技术应用于洞窟考古测绘工作中，测量精度和准确性得到了提高。在敦煌学信息资料建设方面，利用数字技术，建成了高效的图书管理系统和文献资料数据库，实现信息资源共享。采用数字技术，充分扩展了敦煌石窟艺术展示的场所和空间。通过在建的敦煌莫高窟游客服务中心项目，可以使观众欣赏到高分辨率、高清晰度的洞窟建筑、彩塑和壁画，同时也使洞窟得到有效保护。
关键词：莫高窟；数字技术；保护；展示
中图分类号：K870.6文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0001-03
千余年来自然因素的作用和人为因素的影响，使敦煌石窟面临着逐渐褪化的危险。作为莫高窟的保护、管理和研究机构——敦煌研究院，在中国政府与国内外友好人士和机构的帮助下，六十多年来投入了大量的人力、财力和物力，采取了积极有效的措施，对敦煌石窟进行了卓有成效的保护，如石窟危崖加固，石窟崖顶风沙危害综合治理，石窟环境监测和治理，壁画和彩塑病害的研究、治理和修复，等等。众所周知，文物是不能再生的，也是不能永生的。尽管我们采取了许多保护措施，但是，敦煌石窟文物，特别是脆弱的壁画逐渐褪化趋势无法逆转，作为档案的摄影照片、录像资料也难以持久保存敦煌艺术的信息，敦煌石窟的保护面临着严峻的挑战。此外，敦煌石窟脆弱的壁画和塑像及其狭小的洞窟空间，与迅速发展的旅游开放所形成的矛盾日益突出。因此，如何能永久地保存、又能永续利用这份人类珍贵的文化遗产，成为久久困扰我们的难题，也是我们孜孜不倦追寻的目标和最高的职责。先进的计算机技术的发展启发了我们，20世纪80年代，我们开始尝试利用先进的摄影技术和数字技术记录、存储敦煌石窟艺术的探索。进入20世纪90年代以后，我们与国内外大专院校、科研院所合作，共同开展了敦煌数字储存技术的研究。
一敦煌石窟艺术数字存储研究和应用
1.敦煌石窟艺术数字存储研究的开始
在美国纽约梅隆基金会的支持下，我们与美国西北大学合作采用覆盖式拍摄和先进的QuickTime虚拟现实两种方式，分别用数字技术记录敦煌石窟艺术的全部信息。覆盖式拍摄可以获得高分辨率的壁画图像，拍摄方法是用平行于壁面移动的数码相机，依次对洞窟壁画分幅拍摄，然后把单幅数字图像拼接成整壁壁画图像，并通过相关的专业软件处理，保证图像色彩和几何比例的准确性；QuickTime虚拟现实能使图像观看者有进入洞窟的感觉，并能在洞窟内旋转观看，看到洞窟内建筑、彩塑和壁画的所有艺术品。
与此同时，敦煌研究院和国外一些收藏敦煌资料的单位授权梅隆基金会制作梅隆国际敦煌档案，这是一部学术性的电子档案，为文物保护及其他专业的学者提供重要的信息资源。档案可让学者将图像的具体细节拉近放大，看到本来看不到的画面，进行仔细研究，还可以浏览石窟内景的拼接全景，得到身临其境的感觉。档案还可以让学者在电脑显示屏上同时对分散在世界各地的敦煌图像进行比较研究。
2.敦煌石窟艺术数字存储的继续探索
在以上研究的基础上，随着数字技术的不断发展，我们不断地探索和改进壁画数字存储技术。首先，引入色彩管理系统，使图像从拍摄、信息采集、图像拼接与处理，图像显示及打印输出等各个环节实现色彩一致和统一，并保证色彩还原的准确；其次，由于硬件性能的提高和软件的升级，图像信息采集精度由75DPI提高到150DPI，提高了壁画数字化获取图像的精度；第三，后期图像拼接处理，由纯手动拼接提高为自动与手动相结合的方式；第四，随着信息采集所使用的轨道和拍摄机架等设施的不断改进，提高了信息采集的准确率；第五，所有的数据采用不同的介质进行数据备份，确保数据安全。
3.敦煌石窟艺术数字存储信息的应用
目前，覆盖式拍摄所获得的高分辨率的壁画图像已经应用于敦煌石窟的保护、研究和弘扬工作中。首先，在保护方面，高分辨率的敦煌石窟艺术图像用于对洞窟壁画保护必须采取的现状调查，精确地记录不同类型的壁画病害信息；为评估壁画修复效果和日常监测、调查洞窟壁画保存状况而提供依据。其次，利用覆盖式拍摄图像拼接技术所获得的高清晰、高精度的图像资料，为美术临摹工作的线描稿起稿提供了技术支持，提高了美术临摹工作的速度、效率，减轻了临摹工作强度。
二数字无线传感器网络技术应用于石窟微环境实时监测和游客流量统计
石窟的气象环境因素，如温度、湿度、二氧化碳浓度等都是影响到洞窟壁画保存的重要因素，也直接影响洞窟的开放参观。用传感器采集上述各种参数，并采用无线通讯技术将所有传感器组成一个网络，实现数据大范围长期可靠的传送；采用主动式RFID技术与无线传感器网络技术，还可以实现对洞窟内游客流量的实时统计。
用数字无线传感网络实时监测洞窟的各种环境变化，可以使我们实时掌握洞窟的状况，并能够根据洞窟环境的现状，及时采取洞窟临时性关闭或调整等策略，以此加强对洞窟的保护。
三三维激光扫描技术应用于洞窟考古测绘
以往我们采用传统手工测绘的方式绘制考古测绘图，精准度和工作效率都很低。现在，我们利用三维激光扫描技术获取点云，并通过数据配准完成数据坐标系的统一，并将点云数据导人到Microstation系统，根据数据的几何特征和点云强度勾勒出洞窟结构和塑像线描图，又通过点云数据确定壁画的三维位置，依据拼接图像勾勒出壁画物象的线特征，并且在考古测绘图上按照分幅的图幅大小插入标有坐标数据的网格线，便于后期整理成图，并计算出图像的准确位置和实际大小。采用上述技术绘制的考古测绘图，不仅精度高，而且提高了工作效率，从而准确、科学地记录了敦煌石窟艺术的全部信息。
四数字技术在敦煌学信息资料建设方面的应用
在信息资料建设方面，利用数字技术：第一，我们建成了高效的图书管理系统，实现了馆藏中、英文图书的异地管理和检索；第二，初步建成了“敦煌学研究文献数据库”、“敦煌遗书数据库”、“敦煌遗书总目数据库”、“石窟档案数据库”等系统；第三，与英国国家图书馆合作建设国际敦煌学项目(IDP)，即利用高精度数字摄影技术，将我院和甘肃省内所藏的敦煌藏经洞出土文献约八百多件全部制成数字档案，上传至国际敦煌学项目(IDP)数据库，达到信息资源共享；第四，设立了
多媒体阅览室，提供国内的中国知识资源总库(CNKI)、万方数据库，美国的JSTOR、ART-STOR等几个大型学术数据库的远程查询；第五，利用哈苏X5、易迈康848扫描仪，对我院保存的自20世纪50年代至今拍摄的4000余张传统底片数字化扫描，初步建立了影像资源数据库；第六，建立并不断完善敦煌研究院网站(http://www.dha.ac.cn)。
五利用数字技术充分展示敦煌艺术，建立敦煌莫高窟数字展示中心
随着敦煌石窟艺术数字技术不断深入和发展，我们计划建设敦煌莫高窟游客服务中心，该项目得到了国家的支持。游客中心建成后，不仅可以将游客过多对文物造成的威胁降至最低，使洞窟得到有效保护，而且能充分扩展敦煌石窟艺术展示的场所和空间。高分辨率、高清晰度的洞窟建筑、彩塑和壁画的展示，使观众欣赏到更加细致精美的敦煌石窟艺术，并获取更为丰厚的敦煌石窟艺术信息。
敦煌莫高窟游客服务中心，将设置洞窟实景漫游厅、主题电影演播厅、多媒体展示厅及相关配套设施。洞窟实景漫游厅，用球幕影院形式放映球幕电影。球幕电影是通过数据采集、建模、贴图、渲染、后期制作等五个步骤制作完成的；其中的关键是要处理好贴图和渲染两个步骤，需要解决超大数据量管理、图像和模型的精确映射、图像色彩的融合，以及高精度、180度球幕鱼眼镜头场景渲染等。球幕电影能使观众感受到身临其境并细致入微地观看洞窟建筑、彩塑和壁画。观众观看主题电影，能获取敦煌莫高窟诞生的历史文化背景和敦煌艺术珍贵的价值，获得丰富的敦煌历史文化知识。观众还可以利用多媒体展示满足其多种参观需求，获取大量的敦煌文化信息。
六敦煌数字化工作面临的主要问题
敦煌数字化工作是一项浩大的工程，以上所说的只是一个开端，要进一步开展数字化工作，我们还面临很多的问题，比如：
第一，我们希望准确、快捷、完整地获取数字信息数据，难题是由于高精度的信息获取过程中存在大量的分幅和局部数据，制约了获取平面图像信息数据和三维结构数据拼接的准确性、快捷性，文字信息、平面影像数据以及三维空间信息数据之间缺乏统一关联，从而影响了信息数据的完整性。
第二，我们希望能够科学地整合与管理巨量信息数据，难题是将大量不同时段、不同目的和不同用途所产生的信息如何数据整合，又能让使用者通过统一数据源查询到任意时间段、任意内容等各种数据信息，并能够源源不断地吸收新的信息数据和研究资料。
第三，我们希望将先进的数字技术，应用到文化遗产的保护、考古研究和展陈。难题是根据文化遗产的保护、考古研究和展陈的需求如何持续不断地开展数字技术创新。
