莫高窟第172窟北壁建筑图像的三维数字化呈现
摘要：莫高窟第172窟北壁的建筑图像是敦煌壁画中最具盛唐建筑风格的典型代表作。本研究以探索敦煌壁画中二维建筑图像三维数字化呈现的方法为目标，以第172窟北壁中央的前殿图像为例，综合利用史料文献和实证材料，进行基于有限数据资料与结构逻辑推导的推测性研究，并集成运用图像处理软件(Adobe PhotoShop､Adobe Illustrator)和三维建模软件(SketchUp､Rhino)，建立了第172窟北壁中央前殿的三维彩色模型，实现了壁画中的建筑图像从二维到三维的虚拟转变，相对科学､客观地再现了壁画中的建筑形象。通过3D打印等快速成型技术和虚拟投屏等展示利用手段，深度挖掘技术成果价值，扩展了壁画遗产的价值阐释与展示深度，带给观者超现实的空间体验。
关键词：数字化技术；三维建模；唐代建筑；莫高窟172窟
0 引言
敦煌壁画中有大量丰富珍贵的建筑图像，虽然艺术家绘制的是理想中的佛国世界，却是人间宏丽宫殿的缩影[1-2]。粗略统计，约5万平方米的敦煌壁画中，单是大型西方净土变和药师经变中，所描绘出的建筑就不下四千座[3]。而莫高窟第172窟北壁经变画中的建筑图像，是敦煌壁画中最具盛唐建筑风格的典型代表作，也是艺术水平发挥得最好的建筑绘画之一。特别是中央前殿绘制的尤为精细，尽管是作为人物的背景，画面都忠实描摹了每一个建筑构件。也正是如此，它成为了解唐代殿堂建筑的重要资料之一，也一直是古代建筑研究领域的热点。其中，萧默先生分析了第172窟壁画中建筑院落布局和单体建筑结构的特点[4-5]，孙儒僩､孙毅华先生推想出画面之外的建筑结构[6]。但是，数字时代的展示方式改变了受众的视觉需求，传统壁画建筑的二维展示形态已经不能满足现代人的阅读深度与广度。目前，随着计算机技术的发展，运用虚拟现实技术来复原和展示古建筑已经成为一个新的研究领域，如：“佛光寺详勘数据库”的建设将东大殿的测绘精度提高到了毫米水平[7]；运用高精度测量及计算机三维建模技术建立志莲净苑建筑构件的三维模型数字档案[8]；以历史图片和考证资料为依据，虚拟复原了圆明园､大明宫的建筑原貌[9-17]。
敦煌研究院从20世纪80年代末就开始联合国内外科研机构尝试利用先进的基于轨道的覆盖式拍摄采集､计算机图像处理､虚拟漫游技术，探索建立敦煌石窟数字档案[18]，近30年的敦煌石窟数字化组织实施，形成了集数字采集､数据处理､安全存储､有效管理等多项不可移动文物数字化技术规范和标准，实现了敦煌石窟两百余个洞窟形状准确､色彩真实､高清晰度的数字档案。尤其近年来，三维数字技术在敦煌石窟､壁画的保护工作中已有不少成功的实践案例，积累了一定的成熟经验[19-22]。
本研究在既往研究的基础上，综合利用史料文献和实证材料，对第172窟北壁中央前殿的二维图像进行基于有限数据与结构逻辑的推测性研究，形成一套闭合的建筑尺度数据。以第172窟北壁中央前殿的建筑图像､尺度推测､色彩复原设计等基础研究为依据，结合运用多种软件建立第172窟北壁中央前殿的三维彩色模型，科学､直观地再现了壁画中的建筑形象。通过3D打印､虚拟漫游等多种展示利用手段，突破了敦煌壁画建筑图像的二维展示形态，实现了数字化技术的成果转化，扩展了壁画遗产的价值阐释和展示深度。
1 壁画建筑图像的三维数字化呈现
1.1 研究对象
莫高窟第172窟北璧中央前殿的建筑形象集中反映了盛唐殿堂建筑的特征，且建筑构件描摹的准确度相对较高，可为高精度三维建模提供便利。所以本研究选择莫高窟第172窟北璧中央前殿作为研究对象，探索敦煌壁画中二维建筑图像三维数字化呈现的技术方法。
1.2 技术路线
壁画建筑图像的三维呈现需要突破以下三个关键环节：建筑尺度分析，精细建模，纹理贴图的设计与制作。为解决以上关键环节的技术难点，围绕敦煌石窟文物数字化保护与展示的需求，制定研究技术路线如图1所示
图 １ 本研究技术路线
1.2.1 建筑尺度分析
建筑结构是立体的，而壁画上的建筑图像是平面的，它只反映了三维空间中一个角度的画面，对于画面中没有反映出的位置和建筑的内部结构，除了需要从现存实例和壁画建筑图像寻找依据，还需要结合营造原则创造性地猜想推理。以现有唐代建筑研究及现存实物资料为基础，完成中央前殿建筑结构的营造尺度分析。
1.2.2 建筑线描图的提取和完善
首先定位纠正壁画的拼接图像，再以准确的数字图像为基准，提取和完善建筑线描图，通过营造尺度分析推理出遮挡位置的细节(图2)。
图 ２ 莫高窟第 １７２ 窟北壁中央前殿的推测线描图
1.2.3 基于SketchUp､Rhino软件的参数化精细建模
中央前殿建筑结构复杂､图案众多，数据量庞大，模型的精细程度决定了视觉呈现的真实感和细节，高质量的模型也增多了整个场景的面块，面数越多占用电脑存储越大，会增加电脑的反应时间和渲染输出的时间。且建模要做到每个部件之间都要相互契合，必须要知晓每个结构的具体尺寸，且符合营造法式，符合壁画中的建筑唐代图像，体现真实性､科学性和艺术性，对建筑结构的分析和资料的相互印证提出更高的要求，也是建筑图像三维数字化呈现的最难点。
针对精细建模的难点，按营造法式分解结构，依据壁画图像､线描图､营造尺度分析，以建模为导向，形成一套闭合的建筑尺度数据。优先选用SketchUp软件为主要建模软件，以Rhino软件为辅助建模软件，对三维结构和二维图案进行严格的尺度控制，建立各个构件的精细三维模型。
1.2.4 基于PhotoShop､Illustrator软件的纹理贴图的设计与制作
要实现前殿的彩色三维模型，就要使用到多种软件相互结合使用，多种处理软件产生的数据既有平面的，也有三维的，如何将这些多源数据融合集成，建立彩色三维模型是难点。且壁画上的建筑已褪色，有些部位被画面中的人物､树木或其他形象遮挡，而且建筑内部结构的装饰图案在壁画中没有反映，所以表面装饰纹样的设计需要从现存实例和其他唐代壁画中寻找相似元素后加以创作。
针对纹理贴图的设计与制作的难点，先基于三维素模中的基准尺度，以壁画中唐代建筑装饰图案为基准，参考现存实例，集成运用PhotoShop､Illustrator图像处理软件绘制建筑表面装饰图案。
1.2.5 基于SketchUp软件的三维彩色模型渲染输出
基于SketchUp软件，将建筑表面装饰图案与三维结构模型相结合，渲染输出彩色三维模型。
1.3 建筑尺度分析
第172窟北壁中央前殿为单檐庑殿顶，面阔五间，进深三间，平面呈方形，举折平缓，出檐深广。檐下四周设简式叠涩须弥座台基，束腰部有壸门，推测台基前､后方均居中安装有彩绘踏跺。殿身四周为圆形木柱，柱间施重楣阑额，之间竖立立旌，柱底施覆连柱础，推测莲瓣约为10瓣。门窗位于内层的立柱之间，上顶重楣阑额，下连地栿，中间数条横木相连。铺作层整体硕大，画面中柱头铺作被遮挡，只露出左右两侧的转角铺作和补间铺作，以左部画法为基准，参考现存遗构-莫高窟五座唐宋窟檐[23-25]做法，推测柱头铺作､转角铺作为双抄双下昂七铺作逐跳计心造里转六铺作[26-28]，补间铺作为云纹双旋卷草驼峰上架五铺作里转四铺作。屋檐高挑向上翘起，屋脊两端为鸱尾。这些建筑构件体现了唐代建筑的壮硕坚实，雄伟大气。
宋《营造法式》以“材”“栔”“份”为建筑构件的基准单位，材份值规定“材”的高度为15份，宽度为10份，栔的高度为6份。为了使复原的建筑形象既忠实于壁画画法，又符合实际逻辑，将中央前殿依据画面内容设计为面阔五间､进深三间。根据材份制，中央前殿用二等三等材皆可制作，本研究选用三等材的尺度，将材份制单位换算成厘米，三等材材高7.5(寸)×3.2(厘米/寸)=24厘米，宽5(寸)3.2(厘米/寸)=16厘米，则一份为1.6cm。为了方便尺度研究与后期建模，将三等材宽的16cm定义为10cm，这样材高正好为15cm，则《营造法式》中的一份，在建模对应为1cm。这样定义后，使得单位厘米与《营造法式》材份制的份数一一对应，且几乎都是整数，利于建模和尺度的换算。
1.4 基于SketchUp､Rhino软件的参数化精细建模
本研究是在参考了与之结构相似的唐佛光寺东大殿[29]､南禅寺大殿[30]的实测尺度及木作结构的基础上，主要以壁画图像中反映的结构为准，确定建筑单体和构件的比例､尺寸，进而推演建立出理想模型。推演过程为：首先根据佛光寺东大殿的单个斗栱结构件的具体尺度，参考《营造法式》，主要依据壁画中的斗栱结构，先进行预建模，并边建模边推演出符合唐代建筑结构逻辑的柱头铺作､柱间铺作､转角铺作。再综合考虑预建模完成的斗栱的尺度､唐佛光寺东大殿各间广的尺度､南禅寺大殿各间广的尺度､壁画中对中央前殿的间广和进深的描绘等因素后，推演出各间广的尺度。最后，通过三等材的份数，结合壁画图像的建筑结构分析，以建模为导向综合推理出台基､柱础､柱网､铺作层､梁架结构､屋顶每个结构件的具体尺寸，形成一套闭合的建筑尺度数据库，保证了复原的建筑形象即忠实于画面，又符合营造尺度。
基于尺度分析，中央前殿的正式建模以台基､柱础､柱网､铺作层､梁架､屋顶为整体结构，同步展开，每个整体结构内部的部件之间都要做到相互契合，建立的素模如图3~4。
图 ３ 莫高窟第 １７２ 窟北璧中央前殿
三维数字化模型的分层结构展示
图 ４ 莫高窟第 １７２ 窟北璧中央前殿
的三维数字化模型展示
因为相比其他三维建模软件，在建筑的三维建模方面SketchUp软件建立的低面数的模型可体现丰富的细节，具有更方便快捷､占用存储小的优势，且Rhino(犀牛)软件更便于建立高质量的曲面模型。所以本研究根据每个构件的复杂程度，以保证结构的同时减少面数为原则，灵活选用这两款软件建模，这样既保证模型精细度而又减小了存储量。
台基､柱网､铺作层､梁架､屋顶的每个构件几乎都是规则的立方体，优先考虑用SketchUp软件建立低等面数的精细三维模型。柱础的曲面较多，结构复杂，所以采用SketchUp软件与Rhino软件相结合的建模方式。具体步骤为：先在SketchUp中确定好柱础的整体尺寸，平均分割成十份，只保留其中的一份，删除面，只保留线条；然后将线条导入Rhino软件中，用贝赛尔曲面工具制作出覆莲造型的单个花瓣模型，通过旋转阵列合成整体柱础模型；之后再将整体柱础模型导入SketchUp软件中。
1.5 基于PhotoShop､Illustrator软件的纹理贴图的设计与制作
比起目前常见的纹理贴图的方式，本研究的方式比较新颖，也比较有优势。纹理贴图有两种：一种是矢量图像，一种是栅格图像。矢量图像无限放大后清晰度不变，栅格图像放大了会模糊，且同等效果的栅格图像的占用空间比矢量图像大得多。中央前殿建筑结构复杂，为避免后期展示电脑卡顿，纹理制作优先考虑矢量图像。在SketchUp软件中安装插件，基于贝赛尔曲线可绘制矢量图像，但不利于绘制过于复杂的矢量图像。而PhotoShop､Illustrator软件相结合便于绘制复杂的图像，但只能作为栅格图像导入SketchUp软件。本研究综合考虑了三种软件的优劣势，探索出了一种新的渲染方法：对于没有装饰图案的结构，在SketchUp软件中指定色彩填充，赋予模型材质；对于图案相对比较简单的纹理，在SketchUp软件中用贝赛尔曲线绘制矢量纹理，再用软件材质库中的指定色彩或指定材质填充；对于图案相对复杂的纹理，则用PhotoShop､Illustrator软件绘制出图案贴图，再导入SketchUp软件赋予模型材质；对于复杂模型与简单模型相结合的部分，则先分解它们的结构，再按以上方式分别操作。
壁画中的屋脊与屋面用石绿与石青彩绘，云纹双旋卷草驼峰表面用石青和墨绿相间绘制，柱子和梁架结构通体木色，斗科均用明亮的石绿色。所以屋顶､梁架､斗拱､墙体､柱子的每个结构可单独赋予色彩，均采用在SketchUp软件材质库中指定色彩填充，这种方式可以更好地反映出壁画体现的建筑色彩。具体步骤为：
1)先用PhotoShop软件中的拾色器工具，在壁画数字图像中吸取色彩保存较好位置的RGB值，以此值为基本范围微调，形成符合唐代建筑风格特征与色彩语言的RGB值；
2)在SketchUp软件中打开材质库对话框，在下拉列表中找到指定色彩选项，选取其中任意一个颜色，编辑此颜色使其与前面获得的RGB值一致，调整好颜色后用材质填充工具赋予建筑构件色彩。配色方案如图5所示。
图 ５ 屋顶、梁架、斗拱、墙体、柱子的配色方案
壁画中柱础表面用石青和赭石色相间绘制，图案相对简单，质感更接近于石材，选择用SketchUp软件材质库中的石材填充。具体步骤与上文提到的相似：同样要在PhotoShop软件中吸取调整RGB值。不同之处是：在SketchUp软件中的材质库列表中找到石头材质，分别选择卡其色拉绒石材贴图(Stone_Brushed_Khaki.jpg)､土灰色花岗岩贴图(Earthy Granite.jpg)，再根据获得RGB值编辑石材的颜色后填充材质，如图6所示。
图 ６ 柱础的配色方案
壁画中台基的装饰图案最为复杂，上下两基座用圆圈和条形图案点缀，地面铺有华丽的地毯，踏跺中央有卷草彩绘。上下两基座的圆圈图案和条形图案相对简单；地毯边缘的花朵图案很有规律，但中央的团花图案相对复杂；踏跺两侧的台阶为单色彩绘，中央的卷草图案相对复杂。圆圈图案､条形图案､花朵图案的部分，均可采用在SketchUp软件中绘制矢量纹理的方式赋予模型材质，具体步骤在上文中已提到；地毯的团花图案和踏跺的卷草图案，采用PhotoShop､Illustrator软件绘制栅格纹理的方式赋予模型材质，具体步骤为：
1)基于素模尺度，在Illustrator软件中用贝赛尔曲线绘制图案。
2)用PhotoShop软件中的拾色器工具，在壁画数字图像中吸取色彩保存较好位置的RGB值，以此值为基本范围微调，形成符合唐代建筑的风格特征与色彩语言的RGB值；
3)将绘制的图案导入PhotoShop软件中，用调整好的色彩上色。
4)将完成的图案保存为PNG格式。
5)在SketchUp软件导入PNG格式的图案，赋予模型表面。配色方案如图7所示。
图 ７ 台基的配色方案
2 结果分析
建立的三维彩色模型如图8､图9所示。
图 8 莫高窟第 １７２ 窟北璧中央前殿
的彩色模型正视图
图 9 莫高窟第 １７２ 窟北璧中央前殿
的彩色模型侧视图
为求证此次三维复原呈现的效果，将三维数字模型､3D打印模型在洞窟现场与壁画本体做了相互比对，现场效果如图10所示，相对科学､客观地再现了壁画中的建筑形象。需要说明的是，以壁画建筑图像为基本依据的研究，是基于有限数据资料与结构逻辑推导的推测性研究。其原则是在尽可能接近壁画建筑形象的同时，与同时代现存实例的结构逻辑与比例规则尽可能吻合，从而在最大程度上呈现壁画建筑的真实样貌。
图 １０ 洞窟现场的 ３Ｄ 打印模型
3 结论
唐代古建筑所存实物极少，在相关史料不足的现状下，此三维数字化数据既是壁画建筑二维图像数据的拓展，也是唐代建筑形象的直观呈现，可以为敦煌石窟壁画建筑复原展示提供新视点。研究数据可还应用在3D打印展示､建筑专题影片展示，建筑动画创作､文创产品设计等方方面面。3D打印的模型可以让观众更加直接､立体地欣赏与体验敦煌壁画。通过3D打印等快速成型技术和虚拟投屏等展示利用手段，深度挖掘三维数字化研究的技术成果价值，扩展了壁画遗产的价值阐释与展示深度。
本研究是壁画建筑图像三维数字化呈现的萌芽，所形成的技术和方法，可应用于敦煌石窟的数字化保护技术的普及与推广，助力于敦煌石窟的三维数字化技术与虚拟体验研究的发展。同时，所应用的技术方法也并非三维数字化呈现的唯一方式，随着数字技术的不断进步，在壁画建筑图像的三维数字化呈现方面还有巨大的发展空间和应用前景。
