【纪实】武大师徒两代接力攻关“数字敦煌”
敦煌莫高窟，又称千佛洞，不仅是中国文化艺术的瑰宝，也是著名的世界文化遗产。莫高窟有一段被西方劫掠的历史，绝大部分文物流失于英、法、俄、日等国，留在国内的只有少部分。即使是这少部分文物的保存，也让几代敦煌人倾注了全部心血。
3月5日，在十三届全国人大四次会议开幕前，敦煌研究院副院长苏伯民走进首场“代表通道”。他说，目前莫高窟已实现“窟内文物窟外看”的参观模式，并且突破了数字化保护技术的关键瓶颈，可以让越来越多的人感受到敦煌文化的魅力。
这项数字化瓶颈技术的突破，得益于武汉大学国家遥感重点实验室师徒两代教授30多年的努力。他们相约敦煌，削发攻关，让莫高窟在数字空间获得永生，实现了从图片到实景三维模型保护的飞跃。这不仅让敦煌壁画缀上丝巾，让彩塑走进4D影院，还通过游戏、音乐、动漫等文创产品，吸引更多民众参与到敦煌文化的保护和传承事业中来。
10分钟的改变
“前方进展如何？还需不需要技术支持？”1月27日，在光谷金融港B2栋武汉大势智慧科技有限公司，CEO黄先锋跟新疆戈壁滩上找寻洞窟的团队取得了联系。黄先锋所在团队参与了由国家文物局组织的全国石窟寺及摩崖造像的专项调查，国家文物局要求春节前完成任务。
黄先锋的办公室很宽大，但员工在这里经常找不到他。“我喜欢在员工办公室，感觉工作氛围更好。”今年42岁的黄先锋，另一个身份是武汉大学测绘遥感国家重点实验室教授。他说，他以前讨厌商业化，但办了公司后才发现，商业化是推动技术进步最有效的推手。
黄先锋所说的技术，现在看起来“简单”——办公室一座40厘米见方的花岗岩石墩，外面凹凸不平，黄先锋借用记者的手机对着石墩一阵拍摄，一杯茶的功夫，石墩的三维图便活灵活现呈现在记者手机里，360度视野无死角，石墩外表纹理清晰。
“清晰度取决于您的手机拍摄的图片质量。”黄先锋总共给石墩从各个方向拍摄了19张图片，上传至GET3D后台页面，短短10分钟便完成了石墩的三维建模。“接上3D打印设备，一模一样的模型就会打印出来。”
假若这个石墩是件文物，或者是莫高窟的塑像，三维图片的结果是一样的，可以实现永久的数字化保存。“这是一款轻量级的三维建模技术，我们称之为新一代人工智能云计算三维建模引擎G-Engine2.0，可以用拍照的方式复刻三维世界。”黄先锋将手机三维建模技术比作十年磨一剑，这也是武大人在敦煌30多年探索的成果。他说，这项技术处于国际领先地位，他们申请了40多项专利。可实现大规模三维重建，已广泛应用于莫高窟、龙门石窟的数字化保护。
如今，只要去敦煌莫高窟，游客不必去每个洞窟观摩，可以进入直径18米的球幕影院，通过高清影片观看莫高窟文物。每年这样参观的游客已达到100万人，实现了“窟内文物窟外看”。
“这实现了我们当初的梦想——让敦煌在数字化中永生。”黄先锋教授的师弟、一旁的CTO张帆副教授插话说，该技术首先应用于敦煌文物保护，他们用最新的测量、计算机技术等手段重建莫高窟三维场景，已建立起数字文化遗产+虚拟地理环境的全方位数字化档案。
数字敦煌的约定
莫高窟始建于公元366年，从北朝开凿到元代，是目前世界上现存规模最大、延续时间最长、内容最丰富、保存最完整的石窟遗址。到目前它保留了735个洞窟，计4.5万平方米壁画和2415尊彩塑。但是在莫高窟壁画中，有20%受到不同程度的损坏——霉变、腐蚀或脱落。例如156窟原有墨书《莫高窟记》，在上世纪60年代仍依稀可见，但现在已经看不到了。舍身饲虎壁画，老虎嘴边的血色已不可见。
“要拯救敦煌，决不能让它成为第二个楼兰!”上世纪80年代末，敦煌研究院找到武汉大学李德仁院士，设想让形状不规则的莫高窟壁画变成有凹凸感的一幅画，采用数字化对遗产进行保护。今年82岁的李德仁院士向长江日报记者回忆，当时数字化还是个新名词，因为数码相机分辨率不高，缺乏精密仪器，几经尝试，被迫停止了下来。
1996年，遥感技术取得进步，李德仁又进行了尝试。2006年，没有经费，李德仁四处筹集科研经费，购置了大空间激光扫描仪，手持毫米级、亚毫米级扫描仪，终于能将敦煌洞窟壁画的每一个细节记录到电脑中，显示在屏幕上。
“文物不可再生，也不能永生，但我们如果用测绘的手段将其记录在电脑中，用数字化存档的方式保存，则可让文物在数字空间中永生。”敦煌壁画的扫描保护给李德仁一个重要启示——莫高窟文化遗产一定可以在3D数字空间永生。
莫高窟崖体表面材质大多是砂砾岩，胶结性差，松散，加上瞬息万变的风沙和地震，都对莫高窟的保护构成挑战。敦煌研究院采取岩体锚固、局部支顶、裂隙灌浆、崖体防风化处理等方法，加固崖体的保护。在李德仁院士看来，还缺乏对崖体变形进行周期性、系统性的测量。也无法回答崖体是否存在变形，洞窟与洞窟之间形变量多大，崖体是否有安全隐患。这些问题必须全部摸清楚。
2007年，李德仁院士首次提出——空地融合、室内外一体化数据采集方案，不只是敦煌莫高窟，280平方公里的敦煌数据都应采集记录。李德仁院士的提议让其夫人、武汉大学测绘遥感国家重点实验室朱宜萱教授陷入回忆之中。
原来，1963年至1971年，朱宜萱作为国家测绘总局第一分局地形七队队员，在大西北的沙漠戈壁中进行过外业测量。他们以对敦煌艺术瑰宝的无限向往，骑着骆驼长途跋涉走进了敦煌。
在朱宜萱教授武大寓所，她向记者摊开45年前的日记说，1964年她做的是航空摄影测量外业工作，骑着骆驼进敦煌，做1:10000的航测，目的是开发大西北。每年做150平方公里到200平方公里的航测面积，当时莫高窟的保护刚起步，洞窟没有门，黑乎乎的，很破败。
1997年，朱宜萱带领团队负责香港“数字志莲净苑”工程。志莲净苑是一个仿唐木构建筑，以敦煌莫高窟第172窟绘制的壁画为蓝本建造而成，建筑木构工艺与唐朝的一模一样。“敦煌女儿”樊锦诗负责该工程的绘画，两人一见如故。在朱宜萱眼里，樊锦诗与其丈夫、武汉大学教授彭金章的故事很让她感动，他们为敦煌保护奉献了毕生。而武汉大学上世纪研究敦煌吐蕃文书的大家唐长孺先生，也将敦煌保护和武大紧密相连。
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“我们对它的每一个木构件进行了数字化，建立了木构建信息系统，再建了一座完整的三维动态数字化志莲净苑。”朱宜萱说，志莲净苑三维数字化存档工程历时10年，其成果获得了国家测绘科技进步一等奖。
2006年初，这一成果让敦煌研究院院长樊锦诗看到了敦煌保护的希望。2006年8月，李德仁、朱宜萱等应邀赴敦煌考察。李德仁许下了“让敦煌在数字中永生”的宏愿，并与敦煌研究院、甘肃省测绘局达成了“数字敦煌”的共识。
两次削发攻关
2007年11月，刚博士毕业的黄先锋作为一个“兵”跟随朱宜萱教授前往敦煌莫高窟进行室外3D模型搭建，对158号洞窟进行数据采集。黄先锋介绍，拯救敦煌莫高窟的重要手段，就是利用激光扫描、光学影像等现代测绘技术，获取莫高窟的几何和色彩信息，并在电脑中恢复莫高窟的三维现状，由此获得永久的数字化档案保存。其中，数据采集是首要工作。
158窟是唐代遗迹。“激光扫描仪是借的，应用软件是国外的。”黄先锋回忆，当时基础条件极为寒酸，第一次扫描，效果很不好，精度低、速度慢。经过构网、拼接、去噪等技术处理，数据质量依然不高。
几个月后，黄先锋再次来到158窟。为完成该窟立面摄影测量，数十吨重的升降机从山东青岛运往敦煌，70岁的朱宜萱教授爬上10层楼高的升降机顶做测量。但数据的采集和处理依然无法真实反映塑像及其纹理的面目。一周后，黄先锋再次带着遗憾作别河西走廊。
黄先锋不服输。2008年6月，他第三次来到莫高窟，这一次团队中有一名成员是李德仁院士的博士生张帆，他们一同在158号洞窟作业。张帆回忆，158号洞窟有七八层楼高，阶梯很陡，进入洞窟要经过一段极狭窄的隧道，隧道四周都是石壁，结构复杂。
“再困难，也要把敦煌数字化的梦想完成！” 时年30岁的黄先锋和26岁的张帆携手并肩。经过激光扫描，一尊佛像色彩还原和几何还原的精度都满足了，但是敦煌研究院却投出了反对票——“这不是我们所要的佛像。”“为何不是？”“不像！”
“当时洞窟内的佛像有刻痕，还原几何精度，装备和技术达不到，尤其是文物贴图技术。”黄先锋意识到，技术的短板有让他们第三次失败退场的可能。
经分析，塑像的数字化完全是在光照下进行的，而室内非自然光状态下，因角度和视线的不同，呈现的图像纹理是不一样的。黄先锋决定弃用国外的商业软件，打造一款有自主知识产权的自主纹理映射软件（俗称贴图软件）。黄先锋的建议得到团队成员张帆和张志超的赞同。
为表决心，三人决意削发明志。他们在敦煌市区找了家路边理发店，一人花10元钱理了光头。
团队躲进租来的民宅，自己开火做饭，会烧菜的黄先锋兼大厨。“不破‘敦煌’终不还，搞不出贴图软件来誓不回家。”张帆写代码，黄先锋调试Bug，有时两人轮换着干，经常连续工作30个小时。
9月10日，整整三个月后，一款名为“贴图大师”的软件在出租屋诞生，以它为工具，获得了敦煌塑像的高质量纹理重建，结果让敦煌研究院大为满意。“完全是意志力的打拼，否则很难成功。”黄先锋透露，此前敦煌研究院曾委托很多团队研发，都没有成功。他们自主研发的“贴图大师”——ModelPainter软件成为世界上唯一能解决复杂文物模型高质量纹理映射的工具。
扫清了技术障碍后，2009年6月，黄先锋带领张帆等9人团队开始攻坚莫高窟窟内外全方位数字档案，动用机载激光扫描、地面激光扫描、摄影测量、精细扫描等复刻敦煌。
敦煌有沙都之称，尤其夏天，一边是沙尘一边是烈日。“有时候刚打开盒饭，一阵风沙袭来，饭菜里全是沙。”张帆的遮阳帽被风吹掉了也不敢捡，根本捡不回来，百米冲刺也是枉然。
风沙和烈日使团队再次遭遇拦路虎。黄先锋带头再次剃光头明志。风沙对人的干扰是次要的，精密的测量仪器被细细的沙尘侵入才是毁灭性的，千方百计要保护测量设备安全。“那段日子身上脱了一层皮，来自各方的压力都太大了。”
当时还没有无人机作业。李德仁院士从石河子借来运五飞机，对敦煌进行机载激光扫描。7月的戈壁骄阳、8月的风沙呼啸，在恶劣的环境下，团队一步一步完善摄影测量模型构建，从二维模型走向了三维立体模型。两年后，构想终于成为现实，敦煌3D全貌得以完好展现。
“过去没有全貌3D，无法知道莫高窟洞窟与洞窟之间的距离。现在，甚至洞窟墙壁的厚度，全貌3D数据都可以一览无遗。”黄先锋说，2019年，敦煌全貌3D数据再次采集，比对十年前记录的数据，莫高窟的保护水平进一步提升。
人人都能建模
10年前，新疆一次石窟勘探中，一尊石窟塑像因为连夜大雨冲刷，被岩土压倒毁于一旦，黄先锋心痛不已。他意识到，文物的测量保护速度可能赶不上文物的被破坏速度，散落在全国各地的文物亟待测量建模，进行数字化保护。尤其是小型文物，不可能动用大设备来测量建模。
“一定要编写一款人人可用的3D重建软件。”黄先锋与张帆一起，相约完成了这项壮举。
起初黄先锋、张帆依然像过去一样，组织由博士生、硕士生组成的团队攻关，但渐渐发现这种形式不灵——队伍不稳定。他们决定尝试公司化运作。黄先锋回忆，当时测量技术装备依然采用国外的激光雷达设备，不仅成本高，人力投入也多。
2014年6月，大势智慧公司在汉成立。经过数年攻关，黄先锋与团队研发了一个M3D云计算平台——任何人用任何摄图工具拍出的照片，只要上传到他们的平台上，都能免费自动生成三维模型。
“我们的初衷，就是让所有的人经过简单的操作学习都能建模，这样，边缘地区乡村文物的记录保护就方便了。”据黄先锋介绍，M3D云计算平台可以达到接近早些年复杂仪器测量的精度。如果说从2007年到2009年是激光测量系统、激光雷达设备、测绘纹理的高成本时代，那么现在他们则开启了摄影测量文物轻量级建模技术的新纪元。
一部手机一个人，加上免费软件，就可解决过去要几十万元设备和大量人员才能解决的问题，这款人人能操作的免费傻瓜式建模技术在企业内部引起轩然大波，不少员工担心企业赚不到钱。“越不需要我们，说明我们对社会的贡献越大。”黄先锋、张帆时刻牢记李德仁院士的告诫：“不要站在个人角度想得失，要站在国家角度谋发展。”
第一次全国可移动文物普查结果显示，全国有1.08亿件可移动文物有待数字记录。在黄先锋看来，如果仍用老一套的测量手段，将会是不可估量的人力物力财力消耗，更由于地域距离、文化差异、文物保护的限制，很多人将没有办法对文物进行鉴赏。
通过G-Engine2.0，黄先锋希望让人人能够平等获取文化资源，真正促进教育公平。“我的目标就是通过‘重建云’；让人人可以获得文物文化教育，尤其是从没有来过博物馆的农村孩子。”
鉴赏文物是对历史的跨时空触摸，也是对美学的塑造，对欣赏能力的提升。初遇敦煌时黄先锋觉得石窟灰灰的、干巴巴的，在十几年与莫高窟的不断交流中，他眼中的莫高窟“活”了起来，对“美”的把控有了“质”的提升。
现在，黄先锋及其团队不仅活跃在莫高窟，还活跃在龟兹古城、麦积山石窟等全国文物保护一线，不断兑现当年文物在数字空间永生的师徒约定。
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来源：长江日报；转自：测绘遥感国家重点实验室
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