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科技拯救敦煌数字展示为我们展示不一样的莫高窟
问题：莫高在老去
上世纪90年代初，敦煌研究院发起现代技术保护莫高窟的“数字敦煌”项目，迄今已24年。目前莫高窟已有92个A级洞窟完成高分辨率数字采集与存储，其中的26个洞窟已完成整个洞窟的图像拼接，数字中心仍以每年20个洞窟的进度进行拍摄。“数字敦煌”项目意义重大，它既可以留存敦煌的文明，又能缓解旅游带给洞窟保护的压力，在文物保护与展示之间找到平衡点。在与日益迫近的风沙赛跑中，付出常人难以想象努力的敦煌文保团队，带给中国文物保护新启示。
2014年6月13日下午3时许，晴朗的天气骤变，狂风四起，沙尘漫卷，天色浑黄。原本计划前往莫高窟观摩数字敦煌项目拍摄的计划，被迫取消。敦煌研究院数字中心副主任孙志军告诉记者，一旦遭遇恶劣天气，莫高窟就要临时关闭，洞窟里拍摄的摄影师也要提前结束工作下山。
即便天气晴好，莫高窟492个洞窟中，绝大多数依然大门紧锁，只有少数三四十个洞窟之中的8个洞窟轮番对游人开放。
即便保护的力度在逐渐加强，不可否认的是，莫高窟正在逐渐老去。存世千年的壁画，已经难以招架哪怕是飞沙粉尘之轻。
莫高窟位于三危山和鸣沙山的交接处，开凿于石质疏松的砾岩之上，三面被沙漠和戈壁荒滩环绕，受蒙古高压影响，莫高窟所在的敦煌地区气候干旱，风沙频繁，年降水量40多毫米，蒸发量却高达4300多毫米，属极干旱内陆荒漠气候。
远望莫高窟，可以清晰看到三危山脉一侧是布满砾石的砾质戈壁带；鸣沙山一侧则是高达数十米不等的连绵沙山，一直延伸到中国第三大沙漠——库姆塔格沙漠的腹地。
身处其间，莫高窟饱受风沙之蚀。
研究表明，风沙是莫高窟壁画长久保存的头号天敌，沙尘暴造成的风蚀、粉尘和积沙等极易造成壁画脱落、彩塑受损、崖体坍塌等病害。地处沙漠腹地的敦煌，每年春季是当地沙尘暴高发季节。甘肃省气象部门数据显示，2014年以来甘肃地区累计出现沙尘暴13次，为近3年之最。4月23日敦煌特大沙尘暴更是对当地生产生活造成巨大影响。
据当地气象局数据统计，莫高窟地区沙尘暴和大风天气日数分别占全年47.5%和48%，沙尘中的微小石状颗粒有8成以上是肉眼难以分辨的0.05～0.005mm大小的棱角状、次棱角状的坚硬石英、长石，在风力作用下会冲入洞窟，对壁画进行撞击、打磨，嵌入壁画缝隙，会使壁画起皮开裂，褪色甚至脱落。频繁的沙尘暴对莫高窟的影响十分明显。记者走访莫高窟发现，除了对窟内壁画的损害，窟外表岩体虽经后期加固，但连年风沙吹刮，厚达1-2厘米的部分墙体又开裂脱落，露出原始斑驳残损的墙体。有数据显示，莫高窟的年降尘量每平方公里可达365.4吨。粉尘的沉积，会对壁画进行挤压，使之脱落，这也是莫高窟壁画残损脱落的主要诱因之一。
此外，洞窟积沙对窟内文物的损害也很大，积沙增多会使降水饱和、难以蒸发，雨季来临时积水渗进洞窟内会直接危害壁画和泥塑，使壁画酥碱、鼓胀，甚至脱落。
游客参观加速壁画剥蚀
除却自然的损害，人为破坏也对莫高窟壁画产生不可逆的影响。
自1987年12月莫高窟申遗成功后，旅游价值提升，游客量也随之大增。目前，旅游旺季日接待游客量在6000人次以上，2012、2013两年的年游客量均超过70万人次。而据敦煌研究院等机构研究，每天合理的承载量是3000人。
敦煌研究院研究发现，进入洞窟观看壁画，有限的空间内二氧化碳和人身上所带的湿气会迅速增多，这将加快壁画的氧化剥落。敦煌研究院多年监测研究显示，每15个人在一个洞窟中逗留10分钟，窟内温度就会上升5℃，二氧化碳的浓度也将大幅度提高。人为损坏也加剧了莫高窟的衰败。为有效缓解游客对洞窟的损害，敦煌研究院和美国盖蒂保护研究所进行长达10余年的研究，利用一些先进手段，如实时监测温度、湿度、二氧化碳含量和空气渗透率等应用来检测洞窟内微环境，以合理控制游客承载量，一旦监控的二氧化碳等有害物质超标，洞窟将立刻关闭。
莫高窟现存洞窟492个，壁画45000平方米，彩塑2400多身，受风沙、水祸和人为影响，据敦煌研究院保护研究所新近统计显示，492个洞窟中的壁画与彩塑，有50%以上出现褪色、起甲、酥碱、脱落等损害。
敦煌研究院数字中心主任吴健说：“对比1907年拍摄的莫高窟照片，虽然现在的设备技术远超过当年，但拍摄的壁画却很模糊，这说明一百多年来，莫高窟壁画正在老化消失。长期自然因素和人为因素对莫高窟的损害，才出现了这样的后果。”
吴健坦言，莫高窟作为不可移动文物，它的保护受环境限制，难度更大，因此我们就想到影像的方式，先将洞窟复制保存下来，一旦莫高窟消失了，至少还有影像资料留存，数字敦煌便因此萌生。
敦煌遗产保护实现创新发展
上世纪90年代初，敦煌研究院院长樊锦诗提出了数字敦煌的构想，运用高科技手段为敦煌壁画、泥塑还有洞窟分别建立数字档案，将来用作敦煌文化展览等多种形式，为文化遗产保护提出一种新的可能性。
樊锦诗为数字敦煌项目立项不停奔走，申请科研基金，开启数字敦煌项目，至今已经过去24年。
敦煌莫高窟的数字展示中心，它位于莫高窟保护区域15公里外，总建筑面积达到了一万多平方米。从外表上来看，就好像大家熟知的飞天缎带。据莫高窟数字展示中心主任李萍介绍，数字展示中心是莫高窟保护利用工程的一个核心项目，总投资达到了3.4亿元，是在2014年8月1日投入运营的。据她介绍，在数字展示中心建成以前，大家的参观方式是直接进入洞窟，而讲解员用小手电指着壁画或者塑像来介绍，尽管大家距离的这个塑像或者是壁画距离的很近，但时间长了，游客可能会很累，快速参观也难以让游客获得更多有关莫高窟的知识。但是，数字展示中心播放的影片将莫高窟最具特色的洞窟全部展示了出来，而且局部细节的放大更让大家对莫高窟壁画塑像有更直观的印象，而细致讲解也能让游客对莫高窟有更深的了解，有助于在之后的实地参观中获得更大的信息量。对于莫高窟来说，数字展示中心缩短了游客在洞窟的一个滞留时间，减轻了洞窟长时间开放对文物保护的压力，使洞窟能够得以“休养生息、延年益寿”。
先看展示、再入洞窟的方式会给游客带去更加丰富的参观体验。对莫高窟这样一个世界级的文化遗产来说，数字技术是不是也为它的保护带来了好处？
据李萍主任介绍，莫高窟数字展示中心缩短了游客在洞窟内的滞留时间，减少了因为人体、空气流动以及湿度变化对壁画的破坏，减轻了洞窟长时间开放对文物保护的压力。而随着展示中心的投入使用，莫高窟的游客合理接待量由每天的三千人次提高到六千人次，至于莫高窟的这些守护者们所说的，莫高窟是珍贵的世界文化遗产，理应传承并发扬光大下去，不能由于保护就分离开。大家需要做的，就是寻找这两者之间最平衡的一种。
数字敦煌揭秘：面壁八年拍照数十万张
早在上世纪90年代初，敦煌研究院院长、著名学者樊锦诗便提出了“数字敦煌”的概念，用数字化的方法永久地将莫高窟进行保护利用。2006年4月，敦煌研究院数字中心成立，规模浩大的“数字敦煌”项目也正式步入系统的轨道。尽管有时会享受传承敦煌文明的成就感，但也会“枯燥得想发疯”。“数字敦煌”摄影师坦言，这是一项浩大的工程，如果退休前能拍摄几十个洞窟，留下相应的影像文献资料，自己的工作就很有意义。
攻坚“360度全景照片”
数码相机出现后的5年内，敦煌研究院不到十个人的小团队拍摄了20多个洞窟，但是新的问题也随之而来。
敦煌研究院数字中心主任吴健解释道：“75DPI分辨率对于文物的基本资料存储还能满足，但若满足出版或者其他要求就存在局限。拍摄的图片不能达到原大，如此方式保存下来的数字文件，将来应用的途径也不会太广泛。”
2006年4月，敦煌研究院数字中心成立，吴健和副主任孙志军带领团队开始独立继续“数字敦煌”项目，当年就将拍摄精度提高到150DPI。但考虑到未来更广范围的应用，数字中心决定将拍摄精度提高到300DPI。
“从75DPI提升到300DPI是什么概念？以1平方米壁画为例，用75DPI分辨率拍摄只要两张，用300DPI拍摄的话要60-70张，拍摄和后期图像拼接的工作量大幅度增加。”孙志军说，数字中心成立之初只有20多个工作人员，之前人手已是捉襟见肘，当影像品质达到300DPI后，工作更是忙得不可开交，经常加班到深夜。
除了提高拍摄精度，如何在环境复杂的洞窟里更好地拍摄壁画，数字中心也积累了丰富的经验。
吴健解释说，由于壁画本身为平面二维，用单幅相机无法拍摄，并且洞窟环境复杂多样，光线昏暗，普通照相机对于凿井、佛龛以及塑像都不能达到满意的拍摄效果。
为此数字中心与美国西北大学合作，开发出“多视点拍摄与计算机结合处理”解决这一难题，通过一个轨道，多点、分层拍摄，最后通过计算机来合成，从而避免单幅拍摄壁画时畸变和光线不均等问题。对洞窟的拍摄并非一个部分只拍一张照片，而是根据洞窟形制选取不同的节点拍摄，再合成出完整的壁画。
数字中心还对洞窟进行VR虚拟漫游节目制作，让洞窟在一个或者多个视点上全景式360度拍摄，全方位记录洞窟所有信息，包括顶和地面。这一技术也立刻得到了应用。
虽然莫高窟以壁画著称，但窟内2000多座雕塑如何进行数字化，数字中心也在尝试探索。2012年，敦煌研究院与浙江一家公司合作，实现雕塑三维数字化，现在已将莫高窟的12尊雕塑进行三维重建，进行3D打印技术输出。
在敦煌研究院数字中心里，吴健的办公室摆放着一尊3D打印的、色彩逼真的佛像，甚至佛身尘土都纤毫毕现。吴健表示，完成高精度、色彩逼真的数字壁画采集存储是基础，而在此基础上与虚拟漫游技术和三维测量技术等相结合，则是“数字敦煌”对莫高窟再现的一种手段。
一年只能拍20个洞窟
乔兆福，祖籍河南，儿时跟随父亲戍边，从此扎根敦煌。在敦煌研究院做过行政、后勤文物保护等工作，数字中心成立至今，他和团队拍摄了数十万张洞窟照片，成为数字敦煌资历最深的摄影师之一。
6月16日下午1时，位于敦煌莫高窟第三层栈道的407号洞窟内，乔兆福的眼睛从佳能1DSMARKIII相机的取景器上离开，这个身高1.8米的中年男人从轨道器械上站起来，捶了捶僵硬的腰，招呼同事“下山吃饭”，结束了当天上午的拍摄工作。
他所说的“下山”，就是到莫高窟景区外的食堂吃饭，“上山”就是到洞窟里进行拍摄。乔兆福和他的摄影、后期小组，每天都要在山上的洞窟里待上7个小时，拍摄并校验150张照片。如此“上山下山”的日子，乔兆福已经度过了整整8年。407号窟开凿于隋代，距今已有1300多年的历史。在莫高窟492个洞窟中，该窟属于中等规模、对游客开放的A级洞窟。
这是乔兆福的团队今年拍摄的第一个洞窟。据其介绍，数字中心共有6个摄影小组和6个后期小组，按照每年20个洞窟的速度进行拍摄，从492个洞窟中的147个A级洞窟优先选取拍摄。
“每个洞窟拍摄前都要制订一个总体设计方案，要先进行洞窟现场调查，现存壁画面积，墙面、佛龛等摄影距离是多少，墙面的平整度有无变化，洞窟有无摄影难点……形成一个详细的数字化工作方案，并作出拍摄时间、预计拍摄图片张数，镜头、布光使用等具体执行方案。”在架设了拍摄轨道、灯箱，安放了校验电脑后，407号窟变得狭小局促，甚至难以同时站下4个人。
乔兆福熟练地调整灯箱，让拍摄的画面布光均匀，随后调整相机光圈快门，保证曝光准确，拍摄后要分别在LCD和电脑上进行放大查看，确保照片的焦点准确……拍摄一张照片要3-5分钟。如此程序，乔兆福每天要重复数百次。
由于洞窟地表高低不平，为了让相机轨道能够水平移动，乔兆福和同事就地取材，找来很多木楔垫在轨道下面，拍摄的时候要小心翼翼，避免误碰了木楔，影响平衡。“相机在滑轨上久了，固定的卡扣容易松动，很容易出现偏离的情况，我每拍摄一条，就要调整校对一下水平，才能保证拍摄的图片是合格的。”据乔介绍，407号窟在他们团队拍摄的数十个洞窟里，还算是相对容易的。“有曲面的壁画在拍摄过程中难度最大，因为随着光线变化，画面的阴影也发生变化，为了解决这个问题，经过反复研究，我们总结出一套‘多视点拍摄与计算机结合处理’方法，采用一轨道多点分层拍摄，让拼接的画面能够保证最大程度上的统一。”
乔兆福拍摄的图像，现场由后期小组现场对照《壁画数字化技术规范》进行检测，达到标准后进行图像存储，再开始下一行壁画的拍摄。为保证图片质量，图片的水平和垂直方向都要重合50%以上，只留中心部分使用。图像完成第一遍拼贴后，后期图像处理小组要进行互检，来保证数据的准确。
乔兆福说，拍摄和后期的工作量比例大概在1∶4，随着文件的增多，后期拼接处理的难度将被放大数倍。此外，由于壁画残损、曲面、光线等原因影响，后期处理工作都不可估量地增大。
拍摄十年工作如修行
除了工作量巨大，洞窟拍摄困难也很多。大型洞窟由于凿井较高，顶部的壁画有的要架设4层共7米多高的脚手架进行高空作业。“站在狭窄的高台上，别说拍摄，往下看看都有点害怕。”面积25平方米以内的小型洞窟占莫高窟总数的85%以上，这些洞窟空间逼仄，别说架设器材，就是连人进入都十分困难，“有的洞窟，只能把相机绑在木棍上伸进去拍摄。”
洞窟内外较大的温差，也给长期洞窟内作业的摄影师带来很多职业病。6月16日下午2时，敦煌艳阳高照，当天最高气温超过30℃，而407号窟内却幽暗阴冷，记者穿着衬衫甚至能感到阵阵寒意。
“底层的大洞窟内外温差很大，夏天外面地表温度超过40℃，底层的大洞窟最低气温只有5℃～6℃，在洞窟里拍摄都要穿上长袖的外套，否则待得久了，一两个月会后发现膝盖、脚跟疼痛，风湿病也比较普遍。”乔兆福说，“还有就是窟内外光线反差很大，在洞窟里黑暗的环境下工作时间长了，出来时眼睛也很疼。”
在洞窟里拍摄是漫长枯燥的，乔兆福回忆，他参与拍摄耗时最长的一个洞窟为61号窟，这个洞窟高9.8米，壁画面积为756平方米，因为其体量太大，前后投入4个摄影小组20多名工作人员，共同工作两个半月，累计拍摄47000多张照片。问及多年洞窟里拍摄的感触，乔兆福坦言“很复杂”，“有的时候枯燥得让人发疯，需要停下来到洞窟外面走一走，散散心，才能继续工作。但看到取景器里那些千年以前的壁画、塑像，还有采集完成的数字作品，又顿时有了干劲儿。”
作为一个文献摄影师，乔兆福觉得自己的身份很矛盾：摄影是一种创作形式，是个人的思想和观念的表达，但自从入行拍摄莫高窟以来，他拍摄照片的核心观念却是“不能体现自己的个性、想法，要完全按照规章流程去做”。
乔兆福说：“算上数字中心成立前的文保工作，我做了十多年摄影师，拍摄了数十万张照片，却几乎没有自己的作品。数字敦煌是一个浩大的工程，是我们数字中心所有人共同的作品。就我个人来说，这工作的感觉跟修行类似，如果退休前能拍摄几十个洞窟，留下相应的影像文献资料，我就会觉得自己的工作很有意义。”
中心主任吴健也坦言，莫高窟作为不可移动文物，它的保护受环境限制，难度更大，因此就想到以影像的方式，先将洞窟复制保存下来，一旦莫高窟消失了，至少还有影像资料留存。
（以上来源：数字展示在线，2018-06-16）
数字展示技术助力：敦煌艺术走出莫高窟
敦煌莫高窟已经走过了1000多年的岁月，受到自然和人为因素的双重影响，对其珍贵的彩塑和壁画的保护和合理利用迫在眉睫。随着游客的日益增多，如何破解游客参观洞窟与文物保护二者之间的矛盾，成为人们关注的焦点。
上世纪90年代，敦煌研究院院长樊锦诗首次提出“数字敦煌”，即利用计算机数字化技术永久地、高保真地保存敦煌壁画和彩塑的珍贵资料。经过3年多建设，“数字敦煌”的主要载体——敦煌莫高窟数字展示中心即将与游客见面。
据相关工作人员介绍，敦煌莫高窟数字展示中心将于8月1日试运行，9月10日正式对外开放。届时，莫高窟的游览模式将发生改变，参观莫高窟将分为参观数字展示中心和洞窟游览两部分，游客必须通过网络、电话等形式预约才能正常参观。
此外，适逢敦煌研究院建院70周年，“敦煌艺术走出莫高窟暨敦煌研究院建院70周年数字化成果展”将于本月下旬在敦煌研究院兰州分院举办，届时免费向观众开放。这是迄今为止数字敦煌项目最大规模一次集中展示。
打造全新参观模式
数字展示中心开放后，莫高窟的游览方式将发生重大变革，由进洞参观听讲解，变为先在游客中心了解历史背景、观看电影，再到实体洞窟参观，往来由摆渡车统一接送。
据了解，数字展示中心由游客接待大厅、多媒体展示、数字影院、球幕影院、邮局、餐厅、购物区等构成，能够为观众游览提供全方位的服务。游客在数字展示中心，将观赏到介绍敦煌和莫高窟历史文化背景的主题电影《千年莫高》和展示精美石窟艺术的球幕电影《梦幻佛宫》，各长20分钟。《梦幻佛宫》是全球首部超高清8K实景数字球幕电影，影片对莫高窟最具艺术价值的7个代表洞窟进行了全方位展示，每一幅壁面、每一尊雕塑都毫发毕现，栩栩如生，让人如临其境。
“数字展示中心能够扩展敦煌艺术的展示空间和场所，立体展示莫高窟创建的自然、历史、文化背景和不同历史时期的佛教艺术，让游客得以近距离、全方位与敦煌亲密接触。”敦煌研究院工作人员告诉记者。
此外，莫高窟的开放模式也将由此发生重大变化：所有游客必须通过网络、电话等形式预约后才能参观。敦煌研究院莫高窟开放管理委员会常务副主任李萍曾在接受采访时表示，如果游客不预约直接到现场，除非当时有空额门票或余票，否则可能无法顺利参观。
7月3日零点，敦煌莫高窟参观预约系统顺利升级上线，首张订单于当日中午12时30分成功产生。
缩短洞内游览时间，减少人为损害
李萍表示：“数字展示中心的建成，最主要的作用是分流游客，尽量减少游客在洞窟内的参观时间，在文物保护和旅游开发之间寻求一个缓冲带和平衡点。”敦煌研究院与美国盖蒂保护研究所通过长期的实验监测研究，基于参观组人数、洞窟实体容量、洞窟的大小、参观洞窟的时间、二氧化碳浓度5个关键参数，最终确定的莫高窟每日比较安全合理的游客接待量为3000人次。而目前在旅游旺季，莫高窟日均客流量达6000多人次，游客呼出的二氧化碳及湿气，都对洞窟壁画造成不可挽回的损坏。
一直以来，莫高窟面临尴尬处境。一方面，旅游旺季游客抱怨参观时间过短；另一方面，管理人员担忧人数过多对洞窟和壁画造成损害。现在，敦煌文物数字化有望解决这一难题。“数字展示中心开放后，整个参观用时将由目前的120分钟延长为150分钟至180分钟，但在实体洞窟内停留的时间将缩短为75分钟。莫高窟日最大游客承载量也可由3000人次提升至6000人次。”相关工作人员说。
建院70周年之际，敦煌研究院与浙江大学合作，首次推出“敦煌艺术走出莫高窟暨敦煌研究院建院70周年数字化成果展”，旨在给观众奉献一个高科技与艺术相融合的、全新的数字敦煌。塑像3D打印、1∶1复制洞窟、石窟全景漫游、投影仪虚拟展示……在即将开放的展览上，观众可以亲身体验、感受“数字敦煌”的研究成果。
敦煌研究院数字中心主任吴建介绍，展览将分不同的区域来展示敦煌石窟的艺术魅力。复制洞窟展板上镶嵌莫高窟332窟、259窟佛龛，佛龛里展示3D打印的塑像。“运用幻维自适应图像三维重建技术，将莫高窟彩塑三维数字化，最终通过3D打印技术复制彩塑作品。重建的模型误差小，色彩还原度高。”吴建说。
复制洞窟展区中，第220窟整窟1∶1复制洞窟总面积达113.8平方米。吴建告诉笔者：“以往复制品使用的是美术临摹，本次展览首次运用计算机等数字化手段，充分运用二维图像与三维模型相结合的方式，使得不可移动文物突破物理限制走出敦煌，一个真实的敦煌将走出洞窟，并且走出中国、面向世界，形成了独特的展陈方式。”
除了逼真再现敦煌石窟艺术，展览也给观众提供了互动平台，利用VR虚拟漫游为观众提供了丰富多彩的石窟艺术全景节目。“本次展览利用高科技手段展示了敦煌莫高窟不同时段的藻井、飞天及莲花形象，以沉浸式的展陈手法给人以身临其境的感受，达到了动静结合的效果。”吴建说。
（以上来源：数字展示在线，2014-07-14）
【数据分析】
“数字敦煌”概念由敦煌研究院院长樊锦诗在上世纪80年代末提出，就是将数字技术引入敦煌石窟保护，将洞窟、壁画、彩塑及与敦煌相关的文物加工成高智能数字图像，汇集成电子档案，以利永久保存、永续利用的思路。数字敦煌的意义就是永久保存、永续利用。可以说是与时间赛跑，有抢救文物的意义。莫高窟文物得到保存，通过敦煌数字化，既可以做保护档案，也可以为研究提供资料，还可以为旅游开发数字节目。即使实物退化了，它还在，它的意义是为国家、为人类保存。
什么是永久保存？洞窟内的文物本身价值无与伦比，但实物在缓慢地退化，我们现在采取大量保护办法延缓它的退化、延长它的寿命，但不可能使它永远不变。拿1908年最早的壁画照片跟现状来比，洞窟壁画显然在逐渐地退化。我们如果完成了高保真的数字化莫高窟，形成了高清、形象准确、不变色的敦煌数字档案，只要搞好管理，将可以永远保存下来。越早拍越好，要整窟地拍。现在壁画还在，看数字化壁画好像没觉得什么，可过了10年、20年、50年、100年以后，这些东西如果保存得好，你会觉得，100年前拍下来的价值很高。
什么叫永续利用？一个利用就是档案，拿这个档案与洞窟比对，可以发现洞窟经年累月后的变化。另外可拿它当研究资料。还有一个，我们可以拿它来做不同的展示。所以数字档案的价值不是光保存，它是为了保护、为了研究、为了展示、为了发扬。
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