浩宇小讲堂第134期：通过三维激光扫描技术获取石刻文物电子拓片

石刻是指镌刻有文字或图案的碑碣、摩崖石壁等文物，具体包括墓室石刻、墓前石刻、宗教造像、造像记石刻，以及宫殿、门阙、牌坊、桥梁、寺庙等建筑的石质构件或石灯、石函、石镇、碑首、栓马桩等。我国石刻文物数量众多、体积巨大、雕刻精美、艺术与文化价值较高，真实反映了古代社会的政治、军事、文化、经济、民俗、文化，具有很高的考古和美学价值。

石刻文字是金石文字的一种，包含石经、碑版、墓志、石阙等，石头作为文献载体的历史同青铜器一样悠久，东周秦国的石鼓文即为其中代表。秦汉以来，石刻逐渐取代金文，碑刻之风兴起，逐渐形成“碑学”。北宋以来，由于书法艺术发展需要，“贴学”也随之产生。石刻文字与传世文献本质一致，都属珍贵史料，兼考古材料性质。石刻文字的内容虽有许多保存在现有文献中，但比起时常删改的纸质文献，石刻文字能起到补充和考证史料的作用，为历史研究提供更为可靠、准确的资料。由于后世推崇书法艺术，石刻文字多为书法大家的作品，成为中国独有的“国粹”艺术。

石刻文字虽具有重要的文献、艺术、考古价值，但长期暴露在外，受风吹、日晒、雨淋影响，导致刻字遭受风化侵蚀，逐渐模糊难辨，偷盗等人为破坏，也带来了新的挑战。石刻文物保护可有效防止石刻文字所承载的文献信息流失，起到留存文物的文字、图像、轮廓信息，有效整理文字内容，使珍贵史料得以保存和传播的作用。当前，留存与保护石刻文物文字、图像、轮廓的方法有手工文物绘图、拓片制作、高清数字摄影、三维激光扫描等四种。其中，拓片制作是留存石刻文字信息的重要手段，拓片黑白分明，比文物原有形象更加直观、清晰、明确，有助于提炼文物符号、分析石刻文字构成要素、实现石刻文字内容识别提取。

三维激光扫描技术近年来被广泛应用到了石刻文物的保护与利用中，主要工作流程是通过采集石刻文物表面点云，经后期数据处理、三维建模等工序获取石刻文物三维模型（素模），并根据石刻三维模型截取石刻文物文字深度图，再由计算机数字图像处理软件加工成对应的电子拓片，实现对石刻文字的存留、识别、内容整理和保存。浩宇三维近年来积极投身石刻文物的保护与利用工作，通过孔庙与国子监博物馆进士题名碑保护与展示、蓟门烟树石碑数据采集与展示、四川石窟造像记文字信息采集、圆明园收藏拓片数字化保护等项目，在利用三维激光扫描技术获取石刻文物电子拓片方面积累了丰富的经验，也为石刻文物数字化保护利用进行了有益的探索。

传拓获取石刻文物拓片

拓片是承载碑刻、石鼓、画像石、画像砖、青铜器、陶器、甲骨等文物的形状及其上文字、图像的纸片，多用于石刻文物文字、图像、轮廓等信息的留存，为中国特有的传统艺术，历史与美学价值较高。拓片本身也是一种印刷品，是中国古代印刷品的组成部分。制作拓片是古人用以留存石刻文物文字与图像信息的重要手段，古人为了促进书法艺术的传播常将书法家的真迹刻制成一通石碑，拓制成千上万张拓片，以满足文化阶层学习书法的需求，随着石刻传拓技术与书法艺术的推广普及，以研究碑刻书法为内容的“碑学”和以学习、赏析根据名家书法镌刻的石质书贴为特征的“贴学”逐渐兴起。

我国关于石刻拓片的最早记录出现在《隋书-经籍志》中，唐代初年拓片《温泉铭》是目前发现的最早拓片，唐中后期碑刻传拓技术逐渐普及，相继出现了《兰亭序》《多宝塔》《玄秘塔》《九成宫澧泉铭》等经典石刻传拓作品；两宋时期的拓片制作更加普及，许多书法艺术精品被镌刻为石质书贴，制作成拓本，使书法艺术广泛传播，《淳化阁贴》《绛贴》即为其中代表；同一时期，辽金元等北方少数民族地区以拓制佛经和佛造像为主，**拓片有《高丽园融国师碑》《十方灵岩寺记》《重修中岳庙碑》《孙公道行碑》《玄教宗传碑》《龙兴寺帝师胆巴碑》等；明清时期，传拓技术在民间广泛运用，拓制内容除书法贴本外还包括钱币、器皿、古董等物品，清末出现了甲骨文拓片。

拓片的制作技术也在一千余年的时间里不断进步。隋唐时期主要用擦墨拓的方法来制作拓片，很容易使字口出现墨迹，从而影响精度。北宋出现了扑拓制作技术，使字口更加精细，呈现出表面凸凹效果。南宋末期，蜡拓和葛麻拓使拓片更加丰富多彩。清代晚期，民间传拓活跃，拓片制作技法不断改进，摩崖拓应运而生。

今天，我国流传的拓片种类有乌金拓、蝉翼拓、堆沙拓、摩崖拓、蜡拓、朱拓、套拓、葛麻拓、填拓、印拓等10种，使用的拓印工具有棕刷、打刷、扑子、木槌、墨碗、墨板、毛巾、脸盆、喷水工具、宣纸、墨汁、白芨水等。通过传拓技术制作石刻文物拓片的流程由清洗碑刻、上纸、上墨、揭离四个步骤组成。清洗碑刻是指在制作拓片前，要将碑刻上的泥沙、灰土、锈迹清理干净，去除青苔、杂草等植物，使碑刻上的文字图案清晰明朗，做到极浅细处也纤毫毕现。上纸是将宣纸裁剪得大小合适，与石碑贴合，该步骤分为干上和湿上两种；干上是指在宣纸还是干的时候就将其铺于石碑之上，然后喷洒润湿、平刷贴实，多用于野外作业或拓制体积较大的石碑，以避免宣纸因湿润而变得脆弱；湿上是将宣纸湿润后覆盖于石碑之上，通常用于拓制较为精细的物件；宣纸贴于石碑后，需用木槌捶打，使其与碑刻完全贴合。上墨是用两个拓包将墨扑在拓纸上，先干淡轻打，后层层扑墨，使墨色逐渐加深，整个过程不可操之过急。揭离是将覆盖于碑石之上的拓片揭下来，揭离之后，拓片制作工作告一段落。

与拍照、绘图等石刻文物信息得留存方法相比，拓片黑白分明，比原有文物更加直观、清晰、明确，有助于提炼石刻符号、强调轮廓外形，便于进行图画与文字构成要素分析。但制作拓片会对碑刻等石质文物造成潜在危害，其首先体现在纸张、水、胶等传拓的使用材料上。纸屑是许多微生物的食物来源，微生物侵入会加快石质文物的破坏速度，造成石料可溶性盐得流失，使石质文物变得疏松、多孔、硬度下降。微生物侵入岩体后会在石刻文物表面形成瘤突结，造成石刻文物风化，同时微生物的大量存在会显示不同的菌色，使石刻文物表面显示出不同色斑，从而影响文物表面字迹和图案保存。水对石刻文物危害**，当水存在于石质文物孔隙时，会在低温时结冰，导致石质文物体积增大、强度下降，这对孔隙率较大的碑刻和结构疏松的石刻危害严重。胶往往存在于墨中，胶中的蛋白质也是微生物的食物来源，胶的加入使微生物大量繁殖，产生草酸、乳酸、甲酸、乙酸等大量的酸，并分泌出各种色素，产生黄、绿、青、褐、黑等色斑。此外，在制作拓片时用木榔头敲打石质文物，可能会使文物表面字迹、纹饰边沿部位的石材受损，造成不同程度脱落，使字迹或图案更加模糊不清，失去本来面目，并使石材内部结构疏松不坚固，使石碑整体结构有散架风险。

传统拓片制作过程对环境也有较高要求，非常容易受到天气、位置、环境等客观因素制约，石刻文物类型、规模也会对拓片制作的难易程度起到关键作用，室外石刻文物拓片制作更是一个靠天吃饭的过程。传统拓片制作由制作人员完成，受制作者主观因素影响较大，同一石刻文物在不同制作者手中呈现出不同样貌，从而对后期图式研究产生一定影响，规范石刻拓片的制作标准，将有助于推动文物保护和研究工作的标准化建设。纸质拓片较为脆弱，易撕裂拉伸，腐败发霉，不易保存。而且纸质拓片较为脆弱，易撕裂拉伸，腐败发霉，不易保存。

三维激光扫描获取石刻文物电子拓片

近年来，三维数字化技术越来越广泛地应用于石质文物保护与修复领域，通过三维激光扫描技术，采集石刻文物表面三维点云，后期通过数据处理、三维建模、石刻深度图提取，依靠计算机图像处理技术，最终可以获得具有传统拓片视觉特征的电子拓片。获取电子拓片逐渐成为石刻文物信息存留的主要手段。

电子拓片是一种仿真的平面拓片，对佛像、造像记、碑刻、墓志等石刻文物的文字、纹样、图案等细节还原清晰，图片质感与传统拓片效果一致，并可避免拓片制作对石刻文物本体造成的损伤，有利于文物信息数据存储，可使文物资源得到有效利用。通过三维激光扫描技术获取石刻文物电子拓片的流程如下：

通过对石刻文物保存现状的考察，制定石刻文物数据采集方案，选择与数据采集对象相配适的三维激光扫描设备，通过扫描快速获得石刻文物表面几何形状和纹理信息，获取后期用于提取石刻文物电子拓片的原始数据信息。

三维激光扫描是一项成熟的高新技术，扫描设备具有高分辨率和高精度的硬件配置。通过三维激光扫描设备，可以在非接触条件下，采集石刻文物数据，避免损伤文物本体，且不会受到文物表面凹凸不平情况的影响。三维激光扫描仪在采集文物数据时与工作基站连接，可将扫描采集的空间数据实时上传计算机，快速实现数据转换，具有获取速度快、数据精度高、操作性强、后期处理便利等特点。通过三维激光扫描系统，能够快速获取物体的三维空间信息，来进行三维模型重建。

第二，将用三维激光扫描仪采集的石刻文物三维点云数据导入计算机系统进行存储，作为制作石刻文物电子拓片的数据依据。利用计算机软件，对石刻文物三维点云进行后期处理，实现降噪、配准、去冗、拼接，通过三维重建技术，构建文物三角网格模型，完成模型封装。

第三，从石刻文物的三角网格模型中选取需要制作拓片的部分数据，将其进行裁剪，并将裁剪下来的部分导入新软件，通过调整软件中文档和石刻文物模型的大小，使三维模型填充视图，之后，使用软件遮罩功能，调节石刻文物模型的强度、模糊度、凹缝剖面曲线，提取文物模型凹缝灰度信息，完成电子拓片生成的“上墨”步骤。“上墨”步骤完成后，使用软件工具调节石刻文物电子拓片灰度，去除多余光照信息，渲染灰度图，更改像素，调节滤镜，渲染形成宣纸纹路后进行导出，最终完成石刻文物的电子拓片“揭离”步骤。电子拓片包含石质文物雕刻文字的立体图案。

电子拓片用途——石刻文物文字识别与修复

石刻文物电子拓片的出现标志着计算机技术己全面进入了传统视觉领域，为美术作品设计、文物出版研究、文物保护利用奠定了技术基础。电子拓片可有效留存石刻文物上的文字信息，利用计算机技术构建石刻拓片资源数据库，通过数字化手段实现对拓片资源的**存储，可服务于日后读者的检索和浏览，同时，电子拓片也有助于书法艺术仿真研究，可用以形成数字化的石刻书法文字数据库。

例如，可基于计算机的文字检测算法，如采用基于CNN网络的文字检测算法和基于深度卷积网络的字符识别算法，对石刻文物电子拓片上的文字信息进行检测和识别，获得单字位置信息，并将拓片图像切割成若干文字图像，对文字图像进行图像处理和命名实体识别处理，从而获得对应的结构化图像数据和文本数据。之后，对检测完成的文字信息进行识别和处理，输出文字识别结果，可识别文字用于释读内容，不可识别的字迹将保留图像位置信息，最后完成整张拓片文字的检测识别和归类存储，将通过算法检测识别的文字信息整理构建成知识图谱，形成石刻文字书法数据库，完成石刻文物文字信息整理和石刻书法字体的数字化采集。

针对石刻文物表面点云的数字化采集不仅可以通过生成数字拓片检测识别石刻文物文字，实现文字信息整理和书法字体数据库构建，还可以与通过高清摄影技术采集的石刻文物彩色纹理相结合，通过计算机图像处理技术，实现对磨损严重的石刻文物的虚拟修复，并在移动互联网技术的助力下，利用个人电脑、平板电脑、手机等终端，实现石刻文物的虚拟展示。

浩宇三维公司从2018年起就依托三维激光扫描项目参与石刻文物保护，相继参与了国子监进士题名碑、四川石窟寺造像记、燕京八景之“蓟门烟树”石碑、圆明园石刻文物等数字化保护项目，依据石刻文物三维数字化模型，生成石刻文物电子拓片，建立石刻文物虚拟展示平台，有效助力了石刻文物数字化保护利用工作的开展。未来，浩宇三维的技术服务团队将在石刻等不可移动文物保护利用领域提供更加多样的服务，创造更大社会效益。