微软建了一座数字版的莫高窟

　　沈建缘

　　在那个幽暗、逼仄的石窟洞穴中，佛像和壁画上蒙着尘埃。主尊佛陀端坐说法，头顶高耸螺纹肉髻，面貌宽和，慈眉欢韵，他的两侧，分立弟子迦叶、阿难，两旁的菩萨像，丰盈健美，是唐代彩塑菩萨的上乘之作。最外侧的两身天王，身躯魁伟，气势威武，是唐代武士的典型样式。

　　这是拥有莫高窟“最美”佛龛之称的45号窟，也是莫高窟中，保存最为完好的唐代洞窟。而这一些，都体现在一张按照1：1的比例打印出的长3.91米，高3.03米的照片上。在微软亚洲研究院[微博]展示的这幅照片里，世界上最古老的艺术瑰宝，因当今世界上最先进的计算机技术而穿越时空，历历如新。

　　莫高窟，号称千佛洞，又名东方卢浮宫，是世界知名的文化艺术宝库。窟内的彩塑和壁画都是使用泥土、木材、麦草等脆弱的材料制成。100多年来，地震摧残，风沙侵蚀，雨水渗入，10%的敦煌壁画即4000多平方米和5%的彩塑即100多身有了不同程度的“病害”。

　　为了减少人为因素对窟内壁画、塑像的破坏，事实上，敦煌只轮流开放735个洞窟中60个面积较大、基本无病害的洞窟，且每次最多只允许30人参观。但这仍无法遏制在自然和人为因素的双重作用下，彩塑和壁画的缓慢退化。

　　过去十几年，敦煌研究院一直试图用数字化的方式，记录和拍摄莫高窟的壁画和雕像，但进展缓慢。一个300平方米壁画的大窟，拍摄数量将达到4万5千余幅。后期的图像拼接工作需要在手工拍摄数天后进行，最终由3个人花30天时间才能拼接成连续的画面，工作量惊人。

　　由于气候恶劣，一年中适合工作的天气不超过100天。即便4月这样的天气，在石窟里待20分钟也会冻得受不了。而敦煌艺术是由建筑、壁画、雕塑三为一体。佛龛又是每个洞窟的主体。但洞窟环境复杂，光线阴暗，一般的照相机拍摄对于三维、立体的，佛龛、雕塑的题材都无能为力。

　　千百年后的人们如何领略莫高窟的神韵？“如何既减少游客在洞窟内的逗留时间，又全面展陈敦煌石窟灿烂的文化艺术？”这个问题让守候稀世珍宝敦煌莫高窟50年的敦煌研究院院长樊锦诗忧心不已。

　　2008年，樊锦诗找到了正在进行十亿级像素数字相机系统研究的微软亚洲研究院，并对微软亚洲研究院展示的十亿级像素相机系统Gigapixel　Camera产生了浓厚的兴趣。三年之后，专门为敦煌莫高窟复杂洞窟定制的数字相机交付敦煌研究院使用。

　　2010年4月，双方在莫高窟第46窟和第420窟合作进行实验性拍摄。双方研究员随后共同组建研发团队，完成相机软硬件的组装、测试和人员培训。莫高窟第45窟的实验性拍摄在次年5月开始，“飞天”能自动计算复杂景深的斜坡、洞顶和佛龛。分次拍摄多张统一场景但焦点不同的图像，然后将所有图像合成，使得同一场景下的每一尊塑像、每处壁画都呈现焦点清晰的影像，阴影区域也保留丰富的细节。单幅来讲，从龛沿到底部，包括洞窟顶的壁画塑像的细节，纤毫毕现。

　　这款软硬件配合、凝聚了微软亚洲研究院8位研究员几年心血的相机系统，能够从单一视角捕捉到三维立体，通过独有的焦点合成技术可以高精度地捕获三维立体的细节，每一个焦点拍摄若干张，最后选择最清晰的焦点组合到一起。2012年又经历改版升级，最终成为拥有13亿像素，可左右转180度，俯仰90度旋转拍摄的高清系统。“飞天号”十亿级像素数字相机系统是微软亚洲研究院文化遗产数字化研究项目(eHeritage)的重要内容。这项2008年正式启动的研究计划通过将微软图形图像、数字媒体、人工智能、虚拟现实、网络通讯、人机交互等多种前沿的计算技术和研究，对文化、历史、考古等方面的重点项目进行保护、保存和传承，同时，提供技术和资金支持。该研究计划目前已资助了来自亚太地区高校及研究机构的18个文化遗产数字化项目。

　　在微软亚洲研究院院长洪小文看来，科学家并不是天生的爱美者，但他们更容易“幸运地领悟到计算机科学某种程度也是自然美学与科技的高度结合，并得以亲身实践”。

　　45窟的实验性拍摄验证了“飞天号”一次性完整拍摄有一定景深的佛龛的可能性。这个经典洞窟因拍摄难度之大，艺术形式之精美而成为样板，并最终奠定了双方将合作延伸到文化遗产的数字化展示的基础。

　　之前，1999年到2010年，敦煌进行了数字化保存的洞窟仅有43个，每位工作人员每天只能拍摄15张照片。使用十亿级像素的“飞天”，只需几个小时就可以完成一个中型佛龛的采集工作，而完成一张9平方米壁画的采集工作仅需要十几分钟。“20平方米的洞窟，又窄又暗，即使进去看，也不一定能看得清楚。”樊锦诗说，“如果现在开始用数字相机每年采集壁画，就可以让一百年以后的人们看到今天的样子。”

　　在不久的将来，游客就可以身临其境般沉浸在3D虚拟环境中观赏敦煌壁画和彩塑，感受到洞窟中无法观看的细节，要看多久就看多久。通过“飞天”之眼，预计到2015年，142个洞窟将完成数字化记录工作。到时，游客即便无法进到每个洞窟，也可以欣赏到莫高窟“年轻时”真实的风采。

　　洪小文认为：“前沿的科技研究成果能够与古老的文化完美融合，并能使人类艺术在千百年后依旧栩栩如生成为可能。”

　　在美国卡内基梅隆大学师从图灵奖获得者罗杰·瑞迪教授，专攻语音识别技术时，洪小文就曾以希腊神话中的狮身人面女妖“斯芬克斯”的名字为自己新研发的语音识别系统命名。

　　因为工作原因，洪小文曾游历欧洲，在那些科学巨匠和艺术大师的作品前，一直看重理工科的创造力的洪小文第一次意识到“一个完美的公式与一个美好的艺术作品间也有共通之处。米开朗基罗和达·芬奇都是集科学家与艺术家于一身的大师”。

　　在它位于北京中关村(5.62, -0.14, -2.43%)丹棱街的双子座研发大楼里，云集了中国乃至世界上最顶尖的科学研究者，他们避开一切抛头露面的活动，但并不拒绝向这个世界上美好的事物贡献他们的创新成果。对他们而言，“没有比将模糊的梦想变成清晰的现实更让人兴奋的事情了。”

　　洪小文欣赏他们的不同个性和各自的特殊才能，也鼓励他的研究员们在更广阔的领域施展他们的才学，“不管是欣赏音乐还是喜欢绘画，再或者热爱美食，生活当中有很多美好事物是值得科学家们花些时间的。”他说。

　　如今，同样通过“飞天”留下真实影像的还包括台北故宫博物院的《富春山居图》，未来这台相机将会更多地运用到更多高精度的文物拍摄和场景中。

　　在虚拟世界中，微软亚洲研究院研发的应用表面质感流形技术(Ap-pearance　Manifold)，不但能重塑文物原貌，还能模拟其风化过程。这项技术创新使得人们可以分析文物的通体外观，推算各处风化程度，并帮助实现文物的数字化复原。

　　珍贵的玉器、瓷器，被收藏在博物馆的展窗中，通过微软亚洲研究院首次提出的GPU加速的Diffusion　E-quation实时求解技术，用扩散方程(Diffusion　Equation) 来描述光线在玉器中的传播过程，实现逼真的实时半透明材质绘制，可方便人们品鉴其晶莹剔透的质地。

　　而微软亚洲研究院和北京大学、北京故宫博物院合作开发的《走进清明上河图》深浸式音画展示系统，通过高精度的数位图像，实时合成的环境音效建构出逼真的立体声音环境，令人仿佛置身画卷，聆听北宋开封城的市井喧哗、人物故事，领略风华盖世的古都盛景。

　　目前，在全世界，超过5万件的敦煌和丝绸之路出土的文物、字画等艺术品在国际合作和现代科技的帮助下，经过数字化处理后，被更容易地观赏和研究。“利用计算机技术，人们体验了人类历史上真正的艺术之美，这是科学能带给人类的最好体验之一。”洪小文说。