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一群大学师生和一座被数字修复的石碑

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2022年8月,北京建筑大学师生团队给正阳桥疏渠记碑做“体检”。 B06-B07版摄影/新京报记者 李木易
北京建筑大学教师董友强(左二)和学生一起观察石碑的数字拓片。
北京市考古研究院科技保护研究室主任张涛(右一)给学生示范仪器使用方法。
北京建筑大学学生采集石碑的三维数据及影像。
学生使用专业仪器测量记录石碑的表面病害情况。
学生用专业设备观察石碑表面的微观形貌。

坐在爸爸的自行车前座,一路从天安门到故宫,再沿南长街、北长街一路向北,再到后海……在北京建筑大学研二学生李淑阳的童年记忆里,中轴线是从爸爸臂弯里看到的世界,红墙、绿瓦、琉璃顶,独具韵味。

彼时的她不会想到,未来的某一天,自己会与北京中轴线上的一座石碑发生奇妙的关联。

作为土生土长的北京人,李淑阳从小就有很多接触古建筑的机会。更是因为喜欢古建筑,加上对文化遗产保护的好奇,填报高考志愿时,李淑阳就选择了北京建筑大学的遥感科学与技术专业。

2022年暑假,在北京建筑大学测绘学院教师侯妙乐、董友强等多位教师和北京市考古研究院的专家学者的指导下,李淑阳和十几名北建大学子一起,研究碑文智能识别与虚拟修复技术,并在正阳桥疏渠记碑上应用,重现碑文,揭开这座散落在北京中轴线上的石碑的神秘面纱,也为中轴线各遗址点石碑石刻保护提供技术借鉴与支持。

寻根溯源,找到一座石碑的前世今生

天坛西北角的红庙街78号平房群里,“藏”着一块石碑。

在蜿蜒曲折的胡同里,穿过一条最窄处仅容一人通过的小巷,看到上了锁的铁栅栏,便能找到石碑。

这座隐于市井的石碑名为正阳桥疏渠记碑。鲜为人知的是,它曾是天桥“双碑”之一。另外一座石碑如今就在与它直线距离不过5公里的首都博物馆。游客们如果留心,会在首博的东北角找到乾隆御制碑《帝都篇》《皇都篇》方碑,从四周到石碑顶部都有特制的玻璃防护,被誉为“镇馆之宝”。

受历史因素和现实条件的影响,正阳桥疏渠记碑一直留在了红庙街,在此度过百余年的时光,底座都已被埋了一米多深。

2022年夏,北京建筑大学测绘学院教师董友强看到这块碑时的第一反应是,“有点儿破。”这也是不少人看到石碑时的第一印象。而北建大团队要做的,是让正阳桥疏渠记碑在数字世界里焕发新生。

董友强是此次数字修复石碑石刻的项目带队教师之一,主要从事摄影测量和遥感领域,此次数字修复石碑的关键技术三维重建技术即是他的研究方向之一。董友强曾和团队老师专家一起带领学生多次探访正阳桥疏渠记碑。

对于团队里的很多学生而言,以前多是隔着博物馆的玻璃观察石碑石刻,这是他们第一次如此近距离地看到石碑本体。大三学生韦泓媛说,“在现场看到它,离它这么近,有一种历史的沧桑感。”

对正阳桥疏渠记碑的修复先从追溯历史开始。

“不论怎么修复,首先都要对石碑的背景知识进行调查,了解它的历史沿革。”董友强表示,无论是对文物本身的修复,还是虚拟修复,最终都是要实现文物的保护与文物价值的传播。

正阳桥疏渠记碑有什么价值?碑文记载了哪些内容?石碑石材是什么?来自哪里?从古至今其位置发生了哪些变化……一连串的问题堆叠,李淑阳和两位本科生一起,查阅资料、向专家求证,试图在数字修复前厘清一切。

正阳桥疏渠记碑原址位于天桥十字路口东北方,同治年间被迁移至北侧弘济院内,记述内容为乾隆五十六年治理天桥南河道工程。

清朝初年,天桥附近的水往东经金鱼池、状元桥、红桥、窑坑(今龙潭湖)后出城,天桥南一带因地势低洼到夏天雨季经常积水,乾隆五十六年在天桥以南地区疏浚水道。因这次疏渠成效显著,故乾隆皇帝亲书为记。

史料记载,正阳桥疏渠记碑建于清乾隆五十六年(1791年)。碑体为方柱形,南向,高约8米,各面宽均为1.45米,顶部有四角攒尖式的碑盖,四脊各雕一龙,龙昂首曲身,似欲腾飞状,辐辏于宝顶。碑下为束腰须弥座,浮雕出覆、仰莲瓣及云、龙、菩提叶等纹饰。碑额和碑身四周有龙纹边饰,碑四面分别为两面汉文、两面满文的碑文,正面上首为汉字题名“正阳桥疏渠记”,为清乾隆帝亲笔手书楷书,记述乾隆五十六年治理天桥南河道(龙须沟)的工程。

漫长的历史长河中,曾风光无两的正阳桥疏渠记碑渐渐失去了往日神采。但研究依旧有意义。

碑文记载的北京水道情况,对研究北京地理和历史变迁有重要的价值,是研究清代治理北京河道的少有的第一手资料。同时为考察当时的风俗民情、政治礼制、河道治理工艺等角度研究其发展史提供了重要的文物资料。

而且,石碑也是北京中轴线历史变迁的见证。“整个中轴线上,现在能看到的遗产点是14个,但实际上包括正阳桥疏渠记碑在内的很多文物,都是历史上中轴线的遗产点,只不过因各种原因不在原来的位置,或者消失了。”北京市文物局下属单位北京市考古研究院科技保护研究室主任张涛曾如是说道。

细致“体检”,将石碑“搬”到电脑上

2022年8月,北建大的师生们和专家一起来到了红庙,再次进行数字化采集。

这也是数字修复的重要前提,要用各类设备对石碑进行数据采集与作业,比如热红外扫描仪、回弹仪等手持设备等等。数字化采集的过程也是对石碑“体检”。

“咔哒咔哒咔哒”,回弹仪在石碑底座上被不停地摁下再弹起,发出清脆的响声;变焦摄像机的镜头不断变化,一张张高精度的照片记录下了石碑每个面的状况……韦泓媛和小伙伴们在老师们的指导下,使用专业仪器测量、记录正阳桥疏渠记碑的表面病害情况。

体检发现,正阳桥疏渠记碑文物本体现状保存基本完整,但由于长期暴露于室外,存在明显的风化、剥蚀痕迹;局部出现严重裂痕,残损缺失情况;碑座局部有水泥填补痕迹。碑体表面粉化,碑身局部被墨迹污染,碑身底座受植物病害。受周边地坪抬升影响,须弥座几乎全部被掩埋。

“我们来之前对石碑有一个宏观的了解,知道它有哪些病害,但并不知道病害到底位于什么位置,或者为什么会在这一面而不在那一面,为什么这个面会比其他面风化严重。”韦泓媛在前期的资料搜集中,了解了正阳桥疏渠记碑的历史和基本情况,实地探访则给了她一次解答心中疑惑的机会。

“现场看到石碑的风化状况,感觉比我想象的还要更严重一些。”韦泓媛仔细观察着石碑的位置,试图解答自己心中的疑惑:石碑不同侧面的风化情况与外在环境有关,而北京夏天多是东南风、冬季多是西北风,这些都有可能导致相应侧面风化程度更重。

研二学生国洲乾负责石碑三维数据及影像采集。“就是用相机垂直于石碑面拍摄,后期会把所有影像进行拼接,结合石碑的三维模型方便后期的数字拓片分析。”国洲乾告诉记者,三维建模多是采集4个点位或者8个角,这样可以环绕一圈快速采集信息生成一个长方体模型,其他的比如石碑上的纹饰、文字细节、有风化或者有裂隙的地方,都需要用正摄像机进行补图,最后融合起来进行数字化建模。

通过三维激光扫描石碑表面,可以获得大量密集的点云,海量点云的集合能构建出物体的数据模型,将石碑“搬”到电脑上。扫描仪的摄像头1秒能采集近100万个点,围绕碑体需要采集七八个点位,才能尽量完整地还原石碑的表面原貌。用三维检测仪进行一次完整的扫描至少耗时80分钟。

国洲乾日常更熟悉的是工程采集数据,“我们会使用脚架,移动相机跟随铺设航线去拍。但拍正阳桥疏渠记碑用这种方法就不行,地方太小了,大一些的机器都不好进入。”国洲乾只能手持相机拍摄,“拍的时候得扎着马步,不能动,一动照片就模糊了。挺考验耐力的。”

“热,被蚊子咬了很多包”“很辛苦,但不后悔”……为石碑奔走、钻研的那个夏天,那些收获和难忘的瞬间深深印在学生们的记忆里。

抽丝剥茧,解开碑文推理题

数据采集之后,就要进行数据处理。对于曾参与过众多数字修复项目的北建大文化遗产数字化与虚拟修复团队而言,对中轴线上的一座石碑进行数据处理并不难。

高分辨率数字影像、高精度激光点云等海量大数据呈现在北建大师生面前。通过古籍资料、论文等查阅的关于正阳桥疏渠记碑的所有信息,随着石碑三维实景模型的显现,也逐渐变得生动起来。

对着石碑三维实景模型,国洲乾一点一点地标注石碑“体检”中识别的病害,“识别是第一位的,因为只有对病害识别才能进行后面的修复。能够具体地把病害全部都标注出来,让我觉得特别有意义,也很有成就感。”

在查阅了古代碑刻边饰纹样的大量资料后,大三学生王润頔感慨不已,“觉得特别神奇、特别有意思,每看到一个纹饰就会去猜想去验证这个纹饰是什么寓意。”

碑文上的文字识别是重头戏。调用OCR api,团队对修复后的碑文进行文字识别。得益于此前搭建的识别模型,该结构模型的初步识别精度达到了82.4%。

但数字化不是万能的,无法将石碑上的所有细节一一准确还原。以碑文为例,近400个汉字,50%的字已经有了缺损或者近乎完全“消失”,这就需要发挥人类的智慧,通过残存的痕迹和历史资料,相互印证,给出推断,并将其一笔一画还原出来。

在文物修复中,会随时发现像这样需要额外补课的文化部分。

“就像修复石窟,理想的情况下,石窟里人物的脸型是对称的。但实际上有的并不对称,而是自有造型特点。这时就需要把握不同朝代的石窟特点、技法特点,这样才能修复出符合历史的石窟。但这恰恰是最难的部分,因为我们这群测绘人不太具备这些专业知识。”董友强以碑文举例,针对破损的碑文,要么查到原始的历史资料,利用石碑制作时留下的拓片进行补充,要么就要靠自己去推理。

甲骨文到底是哪个字不能“看图猜谜”,而必须要有科学依据。碑文的推理同样如此。

“如果这个字只是缺少了一个笔画,或者哪怕它只有一个笔画,这种情况相对好确定,结合推理,都可以找出来。”董友强说道,在循证的过程中已掌握多种证据,再结合推理,即使碑文并不清晰,也能知道具体的字,这部分也可以采用机器学习的方法解决问题。

石碑数字拓片更多依赖于摄像机的高清图像以及与石碑三维原始点云数据相关的算法。照片输入电子系统即可自动生成数字拓片。

有经验和数字技术的加持,团队对石碑碑文信息进行提取识别,还查找了大量文献、对应《四库全书》中的内容,对未能识别部分进行补充。为了尽可能多地还原碑文,团队还专门研究了乾隆字体,在古书典籍中搜寻查找乾隆楷书,琢磨其手写体轮廓及书写习惯,对应电子拓片中碑文的“蛛丝马迹”,生成缺失部分的虚拟复原文字。最终,复原了超95%的碑文汉文部分,满文部分虽相较汉文有所缺失,但也实现了复原的新突破。

留有遗憾是常态,但收获远不止于碑文上的文字。

“整个项目花费时间比较多的其实是带学生。”董友强说,带队教师要负责引导学生跟进工作,“我们其实是通过这样的活动,找一找以后能够从事这项研究的好苗子。”

在北建大教授侯妙乐看来,改变下一代的自我认知,就要让他们在项目中直面挑战和困难。“其实现在我们碰到的问题就得硬碰硬了,数字拓片如何高保真、高效地提取出来?满文识别,找不到文献资料的话怎么修复?这些都是困难。”对于学生们可能出现的“前路迷茫”与“止步不前”,侯妙乐直言不讳。

“我希望他们(学生)最大的收获是对科研的热爱和解决实际问题的科研能力。”被文物保护中解决实际问题的需求“倒逼”,从而可以扩展数字化成果的应用。侯妙乐认为,从实际问题出发到提出科学问题、找到问题思路、解决实际问题,这才是科研的正循环之路,“在这个过程中,很容易让学生有成就感,增加自信心。成就感不是单纯来自于发表了一篇文章,而是在研究过程中真的解决了某个实际问题,对社会和工程一线有用。”

修复时光,串起中轴线上的“珍珠”

“中轴线是古都北京的脊梁和灵魂。”这句出现在《读城——中轴线》系列展览中的话,曾让侯妙乐很受触动。

也正是读城系列展览,侯妙乐对中轴线有了更多关注,“中轴线的核心和灵魂是时空。中轴线这个概念之所以出现就是基于时空框架下的一个概念。我们做测绘的人,最主要是做时空地理信息服务,那这与中轴线要如何结合呢?”

她关注到了中轴线上的石碑刻,“中轴线上的石碑刻在时空框架下,处于什么位置?如何演变的?和周边的环境关系如何?”

侯妙乐是正阳桥疏渠记碑数字项目的带队教师之一,她长期从事文化遗产数字化保护与虚拟修复研究,解决了文化遗产高精度信息留取、多层级表达、缺损区域定量化评估、智能修复及预测等关键难题,形成国内首个自主研发的文化遗产虚拟修复系统。

项目暂时告一段落,侯妙乐的思考却不曾停止。在她看来,中轴线申遗入选之后,其实是一个长期的研究过程,作为学者要不断去研究、去挖掘新故事,让更多的人了解中轴线、一起保护传承中轴线,或者引导更多初中生、高中生进入项目,“大家一起做科研,同时培养我们的下一代。”

“华表半空经霹雳,碑文才见满埃尘。”唐代诗人刘禹锡在《汉寿城春望》中,描述了自己看到残缺的华表、蒙尘的石碑时,对满目衰败的惋惜。

千年之后的今天,借助于数字修复技术,北建大和北京市考古研究院的“时光修复师”们努力捡拾起散落的时光碎片,让后人可以随时随地看到更多石碑石刻乃至文物古迹的“数字孪生体”,也让尘封在千百年岁月中的历史故事逐渐生动起来。古人的遗憾,或将因此得以弥补。

借助于先进的数字修复技术,北京建筑大学的师生和专家一起成功赋予正阳桥疏渠记碑新生。更让人欣慰的是,文物部门也正在研究制定正阳桥疏渠记碑的详细保护和利用措施,未来这件文物有望作为中轴线上的遗产点,与其他文物古建成片保护。

北建大师生与中轴线的缘分也还在延续。今年夏天,他们将参与先农坛地祈坛的数字修复。

在侯妙乐看来,中轴线的特殊之处在于其历史价值和文化价值,这些价值需要通过每一个细碎的科研成果来体现,“一个科研成果就像一颗珠子,所有的串起来就是一条漂亮的项链,就能更加打动人。”

新京报记者 杨菲菲

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