基于人工智能技术三维重建的麦积山石窟佛像数字化采集与复原研究

一、绪论

在甘肃省天水市，有一座被誉为“中国四大石窟艺术宝库之一”的石窟，名为麦积山石窟，其精美的佛像雕塑与壁画而闻名于世。由于历史遗留原因、地质环境和人为因素等原因，该石窟中的佛像存在不同程度的损坏。传统的文物修复手段时间成本和人力成本颇高，且文物真实性难以完全保证。不过，随着近年来人工智能（AI）与三维重建技术的迅速发展，为此类文物的数字化保护和传播提供了新的手段。国际上，法国巴黎圣母院、英国大英博物馆和意大利庞贝遗址均已利用三维扫描与 AI 修复技术实现了部分文物的数字重建[1]。在国内，也出现了以敦煌莫高窟为代表的国内数字化保护工程也取得了显著成果，不过，这些文物保护工程中有很大一部分仍停留在二维记录或静态三维建模阶段，对于复杂且细致的文物智能化修复研究较少。

本研究以古文物的三维重建的精度优化、缺损部位的智能修复和艺术风格一致性为切入点，构建了一套基于多模态数据的佛像采集与预处理流程；建立结合点云深度学习与图像生成模型的三维重建方法，实现缺损部位的智能复原，并在复原结果中保持佛像的艺术风格一致性，并实现可视化与沉浸式展示。

二、数字化采集与 AI 三维重建方法

麦积山石窟的历史较长，目前学界普遍认为其开凿于十六国后秦时期，现存七千余尊佛像，分布于 221 个洞窟中。这些佛像雕刻于砂岩崖壁之上，历经千年风化与人为破坏，许多部位已出现严重剥蚀、断裂甚至缺失[2]。在数字化采集和 AI 重建的工作中，面临着石窟空间环境复杂、光照条件不稳定、文物表面风化严重和数据量庞大等诸多严重问题。为应对上述挑战，本研究采用多模态采集方法，整合激光扫描、摄影测量和光谱成像等技术对石窟中佛像的几何结构、纹理材质和色彩信息进行了高效采集。

在采集完成后，本研究设计采用迭代最近点（ICP）算法实现多视角点云的自动拼合，并剔除噪声点；然后利用泊松表面重建算法生成高密度三角网格，再通过边折叠算法优化模型规模；再然后将摄影测量影像与点云几何对齐，生成高分辨率纹理贴图；最后再利用图像分割与人工校验，确定残损部位，为 AI 三维重建提供训练样本，这一阶段有效为 AI 三维重建打下坚实基础。结合古文物的数字保护需求，本研究在 AI 三维重建流程中，重点设计了高精度点云、RGB 影像与光谱信息作为整个流程的输入；然后通过多分支神经网络，分别提取几何特征、纹理特征和材质特征；再利用CNN 分割网络自动检测并标注佛像残缺部位，基于 3D-CNN 与 GNN 生成缺损区域的点云，并通过网格细化实现与原始结构的无缝拼接；最后通过几何一致性损失与结构相似性指标进行训练与优化，确保复原结果既真实又稳定，方可生成可视化的完整佛像三维模型。

三、佛像数字重生与视觉设计

佛像作为宗教艺术和历史文物的双重载体，它的复原不仅是技术过程，还是文化过程。在此类古文物的数字化复原中，必须要遵循完整性原则、真实性原则、可逆性原则与审美性原则[3]。在这样的原则下，本研究提出五步复原流程：1.将几何补全后的点云与纹理复原结果进行统一映射，生成基础三维模型；2.利用 AI 补全算法填充残损部位，并通过手工干预调整局部异常；3.结合光谱成像与历史资料，对褪色和模糊区域进行色彩重建；4.通过风格迁移网络，使新生成区域与整体佛像保持统一的艺术风格；5.采用物理渲染方法，模拟真实光照与材质，提升视觉表现力[4]。

在佛像的复原和数字重生中，视觉设计是重要的连接科学研究和文化传播的桥梁。通过高精度的渲染和交互设计，可以使得复杂三维数据显示更加直观[5]，便于研究人员和普通观众理解和欣赏；结合混合现实技术，观众可以突破时间和空间的限制，在虚拟环境里近距离观察古文物的细节，后续甚至能够学习和体验修复过程；不仅如此，通过移动端应用程序（APP）小程序、沉浸式展厅等线上平台，大幅度降低普通观众、学生学习和欣赏文物的成本，服务于教育与文化传播。为了兼顾学术价值与传播效果的目标，本研究根据麦积山石窟佛像数字化复原的特性，认为应该在同一线上展示系统中提供“学术模式”和“公众模式”，前者侧重数据与证据展示，后者侧重审美与交互体验；利用高动态范围渲染（HDR）与法线贴图增强佛像表面细节，突出雕刻痕迹与肌理质感；在颜色重建时采用色彩管理系统，确保不同设备下显示一致，并保留佛像原有的温润感与历史感；通过手势识别、语音控制等自然交互方式，让用户能够自由调整视角、光源与缩放比例。

以著名的麦积山石窟第 44 窟为例，其是由中国西魏时期的匠师们精心开凿，在经历了千年的风霜后，洞窟后壁依然保留，上面雕刻着一尊佛像、两尊菩萨和一位弟子，这几尊佛像都存在着不同程度的断裂与褪色问题。利用本研究的设计和成果，通过 AI三维重建补全了这几尊佛像缺失的面部结构，并利用风格迁移算法恢复了局部色彩。最终在虚拟展示平台中，观众看到了来自“千年前”的“画面”，一千四百多年前的中国人和今天的中国人通过特殊的方式进行着独特的“交流”。在虚拟展示平台，观众不仅可以观看复原前后的对比，还能操作界面，选择不同复原阶段的可视化展示。这种多维度的视觉设计提升了学术研究的透明度，也增强了公众的参与感与文化认同感。

四、结论

本研究在传统三维采集的基础上引入光谱成像，有效提升了褪色区域的色彩还原度，且对于古文物复原过程中视觉设计极度重视，不仅关注学术研究，还通过交互式设计拓展了数字复原在展陈、教育与传播中的应用。当然，受限于现场条件，本研究仅对部分洞窟佛像进行了实证研究，尚未覆盖整个石窟群，同时对于损毁严重的佛像来说，本研究设计的复原模型仍不能将其完全复原，需要专业人员的干预，面对此类问题仍然需要相关专业人员的重视与努力。

本研究从数据采集、AI 三维重建到视觉设计，设计了一套多模态采集体系，通过激光扫描、摄影测量与光谱成像的融合，实现了佛像几何结构与表面纹理的高精度采集，为后续重建提供了可靠数据基础。并且，研究结合了 3D-CNN、GNN 与GAN，实现了佛像缺损部位的智能补全与纹理复原，突破了传统人工建模效率低、风格一致性差的局限。不仅如此，本研究通过 VR/AR 平台，复原成果得以在沉浸式场景中呈现，既服务于学术研究，也为公众文化传播提供了新的路径，研究不仅可以推动麦积山石窟佛像的数字化保护实践，也为其他石窟与文物遗产的复原提供了参考范式。

参考文献

[1]汤光恒.计算机图像识别技术在建筑工程中的应用[J].工业建筑, 2022(004):052.

[2]刘丹.基于 SketchUp 对麦积山石窟西魏残损洞窟的复原研究[J].敦煌学辑刊,2024(3):76-89.

[3]谭冰钰,薛艳敏,钦松.中国石窟文物数字化技术方法研究综述[J].图学学报, 2025,46(3):479-490.DOI:10.11996/JG.j.2095-302X.2025030479.

[4]张扬,WANG Pingxian.麦积山石窟第 127 窟涅槃经变图中植物图像的整理与研究[J].敦煌研究, 2025(3).

[5]陈章,李隆,武发思,等.红外相机技术在石窟寺与古建筑动物活动监测中的应用[J].文物保护与考古科学, 2023, 35(2):106-115.DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20211002281.