古代敦煌壁画的数字化保护与修复
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敦煌，东接中原，西邻新疆，距今已有 2000 多年的历 的敦煌彩塑互相补充、 互相辉映， 共同构成完整的敦煌石窟 艺术。 壁画适于表现丰富的内容和复杂的场面，壁画布满每 个洞窟的前、后室和甬道的佛龛、壁面和顶部。包括了尊像 画、释迦本生因缘传记故事画、神话人物画、供养人画像、 装饰图案等多种类型，具有极高的艺术和学术价值。 然而，由于自然风化的破坏以及重大自然灾害的威胁， 这个人类艺术的宝库变得非常脆弱。目前壁画正承受着酥 碱、起甲、空鼓、脱落、粉化、褪色、变色等多种病害的威 胁， 日益增加的游客也为敦煌壁画的保护工作增加了更多的 难题。40 年代莫高窟开始进行保护，临摹复制大量壁画， 这使人们开始看到这些价值极高、精美无比的莫高窟壁画。 之后采用现代摄影、 摄像等技术记录壁画的信息和变化， 积 累了相当多的资料。然而这些图像资料都存在难于持久保 存、 图像复制会产生信息失真等严重的问题。 而且传统的壁 画保护、修复工作都是不可逆的操作，存在一定的风险性。 数字化壁画保护修复工作能够将壁画信息永久保存， 并 能够利用计算机对壁画进行虚拟修复、辅助进行壁画保护、 辅助进行壁画临摹、 对壁画病害过程进行虚拟演变、 实现壁 画真实感虚拟展示等工作。 数字化壁画保护修复为壁画的物 理保护修复过程提供了充足的科学依据和测试环境， 将保护 工作的危险性降至最低。 史， 自汉代以来， 一直是中原通西域交通要道的 “咽喉之地” ， 是著名的丝绸之路上的重镇。与此同时，自汉代中西交通畅 通以来，中原文化不断传播到敦煌，在这里深深扎了根。地 接西域的敦煌，较早地就接受了发源于印度的佛教文化。西 亚、 中亚文化随着印度佛教文化的东传， 也不断传到了敦煌。 中西不同的文化都在这里汇聚、碰撞、交融。十六国时期， 中原大乱，战乱频繁。唯敦煌相对平安，人口增加，中原与 河西走廊的百姓避乱在此， 中原汉晋文化在敦煌与河西走廊 得以保存和延续。中原传统文化在敦煌已十分成熟。与此同 时，西行求法与东来传教的佛教僧人都经过敦煌，促进了敦 煌佛教的发展，敦煌莫高窟也应运而生。 敦煌莫高窟艺术是集建筑、彩塑、壁画于一体的综合艺 术。敦煌莫高窟艺术，是在传统的汉晋艺术基础上，吸收融 合外来艺术的营养， 创造的具有中国风格的民族民间佛教艺 术。因其历史悠久、规模宏大、内涵深邃，艺术精美、保存 完好，享誉国内外，是我国乃至世界佛教艺术的瑰宝，在中 国文化史以至世界文化史上，具有重要的地位。 壁画是敦煌艺术的重要组成部分， 现保存了十六国至元 代的壁画共约 5 万平方米。 敦煌壁画与洞窟中居于主体位置收稿日期：2002-12-25 基金项目：国家自然科学基金重点项目( 69733030) 作 者 简 介 ： 潘 云 鹤(1946-), 男, 浙江绍兴人, 院士, 浙江大学校长, 博导, 研究方向为智能 CAD, 计算机艺术等。 1 智能化交互的壁画临摹辅助技术 1.1 传统修复性临摹的方法及其面临的问题为了保护敦煌宝贵的壁画艺术， 必须通过各种手段将现 Vol. 15 No. 3 March 2003 潘云鹤, 等：古代敦煌壁画的数字化保护与修复 行计算机辅助着色。 1) 采用适当的交互确定合适的着色区域 311 存的壁画真实的保存下来。同时，为了考古以及古代艺术研 究的需要。需要对壁画进行修复性的临摹。现在敦煌研究院 采用的修复性临摹方法主要分为五道工序[1]， 即拍照、幻灯 放大(与原壁相同)、参照原壁画进行修改、描线，再把画稿 印描在宣纸上，然后面对原壁上色。在这个过程中，线描图 的绘制占据了壁画修复的大部分时间，工作量十分巨大。通 常修复几个平方米的壁画需要的时间要以年计算。另外，在 线描图上进行着色也涉及到化学、物理、考古和艺术等领域 的综合应用， 是一个复杂的过程。一旦出错，劳动损失巨大。 根据壁画中不同构图元素的类型， 先用交互式的方法大 致选取着色区域， 然后计算机在该选定区域内采用特征点匹 配的方法识别出需要着色的构图元素类型和更加精确的着 色区域。 2) 采用智能推理检索选择合适的颜色 参考原壁画的色彩信息。利用基于理化知识的推理、 基 于类比的推理、基于经验知识的推理[4]，在知识库中搜索 合适的颜色准备对区域进行着色。 3) 选择特定效果的笔刷进行区域绘制 根据中国画特有的晕染风格和运笔轨迹， 我们提出了基 于骨架的笔刷模型。画家在绘画时要控制画笔的运动轨迹， 这运动轨迹为模型的物理基础， 定义为导引骨架。 在模型中 由一系列的导引点组成， 他们的作用是用来导引控制散点分 布位置。 常用的画笔是由动物的毛制成， 每根毛的截面是很 小的圆。毛丝是绘画模型中的基本元素，对应于散点。散点 的属性有：散点的形状、散点的密度、散点的颜色等。散点 的集合构成了画笔。骨架定义好之后选取适当的散点属性， 最终完成着色。 1.2 临摹辅助的关键技术计算机辅助修复壁画技术的研究， 旨在克服传统修复性 临摹方法的局限性和困难， 通过面向壁画保护研究与临摹复 制的数字化技术研究应用， 让其保护临摹的方法与技术跨上 新台阶。 我们主要从两个方面解决传统修复性临摹中的一些 问题：计算机辅助生成线描图，计算机辅助敦煌壁画着色。 1.2.1 计算机辅助生成线描图 线描风格的边缘提取和绘制在计算机艺术创作中正引 起越来越多的关注。 传统的图像分割和边沿提取算法得到的 轮廓难以满足画家对于艺术形象的追求。 为了能够得到更接 近画家要求的线描图像， 必须在现有的边沿提取算法上进行 改进，从智能、数学、绘画等不同的侧面出发，找出适合计 算机处理的、具有智能的，交互作用的方法。 我们从以下的几个方面进行了针对性的研究。 1) 使用准确的边缘提取对壁画进行预处理。 常用的图象分割技术可以划分为四类[2]： 特征阈值或举 类、边缘检测、区域生长或区域提取以及递归象素分类。虽 然这些方法分割灰度图像效果很好， 但是用于彩色图像的分 割往往达不到理想的效果。 采用传统单一的方法分割彩色图 像大多数情况下也不能达到满意的效果， 通过根据不同应用 领域混合分割的方法则可以大大改善分割效果。 而我们加入 交互的方法， 在多颜色空间[3]上进行彩色图像的分割可以有 效的解决针对敦煌壁画的边缘提取 2) 基于样本学习的替换 我们采用了基于样本学习的方法来替换或者补充那些 壁画中缺失比较严重的部分。 为了处理壁画复杂的线条和色 彩信息，我们使用了框架和规则混合方式组织和表达知识。 建立包括线描元素矢量图和色彩信息的样本知识库。 通过对 艺术家绘制样本库的学习，生成最终线描替换结果。 3) 精细的修改 在预处理和替换的基础上， 采用成熟的矢量化技术和插 值算法。交互的实现对部分线条的精细修改。并在一定程度 上模拟出不同风格的线描图像。 1.2.2 计算机辅助敦煌壁画着色 根据计算机辅助生成的线描图。 我们采用了基于模式识 别、人工智能、非真实感图形绘制方面的技术对敦煌壁画进 2 敦煌壁画的色彩演变模拟技术 2.1 色彩演变模拟问题的提出及其意义从 1943 设立的国立敦煌艺术研究所到现在的敦煌研究 院， 有许多的科研工作者为保护敦煌壁画进行了相当的研究 和保护实验： 例如壁画无机颜料物相分析、 壁画变色原因探 讨、环境与壁画保护关系研究、壁画加固材料试验等等。但 是上述研究工作的内容各自独立， 无法整体的作用于壁画本 身， 另外很多抽象的实验数据没有可视化的结果， 这给壁画 保护工作的交流与讨论带来了相当的困难。 为此我们对壁画 的演变模拟技术进行了研究， 并在此基础上开发出了一个壁 画演变模拟系统。 壁画演变模拟技术研究的价值不仅仅在于 为保护工作者间的相互交流提供一种可视化的媒质， 它的价 值还在于可以通过将演变规律作用于壁画来预测其在外界 因素作用下的变化趋势， 即便及时地采取相应的措施进行保 护； 同时壁画的演变模拟还可以使得人们从艺术角度欣赏到 壁画千年来演变的近自然过程。 2.2 壁画演变模拟的关键技术图 1 给出了色彩演变相关环节的计算机模型[5]。模型 的点划线前半部分是色彩演变的物理模型和计算机模型： 两 个模型之间通过共同定义的物理参数进行传递； 而后半部分 是具体实现机制：对壁画的色彩进行色彩统计和分割[2][4] 以后，对每种色彩在时间上纵向过渡，在空间上横向协调。 而虚线前半部分的物理化学模型的大量研究工作已由敦煌 科研工作者完成。由于计算机模型和物理模型采用共同的参数 作为接口，所以两部分可以独立地以同一套参数标准建立模型。 312 元素化学反 应模型及颜 料脱落、粉 尘吸附物理 模型 透明度、 百分比等 物理参数 计算 机模 型： 混色 模型 色彩 C1 系 统 仿色彩 Cn 真 学 报 Vol. 15 No. 3 March 2003 通过色彩过渡曲线我们知道的仅仅是变换前后色块的中心 色彩。采用一种线性变换即可实现在两种色块之间的迁移, 从而得到演示过程的中间图像[5]。实验表明,保持饱和度和 亮度不变而仅对色度进行转换,效果比较平滑。敦煌色 中间色 中间色 色彩协调 彩 Ci-1 彩 Ci-1 色彩 过渡 色彩 过渡 外界因素如阳 光、温湿度等 中间色 中间色 色彩协调 彩 Ci 彩 Ci 色彩 过渡 色彩 过渡 中间色 色彩协调 中间色 彩 Ci+1 彩 Ci+1 图1 色彩演变的计算机模型 图2 色彩过渡轨迹 敦煌色 上述计算机模型中需要解决的技术问题有： 色彩过渡曲线：通过典型中间色彩找到色彩的变色轨 迹，并限定此轨迹上的颜色都是敦煌色； 色彩映射：色彩过渡曲线实际上是单色轨迹，演变还需 要解决一种色相的色块迁移； 色彩协调： 色彩协调解决各变色轨迹上色彩在演变的中 间过程中的协调问题。 2.2.1 色彩过渡曲线 通过研究敦煌变褪色的机理： 变色是因为颜料本身的化 学物质受外界许多因素如阳光、 温湿度、 霉菌等影响慢慢地、 局部地发生了化学变化， 于是从原始的颜料色彩慢慢过渡到 现今色彩。而褪色是颜料分子的脱落，或是粉尘的吸附导致 壁画原本鲜艳光亮的颜色变淡变浅。 在同时考虑了作画工序 后，可以将敦煌壁画视为以下模型[5]： A. 壁画为层状结构，其中底下是黏土层，中间是颜料 层，上面为粉尘层； B. 颜料层和粉尘层具有半透明性； C. 计算机模型中图像分辨率小于原始图像数据。 基于了上述变褪色机理以及壁画模型， 提出以下两种变 褪色的混色模型[5]， 其他复杂的混色模型可以通过这两种原 子混色模型组合得到。 原子混色 A：颜色一在颜色二下面，颜色一透过颜色二 形成两种颜色相混。 原子混色 B：因分辨率有限，壁画中多个点颜色均匀混 合成图像中一个象素。 利用上述混色模型可以得到壁画的典型中间色彩， 然后 利用这些典型中间色彩作为插值节点， 就可以得到一条连续 的变色曲线,并要求该曲线上所有的色彩都落于敦煌色彩空 间， 最终得到色彩过渡曲线[5]。 演变过程中不同的色彩在不 同的色彩过渡曲线上进行。 2.2.2 色彩映射 色彩过渡曲线提供的仅仅是单色的变色曲线， 而在演变 的实际过程中我们还需要解决在色块 （其中色块的中心色彩 落于色彩过渡曲线上）之间的一种映射关系。 比如壁画种铅 丹颜料原来是红色的，慢慢变成棕色最后变黑。但实际上铅 丹最初的红色不是纯色，而是表现为红色相的丰富的色块。 2.2.3 色彩协调 色彩协调是指所有同一画面中的颜色排列符合美学协 调的原则。 从人对颜色的感知上来说，对一种色彩的判断是 根据色彩的色调（H） 、亮度（L） 、纯度（S）来区分的。这 三个属性相互独立， 构成色立体。 美国色彩学家阿波特认为 色彩协调必须具有整体性的、一致性的、连贯性的特点。当 两个或两个以上的色彩因差别大而非常刺激不调和的时候， 增加各色的同一因素， 使强烈刺激的各色逐渐缓和， 增加同 一的因素越多，协调感越强。这就是同一调和理论，主要包 括同色相调和、同明度调和、同纯度调和及非彩色调和[6]。 在变褪色演示时， 在同一幅图像中有多色进行变色或褪 色演示时， 需要考虑中间过程色彩的协调。 中间色彩的色相 和明度不能被用来协调，否则变色轨迹曲线会被改变。 所以 只剩下纯度可以作为色彩协调的主要考虑因素， 所以在色彩 演示中协调主要采用的是基于同纯度调和的理论[5]。 我们进行色彩协调的过程如下：所有的 RiGiBiàHiSiVi 求 S = ∑Si n 所有的 RiGiBiàHiSiVi 图 3 同纯度的色彩协调 3 智能化临摹辅助系统 3.1 系统功能 壁画的临摹辅助系统主要功能包括： 给艺术家提供修复 性临摹所需要的线描图参考样本， 避免采用传统方式进行耗 时的线描图绘制。 艺术家可以利用计算机得到大部分甚至全 部的线描图，并且可以利用计算机进行重复性的试验创作。 交互式的壁画构图元素替换为艺术家修复严重缺失部分壁 画提供了类比搜索引擎，为确定修复策略提供辅助。 计算机 辅助着色不仅仅可以给艺术家修复提供虚拟的配色方案， 还 可以为文物保护单位提供颜色演变过程模拟效果。 3.2 模块组成 壁画临摹辅助系统由边缘提取模块、 矢量化模块、 构图 元素替换模块、精细修改模块、着色区域选取模块、颜色检 索模块、区域绘制模块组成各模块的功能如下： Vol. 15 No. 3 March 2003 潘云鹤, 等：古代敦煌壁画的数字化保护与修复 313 边缘提取模块： 对输入的壁画图像进行图像分割和边缘 提取处理。 并通过一定的交互去掉无用边缘信息得到初步的 预处理结果。 矢量化模块：对得到的部分边缘进行矢量化处理，方便 之后的精细修改。 构图元素替换模块： 根据艺术家提供的素材建立矢量化 的线描图元素样本库。根据对样本的学习，交互的替换或填 补严重损坏或缺失的构图元素。 精细修改模块：针对效果不好的线描部分，交互的进行 线条的平滑和粗细风格的调整。 最终输出尽量满足艺术家需 求的线描图。 着色区域选取模块： 根据交互选取的大致区域确定精确 的着色区域 颜色检索模块： 根据领域知识在壁画色彩知识库中选取 适合的颜色 区域绘制模块：选取适合的晕染方式和笔刷模型，结合 颜色检索模块得到的结果，在选定区域内进行绘制。 阅。 能够方便地在壁画上寻找探头的位置， 迅速调阅检测数 据。 支持多种条件下对修复信息的查询， 观看虚拟复原效果。 系统还能够进行变褪色、灰尘吸附等色彩演变的模拟。 4.2 模块组成石窟壁画文物保护修复辅助系统由数据管理模块、 三维 导视模块、病害标记模块、病害分析模块、病害调查模块、 色彩虚拟复原模块、 病害虚拟演变模块、 病害虚拟修复模块、 环境监测模块组成，各模块的功能如下：资料数据库 三维导视模块 病害标记模块 数据管理模块 病害分析模块 病害调查模块 病害虚拟修复模块 环境监测模块 色彩虚拟复原模块 病害虚拟演变模块 图 5 石窟壁画文物保护修复辅助系统结构图 数据管理模块： 负责录入并组织病害资料数据库中的洞 窟模型、壁画信息、病害区域、病害类型、病害时间、修复 措施等数据。 三维导视模块：建立洞窟壁画的三维模型， 在真实感漫 游的环境中提供给用户选择壁画病害区域的工具， 方便用户 直观的对壁画进行操作。 病害标记模块： 为用户在壁画上面标注各种形状的区域 提供方便的工具， 每种病害区域还对应了不同的病害类型和 时间。 病害分析模块： 针对特定病害的区域特征和随时间变化 的情况对病害的情况给出分析。 病害调查模块：结合三维导视模块， 让文物保护研究人 员能面对计算机屏幕身临其境地对文物现场进行调查与讨论。 色彩虚拟复原模块： 根据壁画颜料及年代对壁画色彩进 行虚拟复原。 病害虚拟演变模块： 按照病害变化规律演示壁画被病害 侵害的过程。 病害虚拟修复模块： 提供对病害区域进行虚拟修复的工 具，辅助进行计算机里面数字壁画的修复。 环境监测模块：计算机辅助文物环境监测数据录入、 查 询与分析显示； 3.3 系统流程在使用壁画临摹辅助系统的时候， 先对数字化获取到的 壁画图像进行边缘提取， 经过元素替换和精细修改之后得到 的线描图可以直接提供给艺术家做修复性临摹线描图的依 据。 然后根据选取的着色区域和适当的颜色笔刷模型进行着 色。 给艺术家提供配色方案或者给文物保护者提供颜色研究 的虚拟展示。流程图如图 4 所示: 矢量化 壁画样本 修复结果 边缘提取 区域绘制 缺失部分替换 交互的精细修改 线描图 选取着色区域 经验知识 理化知识类比知识 线描图元素样本库 颜色检索 笔刷模型库 图4 壁画色彩知识库 智能化临摹辅助系统流程图 4 石窟壁画文物保护修复辅助系统 4.1 系统功能石窟壁画文物保护修复辅助系统包括壁画病害标注、 壁 画病害调查分析、壁画环境监测、壁画虚拟修复、色彩虚拟 演变模拟等功能。 在系统中可以自由游览、查看各个壁画的信息，还可以 调阅关于整个洞窟的一些基本资料、病害的调查报告、材料 分析报告及修复报告等资料。 调阅以前的病害信息及计算病 害百分比统计， 直接在壁画图像上标记病害， 自然而且直观。 一幅壁画中可能有多种病害， 但研究的时候也许只对一种病 害感兴趣，所以系统提供按单种病害进行统计的功能。可以 在壁画上一目了然地看出在哪些点进行了采样分析， 方便调 4.3 系统流程在使用石窟壁画文物保护修复辅助系统的时候， 先数字 化获取文物照片信息， 利用数码相机近距离拍摄文物， 并记 录拍摄的环境条件与摄影参数， 使该过程可以重复。 然后根 据文物实地场景测绘数据， 利用三维建模软件，建立足够精 细的文物数字化三维模型。 在支持自由漫游的真实感虚拟文 物遗址场景中可以进行病害标记、病害调查、病害分析、环 境监测等工作。经过了病害标注处理以后， 就可以对壁画进 行虚拟修复、色彩虚拟演变及病害虚拟演变模拟。 314 系 统 仿 真 学 报三峡文物 敦煌文物 兵马俑 Vol. 15 No. 3 March 2003 故宫博物院 病害虚拟修复模拟 进入导视状态 选择洞窟数据 色彩虚拟复原模拟 病害虚拟演变模拟 进行 进行 环境 病害 监测 标记 图6 进行 病害 调查 进行 病害 分析 文物调查 文物保护 与 环境监测 管理 资源管理 保护 辅助 系统 考古 辅助 系统 创作 开发 辅助系统 参观 旅游 系统 石窟壁画文物保护修复辅助系统流程图 信息获取 与建模 虚拟重现 与展示 演变模拟 与仿真 信息共享 与交流 艺术创作 与开发 计算机辅助文物保护或修复过程中所产生信息， 构成了 全面而完整的文物保护修复相关的多媒体信息库， 能够虚拟 重现各阶段文物真实面貌， 提供了珍贵的文物保护第一手资 料，便于进一步的文物保护修复研究与实施。 数字化文物的基础核心技术与理论 图7 数字文物研究与应用技术体系示意图 叉渗透，加快智能多媒体学术方向的成长和发展。同时，数 字化壁画保护修复研究提出的数字化文物的思想与技术， 将 使现代科学与古代文化交融碰撞， 促使信息科学与文物科学 的交叉研究，形成新的学科研究方向。 数字化的文物保存、修复、研究与开发技术，将使文物 研究与保护的方法与手段跨上一个新台阶， 具有非常广泛的 应用前景，使我国从文物保存大国向文物保护研究大国发 展。 因此有必要在全国范围内建立如图 7 例的数字文物研究 与应用技术体系，共同促进我国文物领域的发展。 5 结论与展望数字化壁画保护修复工作得到了国家自然科学基金重点 项目“多媒体与智能化集成及艺术复原”及国家科技攻关项目 “濒危珍贵文物信息的计算机存贮与再现研究”的资助；成果 “敦煌石窟虚拟漫游与壁画复原系统”代表中国参加了 2000.6 德国汉诺威世界博览会； 浙江大学出版社将于 2003.1 出版专著 《敦煌真实与虚拟》 ；在文物的数字化获取、保护方面的方法 与设备申请了 3 项专利；开发有“敦煌莫高窟虚拟参观旅游系 统”、“敦煌壁画辅助临摹与修复系统”、“计算机辅助石窟的保 护修复系统”、 “敦煌风格图案创作与展示系统”等应用系统。项 目的研究成果通过演示系统或学术论文等形式在多家会议或 杂志上展示与发表，使学术界对本项目在数字化文物技术、智 能图形图像处理技术方面的研究产生很大的兴趣。 数字化壁画保护修复工作的研究成果， 融形象智能思维 模型于图形图像处理， 拓展了经典图形图像处理所依赖的基 础理论， 智能化图形图像处理技术已突破了经典方法与技术 的局限性。广州好的墙绘 |
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