敦煌彩繪文物數(shù)字化保護色卡制作方法研究

梁金星 萬曉霞 劉強 李嬋 王琪

內(nèi)容摘要：針對敦煌彩繪藝術(shù)品數(shù)字化保護采集和再現(xiàn)色彩不準確問題，提出了敦煌彩繪藝術(shù)品色彩控制色卡方法。通過對敦煌彩繪文物制作使用的顏料及膠料的類型與種類、敦煌彩繪文物的制作工藝及設(shè)色技法調(diào)查，制作了敦煌彩繪模擬樣本并建立對應(yīng)色彩數(shù)據(jù)庫。通過對模擬樣本進行色彩控制測試挑選和完善，為敦煌彩繪藝術(shù)品的色彩控制提供了一個參考色卡。測試結(jié)果表明，使用自制色卡對敦煌彩繪藝術(shù)品的色彩控制能力優(yōu)于標(biāo)準色卡。

關(guān)鍵詞：敦煌彩繪；敦煌顏料；顏色控制；色卡

中圖分類號：K854.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2016）02-0117-08

Abstract： The aim of this paper is to introduce an effective method of making color charts for Dunhuang art paintings， which can help resolve the inaccurate color acquisition and display problem in digital protection of Dunhuang art paintings. Simulation samples of a color database of painted Dunhuang art paintings were established according to investigation of pigment， glue， and production processes and techniques. Some optimal samples were selected during digital color control tests to the color chart. The test results show that the self-made color chart is clearly superior to the standard color chart used in color control of Dunhuang art paintings and digital protection.

Keywords： Dunhuang art paintings； Dunhuang pigments； color control； color chart

一 引 言

在我國的文物保護工作中，作為世界文化遺產(chǎn)的敦煌莫高窟一直是文物保護工作者的重點保護研究對象[1-3]。敦煌莫高窟歷經(jīng)多個朝代的興建，現(xiàn)有洞窟735個，壁畫4.5萬平方米，泥質(zhì)彩塑2415尊，是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、內(nèi)容最豐富的佛教藝術(shù)圣地，但由于長期自然和人為因素的影響，許多壁畫、彩塑的面貌已經(jīng)受到嚴重的損壞，其中敦煌壁畫的起甲、龜裂、脫落、變色、褪色等病害普遍見形[4-6]，很大程度上改變了壁畫原有的表現(xiàn)風(fēng)格。許多文保工作者這對這些病害問題進行了深入研究，意在掌握病害機理、修復(fù)當(dāng)前壁畫。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，文保工作者逐漸意識到對文物原生態(tài)保護的重要性，開始著手對文物數(shù)字化保護理論與方法進行研究，以數(shù)字化的方式采集當(dāng)前文物的原真信息，進而入庫保存和三維沉浸式展現(xiàn)，最大限度地減少在文物保護過程中對文物的損害，被許多國內(nèi)外文物保護研究機構(gòu)所采納[7-9]。當(dāng)前的文物數(shù)字化保護方法主要采用高分辨率RGB三通道CCD數(shù)碼相機設(shè)備對文物顏色信息進行記錄，由于高分辨率的三通道CCD數(shù)碼相機設(shè)備記錄顏色的范圍有限，數(shù)碼相機的色域遠小于自然界色彩色域，對于敦煌彩繪使用的一些高飽和度、色域外的顏色很難正確記錄，加上相機本身具有參數(shù)可調(diào)節(jié)性，導(dǎo)致在相同觀察條件下相機記錄物體的顏色與視覺感受物體顏色具有較大差異。此外，對采集的敦煌彩繪藝術(shù)品進行再現(xiàn)時，由于顯示設(shè)備自身的不穩(wěn)定性導(dǎo)致顯示的敦煌彩繪顏色與真實顏色之間存在失真現(xiàn)象，不能真實地再現(xiàn)原物體的藝術(shù)特征氣息。因此需要通過科學(xué)制定的色卡對數(shù)碼相機以及顯示設(shè)備在采集和再現(xiàn)色彩時進行特性化校正，使采集和顯示的敦煌彩繪顏色更加接近于真實彩繪顏色。

目前，國外在色卡的研制方法及技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，美國愛色麗公司、日本富士公司、柯達公司等都已推出自己的一系列標(biāo)準色卡，用于數(shù)字輸入、輸出再現(xiàn)設(shè)備的色彩校正及特性化，其中以愛色麗公司的ColorChecker和ColorCheckerSG色卡應(yīng)用最為廣泛，ColorChecker是由McCamy等人在1976年通過啞光油漆涂料模擬自然界典型物體顏色制作[10]，具有較好的顏色恒常性，可應(yīng)用于照相、電視以及印刷行業(yè)色彩復(fù)制的量化和視覺評價工作。2005年，孟塞爾實驗室Mohammadi等人使用油畫顏料制作了一個包含14個色塊的色卡，用于油畫藝術(shù)品的光譜重建，取得了較好的重建效果[11]。但敦煌彩繪主要由礦物顏料制作，其色彩屬性與油畫以及水粉畫等畫種常用的顏料有著較大的差別，往往具有較高的飽和度和光澤感。此外，目前國際廣泛用于數(shù)碼相機色彩特性化校正的ColorChecker與ColorChecker SG等色卡，其制作工藝以及基本的基底同敦煌彩繪也存在較大差別。敦煌彩繪均是制作于地仗之上的，而目前的標(biāo)準色卡均是涂布于紙板表面的，這進一步導(dǎo)致敦煌彩繪色彩屬性同目前常用標(biāo)準色卡色彩屬性存在一定的差異。因此若以現(xiàn)有的標(biāo)準色卡對敦煌彩繪色彩的采集和再現(xiàn)進行校正，并不能得到滿意效果。而在國內(nèi)，雖然詹新國曾設(shè)計了一款敦煌色卡[12]，但只是簡單地對現(xiàn)有的礦物質(zhì)顏料進行排序編號，主要用于礦物顏料的商業(yè)售賣參考，對于敦煌彩繪色彩準確的數(shù)字化采集與再現(xiàn)幾乎無任何幫助。因此本研究通過對敦煌彩繪藝術(shù)品的物質(zhì)類別、制作技藝和設(shè)色技法等多方面綜合分析，制作用于敦煌彩繪藝術(shù)品色彩準確獲取與再現(xiàn)的控制色卡，為敦煌彩繪藝術(shù)品的數(shù)字化保護及傳播提供具有指導(dǎo)意義的技術(shù)支持。

二 模擬樣本

依據(jù)敦煌彩繪藝術(shù)品制作工藝方法制作模擬樣本，建立敦煌彩繪模擬樣本集是制作敦煌彩繪藝術(shù)品色彩控制色卡的基礎(chǔ)。為此，本部分對敦煌彩繪文物制作過程中所使用顏料的類型與各類型顏料的種類[13-14]、敦煌彩繪文物制作的工藝流程與所使用的輔助工具和材料[15]以及敦煌彩繪文物在創(chuàng)作設(shè)色技法的運用[20]進行深入的分析調(diào)查，確定敦煌彩繪文物所使用的顏料20余種，其中主要為礦物質(zhì)顏料，少部分為非礦物質(zhì)顏料，以牛皮膠、骨膠以及桃膠等膠料對顏料進行調(diào)和，然后在事先制作好的地仗上面進行彩繪創(chuàng)作。在設(shè)色技巧方面多采用疊印和暈染的方法，通過疊印和暈染的技法繪制出飄逸的服飾，通過暈染方法表現(xiàn)凹凸有致的逼真人物畫像。依據(jù)上述調(diào)研分析，以裝裱白卡紙為基底模擬敦煌地仗，以牛皮膠料為連接料，選取北京天雅中國重彩巖彩畫研究所提供的具有不同顆粒度的敦煌彩繪典型顏料，按照敦煌彩繪創(chuàng)作方法制作模擬樣本。考慮到敦煌彩繪尤其是人物膚色褪色問題[16]，專門通過鉛丹人工老化實驗構(gòu)造了不同程度的膚色老化模擬樣本，同時以白珊瑚和純黑朱兩種最白和最黑顏料模擬制作灰梯尺，共制作模擬樣本330個。

采用X-Rite公司Color-Eye 7000A型分光光度計測量獲取330個色塊在380nm—750nm波長范圍內(nèi)的光譜和色度信息。該設(shè)備為臺式積分球式測量設(shè)備，采用直徑大小為15mm的中號孔徑進行測量，采用d/8°幾何測量條件，去除鏡面反射成分，測量中通過測量兩次求平均值的方法消除測量隨機誤差，測量精度可以得到有效保證。

三 研究方法流程

敦煌彩繪藝術(shù)品創(chuàng)作使用的礦物顏料具有不同的顆粒度，這由古代顏料的制作工藝所決定[30-31]，而顏料的顆粒度決定彩繪藝術(shù)品的色彩屬性（如色相、亮度、飽和度等），如圖1-1、圖1-2所示，為選擇已有的最大顆粒度5#、中間顆粒度9#和最小顆粒度11#這三種顏料制作的模擬樣本在CIELab顏色空間的分布情況，其中同一橢圓內(nèi)為同一種顏料的三種顆粒度分布，圓圈added表示非礦物質(zhì)顏料樣本和制作的灰梯尺樣本。

由圖1分析可知，同一種顏料的不同顆粒度制作的模擬樣本在顏色空間中的分布具有明顯差異，通常顏料粒子的顆粒度越大，制作成模擬樣本的飽和度越高，亮度越低，色相具有較小幅度波動，因此選用何種顆粒度的顏料制作色卡是首要解決的一個重要問題。

根據(jù)制作的敦煌彩繪模擬樣本，采用如流程圖2所示的方法進行敦煌彩繪色卡的制作。首先對單色不同顆粒度模擬樣本間色彩控制能力進行評價，確定用于構(gòu)成最終色卡的顏料的顆粒度型號，以色彩控制精度最優(yōu)顆粒度型號制作的模擬樣本，配合敦煌彩繪膚色老化樣本和模擬制作的灰梯尺，共同構(gòu)成初始敦煌彩繪色卡。然后利用初始敦煌彩繪色卡對數(shù)碼相機采集和顯示設(shè)備顯示所有敦煌彩繪模擬樣本的色彩控制能力進行測試，將測試結(jié)果與用標(biāo)準ColorChecker與ColorChecker SG色卡對敦煌彩繪模擬樣本的色彩采集和再現(xiàn)控制準確度進行比較，觀察敦煌彩繪色卡相對于標(biāo)準色卡的色彩控制精確性的提高程度，并通過主觀或客觀地綜合評價檢查在所有模擬樣本中是否有綜合誤差較大的樣本，進而對敦煌彩繪色卡進一步完善，得到最終敦煌彩繪色卡并進行命名。

四 實驗及結(jié)果分析

按照圖2所示方法，首先對單色不同顆粒度模擬樣本間色彩控制能力進行評價，采用佳能EOS 600D數(shù)碼相機作為測試對象，在暗室標(biāo)準燈箱中的D50光源下。利用同一相機正常設(shè)置和相同幾何條件拍攝5#、9#和11#顆粒度顏料制作的模擬樣本，分別以三種顆粒度模擬樣本各自的7000A測量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準數(shù)據(jù)，利用profilemaker 5.0色彩管理軟件制作各顆粒度模擬樣本的ICC特性文件，然后用其中任意一個特性文件控制包括自身在內(nèi)的所有三種顆粒度模擬樣本的顏色值，并與測量的三種顆粒度模擬樣本各自的標(biāo)準三刺激值進行比較，以CIEDE2000色差[17]作為評價指標(biāo)，對單色不同顆粒度模擬樣本間色彩控制能力進行評價，結(jié)果如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可知，使用5#顆粒度模擬樣本制作的ICC文件對9#和11#模擬樣本的色彩控制精度，優(yōu)于使用9#和11#模擬樣本對自身的控制效果。從分別使用5#、9#和11#模擬樣本ICC對5#模擬樣本的色彩控制精度來看，9#和11#模擬樣本均不如5#模擬樣本的ICC對自身色彩控制效果好。由此可知，同一種顏料顆粒度較大的樣本對其自身以及顆粒度較小的樣本的色彩正確控制能力較強，因此選擇5#顆粒度模擬樣本作為敦煌彩繪色卡的構(gòu)成基礎(chǔ)，結(jié)合制作的敦煌彩繪膚色老化樣本和灰梯尺構(gòu)成初始的敦煌彩繪色卡。以所有敦煌彩繪模擬樣本作為色彩控制對象，利用初始敦煌彩繪色卡對其進行采集和再現(xiàn)的色彩精度控制，分別進行主觀或客觀評價，并與標(biāo)準色卡對采集和再現(xiàn)的色彩精度控制效果進行比較。

首先進行顯示設(shè)備色彩控制的主觀和客觀評價。實驗采用帶有遮光罩的EIZO CG301W液晶顯示器作為評價載體，設(shè)置屏幕的色溫與Gamma為推薦值，利用profilemaker 5.0驅(qū)動Eye-One分別測量顯示器校正條件下的初始敦煌彩繪色卡7000A測量標(biāo)準值和ColorChecker SG的標(biāo)準值，利用Eye-One測量到的三刺激值與標(biāo)準值計算各自校正后的特性文件，在藝卓顯示器分別加載兩個特性文件的條件下顯示所有敦煌彩繪模擬樣本并利用Eye-One進行測量，計算Eye-One測量的敦煌彩繪樣本三刺激值與7000A測量的原始樣本的三刺激值之間的CIEDE2000色差，客觀地比較初始敦煌彩繪色卡與ColorChecker SG在顯示設(shè)備上對敦煌彩繪模擬樣本色彩控制的誤差水平，表2為二者對330個敦煌彩繪模擬樣本的色彩控制的誤差結(jié)果。

由表2中的結(jié)果可知，使用本研究制作的敦煌彩繪色卡對所有彩繪模擬樣本在顯示設(shè)備上色彩控制的結(jié)果明顯優(yōu)于使用標(biāo)準色卡ColorChecker SG的控制效果，色彩控制精度平均提高近2 個單位的CIEDE2000色差（Total），但統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)仍有部分較飽和的石青藍色和石綠綠色的色彩再現(xiàn)準確性不能得到很好的控制（Worst），其中使用敦煌彩繪色卡對此部分的色彩控制誤差水平為7.82個單位的CIEDE2000色差，而ColorChecker SG對這部分的色彩控制誤差水平為10.6個單位CIEDE2000色差。由此可見，使用本研究制作的敦煌彩繪色卡對模擬樣本的顯示器再現(xiàn)色彩的準確性具有更優(yōu)的控制效果。

為了更全面地對色彩控制效果進行評價，選擇10位觀察者在燈箱標(biāo)準光源D50下對顯示器再現(xiàn)效果進行目視評價，透過帶有略小面積孔洞的黑色卡紙觀察板觀察實驗色塊，從而避免相鄰色塊對觀察色塊產(chǎn)生的視覺干擾。主觀評價分為看不出色差（1分）、有輕微色差（2分）、有較大色差（3分）和有明顯色差（4分）四個等級[18]，每位觀察者目視評價3次，對每個色塊的30次目視評價結(jié)果求平均值并進行統(tǒng)計，如圖3所示。

由圖3中的目視評價統(tǒng)計結(jié)果可知，使用敦煌彩繪色卡控制的模擬樣本再現(xiàn)誤差在看不出色差到輕微色差（1—2）之間的樣本數(shù)量較多于ColorChecker SG，在輕微色差到較大色差（2—3）和較大色差到明顯色差（3—4）兩個范圍內(nèi)的樣本數(shù)量都低于ColorChecker SG，整體色彩控制效果優(yōu)于ColorChecker SG，二者的目視評價精度如表3所示。

由表3可知，使用敦煌彩繪色卡對模擬樣本再現(xiàn)的色彩控制整體精度水平為1.8934，再現(xiàn)效果優(yōu)于使用ColorChecker SG的色彩控制精度2.3382，但整體仍存在輕微色差，這主要由部分難以控制的高飽和度石青藍色和石綠綠色樣本引起。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)圖3中的較大色差到明顯色差（3—4）范圍內(nèi)的模擬樣本主要為石青和石綠這兩類顏料制作，這與客觀評價的結(jié)果完全一致。

綜合主客觀的評價結(jié)果可知，使用敦煌彩繪色卡對敦煌彩繪模擬樣本的色彩再現(xiàn)控制精度整體優(yōu)于標(biāo)準色卡ColorChecker SG，但對具有較高飽和度的石青和石綠礦物顏料制作的模擬樣本的色彩再現(xiàn)控制精度不是很理想，對這些模擬樣本色彩再現(xiàn)控制的平均色差達到7.82個單位的CIEDE2000色差，原因為這些顏料制作的模擬樣本已超出顯示設(shè)備所能再現(xiàn)的色域范圍而被壓縮，因此不能得到準確的再現(xiàn)效果。

其次進行數(shù)碼相機的客觀評價。選取佳能 EOS 6D作為測試數(shù)碼相機，在暗室標(biāo)準燈箱中的D50光源、相同幾何條件和同一相機設(shè)置的條件下，分別拍攝初始敦煌色卡、ColorChecker色卡和全部敦煌彩繪模擬樣本；參考初始敦煌彩繪色卡的測量數(shù)據(jù)和ColorChecker重新測量數(shù)據(jù)利用profilemaker 5.0分別制作二者的特性文件；然后將二者的特性文件分別應(yīng)用于拍攝的敦煌彩繪所有模擬樣本，計算敦煌彩繪模擬樣本加載特性文件后的色度三刺激值，并與敦煌彩繪模擬樣本的測量數(shù)據(jù)進行比較，計算兩者之間的CIEDE2000色差。表4為二者對330個敦煌彩繪模擬樣本色彩的采集控制結(jié)果。

由表4中的結(jié)果可知，使用本研究制作的敦煌彩繪色卡對所有彩繪模擬樣本進行數(shù)碼相機采集控制的結(jié)果優(yōu)于使用標(biāo)準色卡ColorChecker的控制結(jié)果，色彩控制精度平均提高近1個單位的CIEDE2000色差，最大CIEDE2000色差降低約2單位。此時在所有330個敦煌彩繪模擬樣本中，除部分石青藍色和石綠綠色的誤差較大之外，敦煌彩繪中常用的青金石末、漂凈朱丹、藤紫色和鈷藍等顏料模擬樣本也表現(xiàn)出較大的色差。這些顏料制作的模擬樣本在顯示設(shè)備上利用敦煌彩繪色卡控制顯示時同樣也是表現(xiàn)出除石青和石青之外的較大色差水平。

綜合以上利用初始敦煌彩繪色卡對敦煌彩繪模擬樣本在采集和再現(xiàn)過程中的色彩控制結(jié)果可知，初始敦煌彩繪色卡對敦煌彩繪模擬樣本的控制能力明顯優(yōu)于常用的標(biāo)準色卡，但仍有部分顏料的模擬樣本色彩控制不準確，根據(jù)主觀和客觀的綜合評價結(jié)果和色差統(tǒng)計情況，將除已經(jīng)包含在初始敦煌彩繪色卡中的石青和石綠之外的其他四種色差較大的模擬樣本加入到初始敦煌彩繪色卡中，得到包含48個顏色樣本的敦煌彩繪色卡。此時敦煌彩繪色卡在相同條件下對所有敦煌彩繪模擬樣本的采集和再現(xiàn)色彩的控制精度的整體平均色差分別降至4.12和3.39，控制精度相對于標(biāo)準色卡得到進一步的提升，最終為敦煌彩繪文物藝術(shù)品的數(shù)字化采集和再現(xiàn)提供一套更加有效的色彩控制色卡，各個色塊對應(yīng)的名稱和在D50光源測量條件下的CIE色度值標(biāo)定如表5所示。

五 結(jié) 論

依據(jù)研究提出的色卡制作方法，成功地制作了敦煌彩繪藝術(shù)品數(shù)字化采集和再現(xiàn)的色彩準確性控制色卡，通過對主觀和客觀評價結(jié)果比較可知，本研究制作的敦煌彩繪色卡對敦煌彩繪藝術(shù)品數(shù)字化采集和再現(xiàn)的色彩精度控制明顯優(yōu)于標(biāo)準色卡，能夠較好地控制敦煌彩繪藝術(shù)品顏色的采集和再現(xiàn)，為敦煌彩繪文物藝術(shù)品的數(shù)字化保護及傳播提供了參考和技術(shù)支持。

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