古代壁畫病害標(biāo)識系統(tǒng)及其在敦煌莫高窟的應(yīng)用

張楠+張乾+馮偉+王小偉+孫勝利+柴勃隆+孫濟(jì)洲

內(nèi)容摘要：由于年代久遠(yuǎn)、保存環(huán)境簡陋、材質(zhì)脆弱，再加上洪水、沙塵等自然災(zāi)害和人為的破壞，現(xiàn)存古代壁畫產(chǎn)生了不同程度不同種類的病害。要對這些壁畫進(jìn)行預(yù)防性保護(hù)或?qū)Σ『M(jìn)行修復(fù)，需要根據(jù)病害的類型采取不同的措施。其中一項(xiàng)重要的過程是在所獲取的圖像上對病害的類型、程度和區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的標(biāo)識，為修復(fù)或監(jiān)測分析工作奠定基礎(chǔ)。敦煌莫高窟等遺址保存壁畫的規(guī)模巨大，而目前壁畫病害的標(biāo)識一般使用通用工具如AutoCAD等，這類工具存在著專業(yè)針對性差，學(xué)習(xí)周期長，操作繁瑣等問題，很難滿足病害標(biāo)識工作的需要。通過對古代壁畫病害標(biāo)識工作的調(diào)研，本文設(shè)計(jì)了一種專業(yè)針對性強(qiáng)，學(xué)習(xí)周期短，操作簡捷，功能全面的古代壁畫病害標(biāo)識系統(tǒng)。通過在敦煌莫高窟的實(shí)際應(yīng)用，證明本系統(tǒng)可以減輕病害標(biāo)識工作的繁重程度，極大地提高病害標(biāo)識工作的效率。

關(guān)鍵詞：古代壁畫；病害標(biāo)識；敦煌莫高窟

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2017）02-0135-06

Abstract： Murals are one of the most precious sources of cultural heritage of our countryand are of great his-torical and artistic value. However， due to the destruction caused by poor environmental preservation and fragile materials coupled with floods， dust， and human activities， extant ancient murals exhibit numerous kinds of deterioration. The preventive monitoring of murals and restoration of damaged relics require different measurement techniques according to the type of deterioration. One of the most important tasks faced right now is to precisely determine and catalogue the types， degrees， and size of the deterioration suffered by mural paintings， of which the Dunhuang Mogao Grottoes and other sites have preserved in large number. By studying the deterioration labeling process， a fully functional labeling system has been designed for ancient murals that is professional， easy to learn， and requires much simpler procedures for operation. The use of this new technique in the Mogao caves proves that this system can reduce the arduousness of deterioration labeling work while greatly improving efficiency.

Keywords： ancient mural； identification of mural deterioration； Dunhuang Mogao Grottoes

1. 古代壁畫病害標(biāo)識工作的背景

多種多樣的古文化遺產(chǎn)中，山崖洞窟、墓穴和古寺廟中的壁畫，具有獨(dú)特的歷史研究價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。由于壁畫繪制方式較為原始，繪制材料非常脆弱，在漫長的歷史中不斷地發(fā)生變化，再加上自然因素和人為的破壞，壁畫產(chǎn)生了多種病害，如酥堿、起甲、皰疹、裂隙等。

對壁畫病害進(jìn)行監(jiān)測和修復(fù)、需要周期性地觀測病害區(qū)域和病害類型。古代壁畫經(jīng)歷漫長年代的演化，表面非常脆弱，直接接觸壁畫表面就會傷害壁畫。病害標(biāo)識作為壁畫監(jiān)測和修復(fù)的重要步驟，其現(xiàn)有方法一般是對壁畫進(jìn)行覆蓋式拍攝而得到高分辨率圖像[1]，并在圖像上手動標(biāo)注出病害的區(qū)域和類型。某些壁畫規(guī)模巨大，如敦煌莫高窟，壁畫面積達(dá)45000平方米，要對其進(jìn)行病害標(biāo)識，需要便捷高效的標(biāo)識工具。

當(dāng)前病害標(biāo)識工作中一般使用AutoCAD軟件[2]，是目前在機(jī)械，建筑等領(lǐng)域通用的繪圖工具。這類工具專業(yè)針對性較差，一般需要定制模板或插件才能支持病害的標(biāo)識；用戶也需要通過長時(shí)間的學(xué)習(xí)，掌握一些應(yīng)用技巧，才能較為快捷地進(jìn)行標(biāo)識繪制；實(shí)現(xiàn)某些功能如標(biāo)識區(qū)域填充等需要非常繁瑣的操作。經(jīng)過對敦煌病害標(biāo)識工作流程的調(diào)研，我們設(shè)計(jì)了針對古代壁畫的病害標(biāo)識系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有專業(yè)針對性強(qiáng)、學(xué)習(xí)周期短、操作便捷、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，使用本系統(tǒng)，用戶可以極大地提高標(biāo)識工作的效率。

2. 需求分析

古代壁畫由于繪制材料和保存環(huán)境的不同而會產(chǎn)生多種病害。根據(jù)古代壁畫病害標(biāo)識的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，將壁畫病害分為24類[3]，每種病害都規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的圖示。使用標(biāo)準(zhǔn)圖示將病害區(qū)域標(biāo)示出來，根據(jù)實(shí)地作業(yè)的要求，還需打印、出圖。

現(xiàn)有的通用繪圖工具如AutoCAD，可以通過插件、模板等形式定制完成如下一些功能：

1）加載不同大小、不同分辨率的圖片，并可以調(diào)整顯示圖片大??；

2）繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)的病害標(biāo)識，并且可以調(diào)整標(biāo)識的大小、類型、顏色、輪廓、填充等，也可以添加圖例，比例尺，編制說明；

3）打印繪制完成的圖片，可以調(diào)整打印的格式，如頁邊距，單雙面等；

4）能實(shí)現(xiàn)出圖功能，可以同時(shí)將多張圖片打印到多張紙上，可以調(diào)整每張紙上圖片的數(shù)量、排列方式、相互間隔等。

然而，通過壁畫病害標(biāo)識實(shí)際操作的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工具（如AutoCAD）一方面在實(shí)現(xiàn)某些功能時(shí)操作繁瑣，消耗大量的人力和時(shí)間；另一方面某些功能又是無法實(shí)現(xiàn)的。如下功能尚需要在系統(tǒng)中進(jìn)行完善或?qū)崿F(xiàn)：

1）在繪制病害區(qū)域時(shí)，現(xiàn)有工具在圈定病害區(qū)域后仍需手動為區(qū)域填充圖形，應(yīng)當(dāng)可以自動填充標(biāo)準(zhǔn)的病害圖示，并且可以手動調(diào)節(jié)已繪制的圖示；

2）在采集某些壁畫圖像時(shí)會采用高分辨率相 機(jī)拍攝大面積的壁畫，或者將數(shù)張不同區(qū)域的圖像拼接成較大的圖像，導(dǎo)致圖像直接打印到紙上無法分辨壁畫細(xì)節(jié)，這類超大圖片在打印時(shí)應(yīng)當(dāng)切割為小圖進(jìn)行打印，并且病害區(qū)域在切割完成后應(yīng)當(dāng)保持封閉；

3）同區(qū)域大量圖片一般會使用相同的格式出圖，這些圖像出圖時(shí)應(yīng)當(dāng)在設(shè)置布局后一次性自動完成，而不是依賴手動選取操作；

4）病害區(qū)域的面積數(shù)據(jù)對于監(jiān)測病害演化非常重要，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)簡單的統(tǒng)計(jì)功能，可以統(tǒng)計(jì)單張圖片和多張圖片每種病害的面積；

5）為了縮短軟件學(xué)習(xí)周期，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供簡潔直觀、邏輯清晰的圖形用戶界面。

3. 本系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 本系統(tǒng)流程圖

古代壁畫的修復(fù)工作已經(jīng)進(jìn)行多年，作為修復(fù)之重要步驟的病害標(biāo)識工作，在多年的實(shí)踐中已經(jīng)形成了一套比較規(guī)范的操作流程[2]。

如圖1所示，加載壁畫圖像之后，首先針對不同的病害使用不同的標(biāo)識格式，繪制完成之后添加圖例、比例尺、編制說明，然后可以選擇統(tǒng)計(jì)病害數(shù)據(jù)或者開始打印。當(dāng)完成同一區(qū)域的多張圖像，如同一洞窟所有區(qū)域的病害標(biāo)識工作后，可以選擇將多達(dá)上千張圖像按照設(shè)置的格式打印到多張紙上，即出圖過程。

3.2 系統(tǒng)模塊

按照3.1所示的病害標(biāo)識流程，本系統(tǒng)應(yīng)分為三個(gè)模塊的功能：病害標(biāo)識、統(tǒng)計(jì)和出圖。病害標(biāo)識模塊主要完成繪制設(shè)置，繪制區(qū)域的生成、修改，添加圖例、比例尺和編制說明功能；統(tǒng)計(jì)模塊主要完成單張圖像病害的統(tǒng)計(jì)、多張圖像病害的統(tǒng)計(jì)和導(dǎo)出EXCEL表單功能；出圖模塊主要完成多張圖片在頁面的布局和出圖功能。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用C++語言基于Qt用戶界面庫開發(fā)[4]。Qt用戶界面庫提供了圖形視圖框架（The QGraphics View Framework），QGraphicsScene類提供了圖形視圖的場景，作為紙、標(biāo)識、圖例等頁面元素的容器，可以方便高效地添加和獲取各種不同的元素。QGraphicsView類控制視圖部件的可視化，每一個(gè)圖像窗口作為一個(gè)view，對圖像整體的放縮也可以通過view實(shí)現(xiàn)。QGraphicsItem類是場景中所有圖形項(xiàng)的基類，壁畫圖像、紙、病害標(biāo)識、圖例、比例尺和編制說明等都作為item處理，可以方便地實(shí)現(xiàn)拖放、組合等功能，還可以實(shí)現(xiàn)對各種鼠標(biāo)和鍵盤事件的響應(yīng)。

Qt用戶界面庫具有良好的跨平臺性，只需改動少量代碼即可在Windows、Linux、Mac等不同系統(tǒng)間切換，但由于系統(tǒng)依賴軟件Microsoft Excel 2007（或更高版本）的相關(guān)組件，推薦使用平臺為Windows7/8。

4. 標(biāo)識系統(tǒng)在敦煌莫高窟的應(yīng)用實(shí)例

4.1 古代壁畫標(biāo)識實(shí)例

本節(jié)將以敦煌莫高窟某窟圖像為例展示本系統(tǒng)各模塊功能的應(yīng)用。

4.1.1加載圖片

首先雙擊打開軟件，選定要標(biāo)識的帶有病害的壁畫圖像。有兩種方式加載圖像，選擇菜單中的“打開圖片”選項(xiàng)或者直接將圖像拖入軟件窗口。

設(shè)置紙張的大小，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)的A3或A4，也可以自定義長度和寬度；設(shè)置圖像相對紙張的放置方向，圖片加載后程序界面如圖2所示。

4.1.2 病害標(biāo)識

選定病害區(qū)域，通過鼠標(biāo)指針選取病害區(qū)域進(jìn)行局部放縮以察看細(xì)節(jié)。在圖2的左側(cè)豎直工具條中選擇對應(yīng)病害的標(biāo)識，在水平工具欄下會彈出設(shè)置欄，設(shè)置標(biāo)識的畫筆寬度、顏色、填充圖形顏色、填充圖形寬度、填充圖形間距；點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵不放繪制病害區(qū)域，釋放鼠標(biāo)后，選擇區(qū)域內(nèi)會自動填充病害對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖形；在繪制病害完成后，選擇設(shè)置菜單中的“標(biāo)識”，可以對某一類病害的標(biāo)識格式進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，如圖3所示。

邊界捕捉：繪制當(dāng)前病害標(biāo)識，可以點(diǎn)擊F2啟用邊界捕捉功能，使畫筆自動沿其他病害區(qū)域的邊界進(jìn)行繪制。

添加圖例，編制說明和比例尺：每在壁畫圖像中添加一種新的病害，系統(tǒng)會自動添加對應(yīng)的圖例；在右下側(cè)的編制說明框中對應(yīng)空白處雙擊即可開始編輯編制說明。

一般壁畫圖像拍攝時(shí)會在右下角放置標(biāo)尺，首先在設(shè)置菜單中選擇“比例尺”，設(shè)置標(biāo)尺對應(yīng)的實(shí)際真實(shí)長度，點(diǎn)擊“插入比例尺”，然后用鼠標(biāo)從標(biāo)尺一端拖到另一端，在拖動過程中需要盡量與標(biāo)尺保持平行；為了比例尺顯示的美觀可在設(shè)置“比例尺”時(shí)選擇顯示長度。

圖例、編制說明和比例尺界面效果如圖4所示。

調(diào)整頁面布局：壁畫圖像、病害標(biāo)識、比例尺、圖例和編制說明等頁面元素都可以拖動調(diào)節(jié)位置、大小，在拖動過程中可以動態(tài)顯示與其他元素的距離；可以通過Ctrl鍵結(jié)合上下左右鍵對位置進(jìn)行微調(diào)。

標(biāo)識繪制完成整體的效果如圖5所示。

4.1.3保存和打印圖片

在文件菜單中選擇分塊保存，可選擇將大圖切為多張小圖保存；默認(rèn)不會切分，保存格式為dh。在文件菜單中選擇“分塊打印”，可選擇將大圖平均切割為多行多列，系統(tǒng)會自動填補(bǔ)被切割后的標(biāo)識區(qū)域，雙擊任何一部分可以單獨(dú)設(shè)置其布局，保存后可應(yīng)用到所有的分塊圖像，分割效果如圖6所示；選擇任意多塊并點(diǎn)擊“打印所選”，或者點(diǎn)擊“全部打印”即進(jìn)入打印預(yù)覽。

4.1.4統(tǒng)計(jì)病害數(shù)據(jù)

設(shè)置比例尺之后，在統(tǒng)計(jì)菜單選擇“單圖統(tǒng)計(jì)”，可以將此圖像中每種病害的面積匯總到表格中，點(diǎn)擊右下角“導(dǎo)出EXCEL報(bào)表”，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL中便于進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)。

在統(tǒng)計(jì)菜單選擇“聯(lián)合統(tǒng)計(jì)”，導(dǎo)入圖片，將多張標(biāo)好的圖像（必須是本軟件保存格式，后綴為dh）導(dǎo)入；如圖7所示，在表格中顯示多張圖像中病害的面積和，同樣可以導(dǎo)出Excel報(bào)表。

4.1.5出圖

在文件菜單中選擇“出圖”，在右側(cè)選擇導(dǎo)入圖片；可以在右側(cè)調(diào)整紙張，每張紙上放置圖片的行數(shù)和列數(shù)；在紙上可以拖動調(diào)節(jié)每張圖片的位置和大小，這些調(diào)整將應(yīng)用到所有的圖片；選擇將圖片打印或者保存，出圖界面如圖8所示。

4.2時(shí)間對比

我們請敦煌研究院的相關(guān)工作人員為本系統(tǒng)做了測試，首次接觸本系統(tǒng)，1—2個(gè)小時(shí)即可學(xué)會系統(tǒng)的操作，而要熟悉AutoCAD的操作需要約為期一周的培訓(xùn)。分別使用AutoCAD軟件和本系統(tǒng)對相同的壁畫圖像進(jìn)行標(biāo)識，AutoCAD完成標(biāo)識繪制和添加比例尺等需要約60分鐘；本系統(tǒng)僅需要10分鐘左右。其中自動完成病害區(qū)域填充，大大節(jié)省了標(biāo)識的時(shí)間。

5. 結(jié) 論

本文提出了古代壁畫的病害標(biāo)識系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有工具專業(yè)針對性差、操作繁瑣、學(xué)習(xí)周期長等問題，并根據(jù)實(shí)際需要，添加了分塊打印等功能。對敦煌莫高窟壁畫的標(biāo)識操作驗(yàn)證，證明了本系統(tǒng)具有專業(yè)針對性強(qiáng)，操作簡捷，學(xué)習(xí)周期短的優(yōu)點(diǎn)。在以后的工作中我們會對系統(tǒng)的輸入設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，如使用觸屏或者手寫設(shè)備，提高用戶操作的便捷性，使病害標(biāo)識系統(tǒng)操作更加簡捷。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊錦詩.敦煌石窟保護(hù)與展示工作中的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用[J].敦煌研究，2009（6）.

[2]王小偉，柴勃隆，孫勝利.莫高窟壁畫現(xiàn)狀調(diào)查記錄方法的思考[J].敦煌研究，2007（5）.

[3]國家文物局編.古代壁畫病害與圖示[M].北京：文物出版社，2008.

[4]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Qt4編程[M].閆鋒欣，曾泉人，張志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013.