山西古代壁畫的數(shù)字化修復(fù)與保護(hù)研究

劉瑋

【摘要】針對(duì)山西古代壁畫的修復(fù)與保護(hù)工作，以陽(yáng)曲縣寺廟壁畫為例，本文提出了完整的數(shù)字化古代壁畫修復(fù)與保護(hù)技術(shù)，闡述了利用技術(shù)開展數(shù)字化壁畫修復(fù)與保護(hù)工作的運(yùn)行機(jī)制與系統(tǒng)體系。文中介紹了壁畫臨摹輔助技術(shù)、壁畫色彩演變技術(shù)，以及基于該兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的壁畫臨摹輔助系統(tǒng)以及壁畫修復(fù)與保護(hù)輔助系統(tǒng)。對(duì)數(shù)字化修復(fù)與保護(hù)古代壁畫提出了實(shí)際解決方案。

【關(guān)鍵詞】古代壁畫；數(shù)字化修復(fù)；文物保護(hù)

【中圖分類號(hào)】K879.41 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

傳統(tǒng)的古代壁畫修復(fù)與保護(hù)工作多采用臨摹復(fù)制的方式，將這些寺廟壁畫保留下來，積累資料。但是，這類圖像資料復(fù)制會(huì)出現(xiàn)信息丟失的問題，難以長(zhǎng)期保存。傳統(tǒng)壁畫修復(fù)與保護(hù)工作是不可逆的，存在風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字化技術(shù)的引入，讓壁畫保護(hù)迎來新的春天。目前，平面數(shù)據(jù)高精度采集技術(shù)能夠保證采集數(shù)據(jù)無論是在動(dòng)態(tài)范圍還是在色彩寬容度方面都達(dá)到相當(dāng)高的水平。利用三維掃描技術(shù)對(duì)陽(yáng)曲縣寺廟壁畫全方位、大空間地進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)采集，為了還原陽(yáng)曲縣寺廟壁畫面貌，真實(shí)地記錄壁畫細(xì)節(jié)與現(xiàn)有色彩，做到每一個(gè)寺廟、每一處壁畫的細(xì)節(jié)都能被精準(zhǔn)地采集與保存。通過文獻(xiàn)資料的研究和實(shí)地調(diào)查，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行模擬壁畫還原處理，最后將還原后的壁畫投射在現(xiàn)有的寺廟墻壁上進(jìn)行噴繪修復(fù)。數(shù)字化修復(fù)與保護(hù)技術(shù)能夠利用計(jì)算機(jī)輔助壁畫保護(hù)和臨摹，虛擬修復(fù)，對(duì)壁畫當(dāng)前的病害進(jìn)行過程演變，虛擬展示壁畫，為壁畫物理修復(fù)過程提供測(cè)試環(huán)境和科學(xué)依據(jù)，將保護(hù)工作的風(fēng)險(xiǎn)性降到最低。[1]

一、數(shù)字化壁畫臨摹技術(shù)

保護(hù)陽(yáng)曲縣的寺廟壁畫，首先要進(jìn)行臨摹，真實(shí)再現(xiàn)壁畫藝術(shù)風(fēng)貌并保存下來。傳統(tǒng)臨摹技術(shù)的流程是拍照、放大、參照壁畫描線，將畫稿印描到宣紙上，對(duì)照壁畫上色。

（一）計(jì)算機(jī)輔助線描圖生成

計(jì)算機(jī)輔助線描圖生成，要接近修復(fù)工作者的要求，對(duì)邊緣提取的算法進(jìn)行改進(jìn)，從繪畫、數(shù)學(xué)、智能等不同學(xué)科出發(fā)，找到智能化的交互描線方法。首先，對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行混合分割，改善分割效果，用交互方式在多種顏色并存的壁畫上進(jìn)行彩色圖像的邊緣分割，解決線描圖不清晰、不準(zhǔn)確的問題。其次，運(yùn)用“基于樣本學(xué)習(xí)”的方法，以藝術(shù)家繪制的大量樣本作為樣本庫(kù)，用計(jì)算機(jī)分析壁畫，將壁畫圖像中缺失嚴(yán)重的部分進(jìn)行替換或者補(bǔ)充。[2]

（二）計(jì)算機(jī)輔助寺廟壁畫著色

根據(jù)壁畫中出現(xiàn)的不同構(gòu)圖元素，運(yùn)用智能交互方式選擇大致的著色區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)用特征點(diǎn)匹配的方法識(shí)別出構(gòu)圖元素的類型及其需要什么樣的著色，精確選定著色區(qū)域。參照壁畫色彩，進(jìn)行類比和推理，以及樣本庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的色彩對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行著色。[3]寺廟壁畫有著中國(guó)特有的運(yùn)筆與暈染方式，基于這些方式，建設(shè)筆刷數(shù)據(jù)庫(kù)和模型，模擬畫家的運(yùn)筆，使線條和著色呈現(xiàn)傳統(tǒng)國(guó)畫風(fēng)格。

二、色彩演變智能模擬技術(shù)

陽(yáng)曲縣寺廟壁畫歷經(jīng)千年，其色彩因外界因素影響不斷變化，直至今日，色彩協(xié)調(diào)，觀之和諧，有著自己獨(dú)特的風(fēng)格，但是與最初的色彩有著天壤之別。色彩的演變是一個(gè)持續(xù)的過程，未來也要繼續(xù)演變下去。為了做好寺廟壁畫的保護(hù)工作，需要對(duì)色彩演變進(jìn)行模擬。引入數(shù)字技術(shù)，對(duì)色彩演變進(jìn)行研究，開發(fā)壁畫色彩演變模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)可引入外界因素對(duì)壁畫色彩的作用，總結(jié)演變規(guī)律，預(yù)測(cè)壁畫色彩的變化趨勢(shì)。目前已經(jīng)對(duì)陽(yáng)曲縣寺廟壁畫進(jìn)行保護(hù)，人們可以通過色彩演變模擬技術(shù)欣賞壁畫的色彩千年以來的演變。

通過多年以來對(duì)壁畫褪色機(jī)理的研究，結(jié)合陽(yáng)曲縣本地氣候環(huán)境等影響因素，得知變色的出現(xiàn)，是因?yàn)轭伭系幕瘜W(xué)物質(zhì)被溫濕度、光照、微生物等因素影響，慢慢發(fā)生演變，過渡到現(xiàn)在的色彩。褪色問題則是因?yàn)轭伭戏肿用撀?，長(zhǎng)年累月的灰塵吸附，導(dǎo)致壁畫的顏色從鮮艷到淺淡，從光亮變暗淡。運(yùn)用智能技術(shù)建立以下模型：（1）壁畫結(jié)構(gòu)為層狀，表面為粉塵層，中間是顏料層，底層為黏土層。（2）粉塵層與顏料層均為半透明。（3）計(jì)算機(jī)模型基于的分辨率，必須小于原始圖像的數(shù)據(jù)。

基于以上壁畫模型，提出變色、褪色的混色模型，其他復(fù)雜的混色模型可以將基礎(chǔ)混色模型進(jìn)行組合獲?。海?）混色模型A：顏色1蓋在顏色2上，顏色2透過顏色1，兩種顏色相混。（2）分辨率有限，多個(gè)點(diǎn)的顏色可以均勻混合成為計(jì)算機(jī)圖像中的一個(gè)像素。

計(jì)算機(jī)色彩演變模型需要解決的問題有：（1）色彩的過渡曲線。對(duì)典型的中間色彩進(jìn)行研究，找到其變色軌跡，軌跡上的顏色要求都為壁畫色。（2）色彩映射。色彩的過渡曲線是研究單色演變軌跡的，還要考慮到一種色相的色塊變化。（3）色彩協(xié)調(diào)。色彩協(xié)調(diào)使各個(gè)變色軌跡上的色彩在演變過程中進(jìn)行協(xié)調(diào)。

三、計(jì)算機(jī)臨摹輔助系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)作用

計(jì)算機(jī)臨摹輔助系統(tǒng)在壁畫的修復(fù)與保護(hù)中起到極強(qiáng)的作用。該系統(tǒng)保存了描線圖的參考樣本，為藝術(shù)家進(jìn)行修復(fù)性的臨摹提供參考，避免傳統(tǒng)耗時(shí)耗力風(fēng)險(xiǎn)大的方式。藝術(shù)家運(yùn)用該臨摹輔助系統(tǒng)，可以得到全部描線圖，運(yùn)用計(jì)算機(jī)展開實(shí)驗(yàn)性的壁畫創(chuàng)作。臨摹系統(tǒng)根據(jù)壁畫構(gòu)圖元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，將缺失部分補(bǔ)足，幫助藝術(shù)家進(jìn)行壁畫修復(fù)，確定修復(fù)策略。

（二）系統(tǒng)組成

邊緣提取部分：將陽(yáng)曲縣寺廟壁畫需要修復(fù)的部分輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)輸入的圖像進(jìn)行邊緣提取和圖像分割，智能選取有用的邊緣信息，略去無用的邊緣信息，得到初步的線描結(jié)果。

矢量化部分：將已完成邊緣分提取的圖像進(jìn)行矢量化處理，將邊緣進(jìn)行精細(xì)修改，有助于后續(xù)修復(fù)工作。

精修部分：對(duì)于效果不好的、有錯(cuò)誤的、風(fēng)格不對(duì)應(yīng)的線描，運(yùn)用智能交互技術(shù)將線條進(jìn)行平滑度和風(fēng)格的改良，最終得出滿足修復(fù)要求的線描圖。

著色區(qū)域選擇部分：運(yùn)用智能交互技術(shù)選擇大致的著色區(qū)域，推斷精確的著色區(qū)域。

顏色搜索部分：寺廟壁畫所運(yùn)用的色彩具有鮮明的特色，在這些符合特色的顏色中選取合適的顏色。