敦煌莫高窟狹小空間內(nèi)立體面攝影采集與圖像處理

內(nèi)容摘要：隨著“數(shù)字敦煌”的實施和推進，圖像數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，洞窟圖像數(shù)字信息完整性進一步拓展。第254窟的狹小空間制約了立體面攝影采集，依據(jù)攝影數(shù)字技術(shù)和積累的經(jīng)驗，采用焦點堆棧技術(shù)有效解決了部分立體面攝影采集景深問題。焦點堆棧所采集的圖像數(shù)據(jù)拼接完成后，需結(jié)合定位測量技術(shù)進行定位與糾正，最終實現(xiàn)符合數(shù)字敦煌檔案的高品質(zhì)數(shù)字圖像。

關(guān)鍵詞：敦煌石窟；數(shù)字化；立體面；攝影采集；焦點堆棧

中圖分類號：TP391.9；K870.6 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2012）06-0108-05

1 引 言

莫高窟第254窟開鑿于北魏時期465—500年之間，是一個中心塔柱窟，其形式特征是在一個縱向矩形空間軸線偏后部分建造一方形塔柱，繞柱有通道，塔柱四面開有佛龕、塑佛及菩薩數(shù)身。柱前寬敞的前堂頂部是人字披形式，披面上有浮塑的橫梁和椽子[1]。南壁和北壁上部各開五個佛龕，龕內(nèi)均有彩塑。第254窟形制復雜，整體保存完整，壁畫總面積243平方米。在獲取高精度壁畫數(shù)字圖像的同時，為了全方位推動“數(shù)字敦煌”進程，進一步完善洞窟圖像數(shù)字信息，采用焦點堆棧技術(shù)和平行移動攝影采集，有效解決了狹小空間內(nèi)立體面攝影采集景深問題。以第254窟數(shù)字化為例，對狹小空間內(nèi)立體面進行了數(shù)字化攝影采集。

2 第254窟立體面攝影采集

洞窟內(nèi)共有17個佛龕，4個闕形龕，13個圓券龕。佛龕形制、裝飾形式、大小、高低和縱深各異（圖1）。

針對該窟立體面起伏變化突出的問題、拍攝空間狹小的局限，為理想的布光和色彩還原、降低人為因素造成圖像畸變，以取得高品質(zhì)影像數(shù)據(jù)的完整性，我們借鑒現(xiàn)階段石窟壁畫數(shù)字化攝影采集技術(shù)，針對狹小空間內(nèi)立體面的特點，調(diào)整和改進數(shù)字化攝影采集方法，從而獲取了狹小空間內(nèi)立體面的有效圖像數(shù)據(jù)。現(xiàn)以中心柱南向面的佛龕及龕沿立體面攝影采集為例，闡述狹小空間內(nèi)立體面攝影采集具體步驟和圖像拼接處理所面臨的難點。

2.1運用焦點堆棧技術(shù)拍攝佛龕立體面

（1）攝影采集設備及各項參數(shù)

相機：佳能Eos-1DsMarkⅢ，鏡頭：佳能EF50mmf/1.2USM，像素數(shù)：5616×3744，感光度：ISO100，白平衡：測試值手動設置或閃光燈模式，光圈：f/16，圖像文件格式：Raw，色彩空間：AdobeRGB，相機銳化：無，拍攝風格：標準，燈光：ElinchromFreeLite頻率閃光燈和自定義反射柔光箱，攝影采集分辨率：300dpi/英寸，攝距：67厘米。

（2）景深與焦點堆棧技術(shù)

景深（depthoffield）是指在拍攝主體（對焦點）前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。圖像景深的大小取決于使用的鏡頭、設定的光圈值及傳感器與被攝體的距離的大小，根據(jù)主要因素對景深的影響，可通過景深計算公式計算景深范圍（圖2）。如：攝距：67厘米，光圈：f/16，彌散圓直徑：0.035毫米，在景深計算器中填入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出在此條件下的景深，前景深是8.74厘米，后景深是11.83厘米，清晰范圍是58.26-78.83厘米，景深是20.57厘米，得出結(jié)論是景深很淺。

石窟數(shù)字化攝影采集中的立體面景深，受拍攝空間和圖像采集精度的限制，景深相對減弱。鏡頭焦距和攝距可調(diào)控景深非常有限，縮小光圈值可增加景深，但為了達到景深問題而盲目縮小光圈值，會造成數(shù)字圖像品質(zhì)下降。因為當光圈值太小時，衍射現(xiàn)象就會出現(xiàn)，反而降低圖像的反差和細節(jié)再現(xiàn)能力，影響高品質(zhì)數(shù)字化圖像采集。解決狹小空間內(nèi)立體面攝影采集的景深問題，是當前急需攻克的數(shù)字技術(shù)難點。隨著壁畫數(shù)字化經(jīng)驗的積累和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，狹小空間內(nèi)立體面數(shù)字化采用了焦點堆棧技術(shù)，焦點堆棧技術(shù)有效解決了狹小空間內(nèi)立體面景深問題。焦點堆棧技術(shù)是一個宏觀的攝影技術(shù)，攝影師針對不同景深的對象，拍攝多幅圖片，將品質(zhì)好的圖像運用圖像處理軟件進行堆疊拼接，獲得一個清晰的大景深。

（3）焦點堆棧技術(shù)的具體運用

佛龕立體面攝影采集要點：①攝影架安裝要與佛龕所在的壁面平行，相機焦平面要與被攝立體面平行。②立體面攝影采集順序為自下而上，自左而右”，以拍攝立體面的左下角為坐標原點，建立拍攝坐標系，以原點為拍攝起點，X軸方向為拍攝方向，拍攝第一行row01，然后拍攝第二行row02……（圖版35），最終完成立體面的拍攝。③同一取景范圍不同立體面上選取焦點，要確保每個立體面的景深。④同一取景范圍的相同立體面應減少重復選取焦點，以免造成拼接處理工作量的增加。⑤1、2、3、4、5、6……標識為選取的拍攝焦點（圖版36），拍攝焦點的選取依圖像景深大小而定，立體面變化較大時可增加拍攝焦點。由于考慮到圖像形變較大，圖像邊緣質(zhì)量衰減，景深問題等諸多因素，因此在拍攝之前應考慮圖像拼接時可能變形較大，應將相鄰兩張圖片的重合度適當控制在60%—70%之間，為圖像處理預留更多的空間。⑥拍攝空間限制和數(shù)碼相機架設在反光箱內(nèi)，造成無法對佛龕立體面局部進行實時觀測拍攝。為了便于焦點堆棧技術(shù)的實施，采用了數(shù)碼相機和計算機聯(lián)機拍攝，在計算機上實現(xiàn)了實時監(jiān)控和實時手動對焦，使焦點堆棧的焦點更精確，避免攝影采集產(chǎn)生失焦區(qū)域。聯(lián)機實時取景選取合適涵蓋位置和相鄰兩張圖像重合度，使得相鄰圖像的重合部分更合理。

（4）立體面攝影采集的光源

光源采用重復精度高的數(shù)碼閃光系統(tǒng)，與組裝靈活的自制反光箱組合，在使用過程中不斷改進和完善，符合現(xiàn)階段數(shù)字化高品質(zhì)圖像攝影采集。由于第254窟遭受煙熏，灰塵比較多，部分立體面反光等，針對整體洞窟和立體面局部的特點，依據(jù)佛龕立體面對光源的特殊需求，在現(xiàn)場拍攝中根據(jù)具體情況做出相應調(diào)整。立體面布光原則：首先，攝影采集的光線要從圖像處理的角度考慮。其次，拍攝與立體面同等條件充滿鏡頭區(qū)域的灰板，檢查灰板圖片四周1/8處的RGB值相差不大于10，就表明單張圖像光線是均勻的。拍攝時相機每升高一層，相鄰兩層之間的圖像光線RGB值不大于10，表明符合圖像處理布光標準。第三，要符合、兼顧平面和立體面布光效果。第四，根據(jù)立體面拍攝反光的特性，確定全幅立體面的最佳曝光。第五，獨立設計的反光箱，據(jù)有靈活的可操控性。根據(jù)立體面凹凸不平的布光要求，可調(diào)整反光箱的上、下、左、右的反光板，分別滿足多個立體面對拍攝光線的具體要求（圖3）。攝影采集光線運用總的要求和目的是：平面壁畫布光要達到布光均勻，更好體現(xiàn)圖像的細節(jié)，層次和質(zhì)感，降低壁畫信息量丟失；立體面布光要根據(jù)被攝體的特點，使細部紋理、影調(diào)過渡、明暗對比、色彩還原準確等均達到圖像數(shù)據(jù)采集要求。

（5）立體面攝影采集中色彩控制

由于攝影采集的立體面趨于窟內(nèi)實際條件制約，空間干擾和色彩環(huán)境相互影響，難以準確辨別壁畫的真實色彩，基于以上情況，所以在往常的數(shù)字化信息采集過程中必須嚴格按照科學的技術(shù)手段，參照準確的數(shù)字化信息數(shù)據(jù)，對于獲得色彩逼真的數(shù)字影像顯得尤為重要。在復雜多變的窟內(nèi)采集中，得到準確的色溫值，必須借助色溫表和標準色卡，為圖像拼接處理轉(zhuǎn)換Raw文件提供一個準確的色溫依據(jù)[2]。因此，色彩管理對色卡拍攝環(huán)節(jié)至關(guān)重要，改變攝影采集相關(guān)因素，例如被攝體、光圈、光源、鏡頭等，必須拍攝一張曝光準確的標準色卡。狹小空間內(nèi)拍攝色卡，盡可能降低和排除環(huán)境色對色卡的干擾，拍攝光線要柔和均勻，拍攝的色卡曝光準確無反光。現(xiàn)階段所采用的色卡是愛色麗Digital SG 140色。攝影采集的色卡RGB值要求是相同色塊間RGB值誤差不超過5，亮度、對比度要求全黑色塊RGB值不超過15，全白色塊RGB值不低于220[3]。基于狹小空間內(nèi)的攝影采集受到多種因素限制時，色卡所顯示RGB值不在規(guī)定的范圍內(nèi)，須在攝影記錄表中加以說明，以便于圖像的拼接糾正處理。

（6）立體面攝影采集中鏡頭的運用

在高精度數(shù)字圖像獲取的過程中，塔柱對拍攝空間的限制、佛龕立體面的不規(guī)則、鏡頭畸變等因素，制約了立體面攝影采集的準確性。石窟立體面的不規(guī)則和拍攝空間無法改變，只有通過鏡頭的合理選擇和光圈最優(yōu)使用，減少鏡頭光學原理造成的畸變、漸暈、圖像邊緣質(zhì)量衰減。依據(jù)中心柱南向面佛龕拍攝空間（壁面與中心柱的最近距離為1.45米）、布光需求、300dpi/英寸分辨率、工作效率等因素，選擇了佳能EF 50mmf/1.2 USM鏡頭。但是50mm鏡頭的畸變、漸暈、圖像邊緣質(zhì)量衰減相對突出，如何降低鏡頭的畸變、漸暈、圖像邊緣質(zhì)量衰減呢？鏡頭畸變采用photoshop CS5鏡頭球差校正功能，對50mm焦段鏡頭所采集的圖像進行校正，較好地解決了鏡頭球差造成的影像畸變。50mm鏡頭漸暈和圖像邊緣質(zhì)量衰減拼接處理采取措施，是將圖像四周漸暈嚴重的部分和圖像邊緣質(zhì)量衰減的部分裁切掉，目的是將圖像質(zhì)量較好的正中間部分用來拼接處理，獲得高品質(zhì)的數(shù)字圖像。

2.2運用焦點堆棧技術(shù)拍攝中心柱龕沿

狹小空間內(nèi)龕沿數(shù)字化攝影采集。首先，要處理好龕沿與其上、下部分銜接關(guān)系的拍攝。其次，根據(jù)龕沿整體不規(guī)整、凸凹不平等特點，嚴格執(zhí)行攝影采集精度、景深標準、重合度的同時，盡可能降低造成采集圖像畸變的人為因素。攝影采集龕沿與其上、下部銜接處的完整圖像信息，是實現(xiàn)龕沿整體圖像拼接處理的關(guān)鍵。

（1）龕沿與其上、下部分銜接處的圖像采集

龕沿立體面嚴重凸凹不平和整體不規(guī)整，圖像采集精度的合理確定受到影響。如何使整體圖像采集精度達到300dpi/英寸和提高工作效率，關(guān)鍵在于拍攝距離的選擇，拍攝距離應從相機焦平面到最遠被攝體之間的距離，才能確保整體圖像采集精度。龕沿整體上下起伏比較大，軌道上平行移動拍攝時，拍攝焦點需要及時調(diào)整，以防焦點偏移所拍攝的立體面。中心塔柱龕沿立體面分為三層拍攝（圖版37），首先攝影采集B層。其次是攝影采集A、C層。通過B層確定拍攝距離、曝光、采集精度。龕沿邊緣A、C層是立體面過渡部分，所采集的相鄰圖像之間會產(chǎn)生視差，圖像拼接處理存在旋轉(zhuǎn)、大小調(diào)整、形變等，因此要確保龕沿上、下部分有足夠的圖像數(shù)據(jù)，為圖像校正處理提供更多的空間。

（2）龕沿下部立體面攝影采集

中心塔柱南相面龕沿下部的立體面長度為3.1米，寬度為0.2米，下部跨度為0.3米（圖版38）。針對弧度大、跨度小的弧度立體面，采集方法上使用相機隨立體面弧度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度由立體面弧度、重合度、景深決定。弧度立體面具體拍攝方法：①確保圖像采集精度的前提下，調(diào)整好相機位置，降低造成采集圖像畸變的人為因素。②弧度立體面分層拍攝時，相機位置保持不變，調(diào)整相機角度要根據(jù)立體面弧度、重合度、景深變化而變化。③1、2、3、4……標識為拍攝焦點（圖版39），確定好一層的拍攝位置后，要檢查相鄰兩層圖像之間產(chǎn)生的視差，進行現(xiàn)場圖像拼接處理，符合圖像拼接處理標準，方可進行下一層拍攝。④弧度立體面變化幅度比較大，相機在軌道平行移動拍攝，容易造成相機焦點、曝光、取景范圍等發(fā)生變化，應及時調(diào)整攝影系統(tǒng)。⑤在實際工作中，類似第254窟立體面攝影采集的未預知困難還有很多，所以在現(xiàn)場檢查拍攝期間攝影師與現(xiàn)場圖像處理工作人員應做好密切配合。

3立體面圖像拼接處理

3.1圖像拼接中的色彩處理

曝光準確的標準色卡信息輸入計算機后，通過彩條灰度三上吸取出現(xiàn)頻率最高的數(shù)字信息值對每張圖片進行色溫色調(diào)的統(tǒng)一規(guī)范管理，使其最終還原于壁畫真實的色彩信息（所拍攝的數(shù)據(jù)圖像未對其進行相應的色彩統(tǒng)一管理，對于壁畫數(shù)字化而言是沒有任何意義的）。在攝影采集和預處理中首先必須利用專業(yè)色彩管理軟件Eye-One對相機、洞窟相關(guān)工作站主機顯示屏幕的Icc color profile文件進行制作，使所有儀器輸出的色彩保持一致，為后期圖像的真實再現(xiàn)提供基礎（圖版40）。

3.2圖像拼接中的形變和圖像邊緣衰減處理

新版photoshop CS5中軟件自帶Lens Correction功能，選擇Camera Make可將拍攝的相機型號，鏡頭以及相機自帶拍攝匹配文件進行統(tǒng)一校正，將相機本身鏡頭畸變所帶來的畫面變形降到最低限度，致使所拍攝的原始圖像嚴格客觀忠實于圖像本身。

減少所拍攝圖像的鏡頭畸變來提高每幅圖像的品質(zhì)，也是為后期圖像的拼接處理奠定基礎（圖4、5）。在圖像色彩、細節(jié)內(nèi)容、圖像層次、清晰度等問題上，要減輕圖像無必要的變形。為提高圖像的拼接質(zhì)量，摒棄圖像品質(zhì)不優(yōu)的畫面，我們會采取相應的技術(shù)手段通過對畫面邊緣不同位置，進行相應裁切，確保拼接完成后的圖像達到后期圖像處理的各項要求（圖版41）。

3.3以佛像龕內(nèi)立體面拼接為例

對立體面圖像拼接預處理，現(xiàn)場檢查記錄人員應該明確，由于景深、焦距、鏡頭、立體面縱深范圍等問題，造成所采集的數(shù)字圖像對拼接處理的影響。畫面當中所標明的1、2、3、4為畫面拍攝所對應的焦點圖像細節(jié)（圖版42），進行圖像拼接處理時，左面圖像1 2 3 4。

為相機對焦框所拍攝到的清晰畫面，紅線框則表示在相機一定景深范圍內(nèi)所能拍到的清晰畫面，未在相機景深范圍紅線之間的為虛化圖像。在拼接時，首先，確定每幅圖像重合度的位置，為了減少立體面拼接產(chǎn)生大量的形變，要適當加大相鄰兩張的重合度。其次，在1和2之間圖像有相互重合度的基礎上，選取兩幅圖像重合區(qū)域的明確位置，利用套索工具對其部分圖像進行裁切，將畫面當中虛化的圖像裁去，焦點對應的清晰畫面予以保留。圖像3、4以此類推，遵循“先整體后局部，整體切入局部著手”的方法，應用PS自帶的變形工具進行整體變換，局部調(diào)整，細部變形，用畫筆工具調(diào)節(jié)圖像的色彩、飽和度、光線明暗程度來使之完美地融合在一起，要做到細部過渡自然，整體忠實原貌。

通過對第254窟立體面的拼接處理，表明此種方法針對狹小空間內(nèi)的立體面進行攝影采集、拼接處理是具有一定可行性的（圖版43）。在面對狹小空間范圍內(nèi)作用于一定景深的立體面使之高質(zhì)量、嚴要求地完成壁畫數(shù)字化信息的采集和最終拼接是切實可行的。

4 結(jié) 論

莫高窟狹小空間內(nèi)立體面數(shù)字化攝影采集，針對立體面采集景深、鏡頭畸變、圖像邊緣質(zhì)量衰減、光源和色彩管理等，依據(jù)攝影數(shù)字技術(shù)和積累的經(jīng)驗，采用焦點堆棧技術(shù)解決了立體面攝影采集景深問題，實現(xiàn)了第254窟部分立體面數(shù)字化攝影采集。所采集的圖像數(shù)據(jù)拼接完成后，需結(jié)合定位測量技術(shù)進行定位與糾正，最終實現(xiàn)符合數(shù)字敦煌檔案的高品質(zhì)數(shù)字圖像。

參考文獻：

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