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(shí)施和推進(jìn)，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(jìn)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(yàn)，采用焦點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行定位與糾正，最終實(shí)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(diǎn)堆棧

中圖分類號：TP391.9；K870.6 文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)期465—500年之間，是一個(gè)中心塔柱窟，其形式特征是在一個(gè)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(gè)佛龕，龕內(nèi)均有彩塑。第254窟形制復(fù)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(shí)，為了全方位推動(dòng)“數(shù)字敦煌”進(jìn)程，進(jìn)一步完善洞窟圖像數(shù)字信息，采用焦點(diǎn)堆棧技術(shù)和平行移動(dòng)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(jìn)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(gè)佛龕，4個(gè)闕形龕，13個(gè)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(diǎn)，調(diào)整和改進(jìn)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(diǎn)。

2.1運(yùn)用焦點(diǎn)堆棧技術(shù)拍攝佛龕立體面

（1）攝影采集設(shè)備及各項(xiàng)參數(shù)

相機(jī)：佳能Eos-1DsMarkⅢ，鏡頭：佳能EF50mmf/1.2USM，像素?cái)?shù)：5616×3744，感光度：ISO100，白平衡：測試值手動(dòng)設(shè)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(jī)銳化：無，拍攝風(fēng)格：標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)堆棧技術(shù)

景深（depthoffield）是指在拍攝主體（對焦點(diǎn)）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(shè)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(jì)算公式計(jì)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(jì)算器中填入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)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(dá)到景深問題而盲目縮小光圈值，會(huì)造成數(shù)字圖像品質(zhì)下降。因?yàn)楫?dāng)光圈值太小時(shí)，衍射現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，反而降低圖像的反差和細(xì)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(dāng)前急需攻克的數(shù)字技術(shù)難點(diǎn)。隨著壁畫數(shù)字化經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)堆棧技術(shù)，焦點(diǎn)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(diǎn)堆棧技術(shù)是一個(gè)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(yùn)用圖像處理軟件進(jìn)行堆疊拼接，獲得一個(gè)清晰的大景深。

（3）焦點(diǎn)堆棧技術(shù)的具體運(yùn)用

佛龕立體面攝影采集要點(diǎn)：①攝影架安裝要與佛龕所在的壁面平行，相機(jī)焦平面要與被攝立體面平行。②立體面攝影采集順序?yàn)樽韵露希宰蠖摇保耘臄z立體面的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立拍攝坐標(biāo)系，以原點(diǎn)為拍攝起點(diǎn)，X軸方向?yàn)榕臄z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(diǎn)，要確保每個(gè)立體面的景深。④同一取景范圍的相同立體面應(yīng)減少重復(fù)選取焦點(diǎn)，以免造成拼接處理工作量的增加。⑤1、2、3、4、5、6……標(biāo)識為選取的拍攝焦點(diǎn)（圖版36），拍攝焦點(diǎn)的選取依圖像景深大小而定，立體面變化較大時(shí)可增加拍攝焦點(diǎn)。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(yīng)考慮圖像拼接時(shí)可能變形較大，應(yīng)將相鄰兩張圖片的重合度適當(dāng)控制在60%—70%之間，為圖像處理預(yù)留更多的空間。⑥拍攝空間限制和數(shù)碼相機(jī)架設(shè)在反光箱內(nèi)，造成無法對佛龕立體面局部進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測拍攝。為了便于焦點(diǎn)堆棧技術(shù)的實(shí)施，采用了數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)拍攝，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)手動(dòng)對焦，使焦點(diǎn)堆棧的焦點(diǎn)更精確，避免攝影采集產(chǎn)生失焦區(qū)域。聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)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(fù)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(jìn)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(diǎn)，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(yīng)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(shí)相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。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(dú)立設(shè)計(jì)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(gè)立體面對拍攝光線的具體要求（圖3）。攝影采集光線運(yùn)用總的要求和目的是：平面壁畫布光要達(dá)到布光均勻，更好體現(xiàn)圖像的細(xì)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(diǎn)，使細(xì)部紋理、影調(diào)過渡、明暗對比、色彩還原準(zhǔn)確等均達(dá)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(shí)際條件制約，空間干擾和色彩環(huán)境相互影響，難以準(zhǔn)確辨別壁畫的真實(shí)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(yán)格按照科學(xué)的技術(shù)手段，參照準(zhǔn)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(fù)雜多變的窟內(nèi)采集中，得到準(zhǔn)確的色溫值，必須借助色溫表和標(biāo)準(zhǔn)色卡，為圖像拼接處理轉(zhuǎn)換Raw文件提供一個(gè)準(zhǔn)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(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)，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(yùn)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(zhǔn)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(xué)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(jìn)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(yán)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(yùn)用焦點(diǎn)堆棧技術(shù)拍攝中心柱龕沿

狹小空間內(nèi)龕沿?cái)?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(diǎn)，嚴(yán)格執(zhí)行攝影采集精度、景深標(biāo)準(zhǔn)、重合度的同時(shí)，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(shí)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(yán)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(dá)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(yīng)從相機(jī)焦平面到最遠(yuǎn)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(dòng)拍攝時(shí)，拍攝焦點(diǎn)需要及時(shí)調(diào)整，以防焦點(diǎn)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(huì)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(jī)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(jī)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(shí)，相機(jī)位置保持不變，調(diào)整相機(jī)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(biāo)識為拍攝焦點(diǎn)（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(jìn)行現(xiàn)場圖像拼接處理，符合圖像拼接處理標(biāo)準(zhǔn)，方可進(jìn)行下一層拍攝。④弧度立體面變化幅度比較大，相機(jī)在軌道平行移動(dòng)拍攝，容易造成相機(jī)焦點(diǎn)、曝光、取景范圍等發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)調(diào)整攝影系統(tǒng)。⑤在實(shí)際工作中，類似第254窟立體面攝影采集的未預(yù)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(yīng)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(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)色卡信息輸入計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)的色彩信息（所拍攝的數(shù)據(jù)圖像未對其進(jìn)行相應(yīng)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(yù)處理中首先必須利用專業(yè)色彩管理軟件Eye-One對相機(jī)、洞窟相關(guān)工作站主機(jī)顯示屏幕的Icc color profile文件進(jìn)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(shí)再現(xiàn)提供基礎(chǔ)（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(jī)型號，鏡頭以及相機(jī)自帶拍攝匹配文件進(jìn)行統(tǒng)一校正，將相機(jī)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(yán)格客觀忠實(shí)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(chǔ)（圖4、5）。在圖像色彩、細(xì)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(huì)采取相應(yīng)的技術(shù)手段通過對畫面邊緣不同位置，進(jìn)行相應(yīng)裁切，確保拼接完成后的圖像達(dá)到后期圖像處理的各項(xiàng)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(yù)處理，現(xiàn)場檢查記錄人員應(yīng)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(dāng)中所標(biāo)明的1、2、3、4為畫面拍攝所對應(yīng)的焦點(diǎn)圖像細(xì)節(jié)（圖版42），進(jìn)行圖像拼接處理時(shí)，左面圖像1 2 3 4。

為相機(jī)對焦框所拍攝到的清晰畫面，紅線框則表示在相機(jī)一定景深范圍內(nèi)所能拍到的清晰畫面，未在相機(jī)景深范圍紅線之間的為虛化圖像。在拼接時(shí)，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(dāng)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(chǔ)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(jìn)行裁切，將畫面當(dāng)中虛化的圖像裁去，焦點(diǎn)對應(yīng)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(yīng)用PS自帶的變形工具進(jìn)行整體變換，局部調(diào)整，細(xì)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(xì)部過渡自然，整體忠實(shí)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(jìn)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(yán)要求地完成壁畫數(shù)字化信息的采集和最終拼接是切實(shí)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(yàn)，采用焦點(diǎn)堆棧技術(shù)解決了立體面攝影采集景深問題，實(shí)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(jìn)行定位與糾正，最終實(shí)現(xiàn)符合數(shù)字敦煌檔案的高品質(zhì)數(shù)字圖像。

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