基于多種方法綜合的壁畫病害分析統計方法

張琦，高峰，張愛武

(1.首都師范大學 資源環境與旅游學院，北京 100048；2.中國文化遺產研究院，北京 100029)

1 引言

近幾年來，我國大部分地區的壁畫開始出現嚴重的損毀現象，很多專家為了能將古人留下的文化遺產良好的保存下來，都在致力于壁畫的保護工作中，但是壁畫的保護必須要基于可靠的數據分析，所以近幾年來國內很多院所及保護機構已經開展了形式各樣的壁畫病害保護工作，方法也各有千秋。

調查統計方法：調查統計方法產生的時間比較早，由于當時物質和技術條件的限制，只能用文字和圖形表示壁畫病害的內容，現存的石窟檔案中，用紅色線條和圖案表示病害和人為干預的范圍，方法雖然簡單，但是技術含量低，是與當時的工作環境聯系在一起的，不能夠形象和詳細的表示病害的種類和范圍，例如，同一區域如果出現多種病害并存的狀況，簡單的示意圖，不能夠準確的體現病害的范圍和面積等數據，這些數據需要實地量測記錄，這種方法不需要很強的專業技術知識，只須懂得量測方法就行，但是此方法費時費力，得出的病害種類和結果也不是很準確，記錄的數據也無法給人直觀印象。

物理化學分析方法：敦煌研究院的研究主要致力于損壞壁畫的蟲害因素，以及導致蟲害影響下的連鎖因素，主要通過運用物理的方法對病害進行詳細的分析，通過偏光鏡對影響物質進行結構分析，分析出病害種類，采用紅外光譜分析，得到峰值圖，來得到各種化學因素的影響程度及范圍。之后通過顏色檢測和色差分析檢測對被污染壁畫進行色度比較，由于不同物質對同種顏料的顏色影響不一致，以及同種物質對不同顏料的顏色影響也會不一致，所以要區分開不同影響物質的作用范圍，需要很精確的色度分析，將分析出來的病害進行實地量測，得到面積數據。這種方法對于壁畫病害的機理，研究的比較透徹，但是時間需求相對較多。

探地雷達檢測壁畫病害方法：探地雷達的檢測是不常見的，在識別病害種類方面也是比較有限，在識別壁畫空鼓病害方面較為有效，對于空鼓病害，雷達圖像清晰可靠，誤判率低，數據經抽取均道和帶通濾波后，雷達圖像的效果更直觀，有利于空鼓的識別。通過探地雷達的使用來進行檢測，需要很高的硬件性能，硬件的性能越高，檢測的效果也越好，但是這種方法在采集的質量和所得雷達數字信號的后處理工作中還有很大不足。

可視化技術的統計方法：北京建筑工程學院先通過地面三維激光掃描的方式，得到壁畫的點云模型，通過實地考察對石窟石刻壁畫進行正攝影像圖的制作，以及矢量信息圖的生成，繪制出病害信息圖，最后得到壁畫病害的統計信息圖。目前這種方法較為先進，通過對模型的建立，可以從電腦上實時反應出實地的場景模型，將實地測出的病害進行統計，制作成信息圖，可以更好的對壁畫病害進行了解，但是對病害的識別工作還是主要利用實地考察，而且得出的病害信息都是二維的，不能得到壁畫中各種病害信息的具體屬性信息，例如病害的位置，大小，面積等。

本文通過對大昭寺轉經廊外側東壁北部中門南窗和外側南壁西部中窗的可識別病害的統計，主要介紹我們對于壁畫病害的統計工作的一些方法，相比于上面所敘述的方法，我們的方法主要是將3D幾何方法結合2D圖像方法，對壁畫病害進行分析統計。主要目的是將壁畫的識別工作從以前的實地考察轉移到通過在計算機上的識別，這種做法可以大大降低人力物力的消耗，縮短項目工作周期。

下圖為本文工作的流程：

圖1 本文工作流程圖

2 病害分析方法

2.1 基于3D激光點云的識別

2.1.1 3D激光點云的特性和原理

3D激光點云的掃描主要是通過TOF脈沖測距法，是一種高速激光測時測距技術，采用脈沖測距法的三維激光點坐標計算方法。三維激光掃描儀通過脈沖測距法獲得測距觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值a和縱向掃描角度觀測值b。三維激光掃描測量一般使用儀器內部坐標系統，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。三維激光掃描儀所獲得的數據是由全離散的適量距離點構成的點云，每一個像素所包含的是一個距離值和一個角度值，獲得的點云數據都帶有xyz三維坐標信息(圖2所示)，所以它對于檢測會發生幾何形變的壁畫病害有很大幫助。因為點云數據是根據實際量測出來的帶有3D坐標的激光點，所以對于壁畫上一切形變都可以較好的反應出來。

2.1.2 病害識別的種類

壁畫病害種類繁多，都會在壁畫表面上產生物化作用，長久之后，會導致壁畫發生各種形變，作用范圍、程度、形態都會不同。激光掃描測量能快速獲取大面積目標空間信息，可以進行目標空間數據采集的速度非常快，可以及時測定形體表面立體信息，

圖2 點云數據坐標信息

對于空鼓，裂隙，地仗脫落等導致壁畫發生幾何形變的病害，可以通過點云數據觀測，根據點云表面的起伏狀態可以察出發生形變的位置，得到坐標信息，還可以通過垂直于壁畫表面的坐標，觀察壁畫形變的深度，判斷何種病害作用于此，然后根據形變的xy軸的坐標信息計算病害的作用范圍。通過激光點云的方法可以得到病害的范圍，面積，方位信息。下表是對大昭寺轉經廊外側東壁北部中門南窗和外側南壁西部中窗的可識別病害的統計。

表1 病害統計

2.1.3 舉例分析

空鼓是壁畫病害中常見的一種，它是指基層，砂漿層、磚體間粘貼不牢，或是水泥砂漿密實度不夠導致的內空現象。例如，西藏地區，地震頻繁，脫落的墻體及地仗就會填充于壁畫的空鼓層中，隨著脫落物的不斷增加，空鼓就會越來越嚴重，隨時有脫落的危險。壁畫地仗依附于墻體和屋面直接相連，在壁畫干燥的過程中，不同材質收縮率的不同易在材質結合部位形成空隙，加上力的傳遞作用，便形成了壁畫普遍空鼓的現象。

發生空鼓后的壁畫表面不再像以前一樣平整，通過激光進行3D掃描之后，利用相關的處理軟件對已掃描的點云數據進行分析，之后調用查詢點云信息的工具(圖3)，來觀測局部點云3D坐標信息，得出XYZ的坐標，分析相對平整的壁畫表面的形變程度，沿著病害發生的部位依次向下檢測，確定出空鼓病害的作用范圍，通過軟件中的量測工具對空鼓病害的范圍進行測量，得出面積信息，查看四個方向的坐標信息，確定空鼓病害的位置信息，記錄到數據庫中。裂隙病害等其它病害的檢測方法也是同樣，但是作用的機理不同，導致壁畫形變的形式也略有不同。

圖3 空鼓幾何模型

2.2 基于反射率識別

2.2.1 反射率識別的原理

激光強度是指激光對不同材質、不同顏色的目標物體反射的信號不同。激光反射強度信息是指對接收激光的信號進行采樣和量化后得到的數值。激光強度信息在沒有灰度信息時有助于區分不同物體。反射率是指投射到物體上面被反射的輻射能與投射到物體上的總輻射能之比，也就是物體表面所能反射的光量和它接受的光量之比。反射率的不同決定于入射角度以及投射到的介質的不同，激光掃描儀所發出的光源可以看成是平行光，基本不存在入射角度的影響，在臨界面上的反射率僅與介質的物理性能，和光線的波長及入射角有關，因此在這里我們只要考慮壁畫表面介質的物理性能即可。

2.2.2 識別的病害種類

通過反射率識別病害，是一種較為高效可行的方法，但是它的識別也較為有限，對于流場痕類病害效果顯著，這類病害對壁畫表面色彩以及材質的影響比較大，作用之后，會使壁畫原始表面出現色彩及化學變化，所以可以通過檢測整體反射率的差異來判斷受病害影響的部分。諸如水漬，煙熏等病害，都會使壁畫表面產生一定的色彩變化，而且由于壁畫本身材料不同，反射率相對也有差異。

2.2.3 舉例分析

水漬，就是指被水沖刷過所殘留在壁畫表面的物質，由于寺內漏雨，壁畫會被雨水沖刷，沖刷過的壁畫表面會將壁畫表面的顏料層沖淡，顏料層的顏色可能會混合到雨水中，沿水流從壁畫帶下，逐漸混合到其它部分。運用Polyworks軟件中自帶的點云反射率檢查工具檢查各部分的反射率，發現有明顯變化的部分，確認發生變化的范圍，然后通過量測工具對病害范圍進行測量。

圖4 反射率模型

2.3 基于圖像的識別

2.3.1 圖像識別的原理和方法

對于壁畫病害的檢測，圖像識別是使用最為廣泛、也較為簡便的一種方法，主要是通過數碼相機記錄壁畫的信息。在圖像識別中，既要有即時進入感官的信息，也要有記憶中存儲的信息，通過存儲信息與即時信息進行比較加工，能實現對圖像的識別。通過照片的記錄方式，可以最有效的配合人腦的記憶，將現實完整的保留下來。人在圖像上識別能力是很強的，圖像識別是以圖像的主要特征為基礎的，每個圖像都有它的特征，圖像中含有大量的色彩及紋理信息，對于各種病害的識別較為簡單。

2.3.2 識別的病害種類

通過圖像可以識別的病害種類較多，一般對于會對壁畫產生視覺上影響的病害均可識別，例如地仗脫落，煙熏，空鼓，裂隙，皰疹，起甲，生物病害等，但是對于壁畫內部的化學物質發生的病害就很難觀測，通過圖像很難確定壁畫病害的程度和立體信息，由于圖像只能對二維信息進行記錄，所以不同的拍攝角度，反應出的病害效果也不同，準確度也會受到限制。

2.3.3 舉例分析

諸多病害作用在壁畫上都會產生色彩或者形態上的變化，都可以通過圖像觀察得出，所以對于圖像上的目視識別沒有特定的規律和方法，主要是要根據檢測人員對于各種病害信息的理解來進行判斷。判斷這類病害需要研究人員有豐富的病害方面的知識，通過圖像上所反應的紋理變化，綜合判斷病害的種類及大致范圍(下圖展示了2種病害)。

圖5 裂隙圖

2.4 基于三者的綜合識別

以上三種方法是我們對種類不同的病害進行的不同檢測方法，但是有些病害的檢測分析需要將上面的方法進行綜合才可以辨別出來。有些病害雖然成因不同，但是他們作用后所形成的病理和損壞結果相同，所以需要我們將上述三種方法結合，進行一個綜合的分析，然后判斷是何種病害起主要作用。例如，壁畫起甲與壁畫空鼓兩種病害，它們在壁畫表面所表現的情況較為相似，如果單單從激光點云方面探測，觀察它的三維坐標信息，很難判斷出是空鼓病害還是起甲病害，所以必須結合圖像來進行分析，判斷病害的種類。相反，如果僅僅從圖像角度方面判斷壁畫病害的信息，不僅無法正確識別病害，也得不到病害的精確的坐標信息與面積大小，而且圖像信息根據拍攝的位置不同，也會得到不同大小的圖像質量，所以要將圖像與三維點云結合，給點云進行重建，并附上紋理信息，這樣就可以更加準確的對病害進行分析統計。另外，判斷流場痕等病害時，加入反射率的檢測，可以更加準確的判斷出是否是同種液體流過所導致的病害，或者是其他病害的作用影響。

將三種方法進行結合，對壁畫病害進行綜合的分析，是一種非常高效且精準的方法，先進行三維激光點云的獲取，通過使用Riegl掃描儀來獲取，之后對點云進行預處理，包括數據優化，數據刪減，數據拼接等操作。保留點云的各項屬性信息，進行三維模型的重建，在計算機上得到室外模型的虛擬仿真模型，最后將實地拍攝的圖像利用紋理映射的方法，進行貼圖，給模型以精確的紋理信息，完成模型的虛擬還原。之后在模型中對各種病害進行分析統計，并記錄到數據庫中，完成壁畫病害的統計工作。

2.5 不同方法的對比分析

以大昭寺外側東壁南部中門南窗一副壁畫為例，我們先通過反射率方法進行分析，從圖7中可以看出壁畫局部地區亮度較高，呈現白色狀，但從模型及圖片信息中很難查出病害作用的效果；從圖像和模型上我們可以發現龜裂等病害作用的效果，但是反射率的方法卻又不能清晰的反應出病害效果。而單獨從模型上分析，只能了解到此部分形變的數量差異，對于確定是何種病害，需要借助圖像信息來確定出病害的種類。反射率方法著重研究壁畫表面材質變質的情況，激光點云方法著重對壁畫發生形變的部位予以展現，圖像方法是著重檢驗出在視覺上發生變化的病害。三種方法的融合可以從多方位多形式上對病害的各種機理進行檢測，可以完全滿足研究人員對病害調查分析的要求，從圖11中可以分析出此幅壁畫包含多種病害的作用。下圖是對大昭寺外側東壁南部中門南窗同一副壁畫用不同方法識別的效果圖：

圖7 反射率

圖8 模型

圖9 圖像

圖10 模型貼圖

3 總結與展望

三維激光掃描技術正日趨成熟，數據具有較高的可靠性和準確性，為本研究提供了數據基礎，較為完整的高質量點云數據能將壁畫空間信息真實的記錄下來，加上人工對數據的處理，使得生成的模型與實物模型基本吻合，而且這里所介紹的激光掃描技術是非接觸式的，對于壁畫不會造成二次損壞，相比于以前通過人工接觸式測量，調查和手工繪制在數據準確性和文物的保護性都有明顯提高。

本文將三維激光掃描技術與壁畫保護技術進行結合，在傳統的基于圖像上的分析統計上，加上3D的因素，生成實體的三角網模型，實現對壁畫病害的統計工作。相比于常規的2D圖像分析，3D的幾何分析的加入，幫助我們從三維形變上對病害的作用進行分析，幫助分析病害種類，附加圖像的彩色紋理信息，使得分析病害更加準確，而且對于未接觸過實際場景的研究人員們，3D形式的記錄可以更好的將病害效果展現在其面前，使得他們對下一步要進行的保護工作游刃有余。

下一步，研究工作將會主要致力于對壁畫病害的信息進行自動統計的研究。對于壁畫的統計工作，之前的研究包括本文的研究還主要是通過半自動和人工目視解譯進行的，之后的工作可以發展到全自動化，對各種病害的機理進行研究，建立每一種病害的樣本庫，在軟件中用樣本去訓練樣本庫，最后

可以自動識別各種病害，并能自動獲取病害的位置坐標和面積范圍信息。

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