壁畫類文化遺產的數字化發展

吳健

摘要：敦煌莫高窟壁畫數字化是數字遺產領域影響較大的項目，數字化工作較有典型性——通過數字化技術最終讓文化遺產活起來，傳承其承載的文化內涵。敦煌莫高窟通過與國內外的合作，完成了各項科研攻關，最終形成了一整套敦煌石窟數字化的方法和規范流程，擁有多項關鍵技術。后來又以科研單位為依托，發揮企業平臺，將科研成果充分轉化，形成科研與服務的新模式。壁畫類遺產數字化的采集、處理、存儲等關鍵技術的研究，壁畫數字化成果價值的深入挖掘，數字化成果在學術研究、數字展覽和文創產品的開發等領域的應用，都是值得探討和期許的。

關鍵詞：壁畫類遺產；敦煌莫高窟；數字化保護；數字化成果應用

一、引言

壁畫是人類歷史上最早的繪畫形式之一，壁畫類文化遺產主要出現在洞窟、宮殿、寺觀和墓葬之中，與其周圍的建筑物相融合，承載著人類歷史文明。…從原始社會刻畫記事至今，國內外保存有大量的古代壁畫，如印度壁畫、歐洲宗教壁畫、中國佛教石窟壁畫等。敦煌莫高窟集壁畫、建筑和彩塑于一體，是人類文化藝術的瑰寶，經過1600余年的發展，目前保存有十六國、北魏、西魏、隋、唐、宋等十個時期的壁畫，壁畫色彩豐富、題材形式多樣，有經變畫、故事畫、服飾、圖案等，具有極高的歷史價值、藝術價值和科學價值。面對如此珍貴的古代壁畫，近百年來保護工作者們已投入大量的人力、財力和物力，采取了積極有效的措施，進行了卓有成效的保護，但是文物是不可再生的，如何將壁畫類文化遺產永久保存，在上世紀始終是一個難題。敦煌石窟壁畫數字化經過20多年的發展，已經形成了一套標準規范流程，掌握了多項數字化核心技術。本文將以敦煌莫高窟的數字化為例，介紹敦煌石窟壁畫數字化的內涵、歷程、關鍵技術和數字化成果應用，以及各個時期數字化技術對數字化保護與展示的影響。

二、壁畫類文化遺產數字化的內涵

壁畫類文化遺產目前存在多種病害，例如起甲、龜裂、皰疹、酥堿和空臌等，并且易發生顏料層脫落、褪色等現象。壁畫類遺產數字化技術是通過攝影采集和計算機等技術，將壁畫類遺產當前的信息以計算機數據的形式永久地記錄下來，并且能夠多次重復使用。壁畫數字化的生命周期為數據采集、加工、存儲、傳輸、交換和服務，所以，壁畫數字化的內涵不僅僅是單純的攝影與計算機相加。經過對敦煌石窟壁畫20余年的數字化探索與研究，總結壁畫類遺產數字化的內涵，即融學術、技術和藝術于一體。

壁畫類文化遺產數字化，不能盲目地去采集數據，首先，需要了解石窟寺被拍攝對象的歷史、藝術和科學價值。遵循文物保護法則，深入學習壁畫類數字化相關專業技術的理論知識，最終制定科學的實施方案。

壁畫類遺產數字化具體的工程實施，需要通過多種技術手段實現，要嚴格執行標準規范，把握流程中的每一個細微環節，將不同階段的數據科學、永久存儲。在壁畫類遺產數字化的不同階段，要有創新的理念，積極引進新技術，并且應用在實際工作之中。

壁畫類遺產數字化的目的首先是為了永久保存壁畫信息，但是更重要的是如何利用這些數據，充分展現壁畫的藝術價值。在保護好文物數字化數據的前提下，針對不同的應用領域，如何將塵封的數據鮮活起來，注入新的生命活力，在高品質還原文物本體的同時，精心設計、藝術加工、拓展思路、憑添氛圍、加強利用、再現輝煌。

三、壁畫類文化遺產數字化歷程

1990年代，在美國梅隴基金會的支持下，敦煌研究院與美國西北大學合作，開展敦煌石窟壁畫數字化研究工作。最開始采用膠片進行數據采集，將膠片沖印、掃描，再進行拼接，由于膠片在敦煌沖印不便，膠片掃描過程中信息的損失，最終沒有采取這種形式。自1980年代數碼相機的誕生至1990年代，數據相機的技術有了大幅度的提升：像素提高、存儲能力增加、鏡頭成像能力增強。敦煌研究院與美國西北大學再次合作實驗，利用數據相機采集數據，隨著實驗成功，最終確定了敦煌壁畫數字化技術的基本形式，數據采集精度確定為75DPI，將數碼相機架設在攝影采集架上，利用軌道進行散點分幅拍攝，通過專業圖像處理軟件進行圖像拼接，最終完成整幅壁畫的數字圖像。截至2005年底，敦煌研究院與美國大學合作完成了22個敦煌石窟典型洞窟的數字化，完成基于OuickTime VR技術的虛擬漫游洞窟5個。另外，敦煌石窟壁畫數字化團隊還與浙江大學、武漢大學等高校在壁畫數字化圖像處理、圖像定位糾正等領域常年合作。

敦煌研究院自1990年代開始，先后承擔完成多項有關敦煌壁畫數字化技術研究和攻關的科研項目，如甘肅省科委“八五”重點科技攻關項目“敦煌壁畫的計算機貯存與管理系統的研究”，國家“九五”重點科技攻關項目“瀕危珍貴文物信息的計算機存貯與再現系統”，國家“863”項目“曙光天演Power PC工作站在文物保護中的應用”，國家科技支撐項目“基于三維和沉浸式展示文物數字展示關鍵技術研究”、“文化遺產動態表現與影視系統技術研究”和“絲綢之路（中國段）文化遺產資源地理信息系統及文化旅游服務集成技術研發與應用示范”等。尤為重要的是承擔了國家科技支撐計劃課題“不可移動文物數字化保護關鍵標準研究與示范（以石窟寺為例）”制定完成不可移動文物數字化保護（以石窟寺為例）采集、加工、存儲、傳輸、交換、服務等系列關鍵標準，解決目前不可移動文物數字化采集、加工、存儲、傳輸、交換、服務等方面的方式方法眾多、形式多樣、雜亂無章、參差不齊，沒有統一的規范標準體系的問題以及信息孤島問題，提高不可移動文物機構問的資源共享、業務協同、安全保證和互聯互通能力。

為了加快敦煌石窟壁畫數字化工作，2006年敦煌研究院成立了“數字中心”，并于2014年更名為“文物數字化研究所”，下分五個專業工作室：圖像采集研究室、圖像處理研究室、多媒體研究室、視頻采編室、數據信息管理研究室，將承擔不可移動文物和可移動文物的數據采集、加工、存儲、傳輸、交換和展示等數字化關鍵技術研究，以及數字化工程方案的制定與實施工作。隨著科學技術的不斷發展，敦煌石窟壁畫數字化采集精度從75 DPI，提升至150PDI，最終確定為300DPI，壁畫數字化的最終成果能夠滿足出版印刷、展覽展示等各種需求。

隨著事業發展的需要，2012年由敦煌研究院與中國敦煌石窟保護研究基金會合資注冊，成立甘肅恒真數字文化科技有限公司。敦煌研究院在敦煌石窟壁畫數字化積累的多項科研成果，通過國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心平臺，進行科技成果轉化與推廣，使科研人員專心研究壁畫數字化的關鍵技術，解決實際工作中遇到的問題，提高敦煌石窟壁畫數字化的生產效率和技術水平，而甘肅恒真數字文化科技有限公司通過科技成果轉化可以進一步反哺科研，科研與企業相輔相成。

四、壁畫類文化遺產數字化關鍵技術

攝影采集攝影采集工作是壁畫數字化的第一個重要環節，利用定制的軌道，對壁畫逐格、逐行攝影采集，為了保證采集的數據達到規定要求，在攝影采集現場有一名圖像處理人員，將拍攝的一行數據在計算機上對圖像的曝光、清晰度、重合度、數量等技術參數做檢查，符合要求攝影師再進行下一行的拍攝。

圖像處理前期攝影采集的原始照片由后期圖像處理人員進行圖像拼接處理，將重疊50%的圖像拼接成一幅完整的圖像。拼接技術也在不斷地改進，由最初的純手工拼接到目前自動拼接與手動拼接相結合的方式，對拼接圖像的形變、色彩等方面做了較好的控制。

定位糾正最終拼接的圖像利用激光掃描獲取的點云影像強度圖，利用壁畫定位、糾正和測量系統，進行圖像形變糾正，可將圖形形變控制在2毫米之內。

全景漫游攝影采集是全景漫游制作的基礎工作。采集前根據洞窟的形制選擇節點的數量和位置，采集時在節點位置支穩三腳架，腳架的高度一般在1.6至1.8米之間，具體高度根據采集時的實際情況決定。根據采集時所用的鏡頭來決定云臺的旋轉角度和拍攝張數。完成一個節點的采集后，在改變腳架位置前要及時安排圖像檢查人員對采集的數據進行現場檢查，檢查內容包括圖像的焦點、白平衡、曝光、相鄰圖像的重合度等。確保采集的內容沒有問題后再挪動三腳架進行下一個節點的拍攝。圖像處理首先從源文件中選擇需要拼接處理的圖片，拼接成長寬比為2：1的全景圖像，同時檢查圖像，在拼接錯誤的部位手動添加標記點，確保圖像拼接平整、過度自然，按最大尺寸輸出全景圖像并備份至服務器。根據實際需求選擇全景漫游的格式，一般有mov、swf、html5等。

數據校驗敦煌壁畫數字化流程復雜，數據通過SD卡、移動硬盤、硬盤、網絡等多種傳輸介質進行數據交換，已發現數據傳輸不一致的問題，針對此問題自主設計并開發了敦煌石窟海量數據無差錯傳輸校驗軟件，針對不同介質的傳輸速率對數據進行分塊傳輸再合并，最終進行數據校驗，確保數據傳輸的一致性和完整性。

數據存儲數據存儲對整個數字化來說非常重要，敦煌石窟壁畫數字化的數據已累計產生近100TB的數據，數據量每年增長20余TB。針對如此巨大的數據量，首先建立了數據管理規章制度，在壁畫數字化生命周期的不同階段，根據不同的數據類型制定數據安全等級；然后劃分邏輯存儲空間：工作空間、數據存儲空間、數據備份空間等；最終通過硬件存儲設備搭建磁盤陣列，建立足夠的物理存儲空間，確保數據安全存儲。通過建立規范的文件目錄結構和圖像數據庫，提高數據管理和使用的效率。

五、數字化成果應用

敦煌石窟數字化已產生豐富的數字化成果，目前已完成近120個洞窟的攝影采集、40余個洞窟圖像處理、110余個洞窟的全景漫游、20身彩塑的三維重建、120個洞窟的結構掃描，另外還有視頻資料、4萬余張底片的數字化等多種多樣的數字化成果。對如此珍貴的數字化數據既要保存好，更應該充分利用這些數據，發揮數據更大的價值。

敦煌石窟的壁畫內容豐富，國內外有眾多的敦煌學研究人員，已產生大量的研究成果。隨著數字化工程的加快，高清的數字化成果將通過計算機、網絡等手段服務于學術研究人員，使研究人員擺脫在洞窟昏暗的光線、甚至長遠距離觀看洞窟壁畫內容，研發了大容量圖像快速瀏覽系統，不受硬件設備、時間和地點的約束，在計算機屏幕上可瀏覽壁畫的每一個細節。利用數字資源，為美術臨摹提供樣本，依照高保真復制品進行起稿臨摹，在節約臨摹成本時，大幅度地提高工作效率。通過點云壁畫數字化獲取圖像的精度，糾正圖像處理之后出現變形的壁畫，大幅度提高了考古測繪的準確度。

2014年在蘭州舉辦的“敦煌藝術走出莫高窟——數字敦煌”集中展現了敦煌石窟數字化成果，展覽通過整體設計，以數字技術為支撐，全面展示了敦煌石窟藝術精華，展覽虛實結合、動靜相依，使得科技與藝術高度融合并相得益彰，營造了良好的數字文化展示環境，滿足了觀眾多種需求和個性化的文化體驗，形成了絲綢之路中國段文化旅游展示與體驗創新服務模式，初步實現科技支撐、文化體驗、時空旅游、服務引領的目的和宗旨。敦煌莫高窟數字展示中心主題電影《千年莫高》和球幕電影《夢幻佛官》都是這種全新的數字展示模式的集中反映，并為日新月異的文化旅游打開了新的體驗窗口，對文化遺產的保護與應用具有重要的作用。

隨著國家對文化產業的支持，挖掘敦煌石窟數字化資源，整理提取具有鮮明的絲綢之路文化遺產特色的豐富創意素材，提升創意轉化率，文化與創意結合，讓豐富多彩的石窟藝術進入到生活的方方面面。以利用敦煌石窟數字資源開發設計的創意衍生品，具有鮮明的敦煌特色，例如“數字敦煌”系列文創產品，得到了社會各界的一致好評，并且取得了一定的經濟效益。

六、結語

敦煌石窟壁畫類遺產經過20余年的發展，攻克了大型洞窟、壁畫凹凸不平、煙熏壁畫、狹小空間等圖像采集與處理，超大容量圖像快速瀏覽、數據安全管理、數字化成果價值深度挖掘、應用與集成展示等一項項難題，形成了一整套壁畫數字化的方法和規范流程。經過敦煌石窟、新疆克孜爾、西藏夏魯寺、山東岱廟、河北毗盧寺、河北曲陽北岳王廟等不同壁畫類遺產的數字化工程實施，充分驗證了敦煌石窟壁畫數字化技術的可靠性和先進性。敦煌石窟的壁畫數字化不僅僅是一項工程，更重要的是擔負的社會責任，盡快制定以石窟寺為例的不可移動文物數字化保護關鍵標準，規范壁畫類數字化行業的工程實施，提高資源共享的能力，響應習近平總書記提出的“讓收藏在博物館里的文物、陳列在廣闊大地上的遺產、書寫在古籍里的文字都活起來，讓中華文明同世界各國人民創造的豐富多彩的文明一道，為人類提供正確的精神指引和強大的精神動力”的號召，讓壁畫類遺產通過數字化技術，傳承其承載的文化內涵。

（責任編輯：孫秀麗）