山西古代壁畫的數字化修復與保護研究

劉瑋

【摘要】針對山西古代壁畫的修復與保護工作，以陽曲縣寺廟壁畫為例，本文提出了完整的數字化古代壁畫修復與保護技術，闡述了利用技術開展數字化壁畫修復與保護工作的運行機制與系統體系。文中介紹了壁畫臨摹輔助技術、壁畫色彩演變技術，以及基于該兩項技術實現的壁畫臨摹輔助系統以及壁畫修復與保護輔助系統。對數字化修復與保護古代壁畫提出了實際解決方案。

【關鍵詞】古代壁畫；數字化修復；文物保護

【中圖分類號】K879.41 【文獻標識碼】A

傳統的古代壁畫修復與保護工作多采用臨摹復制的方式，將這些寺廟壁畫保留下來，積累資料。但是，這類圖像資料復制會出現信息丟失的問題，難以長期保存。傳統壁畫修復與保護工作是不可逆的，存在風險。數字化技術的引入，讓壁畫保護迎來新的春天。目前，平面數據高精度采集技術能夠保證采集數據無論是在動態范圍還是在色彩寬容度方面都達到相當高的水平。利用三維掃描技術對陽曲縣寺廟壁畫全方位、大空間地進行地理信息數據采集，為了還原陽曲縣寺廟壁畫面貌，真實地記錄壁畫細節與現有色彩，做到每一個寺廟、每一處壁畫的細節都能被精準地采集與保存。通過文獻資料的研究和實地調查，結合采集的數據在計算機終端進行模擬壁畫還原處理，最后將還原后的壁畫投射在現有的寺廟墻壁上進行噴繪修復。數字化修復與保護技術能夠利用計算機輔助壁畫保護和臨摹，虛擬修復，對壁畫當前的病害進行過程演變，虛擬展示壁畫，為壁畫物理修復過程提供測試環境和科學依據，將保護工作的風險性降到最低。[1]

一、數字化壁畫臨摹技術

保護陽曲縣的寺廟壁畫，首先要進行臨摹，真實再現壁畫藝術風貌并保存下來。傳統臨摹技術的流程是拍照、放大、參照壁畫描線，將畫稿印描到宣紙上，對照壁畫上色。

（一）計算機輔助線描圖生成

計算機輔助線描圖生成，要接近修復工作者的要求，對邊緣提取的算法進行改進，從繪畫、數學、智能等不同學科出發，找到智能化的交互描線方法。首先，對不同的應用領域進行混合分割，改善分割效果，用交互方式在多種顏色并存的壁畫上進行彩色圖像的邊緣分割，解決線描圖不清晰、不準確的問題。其次，運用“基于樣本學習”的方法，以藝術家繪制的大量樣本作為樣本庫，用計算機分析壁畫，將壁畫圖像中缺失嚴重的部分進行替換或者補充。[2]

（二）計算機輔助寺廟壁畫著色

根據壁畫中出現的不同構圖元素，運用智能交互方式選擇大致的著色區域，在該區域內運用特征點匹配的方法識別出構圖元素的類型及其需要什么樣的著色，精確選定著色區域。參照壁畫色彩，進行類比和推理，以及樣本庫的經驗，選擇合適的色彩對選定區域進行著色。[3]寺廟壁畫有著中國特有的運筆與暈染方式，基于這些方式，建設筆刷數據庫和模型，模擬畫家的運筆，使線條和著色呈現傳統國畫風格。

二、色彩演變智能模擬技術

陽曲縣寺廟壁畫歷經千年，其色彩因外界因素影響不斷變化，直至今日，色彩協調，觀之和諧，有著自己獨特的風格，但是與最初的色彩有著天壤之別。色彩的演變是一個持續的過程，未來也要繼續演變下去。為了做好寺廟壁畫的保護工作，需要對色彩演變進行模擬。引入數字技術，對色彩演變進行研究，開發壁畫色彩演變模擬系統。該系統可引入外界因素對壁畫色彩的作用，總結演變規律，預測壁畫色彩的變化趨勢。目前已經對陽曲縣寺廟壁畫進行保護，人們可以通過色彩演變模擬技術欣賞壁畫的色彩千年以來的演變。

通過多年以來對壁畫褪色機理的研究，結合陽曲縣本地氣候環境等影響因素，得知變色的出現，是因為顏料的化學物質被溫濕度、光照、微生物等因素影響，慢慢發生演變，過渡到現在的色彩。褪色問題則是因為顏料分子脫落，長年累月的灰塵吸附，導致壁畫的顏色從鮮艷到淺淡，從光亮變暗淡。運用智能技術建立以下模型：（1）壁畫結構為層狀，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）計算機模型基于的分辨率，必須小于原始圖像的數據。

基于以上壁畫模型，提出變色、褪色的混色模型，其他復雜的混色模型可以將基礎混色模型進行組合獲取：（1）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，多個點的顏色可以均勻混合成為計算機圖像中的一個像素。

計算機色彩演變模型需要解決的問題有：（1）色彩的過渡曲線。對典型的中間色彩進行研究，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）色彩協調。色彩協調使各個變色軌跡上的色彩在演變過程中進行協調。

三、計算機臨摹輔助系統

（一）系統作用

計算機臨摹輔助系統在壁畫的修復與保護中起到極強的作用。該系統保存了描線圖的參考樣本，為藝術家進行修復性的臨摹提供參考，避免傳統耗時耗力風險大的方式。藝術家運用該臨摹輔助系統，可以得到全部描線圖，運用計算機展開實驗性的壁畫創作。臨摹系統根據壁畫構圖元素數據進行計算分析，將缺失部分補足，幫助藝術家進行壁畫修復，確定修復策略。

（二）系統組成

邊緣提取部分：將陽曲縣寺廟壁畫需要修復的部分輸入計算機，對輸入的圖像進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，得到初步的線描結果。

矢量化部分：將已完成邊緣分提取的圖像進行矢量化處理，將邊緣進行精細修改，有助于后續修復工作。

精修部分：對于效果不好的、有錯誤的、風格不對應的線描，運用智能交互技術將線條進行平滑度和風格的改良，最終得出滿足修復要求的線描圖。

著色區域選擇部分：運用智能交互技術選擇大致的著色區域，推斷精確的著色區域。

顏色搜索部分：寺廟壁畫所運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。