壁畫圖像的智能數字化修復研究

梁國興

（山西云岡數字科技有限公司，山西 大同 037009）

0 前言

現代網絡與計算機技術發展迅速，圖像智能化、數字化處理水平也得到大幅度的提升，以往傳統意義上對于圖像的人工復原已經難以滿足當下需求，越來越多地被智能化、數字化操作所替代，而這種替代從一定程度上滿足了人類社會發展的需求，不僅快速穩定，而且逐漸被應用到了更寬廣的領域當中。我國作為文物資源豐富的國家，文物保護始終都是十分重要的工作之一，隨著科技的迅速發展，越來越多的科學家發現，智能數字化修復技術在圖像修復上的優勢與文物修復的難題之間存在著微妙的契合點。智能數字化圖像修復利用智能科學的算法與越來越趨近于人性化的人工智能智慧，能夠更好地服務于文物保護的損壞修復和復原工作，智能數字化修復技術在文物保護、文物修復領域的應用從很大程度上推動了文物保護工作的大跨步成果推進，也更好地體現了科學技術在信息化時代的大作用與高價值。

1 智能數字化修復技術的相關概念及應用難度

首先應當明確，隨著科學技術的不斷發展，學術界對于某項技術的應用領域會不斷拓寬，而本文當中所描述的智能數字化修復技術包含了不止一個科學技術概念，其中包括文物虛擬修復、智能化交互、AI智能、3D成像、3D打印等等，這些無疑都是智能化、數字化的體現，而這個內涵將隨著歷史的演變和科學技術的進步而不斷地發生橫向或縱向的拓展。而對文物的智能數字化修復從通俗意義上來看，就是依托計算機強大的計算功能，通過數字化的虛擬修復將文物原本損毀或缺失的部分進行虛擬化復原，使復原后的文物無限接近于原先完整文物的樣貌，恢復其完整的風采。如果更理性一些來理解，也可以將文物本身想象成一幅缺失的圖畫，科學家則通過計算機的智能算法將圖畫缺失的部分進行假想并嘗試用計算將其填滿，其目的在于還原整幅畫，填補缺失部分造成的視覺空白。乍一聽起來，這種文物的智能數字化修復好像類似于生活中常見的一些畫面修復、圖像修復等，然而，這種文物的智能數字化修復的難度卻絕對不等同于人們修復一般的圖像畫面那樣。

第一，文物不等同于一般的圖像，文物本身有著極強的歷史研究與考古等珍貴價值，在進行智能數字化修復前，必須對文物本身的所處年代、歷史背景、創作風格、思想內容、技藝筆法等都有詳盡的、客觀的、科學的、完整的了解與掌握。就拿壁畫來看，不同區域出土的壁畫各具特色，細微之處都能看出極大的差異，因此就要求復原者不僅具備復原的技術與能力，還要掌握好復原的藝術性、科學性及全面的復原知識、文物知識。

第二，文物的智能數字化修復，就好比是通過已知描繪未知的過程，一切預想不到的問題都有可能影響到修復進程的推進。就拿壁畫的智能數字化修復來說，一幅壁畫從繪制到出土，中間經歷了的不只有歷史的更迭、歲月的變遷、自然的消弭損毀，還有人工發掘過程當中的損傷以及墻體氧化、顏料剝落等多重傷害，其中的任何一項都有可能對壁畫本身造成不可逆的傷害，這都對壁畫的智能數字化修復提出了數之不盡的難題。況且，就文物的智能數字化修復技術本身而言，缺失或損毀的部分是藝術創作的一個部分，所謂藝術創作，人們無法用絕對的筆觸、圖形的對稱、色彩的延伸和故事內涵的猜想等來準確預估其原貌，這種對未知的還原本身就帶有一定的悖逆性，本身是不符合事物發展的客觀規律的，更不用說原有已保存的部分還可能存在一些褪色、模糊、起皮等問題，更讓壁畫的復原工作增添了幾分困難。

2 我國現存壁畫圖像的保存情況

本文所指的壁畫，主要是“中國壁畫”。對于中國古代藝術研究領域而言，壁畫稱得上是古代中國最早的繪畫形式，可追溯的創作歷史最早在石器時代就有，因為壁畫最早發現是在一個山洞之中，因此也被稱之為洞穴畫。而在現存的中國古代壁畫中，漢代作品年代最為久遠，主要存在于墓穴當中，在現在的河南、山西、遼寧、河北、山東、內蒙古等地出土的漢代墓穴當中都有壁畫的身影，當中主要描繪的內容既有生活場景，又有神話故事，有些還與當時的一些史實有關，內容相對豐富。中國古代壁畫創作的高峰時期起源于北魏，當時盛行鑿窟建洞，因此當時的許多壁畫都以鑿壁的形式出現，而到了唐代壁畫創作達到頂峰。代表中國古代壁畫藝術創作最高水平的敦煌莫高窟就誕生于這一時期。這一時期的中國古代壁畫不僅畫面美輪美奐，而且創作的技藝與繪畫的水平都是中國壁畫藝術當中首屈一指的。以現存體量較大的兩個中國古代壁畫區域來看，山西一帶的壁畫體量大，但是損毀較為嚴重，而敦煌壁畫的體量也大，保存相對完好。直觀來看，這種保存的完整度與壁畫所呈現的具體方式有較大關系，壁畫繪制、雕刻如果裸露在外，或直接在墻體上進行，那么保存度自然無法與洞窟當中常年避光保存不見風沙與陽光暴曬的壁畫相比。山西壁畫本身地處黃土高原，風沙大，遮擋少，氣候干燥，而且大部分的壁受到墻體本身坍塌、崩壞、鼓脹等問題的影響，自然損毀相對嚴重。再加上一些當地歷史變遷、朝代更迭、戰火侵襲等的影響，導致山西本土的壁畫保存問題雪上加霜。相對而言，敦煌壁畫遠離戰火紛擾，出土也相對較晚，壁畫長期處在洞窟之中，陰暗避光，避免了風沙烈日的侵襲，一些特殊的繪畫技藝也保證了壁畫的完整性，因此當地壁畫損毀的問題就相對比較小。

3 利用智能數字化修復技術修復壁畫的步驟及優勢

雖然在上文曾提到過利用智能數字化修復技術修復壁畫的難點所在，但不可否認，利用智能數字化修復技術修復壁畫還是具有巨大優勢的，是值得推廣并深入研究提升的方法，對促進我國古代壁畫的修復和保護工作具有重大的意義。下面具體從我國古代壁畫保護的四個步驟來談一談運用智能數字化修復技術的優勢：

第一，便于收集被修復壁畫的相關學術文獻與檔案記錄，其中包括一些實地測量考察的數據，影像資料以及匠人臨摹的初始圖像資料等。如果利用智能修復技術，那么工作人員可以利用其計算機技術的相關優勢，前期就對上述資料進行快速的整合處理，分類保管，實現數字化、智能化資料歸類，并為后期的智能數字化修復做好前期準備。

第二，有助于對壁畫現存狀況進行全盤的了解與掌握，并對壁畫周邊的環境、所處的位置、壁畫繪制所使用的材料與技藝等技術情況，以及壁畫現存的損毀情況等進行數據化存檔，做到對壁畫本身情況的精細化掌握，為后續進行智能數字化修復奠定堅實的數據基礎。當然也可以利用遠程監控，實時了解壁畫的變化情況，監測墻壁、天氣、顏料氧化等的變化情況。

第三，能夠科學進行被修復壁畫的病害原因診斷。在進行壁畫的智能數字化修復工作前，有必要對現有壁畫進行一系列的化學分析，并通過科學的數據記錄，診斷壁畫現存的病害原因，其中包括溫度濕度的檢測、污染物的核檢以及熱源檢測和色譜色相檢測分析等。

第四，通過合理的虛擬化復原，壁畫的損毀部分已更好地修復和保留，這極大限度地豐富了原有壁畫保護的可能性，為壁畫保護提供了新的方案，合理性也更強。以往對于壁畫的保護往往與游客的觀賞成為對立面，這極大地限制了壁畫文化的傳播與藝術價值的推廣，通過壁畫圖像的智能數字化修復技術能夠恰到好處地滿足游覽者的心態，也能夠讓壁畫的保護更加合理，發揮其更大的魅力。

此外，利用圖像的智能數字化修復技術修復壁畫也滿足了文物保護的三大原則。首先，整體上不破壞壁畫的完整性，并不是強行幻想一個與原壁畫格格不入的損毀部分進行復原，而是尊重了修舊如舊的理念，保持了原有壁畫的整體原貌。其次，因為虛擬復原不需要破壞原有壁畫，因此在選材和用料上，遵循了可逆性，不會造成原有文物的不可逆損傷，可以進行多次反復的建模、推敲與推倒重做。最后，這種復原方式雖然是虛擬修復，但是卻完全依照原有壁畫創作的步驟與選料進行，所有的步驟都不會被省略，因此能夠最逼真、最全面、最科學地還原壁畫的損毀部分，最大限度地尊重了壁畫的本體特征。

相對于一般的人力數據采集，上述步驟以圖像智能數字化修復為前提，這樣的數據收集更為高效，能夠隨時調取，精準度也更高，極大地節省了時間，也減少了人力損耗。另一方面，這些數據采集更為全面，形成的數據儲存也更為科學化，能夠更好地作為存儲調取的數據庫，也能滿足后期壁畫圖像智能修復技術的使用需求，讓壁畫圖像智能修復技術的完成度、還原度、精細度與可信度都更高，有助于克服該技術的短板。相對于一般的人力臨摹恢復還原，智能數字化修復技術更為高效，也更為精準，更為科學。在過去的人力修復過程中，不同專家對于不同缺失部分的考量會有差異，因此提出的修改方案也會有或多或少的差異，不斷地討論和重復推倒重來大大耽誤了修復進程，然而現在通過智能數字化修復，只需要建好模型根據計算機的演算比對就能夠得到相對嚴謹的修復方案，大大提高了修復的效率。而對于最初的原始壁畫復刻與復原而言，智能數字化修復技術運用了虛擬化的復原成像，能夠保證原有壁畫不被損毀，也能與3D打印和3D成像技術相輔相成，復刻出不輕易被參觀者損壞與影響的壁畫復本，既滿足了人們探尋古代壁畫神秘美感與藝術價值的好奇心，又更大限度地保存了原始壁畫的原貌被破壞。通過這種智能數字化修復技術，人類實現了對壁畫殘缺部分的復原假想，讓古代藝術以更為完整的面貌呈現在世人面前，也是對古代文明的一種另類傳承與發揚。

4 我國現存壁畫圖像的智能數字化修復內容與技術路線

對于文物修復而言，智能數字化修復內容早已不是什么新鮮事了，2000年之后尤其是2010年之后，智能數字化修復技術被應用到文物修復當中已經越來越普遍，許多先前存在的技術問題也在逐漸被克服，這種技術的內涵也在不斷地得到擴展。在修復內容上，不僅可以單純修復平面圖像，對于立體的壁畫、陶瓷器皿、青銅器、絹綢布帛等也都可以進行修復，在有了3D技術的加持之后，更是實現了對原有文物的一比一打印復制，應用的領域不斷多元和豐富起來。從技術路線來看，主要是依靠數字圖像修復技術自身的特征以及被修復文物本身的特征進行綜合比對，利用計算機強大的計算功能與數字圖像的采集分析技術，對文物本體現存部分和缺失部分進行比對、測算和虛擬描繪，當然，這一過程并不是一蹴而就的，而是先從簡單的大體輪廓開始恢復，再到細化部分，按照由粗到細、由簡單到復雜、由淺入深的規律進行恢復。從整體上而言，通過圖像的智能數字化修復，壁畫與其他文物的恢復都大大縮短了時間周期，也能夠更加科學化精細化地進行修復，實現了人力的節約。

5 壁畫圖像的智能數字化修復案例

本部分通過對五臺山壁畫和敦煌洞窟壁畫的智能數字化修復案例進行講述，剖析了圖像的智能數字化修復對于壁畫復原的價值，希望這些成功案例能夠幫助今后壁畫的修復工作取得新的進展。

5.1 案例1：山西五臺山壁畫修復

山西五臺山有體量較大的壁畫，當地成立了“五臺山文化數字傳承研究團隊”，由教授作為帶頭人，綜合運用計算機的圖像處理技術以及云計算技術和虛擬現實技術等先進的技術，對現存壁畫展開科學化修復，并與當地旅游業展開合作，形成了大型虛擬的數字化展示與景區交互體驗相結合的一體化平臺。在這一過程中，該團隊首先基于原始五臺山壁畫群的周邊所處環境與壁畫的現存情況進行了詳盡的資料收集比對，并對現存壁畫的殘缺部分做了詳細標注，利用計算機的強大的計算功能展開壁畫圖像的綜合分析，深度挖掘五臺山壁畫在深層次的表達特征，從底層開始分層次展開學習探討，從而發現了現存壁畫的維度破壞問題，并依靠計算機大數據整理與處理平臺為基礎，合理有效地使用特征提取算法，對壁畫的深層次特征進行模型構建。模型建成后通過粒子群算法優化深度卷積神經網絡和多個分類器進行優化，對原有模型進行思想編輯，改進原有大數據平臺，優化算法，構建了在大數據環境下對五臺山壁畫缺損區域的自動分類識別。在此基礎上，依賴計算機視覺，分塊對五臺山壁畫缺失部分進行區域化的重構與修復，將之前的思想與修復過程相聯系，確保壁畫修復的方向準確，修復的結構與內容能夠一致。在縝密的邏輯和強大的運算支撐下，完成了此次五臺山壁畫的殘損部分的修復工作，體現了圖像的智能數字化修復技術在壁畫復原領域的優越性。

復原壁畫只是當地工作的第一步，隨后還將圖像的智能數字化修復技術運用到了與當地旅游業的結合當中，提出了“文化再現”的理念，將復原后的文物虛擬數字圖像與3D投影技術相結合，輔助以現代的聲光電技術，再現了五臺山昔日的文化歷史圖景，讓智能數字化修復技術應用的領域更加寬廣，也進一步挖掘了當地文物保護的潛在能量。

5.2 案例2：敦煌壁畫的智能修復

敦煌壁畫現存體量巨大，在經歷了歷史的滄桑巨變之后，雖然大體保存下來，但是仍然受到了不同程度的損壞。騰訊開展了利用人工智能對敦煌壁畫進行智能修復的公益拍攝行動，過程中發現敦煌壁畫的體量大，不同區域呈現的壁畫病害也不盡相同，有些則相對復雜，如果利用人工展開修復，則需要耗費巨大的人力，據粗略計算，一個十平方米的壁畫塊前期的工作量需要一個工作人員近一百小時的工作時長。為解決這樣的問題，騰訊對敦煌壁畫的病害數據進行了深度學習，研究形成了一整套自動識別并添加圖示的算法，解決了敦煌壁畫前期采樣拍攝的大體量數據收集與識別問題。與此同時，還利用自身圖像拍攝優勢，搭建了遠程沉浸式會診技術，通過超高清畫質的呈現與環繞視角拍攝，基本實現了對敦煌洞窟內壁畫的全盤拍攝取材，即使專家無法到達洞窟內部，也能夠洞悉所有細節，方便為壁畫進行遠程問診。通過遠程拍攝與診斷，為敦煌壁畫的多發病“酥堿病”進行了確診，并提出了綜合治理的辦法，從源頭上遏制了壁畫的進一步損毀。敦煌研究院與騰訊的這次戰略合作，其價值意義并不僅僅停留在對敦煌洞窟和壁畫的拍攝上，更是通過智能數字化修復技術與拍攝技術的結合，再現敦煌文化的輝煌，讓更多的世人看到敦煌文化的璀璨風姿。而敦煌洞窟及壁畫從很大程度上已經無力再接待更多的游客實地進行參觀，這種數字化的文化再現能夠更好地避免過度消耗，但又不阻礙游客對于文化的探索與觀賞。在未來的發展當中，足不出戶的云旅游成為新的潮流，也能讓敦煌文化再現更為綽約的風姿。

6 壁畫圖像的智能數字化修復的未來展望

目前，壁畫圖像的智能數字化修復技術已經有了質的飛躍，結合新的3D打印技術，人們已經聯想到了通過技術手段來實現一個數字化的文物博物館，可以將更多的分布在祖國各地的壁畫進行數字化復原，讓它們通過3D打印技術再現，通過等比例地縮小形成微觀的旅游聚合地，讓游客們一次性飽覽更多的壁畫資源，體驗更多的壁畫文化。當然輔助以AI智能和虛擬實境體驗等現代科技，人們還可以實現身臨其境的旅游與體驗，智能數字化修復技術未來的使用前景是無限廣闊的。

注釋

①王帥帥，樊瑤，李育博，等.壁畫圖像的智能數字化修復—以藏族壁畫為例[J].現代信息科技，2021（3）：121-123，127.

②焦莉娟，王文劍，李秉婧，等.改進的塊匹配五臺山壁畫修復算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2019（1）：118-125.