山西古代壁画的数字化修复与保护
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2023-11-15 15:23 来源:中国民族博览
内容摘要
针对山西古代壁画的修复与保护工作，以阳曲县寺庙壁画为例，本文提出了完整的数字化古代壁画修复与保护技术，阐述了利用技术开展数字化壁画修复与保护工作的运行机制与系统体系。文中介绍了壁画临摹辅助技术、壁画色彩演变技术，以及基于该两项技术实现的壁画临摹辅助系统以及壁画修复与保护辅助系统。对数字化修复与保护古代壁画提出了实际解决方案。
引言
传统的古代壁画修复与保护工作多采用临摹复制的方式，将这些寺庙壁画保留下来，积累资料。但是，这类图像资料复制会出现信息丢失的问题，难以长期保存。传统壁画修复与保护工作是不可逆的，存在风险。数字化技术的引入，让壁画保护迎来新的春天。目前，平面数据高精度采集技术能够保证采集数据无论是在动态范围还是在色彩宽容度方面都达到相当高的水平。利用三维扫描技术对阳曲县寺庙壁画全方位、大空间地进行地理信息数据采集，为了还原阳曲县寺庙壁画面貌，真实地记录壁画细节与现有色彩，做到每一个寺庙、每一处壁画的细节都能被精准地采集与保存。通过文献资料的研究和实地调查，结合采集的数据在计算机终端进行模拟壁画还原处理，最后将还原后的壁画投射在现有的寺庙墙壁上进行喷绘修复。数字化修复与保护技术能够利用计算机辅助壁画保护和临摹，虚拟修复，对壁画当前的病害进行过程演变，虚拟展示壁画，为壁画物理修复过程提供测试环境和科学依据，将保护工作的风险性降到最低。[1]
一、数字化壁画临摹技术
保护阳曲县的寺庙壁画，首先要进行临摹，真实再现壁画艺术风貌并保存下来。传统临摹技术的流程是拍照、放大、参照壁画描线，将画稿印描到宣纸上，对照壁画上色。
（一）计算机辅助线描图生成
计算机辅助线描图生成，要接近修复工作者的要求，对边缘提取的算法进行改进，从绘画、数学、智能等不同学科出发，找到智能化的交互描线方法。首先，对不同的应用领域进行混合分割，改善分割效果，用交互方式在多种颜色并存的壁画上进行彩色图像的边缘分割，解决线描图不清晰、不准确的问题。其次，运用“基于样本学习”的方法，以艺术家绘制的大量样本作为样本库，用计算机分析壁画，将壁画图像中缺失严重的部分进行替换或者补充。[2]
（二）计算机辅助寺庙壁画着色
根据壁画中出现的不同构图元素，运用智能交互方式选择大致的着色区域，在该区域内运用特征点匹配的方法识别出构图元素的类型及其需要什么样的着色，精确选定着色区域。参照壁画色彩，进行类比和推理，以及样本库的经验，选择合适的色彩对选定区域进行着色。[3]寺庙壁画有着中国特有的运笔与晕染方式，基于这些方式，建设笔刷数据库和模型，模拟画家的运笔，使线条和着色呈现传统国画风格。
二、色彩演变智能模拟技术
阳曲县寺庙壁画历经千年，其色彩因外界因素影响不断变化，直至今日，色彩协调，观之和谐，有着自己独特的风格，但是与最初的色彩有着天壤之别。色彩的演变是一个持续的过程，未来也要继续演变下去。为了做好寺庙壁画的保护工作，需要对色彩演变进行模拟。引入数字技术，对色彩演变进行研究，开发壁画色彩演变模拟系统。该系统可引入外界因素对壁画色彩的作用，总结演变规律，预测壁画色彩的变化趋势。目前已经对阳曲县寺庙壁画进行保护，人们可以通过色彩演变模拟技术欣赏壁画的色彩千年以来的演变。
通过多年以来对壁画褪色机理的研究，结合阳曲县本地气候环境等影响因素，得知变色的出现，是因为颜料的化学物质被温湿度、光照、微生物等因素影响，慢慢发生演变，过渡到现在的色彩。褪色问题则是因为颜料分子脱落，长年累月的灰尘吸附，导致壁画的颜色从鲜艳到浅淡，从光亮变暗淡。运用智能技术建立以下模型：（1）壁画结构为层状，表面为粉尘层，中间是颜料层，底层为黏土层。（2）粉尘层与颜料层均为半透明。（3）计算机模型基于的分辨率，必须小于原始图像的数据。
基于以上壁画模型，提出变色、褪色的混色模型，其他复杂的混色模型可以将基础混色模型进行组合获取：（1）混色模型A：颜色1 盖在颜色2 上，颜色2 透过颜色1，两种颜色相混。（2）分辨率有限，多个点的颜色可以均匀混合成为计算机图像中的一个像素。
计算机色彩演变模型需要解决的问题有：（1）色彩的过渡曲线。对典型的中间色彩进行研究，找到其变色轨迹，轨迹上的颜色要求都为壁画色。（2）色彩映射。色彩的过渡曲线是研究单色演变轨迹的，还要考虑到一种色相的色块变化。（3）色彩协调。色彩协调使各个变色轨迹上的色彩在演变过程中进行协调。
三、计算机临摹辅助系统
（一）系统作用
计算机临摹辅助系统在壁画的修复与保护中起到极强的作用。该系统保存了描线图的参考样本，为艺术家进行修复性的临摹提供参考，避免传统耗时耗力风险大的方式。艺术家运用该临摹辅助系统，可以得到全部描线图，运用计算机展开实验性的壁画创作。临摹系统根据壁画构图元素数据进行计算分析，将缺失部分补足，帮助艺术家进行壁画修复，确定修复策略。
（二）系统组成
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边缘提取部分：将阳曲县寺庙壁画需要修复的部分输入计算机，对输入的图像进行边缘提取和图像分割，智能选取有用的边缘信息，略去无用的边缘信息，得到初步的线描结果。 -
矢量化部分：将已完成边缘分提取的图像进行矢量化处理，将边缘进行精细修改，有助于后续修复工作。 -
精修部分：对于效果不好的、有错误的、风格不对应的线描，运用智能交互技术将线条进行平滑度和风格的改良，最终得出满足修复要求的线描图。 -
着色区域选择部分：运用智能交互技术选择大致的着色区域，推断精确的着色区域。 -
颜色搜索部分：寺庙壁画所运用的色彩具有鲜明的特色，在这些符合特色的颜色中选取合适的颜色。 -
绘制部分：在笔刷库里选取合适的笔刷，选择正确的运笔方法进行晕染描绘，结合颜色搜索部分给出的颜色，得到精确的结果，在精确的区域内进行描绘。
（三）系统功能
首先，在技术水平上，突破传统人工手绘的形式，通过数字化的壁画图像还原，结合现代喷绘技术，避免了人工手绘修复时产生的误差，是对壁画的一种最好的保护；其次，将采集还原的图像信息结合现代数媒技术制作3D 全景小程序，将阳曲县寺庙壁画通过移动终端设备得以传播，推动地方旅游业的发展；最后，将提取纹样素材进行设计延展，制作系列地域性特色旅游产品，增加当地经济收入。
四、寺庙壁画修复与保护辅助系统
（一）系统作用
曲阳县寺庙壁画的修复与保护要考虑当地环境条件、壁画损坏风化的影响因素。计算机修复与保护辅助系统要具有对壁画进行损坏标注、病害分析、环境检测、虚拟修复、色彩虚拟演变展示等功能。该系统可辅助艺术家自由地查阅壁画信息，调阅整个县城的壁画资料、病害发生历史、研究报告、修复报告等一系列资料，帮助艺术家迅速找到壁画上的病害点。如果艺术家关心某种病害，则可以调取所有壁画上相同的病害资料，有助于调阅资料，统计病害情况，借鉴前人经验，进行科学分析。
（二）组成部分
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临境导视部分：将壁画存在的位置进行三维建模，可以运用AI设备在环境中漫游，观赏壁画，检视壁画病害位置。 -
病害标记部分：根据艺术家要求，在壁画上的病害区域进行标注，并提取病害相关资料，包括类型、原因、时间等。 -
病害分析部分：对壁画上病害产生的区域和随着时间发展变化的病害情况进行情况分析。 -
病害检查部分：修复人员运用VI 设备，对壁画进行身临其境的现场调查，并对病害原因进行讨论。 -
色彩虚拟复原部分：根据壁画色彩受外界环境影响的演变规律，复原壁画色彩。
（三）系统功能
采用现代数字化技术修复与传统技术相结合，在壁画修复工作方面突破传统人工手绘的形式，避免人工修复所产生的误差对壁画的二次破坏。利用现代平面数据高精度采集技术，对壁画全方位、大空间地进行系统化信息数据采集，充分考虑光线、空气湿度对壁画色彩的影响，结合文献资料的研究，将采集结果进行数字化处理，通过机械喷绘做到百分百的真实还原。
在文化创意设计推广方面，本课题在阳曲县寺庙壁画的修复过程中，利用现代数媒技术制作3D 全景程序，依托现代人常用的社交软件进行传播推广，在推广的过程中将提取的壁画图形进行设计延展，制作系列地域性旅游文创产品，从而带动当地的旅游及其他产业的发展，增加其财政收入。
五、结语
