摘 要：古代壁畫以其較高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值而廣泛受到關(guān)注。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)在壁畫類文物保護(hù)中的應(yīng)用日益普及，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。文章首先闡述了文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)的概念；其次從數(shù)字化存檔、數(shù)字化修復(fù)和數(shù)字化展示三個(gè)方面綜述了數(shù)字化技術(shù)在壁畫類文物保護(hù)中的研究進(jìn)展；最后簡(jiǎn)要討論了數(shù)字化技術(shù)在壁畫保護(hù)中的其他應(yīng)用以及未來展望。

關(guān)鍵詞：壁畫保護(hù)；信息采集；虛擬修復(fù)；數(shù)字化展示

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.15.009

壁畫作為古代人類創(chuàng)作的藝術(shù)珍品，記錄了當(dāng)時(shí)政治、經(jīng)濟(jì)、宗教和審美等多個(gè)方面的歷史情況，對(duì)于了解古代社會(huì)具有重要意義。然而，受自然和人為因素的影響，許多壁畫均受到不可逆的破壞，為文物本體的保護(hù)與修復(fù)帶來巨大挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)為我國(guó)古代壁畫的保存與保護(hù)提供了有效的途徑和手段。

數(shù)字化技術(shù)在壁畫文物保護(hù)中的應(yīng)用可分為四個(gè)方面，包括數(shù)字化存檔、數(shù)字化修復(fù)、數(shù)字化展示和其他數(shù)字化信息的應(yīng)用。其中數(shù)字化存檔為壁畫的研究提供了數(shù)據(jù)支持；數(shù)字化修復(fù)重現(xiàn)了壁畫原有的風(fēng)貌；數(shù)字化展示促進(jìn)了壁畫遺產(chǎn)文化交流與傳播；其他數(shù)字化信息應(yīng)用則能更深度挖掘壁畫的內(nèi)涵。本文將從數(shù)字化存檔、數(shù)字化修復(fù)和數(shù)字化展示三個(gè)方面探討數(shù)字化技術(shù)在壁畫保護(hù)中的研究與應(yīng)用。

1 數(shù)字化保護(hù)概述

文化遺產(chǎn)數(shù)字化的意義在于利用現(xiàn)代測(cè)繪、遙感和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，記錄、保存和保護(hù)文化遺產(chǎn)，同時(shí)促進(jìn)研究、教育和交流，使其更容易被傳播和共享，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用為文化遺產(chǎn)的利用和傳承提供了新的可能性①。文化遺產(chǎn)數(shù)字化的研究對(duì)象包括物質(zhì)文化遺產(chǎn)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，研究?jī)?nèi)容則涵蓋了數(shù)字化信息的采集、記錄與保存、數(shù)字化信息的復(fù)原與再現(xiàn)以及數(shù)字化信息的展示與傳播等方面。

利用數(shù)字化手段記錄文化遺產(chǎn)全貌，不僅可以避免文物在面對(duì)各種負(fù)面因素時(shí)數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，還可為后續(xù)研究提供必要的技術(shù)支持。同時(shí)，基于采集的信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并運(yùn)用人工智能技術(shù)提高資源檔案的處理效率和傳播流程②。對(duì)于已經(jīng)受損或消失的文物，通過數(shù)字化手段重新呈現(xiàn)其形貌，有助于人們更好地理解文化遺產(chǎn)的真實(shí)面貌。此外，對(duì)于一些需要特定環(huán)境才能展現(xiàn)其真實(shí)語義的文物，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重建其外觀及所處環(huán)境，有助于深入認(rèn)知其內(nèi)涵。數(shù)字化展示與傳播突破了時(shí)間與空間的限制，使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能方便獲取所需信息，各種展覽方式也增加了觀眾的觀賞興趣。

2 數(shù)字化存檔

就考古或文物保護(hù)工作而言，信息的收集和記錄是最為關(guān)鍵的任務(wù)。壁畫類文物的信息包括圖像信息和非圖像信息。在傳統(tǒng)考古工作中，這些信息的收集與記錄通常需要耗費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力等資源，而數(shù)字化記錄的方式可以高效集中完成常規(guī)記錄工作，并將大量數(shù)據(jù)后處理工作分配到室內(nèi)進(jìn)行③。

2.1 圖像信息的獲取

壁畫的圖像信息可分為色彩、二維圖像和三維圖像。壁畫色彩信息的采集手段目前主要有兩種：一是利用色度儀記錄畫面各處的顏色信息。常用的色度儀是分光光度儀，通過測(cè)量光源的光譜功率分布或物體反射光的光譜功率，計(jì)算顏色的三刺激值，從而獲取各種顏色參數(shù)④。二是利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)在獲取壁畫圖像信息的同時(shí)，采集壁畫的顏色信息。由于光照條件、相機(jī)參數(shù)和顯色設(shè)備等因素的影響，色彩可能會(huì)存在失真。為解決這一問題，需要利用色彩管理軟件和標(biāo)準(zhǔn)色卡為數(shù)碼相機(jī)創(chuàng)建顏色校正特性文件（ICC特性文件），并對(duì)偏色圖像進(jìn)行校正⑤。

使用攝影設(shè)備結(jié)合照明設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壁畫高清數(shù)字影像的采集。根據(jù)方法的不同，拍攝可分為可見光照相、顯微照相和紅外照相?？梢姽庹障嘤糜讷@取壁畫整體的圖貌信息。在實(shí)際拍攝中，對(duì)于小幅壁畫可以一次性整體拍攝；而對(duì)于大幅壁畫，為了保證圖像質(zhì)量、避免鏡頭畸變的影響，需要分塊拍攝，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行拼接，以完成整幅壁畫的采集⑥。顯微照相能夠提取壁畫更為細(xì)致的信息，如細(xì)節(jié)紋理、顏料顆粒度、繪畫痕跡和霉菌等。相較于可見光，近紅外光更容易穿透某些顏料，因此利用近紅外相機(jī)可以發(fā)現(xiàn)裸眼較難觀察到的線條⑦。

壁畫二維圖像的重建主要依賴于可見光拍攝的數(shù)碼相片。重建過程可進(jìn)一步分為色彩校正、幾何校正和圖像拼接等步驟。幾何校正的目的在于消除拍攝條件對(duì)圖像造成的各種幾何變形。鏡頭畸變的校正可以通過光學(xué)方法與數(shù)字圖像處理技術(shù)兩種途徑實(shí)現(xiàn)：光學(xué)方法設(shè)計(jì)復(fù)雜，誤差不可避免，且該方法難度大、成本高，不適合大規(guī)模使用；而數(shù)字圖像處理技術(shù)能簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的幾何畸變校正，以滿足測(cè)量要求⑧。完成幾何校正后，即可對(duì)分塊采集的數(shù)字圖像進(jìn)行拼接，圖像拼接涉及圖像處理、圖像配準(zhǔn)和圖像融合等數(shù)字處理技術(shù)。當(dāng)前常用的圖像匹配方法包括頻域匹配、區(qū)域匹配和特征匹配。目前，基于特征點(diǎn)拼接的圖像拼接方法被廣泛采用，其通過計(jì)算圖像特征點(diǎn)的位置關(guān)系來求解圖像的變換關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像的拼接。這一方法具有計(jì)算速度快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠獲得較好的拼接效果⑨。除了拼接算法，還常使用圖像處理軟件調(diào)整多張拼接圖像的尺寸，然后手動(dòng)進(jìn)行圖像拼接。

利用數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建壁畫三維模型的方法主要包括基于二維圖像的三維重建和基于三維激光掃描儀的三維重建兩種。在基于二維圖像的方法中，由于照片等記錄的僅為二維信息，需要額外的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)化。目前常用的方法是基于多目視覺理論，通過多個(gè)攝像機(jī)獲取被測(cè)物體的多幅圖像，并計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，以獲取物體的三維幾何信息。其中，立體匹配是關(guān)鍵問題之一，要求特征提取能準(zhǔn)確反映物體外貌特征并具有高匹配精度⑩。基于二維圖像的三維重建成本低、效率高，但對(duì)于復(fù)雜壁畫環(huán)境存在數(shù)據(jù)匹配困難和控制點(diǎn)設(shè)定難度大的問題k。三維激光掃描技術(shù)是一種高精度、快速獲取物體三維幾何數(shù)據(jù)的新型技術(shù)l，在數(shù)據(jù)采集過程中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，并結(jié)合測(cè)距儀和全站儀建立控制網(wǎng)，以滿足測(cè)量要求，并確保合理布局和適當(dāng)數(shù)量的控制點(diǎn)，以減少測(cè)量次數(shù)m。其次使用三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后三維激光掃描儀只能獲取點(diǎn)云幾何信息，無法獲得建筑場(chǎng)景的真實(shí)高精度紋理信息，因此還需使用數(shù)碼攝像機(jī)獲取對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的紋理信息?；谌S激光掃描儀的方法適用于復(fù)雜壁畫環(huán)境，不受實(shí)體曲面復(fù)雜度影響，但成本較高，不便于現(xiàn)場(chǎng)快速采集數(shù)據(jù)，并可能對(duì)特殊文物造成損傷n。

2.2 非圖像信息的獲取

在非圖像信息中，壁畫所處行政區(qū)域與經(jīng)緯度信息可以通過使用互聯(lián)網(wǎng)地圖與衛(wèi)星圖像快速獲取o；環(huán)境信息通常通過遠(yuǎn)程無線傳感環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)；壁畫的結(jié)構(gòu)信息除通過裸眼觀察外，還可使用空間信息重建測(cè)量工具估計(jì)壁畫的厚度和不同層次的尺寸，同時(shí)使用各種便攜式設(shè)備對(duì)各層進(jìn)行無損分析p；顏料和膠料成分通常使用便攜XRF、便攜拉曼、便攜紅外等設(shè)備進(jìn)行考古現(xiàn)場(chǎng)初步分析，隨后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行詳細(xì)分析檢測(cè)；壁畫病害調(diào)查首先需要詳細(xì)記錄病害的種類、程度和范圍，然后綜合局部調(diào)查與相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)果，評(píng)估壁畫的病害狀況q。

識(shí)別和標(biāo)注壁畫的病害信息主要有兩種方法：其中傳統(tǒng)方法是基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和拍攝的圖片，利用矢量化后的影像在軟件中手工繪制病害圖，需耗費(fèi)大量時(shí)間和勞動(dòng)力，且受主觀因素影響；另一種是利用數(shù)字化信息和算法直接獲取文物病害圖，這種方法不易受主觀因素的影響且效率高，同時(shí)還能為文物修復(fù)、完善、保護(hù)方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)r。病害標(biāo)注常用濾波算法、形態(tài)學(xué)算法、閾值分割和濾波變換等s，但特定的算法針對(duì)特定的病害信息，目前幾乎沒有一種算法能夠直接標(biāo)注壁畫中出現(xiàn)的所有病害信息。

3 數(shù)字化修復(fù)

數(shù)字化信息采集為壁畫的虛擬修復(fù)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的壁畫修復(fù)方法需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專家進(jìn)行分析、臨摹、補(bǔ)色等操作，耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，并受主觀因素影響。數(shù)字圖像修復(fù)處理是指利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)修復(fù)殘缺圖像，旨在使圖像完整并符合人類視覺體驗(yàn)。利用圖像修復(fù)技術(shù)還原破損壁畫，可實(shí)現(xiàn)虛擬修復(fù)和虛擬展示，同時(shí)為后續(xù)人工修復(fù)提供參考依據(jù)。數(shù)字化修復(fù)具有追溯性，可一定程度上避免人工修復(fù)造成的不可逆?zhèn)Γ瑢?duì)壁畫文物保護(hù)至關(guān)重要t。

3.1 壁畫的損害類型

壁畫的保存狀況可大致分為機(jī)理?yè)p壞、結(jié)構(gòu)損壞和內(nèi)容損壞三個(gè)方面u。機(jī)理?yè)p壞指受損區(qū)域僅涉及色彩和紋理信息的缺失，通常表現(xiàn)為非造型部位的泥斑、裂縫、起甲，損害程度最為輕微，這種情況可通過數(shù)字化修復(fù)技術(shù)直接進(jìn)行修復(fù)。結(jié)構(gòu)損壞則是指受損區(qū)域的造型信息遭受缺失，但仍可通過畫面自身信息或其規(guī)律進(jìn)行推斷修復(fù)，同樣可借助數(shù)字化直接進(jìn)行修復(fù)，然后由專家觀察并評(píng)定修復(fù)結(jié)果，討論是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。內(nèi)容損壞是指損壞區(qū)域的信息無法通過畫面已知畫面信息推斷，需要依靠相關(guān)資料考證、推測(cè)和借鑒來修復(fù)畫面內(nèi)容信息，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)在這方面效果有限，但引入深度學(xué)習(xí)使內(nèi)容損壞的壁畫得以在自動(dòng)修復(fù)方面成為可能。

3.2 數(shù)字化修復(fù)方法

在傳統(tǒng)數(shù)字圖像修復(fù)方法中，基于偏微分方程的圖像修復(fù)算法利用熱擴(kuò)散原理，通過迭代計(jì)算偏微分方程對(duì)圖像進(jìn)行建模和求解，將已知圖像的像素信息擴(kuò)散至未知圖像，實(shí)現(xiàn)圖像修復(fù)。其中，全變分（Total Variation，TV）模型v是一種典型的修復(fù)模型，該方法適用于修復(fù)較小面積的圖像缺損，在處理較大面積缺損的圖像時(shí)，由于缺乏全局信息，修復(fù)效果往往不盡如人意?；诩y理合成的圖像修復(fù)方法是利用有限的搜索空間，在填充紋理之間尋找相似度高的壁畫塊來修復(fù)破損圖像。該方法通過選擇最佳匹配塊，在圖像完好區(qū)域進(jìn)行復(fù)制填充，實(shí)現(xiàn)對(duì)破損圖像塊的修復(fù)。其中Criminisi等人w提出的樣本合成算法是代表性修復(fù)技術(shù)。針對(duì)修復(fù)較大面積的破損壁畫和延伸紋理方面，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像修復(fù)方法已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。然而，這些方法難以準(zhǔn)確獲取圖像的全局結(jié)構(gòu)和語義信息。Olshausen等學(xué)者x在圖像處理中應(yīng)用了基于稀疏表示的圖像修復(fù)算法，該方法的理論基礎(chǔ)源于信號(hào)采樣的壓縮感知理論，利用極少量的字典原子對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)稀疏表示。稀疏表示的關(guān)鍵步驟包括OB9vw6wgG3QxxX2Lzap5VQ==求解稀疏系數(shù)以及進(jìn)行字典學(xué)習(xí)和更新。通過不斷更新字典和稀疏系數(shù)，能更好地捕捉圖像中的細(xì)微特征，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的修復(fù)和恢復(fù)工作。然而，在修復(fù)大面積破損壁畫圖像時(shí)，該方法仍存在一定局限性。

傳統(tǒng)圖像修復(fù)方法依賴于圖像的先驗(yàn)信息來填補(bǔ)缺失的像素，在壁畫小范圍受損時(shí)這種方法通常能取得較好的效果；但是，在面對(duì)大面積破損時(shí)，傳統(tǒng)算法因其難以捕捉到足夠的上下文信息來準(zhǔn)確還原圖像的細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致難以精確恢復(fù)完整圖像。近年來，深度學(xué)習(xí)在圖像處理領(lǐng)域表現(xiàn)出色，尤其在壁畫圖像修復(fù)方面，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的方法得到了廣泛應(yīng)用y。盡管深度學(xué)習(xí)在處理圖像的全局結(jié)構(gòu)和語義方面具有優(yōu)勢(shì)，但其泛化能力和收斂性仍面臨挑戰(zhàn)。

4 數(shù)字化展示

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化展示是指利用多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段，創(chuàng)造虛擬場(chǎng)景來呈現(xiàn)文化遺產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其保護(hù)和傳播的目的z。通過多媒體集成、數(shù)字?jǐn)z影和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)，數(shù)字化展示可在不干擾文物本身情況下，完整地展示文物的形貌信息，突破時(shí)空限制，最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)文化遺產(chǎn)資源的有效利用。同時(shí)，觀眾的互動(dòng)性和趣味性也得到顯著提升。

壁畫數(shù)字化展示的方式主要包括3D展示、動(dòng)畫展示和虛擬現(xiàn)實(shí)展示等。我國(guó)在這方面已取得了一系列成果，如1998年末敦煌研究院與美國(guó)西北大學(xué)合作開展的名為“數(shù)字化敦煌壁畫合作研究”項(xiàng)目，山東曲阜孔廟建立的虛擬實(shí)景漫游模型系統(tǒng)，故宮博物院以及其他博物館和文物單位相繼建成的高性能的數(shù)字化系統(tǒng)等。三維動(dòng)畫是利用電腦軟件或視頻等工具展現(xiàn)三維物體運(yùn)動(dòng)原理和過程的新技術(shù)。目前，我國(guó)已應(yīng)用多種三維動(dòng)畫技術(shù)，通過3D建模和高質(zhì)量的材質(zhì)貼圖，實(shí)現(xiàn)了音畫結(jié)合的壁畫展示。除了壁畫，2018年“清明上河圖3.0”高科技互動(dòng)藝術(shù)展演的盛大開幕，該展運(yùn)用超高清數(shù)字互動(dòng)、全息投影等多項(xiàng)前沿技術(shù)，生動(dòng)展現(xiàn)了北宋汴京的社會(huì)風(fēng)情，在眾多國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)策劃中脫穎而出。2016年被譽(yù)為VR/AR元年，我國(guó)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，催生了多種形式的應(yīng)用。由于其具備虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和多感官體驗(yàn)等特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升了觀眾在參觀壁畫時(shí)的沉浸體驗(yàn)。以敦煌莫高窟為例，VR敦煌逐步通過虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展示了莫高窟700多個(gè)洞窟、2000多身彩塑、45000平方米壁畫，讓更多人體驗(yàn)敦煌千年的佛教藝術(shù)，為保護(hù)和傳承文化遺產(chǎn)做出新的探索。

5 結(jié)語

基于提取的壁畫的數(shù)字化信息，除了進(jìn)行壁畫的病害標(biāo)注、數(shù)字化修復(fù)和數(shù)字化展示等，數(shù)字化保護(hù)還可在多個(gè)方面展開應(yīng)用與探索。例如，基于現(xiàn)有的數(shù)字化信息建立壁畫圖像、顏色、病害等不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，為壁畫的研究與修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持；通過分析古代礦物顏料成分，結(jié)合當(dāng)今化學(xué)研究成果，重現(xiàn)壁畫千年前的真實(shí)色彩；通過收集不同時(shí)期的壁畫的特征，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁畫的斷代識(shí)別等。

傳統(tǒng)的壁畫保護(hù)技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、寬帶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，能夠?yàn)楸诋嫳Ｗo(hù)提供更有力的手段。然而，數(shù)字化保護(hù)技術(shù)仍然面臨著挑戰(zhàn)，未來的研究可以從以下三個(gè)方面展開：首先，在基礎(chǔ)研究層面，建立完整的壁畫數(shù)字化保護(hù)知識(shí)體系，為其提供全面系統(tǒng)的理論支持；其次，在技術(shù)層面，需要持續(xù)深化計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科的研究水平，改進(jìn)現(xiàn)有數(shù)字保護(hù)技術(shù)，并開發(fā)新技術(shù)；最后，在應(yīng)用方面，廣泛吸納其他學(xué)科領(lǐng)域的先進(jìn)科研成果，依托多學(xué)科合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，更好地實(shí)現(xiàn)文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承。

注釋

①⑩n周明全，耿國(guó)華，武仲科.文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2011.

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