数字化图案的意义（对敦煌壁画的数字化保护的意义）

数字化图案的意义 — 对敦煌壁画的数字化保护的意义

1.敦煌壁画数字化的意义

敦煌石窟壁画的数字化，首先是为了抢救敦煌石窟珍贵的文物信息，使之得以永久真实地保存;同时为敦煌学研究提供准确详细的信息资料;并可制作虚拟洞窟供游客欣赏参观，为缓解石窟开放的压力、保护壁画提供技术保障。

近年来，敦煌研究院针对石窟保护、考古以及壁画临摹等方面的文物数字化技术进行了研究，并结合“莫高窟保护利用设施项目”开展了三维洞窟和彩塑数字化的技术探索，取得了一些成果。

在石窟保护和修复工作中，引入壁画数字化技术应用于前期工作中的病害现状调查，用数字壁画图像代替传统的银盐胶片记录，并利用计算机生成线描底图，然后基于线描底图调查描绘壁画病害分布图，大幅度提高了保护工作的效率。

结合已有的壁画颜料以及变化的理化机理研究，研究了计算机可视技术形象表示壁画色彩变化的过程表达，成为壁画变色研究的重要辅助工具。

在石窟考古中研究中，利用壁画数字技术的成果，为考古工作提供高质量数字壁画图像，研究开展新型数字技术手段和信息集成方法。

2. 敦煌壁画数字化技术的研究

敦煌研究院对壁画数字化技术的研究始于1993年，目的是利用计算机数字化技术永久地、高保真地保存敦煌壁画彩塑的珍贵资料。在敦煌壁画的数字化作业中，实现高精度、色彩逼真的数字壁画采集、存储及处理，是数字敦煌的基础，也是所有数字壁画应用的基础。与虚拟漫游技术相结合，则不仅实现了洞窟的逼真重现，还可作用于引导浏览、查询详细的敦煌壁画资料。这两项技术的结合，便组成数字敦煌实现的核心。

敦煌研究院通过十多年与国内外计算机数字化研究机构的合作，完成敦煌石窟22个典型洞窟的数字图像，基于QuickTime VR技术的虚拟漫游洞窟42个;自2006年至今独立完成22个典型洞窟的数字图像，基于QuickTime VR技术的虚拟漫游洞窟7个。目前我院已经具备承担石窟壁画数字化工作的能力。

3.敦煌壁画数字化的技术原理

敦煌壁画数字化的技术原理是利用高精度数字相机分幅拍摄大幅面壁画，然后利用计算机技术拼接还原，从而达到大幅面壁画高精度数字化的目的。

4.敦煌壁画数字化技术的应用

壁画数字化成果的重要应用之一是数字化技术在游客管理中的应用。综合使用数字壁画图像制作虚拟洞窟游览、多媒体展播节目、多媒体展示等,为游客提供数字高科技服务。数字展示的重点是:将所获得的精选石窟的数字影像应用到媒体库中，从而使得人们能够自由、互动地探索拍摄下来的洞窟内容。这样一种互动的“浏览”既能对石窟的内部景观进行三维立体观览，又能对壁画艺术品和雕塑品进行细致观察。石窟虚拟漫游不仅使游客更好地了解到莫高窟的历史文化景观，而且使每位游客都可以通过“虚拟”媒体体验，对洞窟有更加直观的感受。在实体洞窟之外的虚拟洞窟系统作深入的展示将有效减少游客在洞窟参观时滞留的时间，提高游客接待能力，从而有效缓解洞窟保护和利用的矛盾，其最终的目的是保护壁画。

2008年，在中国美术馆举办的“盛世和光——敦煌艺术大展”和在天津博物馆举办的“丝路放歌——情系奥运”展览中，采用数字技术原尺寸复制的敦煌壁画给观众留下了深刻的印象。

5.敦煌壁画数字化工作规划

作为国家重点项目“敦煌莫高窟保护利用工程”的子项目，“敦煌莫高窟重点洞窟壁画数字化项目”计划在2010-2014年完成敦煌研究院管理的147个重点洞窟的壁画数字化工作，涉及壁画面积23706.75平方米，成本预算为人民币20,624,107.00元。

6. 敦煌壁画数字化工作的项目管理

项目执行过程中严格实施质量监督管理，并请专家组对项目成果进行检查和验收。在人力资源管理方面，采用金字塔管理结构，明确分工，各负其责。鉴于本项目工作的单一性和专业性等工作性质，计划成立壁画数字化项目团队，成员60人左右。

本项目具体工作可分解为洞窟测量扫描、前期摄影采集、后期图像处理，虚拟漫游(VR)制作。

7.敦煌壁画数字化工作团队

敦煌壁画数字化工作由敦煌研究院数字中心(同时也是国家古代壁画保护工程技术研究中心数字化研究室、古代壁画保护国家文物局重点科研基地数字化研究室)承担，本中心的主要职责是：敦煌石窟及相关文物数字化技术的研究与应用;扫描、拍摄、处理、编辑、存储、管理敦煌石窟文物图像资料信息等。目前，数字中心有高级职称3人，中级职称10人，初级职称7人，丰富的实践经验使数字中心可以独立完成石窟寺、古代土遗址、古墓葬、古建筑、近现代建(构)筑物的壁画及馆藏壁画的扫描、摄影采集、图像拼接等数字化工程。

对敦煌壁画的数字化分类

中国拥有世界壁画最多的石窟群——-莫高窟,榆林窟和西千佛洞,现在已经把麦积山石窟和龟茲石窟群统统列入敦煌石窟的范畴,它们以独特的艺术语言和表现技巧,在世界艺术之林中独树一帜,成为世界壁画领域盛开的一朵奇葩。但是，千百年来的传承是否将会毁于一旦?千百年后的人们何以领略莫高窟的神韵?的确是一个令人担忧和困惑的问题，敦煌壁画长期处在大西北恶劣的气候条件下，年复一年处于接连不断的旅游参观人群之中，湿度，温度和大气的污染等综合因素影响下，今天的敦煌壁画和70年前张大千临摹时的敦煌壁画已经不可同日而语，墙体的酥软程度加剧，壁画的颜色褪色甚至变色。

(一)敦煌壁画的两维数字化：

微软公司为敦煌莫高窟量身定制了十亿级像素“飞天号”数字相机系统，机身像21寸电视机，它最大的优势在于其软件的自动拼接功能和焦点合成技术，这些让“飞天号”能够用一幅照片就拍摄一个完整的中型佛龛。在“飞天号”使用之前，每位工作人员每天只能拍摄15张照片，使用“飞天号” 只需几个小时就可以完成一个中型佛龛的采集工作，而完成一张9平方米壁画的采集工作仅需要十几分钟。使用先进的数码设备，大大加快了敦煌石窟的数码拍摄进程，不久将面世新的“敦煌壁画数字艺术馆”，观众可用足够的时间参观和学习这些精美的敦煌壁画，如此，百年以后看到的壁画效果和目前的效果完全一致，这种将图像用数码喷绘技术打印而成的敦煌壁画被称为“两维数字化”。

(二)敦煌壁画的两维半数字化：

(1)先用高精度数码相机采集壁画图像，再把打印出来的成品裱贴到三维洞窟木模墙体和天棚上，就模拟了敦煌石窟内的场景，配上仿制的彩塑佛像，或立佛，或卧佛，就能让观众有身临其境的感觉，这种做法称为敦煌壁画的“两维半数字化”，在这方面敦煌研究所在“上海世博会”城市足迹馆做了尝试。

(2) 2011年末，上海印刷集团有限公司12人组成的科研团队，跨越4500公里，前往地处新疆龟兹洞窟，首次将3D复制技术用于复原龟兹壁画，在上海青浦的印刷集团的仓库内复原新疆龟兹洞窟中的一个洞窟，尺寸、造型、色彩都必须分毫不差。被“克隆”完成的一个龟兹洞窟，将再次运回新疆供当地常年展出。

(三)敦煌壁画的三维数字化：

(1)2011年12月24日在台北市松山文创园区举办“绘动敦煌”大展,把《阿弥陀净土经变》制作成原尺寸3D动画。画中的舞者、乐师、神、佛与吉祥动物，会随着音乐有不同的表情动作呈现。运用MOCAP动态捕捉摄影技术，更具立体感，人物表情、动作栩栩如生，令观众坠入时空隧道、穿越千年时空。

动画开始，只见一面斑驳的石泥墙，灰泥一片片剥落，此时笙竹妙乐扬起，胡旋舞者曼妙起舞，天宫乐器不鼓自鸣……原来，在斑驳石墙后方，隐藏了阿弥陀佛道场西方极乐世界的景象。原本只是静态的敦煌石窟壁画，透过当代数码科技，让画中一百五十九个人物“动”了起来，令人看得目不转睛，重现这幅初唐完成的《阿弥陀净土经变》原有的热闹风华。

这次展览结合美国、大陆的跨国制作团队，运用好莱坞MOCAP(动作撷取)动作捕捉技术、浮空投影制作技术、全像术制作技术、红外线互动感应技术等，把原本静态的敦煌壁画故事内容，透过数字技术与音乐，将实际动态影像与特效结合。另外也有以浮空投影技术结合真人拍摄与录制动作，呈现出飞天仙女的优雅美姿。

而在展览的最后，也以光雕投影的技术，投射出一尊佛像，民众可在佛像面前祈求健康、事业、爱情、财富、课业、人缘。观众可以对着他许下心愿，佛像会立刻反应互动，传送祈福手印，趣味十足。

(2)2013年7月17日，由香港贸易发展局主办的第24届香港书展在香港会议展览中心拉开帷幕。一项由城市大学互动视觉及体现应用研究室(A LiV E )、敦煌研究院及香港敦煌之友联合制作的3D展览。香港城市大学创意媒体学院院长Pro-fessor JefferyShaw为了这个展览，与团队30多人耗时6个月，以激光扫描技术实景拍摄7000多张高清照片，加上虚拟实境技术，将敦煌第220石窟北壁上的《东方净土》壁画呈现在观众眼前。

但此次展览依旧有些令人遗憾的地方。展览营造了360度环形的洞穴，却只能有北面一张壁画用了3D交互技术，此外，虽然有介绍诸如已失传的乐器，例如方响、杬阮、箜篌等唐代乐器，却空见其形，不能闻其声。

上述科研团队均采用了不同的三维虚拟技术，尝试保护，传承和宣扬敦煌石窟的壁画艺术。

至此，敦煌壁画的数字化到底采用哪种方式效果最佳，是二维数字化二维半数字化?还是三维数字化应该采用花费最少，效果最好的方式，尽快加速完成敦煌壁画的数字化，是我们这代人必须完成的“敦煌梦”。

对敦煌壁画的数字化保护方法

为了探索使用先进的信息技术保存古老的敦煌艺术，在国家自然科学基金的支持下，敦煌研究院与浙江大学合作，从1998年1月到2002年4月的4年多的时间里就“多媒体、智能技术与艺术复原”项目联合攻关，取得了以下研究成果：保护方面，数字化技术的应用将是永久性无损保存敦煌石窟艺术信息的新手段，为敦煌石窟的保护和修复提供有效的参考资料，通过人工智能与图像处理技术可探讨古老的壁画衰退演变的过程以及重现原貌;研究方面，研究者可快捷、清晰地检索相关图像;弘扬方面，运用虚拟漫游技术制作的虚拟敦煌石窟，将为游客欣赏敦煌艺术提供了在洞窟现场难以看到的实景，还可应用人工智能和图像处理技术创作敦煌风格的艺术作品和旅游纪念品，等等。

一　多媒体与智能技术集成

传统的智能技术以符号化的单维信息空间为基础，在抽象的逻辑推理上表现很强的推理能力，但缺乏对形象信息的推理能力。多媒体与智能技术集成，从事物的多媒体特征和认知心象两个角度理解事物的本质和内在变化，从而大大改善了计算机对事物描述和模拟变化的能力。

所谓多媒体特征，是对应用领域的多媒体信息特征的综合反映，体现了人们对多媒体信息的理解和认识，其目标是描述和刻画多媒体信息的内在语意，并定义其对应的操作。

所谓心象，是一个富有特色的心理过程，包括记忆心象和想像心象。它是在对同一事物或同类事物多次感知基础上形成的，具有一定的间接性和概括性。它能以自身的不断变化来模拟外在对象的连续变化，因而通常将它看成是外在对象表征的抽象类似物。

多媒体和心象特征从不同的层面和角度反映同一客观事物，它们分别构成多媒体处理技术和形象智能的核心。多媒体特征研究从具体技术开始，逐步寻找一种通用的理论模型;心象研究则起源于抽象的理论，且逐步向可计算的实现技术方向发展。两者有较一致的研究目标，理论上存在着很大的兼容和互补，因此，多媒体特征和心象的集成成为多媒体和人工智能技术集成的基础。

敦煌壁画的数字化技术研究中，利用多媒体与智能技术的集成模拟人类形象思维的过程，综合知识归纳、知识处理、类比推理和传统的图形、图像处理，解决敦煌壁画的色彩虚拟复原、敦煌风格图案创作以及敦煌石窟虚拟漫游等，这些技术环节，获得了满意的成果。

二　敦煌壁画的色彩虚拟复原

传统的艺术复原由富有经验的专家直接在艺术作品的原物上实施操作，所以操作失误的危险性很大，而且有些艺术作品复原难度很大，甚至根本无法恢复原貌。相比之下，计算机复原具有虚拟性和可重复性，无破损危险，也没有时间制约，所以计算机艺术复原可以作为原物复原的工作参考和方案评估。经典的计算机辅助艺术复原工具是交互式图形、图像处理软件，如PhotoShop、CoreDraw等，这些对图像的理解是用数学的方法模拟人对图像的感受，其处理的基本对象是像素，它的局限是只能表达和处理与领域无关的属性，如色彩、形状和纹理等。但是，人在修复艺术品时，不会单单想到像素点之间的关系，常常会更多地依据经验或类似的参照物进行处理。

在敦煌色彩的虚拟复原与演变模拟中，在经典图像处理技术的基础上，引入类比综合方法，并根据专家的经验知识和实验统计知识作为图像处理的约束条件，使复原的效果真实可靠。

敦煌壁画艺术色彩复原的处理的知识，包括经验知识、色彩约束以及类比知识等。经验知识是艺术家长期积累的经验，这类知识通过参考历史文献，查阅历史文档和图片总结得出的，它还包括壁画保护科学领域的知识，如颜料实验分析得到的颜料变色规律等。色彩约束知识是色彩搭配之间的规律，也称色彩协调规则。类比知识是来自壁画的知识。由于历史久远、环境条件的变化等，壁画已经变化很大，所以追溯壁画的原貌需要通过研究壁画，即那些新剥离和未变色的样点，也包括内容风格相似的完整壁面，建立类比参照。

敦煌壁画的色彩虚拟复原研究，面向石窟与壁画的应用需求，研究壁画对象分割、色彩复原和变褪色过程的演示，主要基于领域色彩知识的色彩分层和对象技术的提取，即智能化对象色彩分层、区域和边缘提取技术，将领域知识同传统提取技术相结合，使提取的效果更加合理有效;基于颜料知识、专家经验与类比综合方法的色彩转换技术，考虑纹理信息对壁画风格体现的重要性，应用综合推理合成纹理与色彩信息;基于色彩协调知识、色立体空间与敦煌色彩风格知识约束的色彩变化技术，考虑敦煌色彩的特殊性和演变的规律，提出孟塞尔色立体空间知识约束的色彩变换，按照色彩风格，提取敦煌壁画范例图案，存入色彩协调实例库，而后根据目标图案，从范例库中选取最相关的范例图案，寻找目标图案同源范例图案色彩协调知识之间的对应关系，应用于目标图案，使色彩具有整体性、一致性和连贯性。

三　敦煌风格图案的创作

每件艺术品的背后反映了艺术家在特定创作背景下的一种想法，体现了特有的主题，并有其独特的风格。风格主要体现在艺术作品的艺术表现形式上，主要表现为色彩、造型和布局等。艺术创作的过程可以分三步：创意、雏形和成形。所谓创意是艺术品创作中所进行的思维活动，实际上就是艺术家把自己想表达的思想具化到艺术品的表现形式上;艺术品的雏形是创意的物态化，是创意的继续和延伸，并且能够反映创作的内容;艺术品的成形，是对雏形的调整完善的过程，使其完整地表达创作思路和创作意图，是创作的最终结果。

针对艺术创作的特点，我们提出基于规则约束的图形处理技术，使得计算机可以模拟艺术家进行艺术的创作过程，其中创意实际上就是提出约束条件，雏形就是根据约束设计求解的过程，而成形则通过交互修改，得到最终的作品。这样，我们把艺术的创作视为约束满足，在给定一组特征(色彩、造型、布局)和约束的情况下，产生一个或多个特定风格的作品，并提供对细节修改的功能。

敦煌壁画的内容主要是佛教题材，很难用语意表达。我们从敦煌壁画的特征出发，提出基于风格模板的图案表达，即：

敦煌图案模板∶〈题材：元素：布局：色彩〉

壁画的主题决定了图案的内容和形式，壁画主题不同，表现方式也不尽相同，同一主题的壁画比较相近或相似。按照壁画的内容，把敦煌壁画题材分为七类：尊像画、故事画、神怪画、经变画、圣迹画、肖像画和装饰画，用风格树分别表示。

元素也称素材，是构成图案的基本单元，可以是一笔画，也可以是一朵花，甚至可以是一幅完整的风景画，只要是基本图案单元，就作为元素。因此，可以从语义信息、轮廓信息和色彩信息来描述元素。

元素语义特征用文字描述元素的类别，如区分为人物、植物、动物、建筑等。元素的轮廓特征是元素抛去其所采用的具体色彩而得到的形状。元素的色彩特征定义了元素的适用色、忌用色以及缺省用色的集合。

图案布局是一幅图案作品抛去所采用的具体色彩和特殊效果而抽象出来的图案变形与组合方式。

图案的色彩是图案使用的颜色，及其面积与分布，以及色彩之间的内在关系。

在图案形式化表达的基础上，交互进行基于模板的智能创作，利用图案样本集，从适用的元素类选取某元素，从适用的背景色集合中选取某种颜色，适当调整元素的位置，最后利用基于实例的推理方法，以图像处理技术为基础，从敦煌壁画图案中自动提取图案色彩协调知识中获取图案色彩协调的方案，对图案进行色彩变换，从而获得最后的创作图案。

四　敦煌石窟的虚拟漫游

敦煌石窟的虚拟漫游系统可展示的内容很广泛，有石窟外景、洞窟建筑结构、彩塑和壁画等。

石窟的外景漫游采用系列场景的系列照片，支持对敦煌石窟外部场景环视和贯穿式漫游，弥补了传统的基于全景图照片的虚拟现实技术只能跳跃式漫游的不足。利用这样一种模型，用户可以沿预先设计的路线移动，在特定的节点，用户可以在环行视场自由变化视角，如此，自由度就比较高，而且真实感大为提高。由于模型的数据要求较小，是目前的技术和设备条件下解决虚拟漫游的有效手段。

洞窟漫游模型采用了混合3D和2D建模，石窟的建筑结构应用传统图形学三维建模方法，并将壁画进行纹理贴图。对洞窟内的彩塑，为了克服复杂立体建模，采用基于图像的二维建模方法，针对敦煌彩塑的特点，在传统基于特征线的图像变形技术中加入了基于视点头变换的考虑，引入位置特征线的概念，使得场景中彩塑的绘制效率得以提高，结果图像也更逼真。彩塑阴影采用了基于知识综合推理的方法，通过场景阴影知识类比计算阴影，克服了传统的根据物体的三维模型计算场景阴影的复杂性和基于二维图像的虚拟现实技术无法生成合理的彩塑阴影的弊端，可以模拟动态光照条件下的真实感效果。