“数字拓片”构想及实验研究，本文主要内容关键词为：拓片论文,实验研究论文,数字论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：J323 文献标识码：A 文章编号：1009-3060(2011)03-0082-07
目前，将现代科学技术应用于文化遗产保护领域正成为国家文物保护工作的重要策略[1]。随着计算机技术的普及与广泛应用，它在文物保护工作中也发挥着越来越重要的作用，其利用途径及方式也丰富多样。“数字拓片”的构想与实验研究正是在这样的时代背景下产生的。本文将主要围绕石刻拓片的相关问题展开讨论。
一、“数字拓片”的概念
数字拓片是指利用计算机图像处理技术，对浮雕物(如石刻)本体的数字照片进行图像处理而获得具有传统拓片视觉特征的数字图像。“数字拓片”不同于“拓片数字化”。拓片数字化是运用计算机技术，将传统拓片的影像数据以数字信息方式存储，从而使传统拓片实现形式上的另一种转换。两者虽然均属于拓片范畴，且都涉及到运用计算机技术，然而它们却有着完全不同的涵义。拓片数字化是基于原始拓片本身，而数字拓片则是基于浮雕物(如石刻)本体的数字照片。
二、研究“数字拓片”的目的及意义
拓片作为我国特有的传统艺术形式，是中华文化的艺术瑰宝，具有很高的审美价值和历史文化价值，然而拓片也面临着一些尴尬问题：
第一，传统手工方式拓制拓片与石刻文物保护之间存在矛盾。拓片的制作需要用蘸有墨汁的拓包在仅隔着一层薄薄宣纸的刻有文物的原石或器物上进行捶打，这必然会对拓制对象造成一定的损害，特别是对于那些年代久远、已经成为珍贵文物的石刻，由于其自身非常脆弱，以传统的拓制方法来制作拓片，有可能会对它们造成毁灭性的损害。因此，出于对文物保护的目的，有必要限制在文物上进行拓制的行为，国家和相关部门已用法规的形式对此类行为明文禁止。然而这在一定程度上又限制了某些依赖于拓片进行专门研究工作的开展。比如拓片图像所呈现出的独特鲜明的黑白形式、图底关系、形状轮廓等视觉信息对艺术领域的造型、构图等研究有着特殊的价值和意义，而这些特征是普通照片所不具备与无法替代的。
第二，传统拓片的制作过程对环境有较高的要求，容易受到天气条件、地理环境等客观因素的制约，拓制对象的大小与类型也会对拓片制作工作造成影响。尤其对一些处在复杂环境中且体型巨大的高浮雕作品来讲，要想成功地制作它们的拓片，的确是一件相当困难的事情。如果遇到大风、大雨等恶劣天气情况，拓制工作更是无法开展。这种“看天吃饭”的模式，势必给拓制工作的正常进行带来诸多麻烦。
第三，要想采用传统拓片制作工艺拓制出高质量的拓片，不仅需要耗费专门的人力和物力，而且也对若干技术环节提出了相当高的要求，比如纸张的厚度、拓制时纸张的湿润程度、拓制力度的大小、拓制的方式和手法等。所有这些环节都要求拓制人员对之有充分的考虑和控制，唯有如此才可能确保制作的拓片能如实体现原物表面的细微变化，获得理想效果。这项工作是一个既细致又耐心的过程，只有“慢功”才能出“细活”。在当前文博单位人力、财力都相对紧张的情况下，这无疑增添了很大的工作量。
第四，采用传统拓片制作工艺拓制某些造型奇特的原始文物时，实物本体不规则的形态外貌不仅会给拓制工作带来困难，而且会使制作出来的拓片图像产生比较明显的变形，从而影响拓片对原石器文物造型的准确反映。同时，许多文字拓片为了避免字口变粗，字形变得松散，都尽量保持拓片原始凹凸起伏的变化，不主张对其进行托裱。这种保存方式对环境的要求极为苛刻，一方面单薄的拓片用纸在历经较长时间的存放后，纸张纤维会出现老化现象而变得异常脆弱；另一方面，要保持好拓片的原始凹凸感是不容易做到的，任何一次挤压和搬动，都不可避免地会造成拓片现有状态的改变。因此，寻找一种相对稳定、不易变形的拓片形式也是十分必要和迫切的。
第五，在新的时代环境下，作为我国宝贵文化遗产的传统拓片制作工艺，应该受到充分的重视并加以有效的保护。数字拓片的研究将致力于利用现代计算机技术来建立一个规范的、可以量化的拓片制作标准，使原本较为复杂、繁琐、耗时费力的传统拓片制作工艺程式化、科学化，使拓片的制作变得更为简单、快捷且易操作。数字拓片的研究立足于以一种新的思想与观念去探索拓片艺术的弘扬、发展及利用。
当代的计算机技术，在诸如水粉水彩画仿真、油画仿真、三维场境模拟等方面已经取得了卓有成效的研究成果。近年来，陆续有研究者开始尝试将计算机技术运用到中国传统文化艺术领域中，试图寻找一种能更加有效地服务于我国文化遗产研究需求的方式与途径，于是出现了水墨画的仿真、书法的仿真、剪纸效果的仿真研究等等。除此之外，以“敦煌壁画和石窟艺术”为中心而展开的一系列研究(如敦煌壁画数字化修复和保护、敦煌壁画虚拟展示、敦煌石窟漫游、敦煌壁画检索等)也充分体现了计算机技术在中国传统艺术领域应用的深化，为我国的文化遗产保护作出了积极有益而又意义深远的探索[2]。
目前在全国范围内利用计算机技术，将“拓片”作为中心对象开展的研究工作还非常稀少，可查证且具有一定代表性和影响力的研究仅有中国国家图书馆牵头组织的“中文拓片资源库”建设工程[3][4]。该工程主要致力于拓片的数字化，即对馆藏原拓和拓片出版物进行影像捕捉，并用计算机技术建构拓片资源数据库，以此为国内外读者和研究机构提供拓片的检索查询和浏览服务。该课题对现有拓片资源的有效管理、广泛传播、合理应用及永久性保存等有着重要意义[5]。
然而就如何利用计算机技术制作数字拓片，以解决传统拓片制作方法带来的诸多问题方面，目前还没有任何机构与个人涉及到这一领域。本文所进行的数字拓片研究，就是试图找寻一条解决这一问题的思路和方法，通过将计算机技术引入到中国传统拓片制作领域，推动拓片艺术的创新与发展，使数字拓片成为传统拓片艺术形式的一种有益和必要的补充。
三、“数字拓片”研究的总体思路
数字拓片是传统拓片的延续、发展及补充，是计算机技术应用于传统视觉艺术领域的一次新的尝试。“数字拓片”研究的总体思路主要包括：
1.两个主要任务
第一步的任务如图1所示，是寻找实现数字拓片的关键技术；第二步的任务是实现数字拓片方法的自动化。任务一需要选择现有多种图像处理软件，并通过反复比对修改补充实验来选择制作数字拓片的关键技术。任务二需要在分析选定的数字拓片技术原理的基础上进行相关算法设计，并通过编程工具实现算法；除此之外，还需要设计一个可供用户方便使用的交互式操作界面，通过它可以使数字拓片的制作变得更为简单、便捷。
2.一个重要问题——数字拓片的可信度
在本论文中，所谓可信度就是指数字拓片与手工拓片的相似程度，它是评判数字拓片研究是否具有价值和意义的基本前提。因此，设法确保数字拓片具有较高的可信度是本研究必须解决的一个重要前提。
图1 “数字拓片”研究的总体思路
四、“数字拓片”研究的主要方法及实验结果
寻找实现数字拓片生成方法的实验工作量是非常巨大的，在整个实验过程中，我们依照先易后难、先粗后精的原则，以寻找实现数字拓片的思路和方法为线索，先通过与传统手工拓片样本进行感性比对，建立一个粗略的数字拓片大样，然后再用理性分析的方法，对实现的各个关键环节进行改进，对流程和算法深入修改补充，逐步提高生成数字拓片的精度。
就计算机制作工具而言，在寻找制作“数字拓片”关键技术的过程中，我们主要借助目前使用最广泛、也最普及的数字图像处理软件photoshop来辅助完成，而在实现“数字拓片”方法自动化的任务中，则主要利用了MATLAB软件来实现。
1.利用Photoshop数字图像处理软件作为制作工具进行若干比对实验，帮助寻找制作“数字拓片”的关键技术[6]
为了确保数字拓片的可信度，使其尽可能达到拓片独特的视觉特征，我们采用了以下方法：
(1)提取拓片图像基本特征，并始终以它作为制作数字拓片的基本依据。
通过对传统手工拓片图像(如图2)及拓片制作工艺进行研究，我们总结出“数字拓片”应该满足的基本图像特征为：①具有强烈反差的黑白图像；②拓片图像黑色区域内部呈现丰富的、大小不等的颗粒变化(肌理美)；③黑、白两种颜色的分布规律总是遵循：拓片图像中的黑色通常为浮雕物(石刻)的凸起部位；白色则通常为浮雕物(石刻)的凹陷部位；④平面性、均匀性(与光照条件无关，因而也没有光照不均导致的明暗差异、无阴影)。
图2 泸县宋墓石刻手工拓片及局部肌理
(2)“样本比对”法
“样本比对”法要求在进行“数字拓片”的多次生成实验时，必须严格参照与之相对应同一实物的“手工拓片”，如图3所示。
就样本采集而言，为了满足实验的需要，又不至于对珍贵的文物造成损坏，我们充分发挥艺术专业特长和优势，先用泥土、石膏仿制了泸县宋墓石刻的浮雕小模型作为原始文物的替代品(图4)，再手工拓制了浮雕模型的拓片；除此之外，为了增加样本数量，我们还拓制了其他形式“浮雕实物”(如各种金属钱币、雕刻的器物等)的拓片作为样本参与实验(图5)。
图3 样本比对方法的示意
图4 仿泸县宋墓石刻的小模型及其手工拓片
图5 其它浮雕实物及其手工拓片
(3)“数字拓片”的关键技术
通过分析拓片图像的典型特征，并严格依照样本比对原则，以数字图像处理软件为主要制作工具，在经过多次反复试验及验证后，我们最终确立了将石刻图像制作成为“数字拓片”的关键技术，主要包括二值化、色度反转、图像滤波增强、图像融合等。
①通过“二值化”处理获得黑白颗粒及其所组成的图像。
二值化就是将有256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值(界限值)选取而转换成黑白二值图像。如图6所示，是我们运用图像二值化方法对石刻图像(a)进行处理后，获得黑白颗粒及其所组成的图像(b)，该图像在色调特征方面就由原来的连续色调变成了非连续色调，从而具有拓片图像的肌理感。
②通过“色度反转”将凹黑凸白的颜色分布转换成凸黑凹白的特征。
色度反转处理是指将图像中黑、白二色作特征互换，即原来的黑色变为白色、白色变为黑色。如前所述，图像经过二值化处理后，获得如图6(b)所示的黑白效果，但此时凹黑凸白的特征与拓片图像凸黑凹白的特征恰好相反。因此，我们对它进行色度反转处理，使其符合拓片图像的黑白分布规律，如图6(c)。然而此时所得图像只是简单趋近了拓片特征，还存在光照不均及黑色背景两个问题需要进一步解决。
图6 二值化与色度反转处理效果示意
③通过“图像滤波增强”消除光照不均。
在石刻图像数字照片的采集和传输过程中不可避免会产生噪声，造成图像质量下降，直接影响后续图像处理的效果。石刻图像的光照不均是影响数字拓片质量的主要因素。如图7所示，初步得到的数字拓片(a)呈现出明显的区域性光照不均现象，不符合一般手工拓片图像的平面性特征。为了解决这一问题，需要对它作滤波增强处理，以突出制作数字拓片所需要的有用信息，并削弱或去除影响图像质量的干扰信息。数字拓片(b)是经过图像滤波增强处理后的效果图，它满足了拓片的平面性特征。
图7 图像增强解决光照不均
④通过“图像融合”法去除黑色背景。
图像融合也即图像合成，通过对两幅大小、类型均相同的图像作加运算，可以获得一幅新图像。我们采用该方法达到去除图像黑色背景的目的。如图8所示，(a)(b)两图在执行图像融合处理后，图(b)目标模板被叠加到原图(a)上，从而获得一幅去除了黑色背景的数字拓片新图像，如图(c)。而图8(b)中用于图像融合的目标模板则是通过一系列算法所得，主要涉及对比度拉伸、Otsu二值化、色度反转等方法。图9是求取目标模板的过程示意。首先，对石刻图像进行对比度拉伸，以此增强目标石刻与黑色背景的亮度反差；然后用Otsu二值法计算出最佳阈值(界限值)，并按照该阈值将该图像二值化，即图像中凡是灰度值大于该阈值的像素就被处理成白色，凡是灰度值小于该阈值的像素就被处理成黑色，这样便形成了一幅目标为白色、背景为黑色的图像，以便有效地提取出目标石刻图像的轮廓及形状；最后通过色度反转处理获得目标模板。
图8 图像融合去除黑色背景
图9 求取目标模板的过程示意
2.利用MATLAB及其编程语言实现算法及创建可视化用户界面，从而实现“数字拓片”的自动生成[7]
(1)算法实现
借助photoshop图像处理软件，我们进行了大量比对实验，找到了一套用浮雕实物的数字照片来制作“数字拓片”的方案，并通过若干实验验证了该方案的有效性。然而方案中的每一个环节、每一次处理都必须依赖于人的干预才能完成，实际操作起来既不太方便，也比较耗时。为进一步完善数字拓片制作技术，使之成为一种便捷、实用的工具，我们选择了用MATLAB来辅助完成后续自动生成的实验任务。
MATLAB是目前国内外应用十分广泛的图像处理软件，提供了大量常用的图像变换和图像处理程序，这些程序以函数形式保存在Image工具箱中，用户可以方便地调用和对其作适当修改来满足不同的需求。
在“数字拓片”前期实验成果的基础上，我们利用MATLAB及其编程语言进行了前述方法的算法设计、流程调整等工作。经过多次反复实验，最终实现了石刻浮雕图像“数字拓片”的自动生成。也即是说，当我们将一幅石刻数字照片调入“数字拓片”程序后，只需点击MATLAB工具栏上的“run”按钮，程序就会自动运行，并按照我们所编写的程序命令去逐一执行图像处理任务，从而完成“数字拓片”的自动生成。
(2)界面设计
尽管运用上述方法实现了程序的自动运行，但此时用户面对的不是一个直观、方便的操作平台，而是抽象的计算机程序，这给使用造成了新的不便。因此，我们为“数字拓片”系统设计了一个友好的可视化操作界面。如图10所示，该界面包含三组控件。第一组是“打开”、“转换”、“保存”等最基本的命令按钮，通过这组控件，用户可以十分方便地调用电脑中的图像处理文件、执行数字拓片的转换任务及对最后的处理结果进行保存等。第二组是“自动”、“手动”按钮，通过这组控件，用户可以自由选择两种模式中的任意一种来制作数字拓片。当选用“自动”模式时，系统将调用内部程序默认的最优处理方案对输入的数字图像进行自动处理并生成数字拓片；当选用“手动”模式时，用户则可以根据自身需求对部分参数进行调整与重新设置。第三组是“图像大小”、“颗粒大小”按钮，事实上，它们就是“手动”方式下的两种具体选项。由于图像的大小会直接影响程序的运算速度(即图像越小，其精度越低，处理速度则越快；相反，图像越大，其精度越高，处理速度也就越慢)，所以，界面中的“图像大小”按钮可以满足用户对图像尺寸进行修改的要求。另外，“颗粒大小”按钮可以帮助用户完成不同参数值的设定，以此来决定所生成的数字拓片的颗粒粗细，从而获得不同效果的数字拓片。如图11所示，N的取值越小，所得数字拓片颗粒越细；相反，N取值越大，所得数字拓片颗粒越粗。
图10 数字拓片系统界面设计
图11 颗粒大小取不同参数值所得数字拓片图像效果比较
五、结论
本文介绍了“数字拓片”的构想及相关研究情况，提出了一种用浮雕实物数字照片来制作“数字拓片”的图像处理方法，并运用MATLAB及其编程语言基本实现了“数字拓片”流程的自动化和界面设计，使数字拓片的制作变得方便、快捷。图12、图13是由数字拓片制作系统实现的数字拓片图像。
图12 制作的部分泸县石刻的数字拓片
图13 制作的其他浮雕物的数字拓片
在实验过程中，如何确保“数字拓片”的可信度是本研究的重点，为此，我们主要运用了样本比对方法；在采集“比对样本”时，充分发挥了艺术专业的学科优势，严格按照传统拓片制作流程与方法，手工拓制了浮雕器物的拓片。另外，解决光照不均与去除黑色背景是数字拓片研究的难点，我们经过反复实验，给出了解决方案，效果较为理想。实验结果表明，所提方案对于制作数字拓片与实现数字拓片的自动生成是行之有效的，但如何使该方案更优化以进一步提高数字拓片的图像质量，如何实现拓片的风格化和个性化，以及如何使“数字拓片”增添更丰富的艺术效果等，将是今后“数字拓片”研究的努力方向。
“数字拓片”研究体现了一种将计算机技术应用到中国传统艺术领域的探索与实践。尤其是在今天珍贵文物不容受损的情况下，进行“数字拓片”的研究，无论是对于我国古代石刻艺术还是对于传统拓片艺术而言都是十分重要的保护举措，它体现了一种以崭新视角来关注和探索我国文化遗产保护工作的理念与作法。我们希望数字拓片研究工作的开展能为新技术条件下的文物保护工作起到一个抛砖引玉的作用。
(“数字拓片”的研究得到了泸县文管所各位同志的大力支持和帮助，特向他们致以真诚谢意！)