敦煌壁画的数字化，本文主要内容关键词为：敦煌论文,壁画论文，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：TP.393.1文献标识码：A文章编号：1000-4106(2003)04-0100-03.
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。
图案元素∶∶＝〈语义特征：轮廓特征；色彩特征〉
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。
五 总结与展望
目前，敦煌研究院与浙江大学的计算机及文物保护专家们共同努力，莫高窟第17、45、85、205等窟壁画与彩塑在数字化摄影的基础上，开发了包括莫高窟外景的石窟虚拟展示与旅游参观系统，以第205窟的南墙壁画为重点，完成了壁画图像色彩的数字化复原与历史演变过程的模拟；以第85窟为对象，开发了一个支持石窟现场调查、病害标记、材料分析、环境监测与壁画修复等全过程的石窟保护修复计算机辅助系统；借鉴敦煌壁画的艺术风格，开发出一套能自动创作敦煌风格图案的智能化的创作系统。项目的研究成果，融合了形象智能思维模型和图形图像处理技术，拓展了经典图形和图像处理所依赖的理论基础，突破了经典方法和技术的局限，将促进智能技术同多媒体技术学科方向研究的交叉渗透。同时，项目研究提出的数字化文物的思想和技术，将促进信息科学和文物科学的交叉研究，并使现代科学技术在文物保护中发挥积极的作用。我们将进一步加深濒危文物保护信息数字化关键技术的研究开发，完善各个应用软件系统，并推广和应用到其他遗址文物的保护工作中。