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第1章 墓室壁画数字修复技术概述

1.1 绪论

1.1.1 研究背景

文物作为珍贵的不可再生资源，其保护方式一直是我国文化产业重点关注的领域。随着时间的流逝，文物每时每刻都在承受着大自然带来的不可逆的损耗。文物保护包括对文物本体保护和对文物所承载历史信息的保护，2015年4月17日国际古迹遗址理事会中国国家委员会修订了《中国文物古迹保护准则》[1]，强调必须在文物本体现存的情况下尽可能地提取其历史信息，加以科学和历史的分析与处理，辅助理解和重现人类文明历史的进程。本书重点研究文物数字信息的高清采集技术，并以墓室壁画残存信息为例对已经消亡的残缺区域进行逆推，重建完整的文物数据，在文物不断褪变的过程中，尽可能地保留与重现文物所传承的历史信息。

国家文物局官方网站在2017年4月7日公布的《第一次全国可移动文物普查数据公报》中显示，我国现有珍贵文物3856268件，状态稳定的文物有2560401件，占66.40%；部分受损、需要修复的文物有1125848件，占29.20%；腐蚀损毁严重、急需修复的文物有113508，占2.94%；修复完成的仅有56511件，只占珍贵文物总数的1.46%[2]。

馆藏文物残损现状使我们开始寻找传承人类历史信息的新技术。联合国教科文组织以科技保护为导向制定了《保护和促进文化表现形式多样性公约》[3]，围绕科学技术发展下文化遗产应具备的表现形式，先后进行了5次讨论。2015年6月，在法国巴黎联合国教科文组织总部的议题[4]为“文物数字化问题及其对文化表现形式多样性的影响”，指出文化遗产所传承的信息将以数字化的形式永久存在。文物数字化成为各大博物馆存储馆藏文物档案信息、扩大文物宣传的必然方式。特别对于二维平面馆藏文物，如字画、壁画、岩画、画像石和刺绣等，此类文物若其表面绘制画面消亡，其文物实体意义也将不复存在，它们是馆藏文物中最急需修复并进行数字化保存的类型。如何有效地记载和传承历史文化的印记，利用现有科学技术进行文物信息保护是博物馆行业的核心工作。而影像数据将是记录博物馆平面文物的重要媒体素材[5]。2016年12月，科学技术部、文化和旅游部、国家文物局联合在发表的《国家“十三五”文化遗产保护与公共文化服务科技创新规划》[6]中提出：建立并完善智慧博物馆理论与技术支撑体系；研发文物图案、纹样、造型等设计元素提取、风格化表达和跨媒体素材检索等关键技术，研发面向文化创意的辅助设计平台。文物数字化保护、修复、管理、复制等业务的文博产业将成为文化产业新业态。当前文物“数字化生存”的时代需求，既能充分提升历史文化资源保护水平，又可以在几乎不损害历史文化资源的前提下进行数字化保护与开发。

文物保护包括预防性保护与抢救性保护，国家经济开发的快速发展伴随着大量的城市基建，频繁出土的珍贵文物使抢救性保护成为我国目前主要的文物保护策略。对于不具备现场保护条件的文物，为了防止其进一步恶化，需要进行挖掘与搬迁保护[7]。以墓室壁画为例，由于墓道坍塌、洪水侵蚀和盗墓破坏等因素的影响，使其中的壁画揭取、搬迁至异地保存成为一种较好的保护措施[8]。由于墓室壁画揭取前所处的墓室环境比较稳定，而存放环境与墓室相比发生了较大变化，这就不可避免地使墓室壁画产生了一系列的病变问题。藏于陕西历史博物馆的墓室壁画保存现况存在的主要问题包括残缺、位移、变形、断裂、裂缝、龟裂、起甲、脱落、空鼓、酥碱、霉变等[9]。墓室壁画数量众多，修复需求大，任务重且实际修复难度大。另外，使得大多数墓室壁画从出土到与广大游客见面周期很长的另一个因素是文物修复从业者的流失。

依据国家文物局的统计数据[10]显示，目前我国共有2100多家文物馆藏单位，从事文物保护工作的约有7万人，其中文物专业的技术人员只有约1万人[11]，而在这些技术人员中，从事专业文物修复的不到500人，以每人每月修复1件文物计算，仅修复现有的缺损珍贵文物，就需要至少2000年以上的时间[12]。以陕西历史博物馆为例，目前拥有藏品37万件/套，专业文物修复人员只有18名。大量残破文物深藏库房急需修复和极度稀缺的专业文物修复人员的“不对称”现象由来已久，近年来随着多家媒体的报道更成为文化遗产保护中一个著名的“矛盾”[13]。

艺术品修复技术最早可追溯到文艺复兴时期，文物修复师通过手工描绘来填补艺术品上所出现的裂痕，去除污垢，使画面得到翻新的过程称之为Retouching（润色）或Inpainting（修补）[14]。文物修复师通过观察艺术品上残存的画面信息，填充缺损与污染的区域，以期望达到整幅艺术品信息的完整性与合理性，并且不被观者察觉出艺术品曾被损毁过的痕迹。其所有流程都完全是一种纯粹的手工行为，一般都是由具有丰富经验的文物修复师完成。受主观因素的影响，手工修复处理不当就会给艺术瑰宝造成不可逆转的损害。2012年8月发生在西班牙Cecilia Gimenez的著名壁画“Ecce Homo”损毁事件就是因直接在原作上修复导致的严重后果，被称为“Ecce Mono”，意思为“可笑的猴子”，如图1.1所示。

在数字信息技术快速发展的背景下，文化遗产科技保护组织，如欧洲的ICOMOS（International Council on Monuments and Sites）、美国的ACHP（The Advisory Council on Historic Preservation），以及拥有133个成员国的国际组织ICCROM（The International Centre for the Study of the Preservation and the Restoration of Cultural Property）等，均在各国政府和高等院校科研人员的共同努力下连年举办VAST（IEEE Visual Analytics Science and Technology）、VSMM（International Conference on Virtual Systems and Multimedia）、HCSM（International Conference on Heritage Conservation and Site Management）、EPOCH（Engaging in the Preservation of Cultural Heritage）等大型国际学术会议，探讨文化遗产的数字化信息处理与信息管理的技术。

2013年10月在法国马赛举办的第一届Digital Heritage国际研讨会中，首次将文化遗产和信息技术领域的专业人士和研究人员聚集在一起，以文化遗产的数字化（Digital Documentation&Input）、可视化（Digital Presentation&Output）、数字内容管理（Digital Content Management&Analysis）、数字遗产政策与法规（Digital Heritage Policy&Societal Issues）、数字保护与标准（Digital Preservation&Standards）、数字解决方案（Digital Heritage Solutions&Best Practices）为主要讨论议题，对文化遗产的多层面数字信息保护与管理设立了研究方向。数字信息处理工具为采集、分析、重建和传播文化遗产的内容提供了新机会。数字信息处理技术在文化遗产保护中以数字修复研究为重点的应用问题，将是全球遗产保护领域的热点课题。

我国于2001年启动的“馆藏文物调查及数据库管理系统建设”项目[15]，通过数字化的影像采集技术、数据存储技术和网络技术进行了全国馆藏文物的数字化采集工作，截至2010年年底共完成1660275件/套馆藏珍贵文物的数据采集，其中，一级文物有48006件/套，二级、三级文物有1612269件/套，拍摄照片共3869025张，录入文本信息共3.05亿字，数据总量为15.16TB，基本厘清了全国文物系统馆藏珍贵文物的家底。随着馆藏文物数字化信息采集量的逐渐丰富，这些数字化信息既为同一时期文物的保存现状留下了永恒的印记，也为利用这些珍贵的数字化信息进行二次开发、分析与研究、数字修复、虚拟展示等提供了珍贵的素材，更为解决博物馆大量修复需求与文物修复人员紧缺、修复周期长、修复结果不可逆等众多矛盾提供了解决的契机。

1.1.2 研究目的和意义

本书以博物馆馆藏墓室壁画为主要研究对象，以此为例研究二维平面文物的数字修复流程，并建立一套适合博物馆馆藏平面文物数字修复管理的体系。墓室壁画为我国较早期的存留艺术品，在历史和美术史上有着双重重要的地位。美术史把自唐朝以前称为“无名的美术史”。所谓“无名”[16]有两层意思，一是没有绘画实物（卷轴画）留存，二是很少有画家留名。对于这段美术史的研究，主要依靠考古挖掘获得的墓室壁画作为重要依据。

1.研究目的

本书以高清采集到的墓室壁画数字信息为研究对象，通过对其中残存的信息进行画面主体布局、轮廓线条与颜色种类等特征分析，以及块状与细长状病害形态分析、多尺度数字修复技术研究、无参考客观评价等系列研究。模拟墓室壁画实体修复流程，建立一整套墓室壁画数字修复体系。达成如下目的。

（1）非接触式获取墓室壁画残存信息，提取修复数字档案。墓室壁画历经千年，其残存的信息是修复时最重要的依据。本书研究的目标是，希望通过以数字修复技术为主要手段，以提取墓室壁画修复档案记录要素为目标，通过大量的技术方案分析与对比，研究适合墓室壁画进行残存信息获取的处理技术。因为墓室壁画残缺不全，又仅此一幅，所以无法确定其本来的面貌。本书从分析墓室壁画的轮廓曲线、画面与颜色分布、结构层与纹理层的特点入手，提取墓室壁画相关信息，并以此作为可参考有效信息源引导数字修复过程中的信息采样、样本尺寸设定与约束合成过程。非接触获取的墓室壁画特征信息作为数字修复档案素材留存于博物馆信息中心，以便于实体修复过程中的查询与比对。

（2）无损提取墓室壁画特定的病害信息，形成病害分布图。计算机进行数字信息重建过程需要定义缺损信息区域与可参考有效信息区域，这便是输入处理器的寻径地图，即数字修复的数据模型。本书依据墓室壁画病害与图示[17]相关内容对墓室壁画现存病害信息特征进行分析，将泥渍、龟裂、裂缝和断裂等病害特征进行了比对，以确定形态特征不同、修复尺度不同、危害程度不同的病害数据模型，并依据修复需求进行多特征、多尺度标记。墓室壁画信息缺损情况比较复杂，因病害影响导致的画面信息退化类型各不相同，特定病害种类的数据模型的建立，为墓室壁画提供必要的数字病害分布图，也为后期的数字修复提供掩模信息。

（3）建立满足高清墓室壁画修复需求的数字修复方案，重建画面中缺损的信息。墓室壁画的数字修复过程以掩模信息作为需要被填充的区域，充分考虑墓室壁画现存的有效信息，模拟文物修复师手工修复的过程，采用合理的填充策略来完成。本书通过研究现有典型修复模型，将复杂的墓室壁画信息分为小尺度缺损区域与大尺度的缺损区域，选用不同的修复方案来完成。对于小尺度缺损区域采用信息能量扩散的方案，保证重建数据最大可能地体现客观真实性；对于大尺度缺损区域采用样本合成的方案进行纹理填充，尽可能地达到视觉完整；数字修复模型的重建与填充过程，要充分考虑画面的纹理特征与绘画风格，针对高清墓室壁画采集信息的数据量过大的问题，对信息源进行分镜头处理，并降低样本冗余度与跨镜头采样，以此进行修复方案的改进；对于整幅墓室壁画分块间的大量信息缺损设计结构约束下的填充策略，以修复的手段完成分块间的拼接。针对画面上层纹理信息和下层结构信息，以及形态学成分等多角度改进修复模型中的优先值选取策略，采取相似度准则和信息扩散方式，满足墓室壁画数字修复的需求。

（4）设计一整套符合墓室壁画实体修复流程，可反复修正，不断适应优化的数字修复体系。综合信息分析技术、信息处理技术、信息复原技术与信息网络共享技术，搭建交互式平台，实现墓室壁画高清数字信息的二次利用。建立针对博物馆官网的在线浏览用户、远程文修专家、数字修复技术人员与博物馆管理者之间的网络连接。通过对数字修复过程的动态展示与修复方案比对，收集多角度评价与反馈，实现交互式线上修复方案讨论，缩短墓室壁画修复方案的论证周期。对修复方案进行预演，利用文修专家的经验，避免出现实体验证过程中的二次损毁风险。建立一整套以高清采集墓室壁画为信息处理对象，能够实现非接触、无损的、可复现的墓室壁画数字修复体系。

2.研究意义

墓室壁画数字修复技术的核心是通过计算机模拟手工修复的过程，利用墓室壁画中残存的可靠信息，对信息缺损区域进行填补，恢复画面的完整性和最初的视觉效果。该技术[18]不需要直接处理原作，可在修复对象上进行不同策略的修复实验，并可根据需求反复调整，最终产生修复效果图。由于它具有可视性好、可重复设定和完全非接触性的特点，已在老电影的数字修复[19]、老照片的数字修复[20]、目标隐藏[21]及图像编码等[22]方面均有应用。

本书针对墓室壁画的保存现状，利用已经采集的高清画面的数字信息，研究其数字修复体系。对于墓室壁画的数字修复与信息保护的意义如下。

（1）墓室壁画经过千百年来自然环境的变迁，受到各种各样的病害侵袭，其复原工作需要经过漫长的清理灰尘、加固结构、填补缺损等修复步骤。仅仅是清理表面附着的污染物，如墓室壁画剔土往往需要近1个月的时间。一幅长1.5米，宽1米的墓室壁画分块修复完成就要半年之久，整个画面修复工作完成要2～3年。很多珍贵的墓室壁画由于修复过程较为复杂，展出时间相比出土时间要滞后几十年。建立数字修复体系，能够缩短墓室壁画出土后与进入博物馆展览所需的时间，特别是在数字化博物馆里几乎所有墓室壁画的数字影像都可以对游客展示。

（2）部分墓室壁画由于损坏比较严重，画面开裂、起甲的地方面积较大，一旦修复不当就会碎成粉末，修复效果难以预料。若一直得不到修复，这些墓室壁画可能将永无见天之日，资料库里也只能保存它们破碎不堪的样子，使文修专家对其后期研究受到了限制。数字修复可在对墓室壁画展开实际修复工作之前，对修复方案进行预演，将修复好的数字效果递交给文修专家进行评估，这样一方面不会对本来已经很脆弱的墓室壁画造成二次损坏，另一方面方便文修专家可尽早对墓室壁画的历史价值展开研究。

（3）大部分刚刚出土的墓室壁画颜色鲜艳、造型完整，出土后由于氧化的原因，其颜色很快变暗，或者画面因外界环境的突然变化而剥落、碎裂，无法再保持其在地下时的样子。因此数字修复技术利用出土瞬间采集到宝贵的二维图像信息进行辅助修复和展示就显得非常必要了，利用这些修复后的图像，人们可以了解墓室壁画本来的面目。

（4）对于入库后的墓室壁画，博物馆会尽可能地使库房保持密闭稳定的环境，出土后的墓室壁画会在这里保存短则十年长则几十年。只有修复方案通过论证后才会启动出库修复环节。一旦出库，对墓室壁画信息的残存则是很大的考验，判断失误会使墓室壁画仅存的信息雪上加霜。通过本书研究的数字修复模型，利用交互式远程论证的方式降低了墓室壁画盲目出库的风险，有利于博物馆管理人员对墓室壁画从出库到进入修复部门，再到进入展厅的流程进行合理规划。

（5）本书针对高清墓室壁画数字修复过程中样本群体量过大，全局遍历迭代不可行，且画面修复精度与尺度差异化等问题的解决方法为①通过优化变分PDE类修复模型的扩散过程，实现多尺度分层修复，满足画面不同区域、不同修复精度的需求；②通过改进样本合成类修复模型的填充策略，设定冗余阈值，降低高清信息冗余度，自适应选取样本尺度与样本区域，提高样本选取的精准度，降低迭代次数，满足高清大数据量样本相似度运算与跨境头多样本的修复需求。

数字修复通过对高清墓室壁画进行信息重建，为画面复原工作提供先进的技术支持，对全方位的墓室壁画保护和更深层次的文化传承起到不可估量的作用。从文物保护的角度看，数字修复可减少在实体修复方案制订过程中，对墓室壁画本体所做的压膜、临摹描绘、化学取样实验，以及局部画面修补实验过程的损伤。从文化宣传的角度看，数字修复可使墓室壁画进行数字化展示，扩大其信息传递的范围，形成丰富的数字化文史档案信息，为墓室壁画的持续性研究提供珍贵的素材。