張琦，高峰，張愛武

(1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.中國(guó)文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029)

1 引言

近幾年來，我國(guó)大部分地區(qū)的壁畫開始出現(xiàn)嚴(yán)重的損毀現(xiàn)象，很多專家為了能將古人留下的文化遺產(chǎn)良好的保存下來，都在致力于壁畫的保護(hù)工作中，但是壁畫的保護(hù)必須要基于可靠的數(shù)據(jù)分析，所以近幾年來國(guó)內(nèi)很多院所及保護(hù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了形式各樣的壁畫病害保護(hù)工作，方法也各有千秋。

調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法：調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法產(chǎn)生的時(shí)間比較早，由于當(dāng)時(shí)物質(zhì)和技術(shù)條件的限制，只能用文字和圖形表示壁畫病害的內(nèi)容，現(xiàn)存的石窟檔案中，用紅色線條和圖案表示病害和人為干預(yù)的范圍，方法雖然簡(jiǎn)單，但是技術(shù)含量低，是與當(dāng)時(shí)的工作環(huán)境聯(lián)系在一起的，不能夠形象和詳細(xì)的表示病害的種類和范圍，例如，同一區(qū)域如果出現(xiàn)多種病害并存的狀況，簡(jiǎn)單的示意圖，不能夠準(zhǔn)確的體現(xiàn)病害的范圍和面積等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要實(shí)地量測(cè)記錄，這種方法不需要很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，只須懂得量測(cè)方法就行，但是此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，得出的病害種類和結(jié)果也不是很準(zhǔn)確，記錄的數(shù)據(jù)也無(wú)法給人直觀印象。

物理化學(xué)分析方法：敦煌研究院的研究主要致力于損壞壁畫的蟲害因素，以及導(dǎo)致蟲害影響下的連鎖因素，主要通過運(yùn)用物理的方法對(duì)病害進(jìn)行詳細(xì)的分析，通過偏光鏡對(duì)影響物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析出病害種類，采用紅外光譜分析，得到峰值圖，來得到各種化學(xué)因素的影響程度及范圍。之后通過顏色檢測(cè)和色差分析檢測(cè)對(duì)被污染壁畫進(jìn)行色度比較，由于不同物質(zhì)對(duì)同種顏料的顏色影響不一致，以及同種物質(zhì)對(duì)不同顏料的顏色影響也會(huì)不一致，所以要區(qū)分開不同影響物質(zhì)的作用范圍，需要很精確的色度分析，將分析出來的病害進(jìn)行實(shí)地量測(cè)，得到面積數(shù)據(jù)。這種方法對(duì)于壁畫病害的機(jī)理，研究的比較透徹，但是時(shí)間需求相對(duì)較多。

探地雷達(dá)檢測(cè)壁畫病害方法：探地雷達(dá)的檢測(cè)是不常見的，在識(shí)別病害種類方面也是比較有限，在識(shí)別壁畫空鼓病害方面較為有效，對(duì)于空鼓病害，雷達(dá)圖像清晰可靠，誤判率低，數(shù)據(jù)經(jīng)抽取均道和帶通濾波后，雷達(dá)圖像的效果更直觀，有利于空鼓的識(shí)別。通過探地雷達(dá)的使用來進(jìn)行檢測(cè)，需要很高的硬件性能，硬件的性能越高，檢測(cè)的效果也越好，但是這種方法在采集的質(zhì)量和所得雷達(dá)數(shù)字信號(hào)的后處理工作中還有很大不足。

可視化技術(shù)的統(tǒng)計(jì)方法：北京建筑工程學(xué)院先通過地面三維激光掃描的方式，得到壁畫的點(diǎn)云模型，通過實(shí)地考察對(duì)石窟石刻壁畫進(jìn)行正攝影像圖的制作，以及矢量信息圖的生成，繪制出病害信息圖，最后得到壁畫病害的統(tǒng)計(jì)信息圖。目前這種方法較為先進(jìn)，通過對(duì)模型的建立，可以從電腦上實(shí)時(shí)反應(yīng)出實(shí)地的場(chǎng)景模型，將實(shí)地測(cè)出的病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制作成信息圖，可以更好的對(duì)壁畫病害進(jìn)行了解，但是對(duì)病害的識(shí)別工作還是主要利用實(shí)地考察，而且得出的病害信息都是二維的，不能得到壁畫中各種病害信息的具體屬性信息，例如病害的位置，大小，面積等。

本文通過對(duì)大昭寺轉(zhuǎn)經(jīng)廊外側(cè)東壁北部中門南窗和外側(cè)南壁西部中窗的可識(shí)別病害的統(tǒng)計(jì)，主要介紹我們對(duì)于壁畫病害的統(tǒng)計(jì)工作的一些方法，相比于上面所敘述的方法，我們的方法主要是將3D幾何方法結(jié)合2D圖像方法，對(duì)壁畫病害進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。主要目的是將壁畫的識(shí)別工作從以前的實(shí)地考察轉(zhuǎn)移到通過在計(jì)算機(jī)上的識(shí)別，這種做法可以大大降低人力物力的消耗，縮短項(xiàng)目工作周期。

下圖為本文工作的流程：

圖1 本文工作流程圖

2 病害分析方法

2.1 基于3D激光點(diǎn)云的識(shí)別

2.1.1 3D激光點(diǎn)云的特性和原理

3D激光點(diǎn)云的掃描主要是通過TOF脈沖測(cè)距法，是一種高速激光測(cè)時(shí)測(cè)距技術(shù)，采用脈沖測(cè)距法的三維激光點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法。三維激光掃描儀通過脈沖測(cè)距法獲得測(cè)距觀測(cè)值S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值a和縱向掃描角度觀測(cè)值b。三維激光掃描測(cè)量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。三維激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)是由全離散的適量距離點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)云，每一個(gè)像素所包含的是一個(gè)距離值和一個(gè)角度值，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都帶有xyz三維坐標(biāo)信息(圖2所示)，所以它對(duì)于檢測(cè)會(huì)發(fā)生幾何形變的壁畫病害有很大幫助。因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)際量測(cè)出來的帶有3D坐標(biāo)的激光點(diǎn)，所以對(duì)于壁畫上一切形變都可以較好的反應(yīng)出來。

2.1.2 病害識(shí)別的種類

壁畫病害種類繁多，都會(huì)在壁畫表面上產(chǎn)生物化作用，長(zhǎng)久之后，會(huì)導(dǎo)致壁畫發(fā)生各種形變，作用范圍、程度、形態(tài)都會(huì)不同。激光掃描測(cè)量能快速獲取大面積目標(biāo)空間信息，可以進(jìn)行目標(biāo)空間數(shù)據(jù)采集的速度非?？?，可以及時(shí)測(cè)定形體表面立體信息，

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息

對(duì)于空鼓，裂隙，地仗脫落等導(dǎo)致壁畫發(fā)生幾何形變的病害，可以通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀測(cè)，根據(jù)點(diǎn)云表面的起伏狀態(tài)可以察出發(fā)生形變的位置，得到坐標(biāo)信息，還可以通過垂直于壁畫表面的坐標(biāo)，觀察壁畫形變的深度，判斷何種病害作用于此，然后根據(jù)形變的xy軸的坐標(biāo)信息計(jì)算病害的作用范圍。通過激光點(diǎn)云的方法可以得到病害的范圍，面積，方位信息。下表是對(duì)大昭寺轉(zhuǎn)經(jīng)廊外側(cè)東壁北部中門南窗和外側(cè)南壁西部中窗的可識(shí)別病害的統(tǒng)計(jì)。

表1 病害統(tǒng)計(jì)

2.1.3 舉例分析

空鼓是壁畫病害中常見的一種，它是指基層，砂漿層、磚體間粘貼不牢，或是水泥砂漿密實(shí)度不夠?qū)е碌膬?nèi)空現(xiàn)象。例如，西藏地區(qū)，地震頻繁，脫落的墻體及地仗就會(huì)填充于壁畫的空鼓層中，隨著脫落物的不斷增加，空鼓就會(huì)越來越嚴(yán)重，隨時(shí)有脫落的危險(xiǎn)。壁畫地仗依附于墻體和屋面直接相連，在壁畫干燥的過程中，不同材質(zhì)收縮率的不同易在材質(zhì)結(jié)合部位形成空隙，加上力的傳遞作用，便形成了壁畫普遍空鼓的現(xiàn)象。

發(fā)生空鼓后的壁畫表面不再像以前一樣平整，通過激光進(jìn)行3D掃描之后，利用相關(guān)的處理軟件對(duì)已掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后調(diào)用查詢點(diǎn)云信息的工具(圖3)，來觀測(cè)局部點(diǎn)云3D坐標(biāo)信息，得出XYZ的坐標(biāo)，分析相對(duì)平整的壁畫表面的形變程度，沿著病害發(fā)生的部位依次向下檢測(cè)，確定出空鼓病害的作用范圍，通過軟件中的量測(cè)工具對(duì)空鼓病害的范圍進(jìn)行測(cè)量，得出面積信息，查看四個(gè)方向的坐標(biāo)信息，確定空鼓病害的位置信息，記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。裂隙病害等其它病害的檢測(cè)方法也是同樣，但是作用的機(jī)理不同，導(dǎo)致壁畫形變的形式也略有不同。

圖3 空鼓幾何模型

2.2 基于反射率識(shí)別

2.2.1 反射率識(shí)別的原理

激光強(qiáng)度是指激光對(duì)不同材質(zhì)、不同顏色的目標(biāo)物體反射的信號(hào)不同。激光反射強(qiáng)度信息是指對(duì)接收激光的信號(hào)進(jìn)行采樣和量化后得到的數(shù)值。激光強(qiáng)度信息在沒有灰度信息時(shí)有助于區(qū)分不同物體。反射率是指投射到物體上面被反射的輻射能與投射到物體上的總輻射能之比，也就是物體表面所能反射的光量和它接受的光量之比。反射率的不同決定于入射角度以及投射到的介質(zhì)的不同，激光掃描儀所發(fā)出的光源可以看成是平行光，基本不存在入射角度的影響，在臨界面上的反射率僅與介質(zhì)的物理性能，和光線的波長(zhǎng)及入射角有關(guān)，因此在這里我們只要考慮壁畫表面介質(zhì)的物理性能即可。

2.2.2 識(shí)別的病害種類

通過反射率識(shí)別病害，是一種較為高效可行的方法，但是它的識(shí)別也較為有限，對(duì)于流場(chǎng)痕類病害效果顯著，這類病害對(duì)壁畫表面色彩以及材質(zhì)的影響比較大，作用之后，會(huì)使壁畫原始表面出現(xiàn)色彩及化學(xué)變化，所以可以通過檢測(cè)整體反射率的差異來判斷受病害影響的部分。諸如水漬，煙熏等病害，都會(huì)使壁畫表面產(chǎn)生一定的色彩變化，而且由于壁畫本身材料不同，反射率相對(duì)也有差異。

2.2.3 舉例分析

水漬，就是指被水沖刷過所殘留在壁畫表面的物質(zhì)，由于寺內(nèi)漏雨，壁畫會(huì)被雨水沖刷，沖刷過的壁畫表面會(huì)將壁畫表面的顏料層沖淡，顏料層的顏色可能會(huì)混合到雨水中，沿水流從壁畫帶下，逐漸混合到其它部分。運(yùn)用Polyworks軟件中自帶的點(diǎn)云反射率檢查工具檢查各部分的反射率，發(fā)現(xiàn)有明顯變化的部分，確認(rèn)發(fā)生變化的范圍，然后通過量測(cè)工具對(duì)病害范圍進(jìn)行測(cè)量。

圖4 反射率模型

2.3 基于圖像的識(shí)別

2.3.1 圖像識(shí)別的原理和方法

對(duì)于壁畫病害的檢測(cè)，圖像識(shí)別是使用最為廣泛、也較為簡(jiǎn)便的一種方法，主要是通過數(shù)碼相機(jī)記錄壁畫的信息。在圖像識(shí)別中，既要有即時(shí)進(jìn)入感官的信息，也要有記憶中存儲(chǔ)的信息，通過存儲(chǔ)信息與即時(shí)信息進(jìn)行比較加工，能實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的識(shí)別。通過照片的記錄方式，可以最有效的配合人腦的記憶，將現(xiàn)實(shí)完整的保留下來。人在圖像上識(shí)別能力是很強(qiáng)的，圖像識(shí)別是以圖像的主要特征為基礎(chǔ)的，每個(gè)圖像都有它的特征，圖像中含有大量的色彩及紋理信息，對(duì)于各種病害的識(shí)別較為簡(jiǎn)單。

2.3.2 識(shí)別的病害種類

通過圖像可以識(shí)別的病害種類較多，一般對(duì)于會(huì)對(duì)壁畫產(chǎn)生視覺上影響的病害均可識(shí)別，例如地仗脫落，煙熏，空鼓，裂隙，皰疹，起甲，生物病害等，但是對(duì)于壁畫內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生的病害就很難觀測(cè)，通過圖像很難確定壁畫病害的程度和立體信息，由于圖像只能對(duì)二維信息進(jìn)行記錄，所以不同的拍攝角度，反應(yīng)出的病害效果也不同，準(zhǔn)確度也會(huì)受到限制。

2.3.3 舉例分析

諸多病害作用在壁畫上都會(huì)產(chǎn)生色彩或者形態(tài)上的變化，都可以通過圖像觀察得出，所以對(duì)于圖像上的目視識(shí)別沒有特定的規(guī)律和方法，主要是要根據(jù)檢測(cè)人員對(duì)于各種病害信息的理解來進(jìn)行判斷。判斷這類病害需要研究人員有豐富的病害方面的知識(shí)，通過圖像上所反應(yīng)的紋理變化，綜合判斷病害的種類及大致范圍(下圖展示了2種病害)。

圖5 裂隙圖

2.4 基于三者的綜合識(shí)別

以上三種方法是我們對(duì)種類不同的病害進(jìn)行的不同檢測(cè)方法，但是有些病害的檢測(cè)分析需要將上面的方法進(jìn)行綜合才可以辨別出來。有些病害雖然成因不同，但是他們作用后所形成的病理和損壞結(jié)果相同，所以需要我們將上述三種方法結(jié)合，進(jìn)行一個(gè)綜合的分析，然后判斷是何種病害起主要作用。例如，壁畫起甲與壁畫空鼓兩種病害，它們?cè)诒诋嫳砻嫠憩F(xiàn)的情況較為相似，如果單單從激光點(diǎn)云方面探測(cè)，觀察它的三維坐標(biāo)信息，很難判斷出是空鼓病害還是起甲病害，所以必須結(jié)合圖像來進(jìn)行分析，判斷病害的種類。相反，如果僅僅從圖像角度方面判斷壁畫病害的信息，不僅無(wú)法正確識(shí)別病害，也得不到病害的精確的坐標(biāo)信息與面積大小，而且圖像信息根據(jù)拍攝的位置不同，也會(huì)得到不同大小的圖像質(zhì)量，所以要將圖像與三維點(diǎn)云結(jié)合，給點(diǎn)云進(jìn)行重建，并附上紋理信息，這樣就可以更加準(zhǔn)確的對(duì)病害進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。另外，判斷流場(chǎng)痕等病害時(shí)，加入反射率的檢測(cè)，可以更加準(zhǔn)確的判斷出是否是同種液體流過所導(dǎo)致的病害，或者是其他病害的作用影響。

將三種方法進(jìn)行結(jié)合，對(duì)壁畫病害進(jìn)行綜合的分析，是一種非常高效且精準(zhǔn)的方法，先進(jìn)行三維激光點(diǎn)云的獲取，通過使用Riegl掃描儀來獲取，之后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)優(yōu)化，數(shù)據(jù)刪減，數(shù)據(jù)拼接等操作。保留點(diǎn)云的各項(xiàng)屬性信息，進(jìn)行三維模型的重建，在計(jì)算機(jī)上得到室外模型的虛擬仿真模型，最后將實(shí)地拍攝的圖像利用紋理映射的方法，進(jìn)行貼圖，給模型以精確的紋理信息，完成模型的虛擬還原。之后在模型中對(duì)各種病害進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成壁畫病害的統(tǒng)計(jì)工作。

2.5 不同方法的對(duì)比分析

以大昭寺外側(cè)東壁南部中門南窗一副壁畫為例，我們先通過反射率方法進(jìn)行分析，從圖7中可以看出壁畫局部地區(qū)亮度較高，呈現(xiàn)白色狀，但從模型及圖片信息中很難查出病害作用的效果；從圖像和模型上我們可以發(fā)現(xiàn)龜裂等病害作用的效果，但是反射率的方法卻又不能清晰的反應(yīng)出病害效果。而單獨(dú)從模型上分析，只能了解到此部分形變的數(shù)量差異，對(duì)于確定是何種病害，需要借助圖像信息來確定出病害的種類。反射率方法著重研究壁畫表面材質(zhì)變質(zhì)的情況，激光點(diǎn)云方法著重對(duì)壁畫發(fā)生形變的部位予以展現(xiàn)，圖像方法是著重檢驗(yàn)出在視覺上發(fā)生變化的病害。三種方法的融合可以從多方位多形式上對(duì)病害的各種機(jī)理進(jìn)行檢測(cè)，可以完全滿足研究人員對(duì)病害調(diào)查分析的要求，從圖11中可以分析出此幅壁畫包含多種病害的作用。下圖是對(duì)大昭寺外側(cè)東壁南部中門南窗同一副壁畫用不同方法識(shí)別的效果圖：

圖7 反射率

圖8 模型

圖9 圖像

圖10 模型貼圖

3 總結(jié)與展望

三維激光掃描技術(shù)正日趨成熟，數(shù)據(jù)具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，為本研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，較為完整的高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)能將壁畫空間信息真實(shí)的記錄下來，加上人工對(duì)數(shù)據(jù)的處理，使得生成的模型與實(shí)物模型基本吻合，而且這里所介紹的激光掃描技術(shù)是非接觸式的，對(duì)于壁畫不會(huì)造成二次損壞，相比于以前通過人工接觸式測(cè)量，調(diào)查和手工繪制在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和文物的保護(hù)性都有明顯提高。

本文將三維激光掃描技術(shù)與壁畫保護(hù)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，在傳統(tǒng)的基于圖像上的分析統(tǒng)計(jì)上，加上3D的因素，生成實(shí)體的三角網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁畫病害的統(tǒng)計(jì)工作。相比于常規(guī)的2D圖像分析，3D的幾何分析的加入，幫助我們從三維形變上對(duì)病害的作用進(jìn)行分析，幫助分析病害種類，附加圖像的彩色紋理信息，使得分析病害更加準(zhǔn)確，而且對(duì)于未接觸過實(shí)際場(chǎng)景的研究人員們，3D形式的記錄可以更好的將病害效果展現(xiàn)在其面前，使得他們對(duì)下一步要進(jìn)行的保護(hù)工作游刃有余。

下一步，研究工作將會(huì)主要致力于對(duì)壁畫病害的信息進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的研究。對(duì)于壁畫的統(tǒng)計(jì)工作，之前的研究包括本文的研究還主要是通過半自動(dòng)和人工目視解譯進(jìn)行的，之后的工作可以發(fā)展到全自動(dòng)化，對(duì)各種病害的機(jī)理進(jìn)行研究，建立每一種病害的樣本庫(kù)，在軟件中用樣本去訓(xùn)練樣本庫(kù)，最后

可以自動(dòng)識(shí)別各種病害，并能自動(dòng)獲取病害的位置坐標(biāo)和面積范圍信息。

[1]胡少興，查紅彬，張愛武.大型古文物真三維數(shù)字化方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，4.

[2]魏濤.面向三維幾何建模的數(shù)據(jù)融合與交互修補(bǔ)技術(shù)研究[D].北京大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，3.

[3]汪萬(wàn)福，藺創(chuàng)業(yè).損壞敦煌莫高窟壁畫的害蟲——仿愛夜蛾的生活習(xí)性與防治研究.昆蟲知識(shí)[R]，2001，38.

[4]燕樟林，竺建平，張忠鑫.三維激光掃描技術(shù)在紹興柯巖景區(qū)“云骨”項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].測(cè)繪信息網(wǎng).

[5]郭宏，李最雄，宋大康等.敦煌莫高窟壁畫酥堿病害機(jī)理研究[J].敦煌研究，1998.

[6]潘建剛.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].首都師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，1.

[7]韓玉杰，金維洙，王阿川，蔡立新，孟慶軍.計(jì)算機(jī)控制激光掃描識(shí)別木段橫斷面圖形的研究[J].CHINA WOOD INDUSTRY，1999，1.

[8]王飛.可視化技術(shù)在石窟保護(hù)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[D].北京建工學(xué)院碩士學(xué)位論文.2008，12.

[9]劉江濤.三維激光掃描技術(shù)在考古勘探中的應(yīng)用[D].首都師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，6.

[10]蔡廣杰.三維掃描技術(shù)在西藏壁畫保護(hù)中的應(yīng)用[D].首都師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，4.

[11]汪萬(wàn)福，李最雄，馬贊峰，付有旭，丁長(zhǎng)征，樊再軒.西藏布達(dá)拉宮東大殿空鼓壁畫病害保護(hù)修復(fù)研究[J].敦煌研究.

[12]馬贊峰，汪萬(wàn)福，王雪瑩，李樹若，趙林毅，付有旭.西藏幾處重要文化估計(jì)壁畫現(xiàn)狀考察[J].敦煌研究.

[13]趙林毅，汪萬(wàn)福，馬贊峰，張國(guó)彬，蘇伯民，楊韜.西藏羅布林卡壁畫病害成因及其防治對(duì)策[J].敦煌研究.

[14]汪萬(wàn)福，李最雄，馬贊峰，付有旭，劉濤，楊韜，樊再軒，李四存.西藏文化古跡嚴(yán)重病害壁畫保護(hù)修復(fù)加固技術(shù)[J].敦煌研究，2005，4.