梁金星　萬曉霞　孫志軍　李嬋　李俊鋒

內容摘要：提出了一種敦煌壁畫顏料顏色數據庫的構建方法：首先建立一套敦煌壁畫的基礎色標體系，對色標體系中每一個顏料色樣的光譜、顏色、顆粒、物質屬性進行量化標定，建立敦煌壁畫色標體系基礎數據庫；然后結合“數字敦煌”項目的研究成果，針對已經數字化洞窟的影像數據進行精細分區(qū)編目，針對每個精細分區(qū)進行非接觸式無損測量標定，獲得每個精細分區(qū)的顏色、物理、化學屬性等數據；最后建立每個精細分區(qū)和敦煌壁畫色標體系基礎數據庫色樣的映射關系，完成敦煌壁畫顏料顏色數據的構建。

關鍵詞：敦煌壁畫；基礎色標體系；顏料顏色數據庫

中圖分類號：K870.6；K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2017）01-0132-09

引 言

文化遺產是人類歷史文明的載體，“文物不可再生，也不能永生”[1]，歷史文化遺產的保護是一項永不落幕的大工程。在當今數字化時代背景下，中國歷史文化遺產保護也將不可避免地走進數字化時代，構建完善的歷史文化遺產大型多維數字化數據庫檔案并進行永久保存和利用，是當前歷史文化遺產數字化保護理論和方法的根本目的。敦煌莫高窟是一座珍貴的藝術寶庫，窟內的壁畫蘊含著深厚的歷史文化底蘊及研究價值。然而，這些承載著珍貴歷史文明的寶貴載體卻無時無刻不在遭受著自然和人為因素的損害，出現各種各樣的病害，其原有的藝術風格和表現內容遭到破壞，可以顯現的藝術和歷史價值正不斷地消減[2-4]。

文物專家奮力投身于敦煌壁畫的保護工作中，采取多種多樣物理形式保護方法[5-6]，以期挽留這些富麗堂皇的珍貴歷史文物。事實證明，雖然這些方法在壁畫病害治理方面發(fā)揮了積極作用，但只能減緩壁畫病害損耗的進程，不可能阻止這些藝術寶藏逐漸消亡的腳步。隨著科學技術的不斷進步，文物保護專家逐漸意識到采用科學的數字化保護方法可以有效克服物理保護方法的不足[7-11]，通過多種多樣的參數、數據以及高保真數字影像將當前的壁畫永遠定格在數字之中。歷史文化遺產的數字化保護方法也已逐漸成為全世界各個國家進行歷史文物保護的研究熱潮，就敦煌莫高窟保護而言，國際敦煌項目（IDP）是一個非常成功的案例[12-13]，其構建了一個開創(chuàng)性的古文獻保護、研究與數字化的國際合作平臺。此外，于20世紀初開展的“數字敦煌項目”也取得了可觀的成績[14-17]。該項目搶救性地完成了莫高窟A類重點洞窟的數字化采集，使之得以永久真實地保存，通過建立虛擬現實三維沉浸式敦煌石窟數字化展覽館，緩解了石窟開放的壓力，為保護壁畫提供了技術保障，得到了國家及國內外多個基金會和機構的資助。

盡管敦煌數字化項目當前已經取得了令人贊嘆的成就，但對于敦煌壁畫的數字化保護工作仍有很長的路要走，不斷地從不同的角度去挖掘敦煌莫高窟里的有用信息并推送出去，才會產生更大的影響。目前的敦煌壁畫數字化工作已經從宏觀保護上取得成功[18]，但對于壁畫自身微觀屬性的研究尚存不足，缺少一個客觀科學的敦煌壁畫顏料顏色數據庫來對壁畫每一處的顏色、物理、化學等屬性進行條理系統的記錄和保存。在當前高精度文物攝影技術以及非接觸式無損文物準確測量標定等方法的支撐下，建立這樣的一個數據庫是必要且可行的，其不僅可以保存壁畫的各種屬性數據，而且為未來壁畫的信息挖掘、虛擬現實、臨摹和虛擬修復等工作提供科學的指導，也是探究敦煌壁畫藝術創(chuàng)作和研究敦煌壁畫顏料使用的一個重要依據。

1 構建敦煌壁畫顏料顏色數據庫的

必要性

顏料是壁畫制作最重要的材料，敦煌壁畫幾乎全部使用礦物顏料制作，極少部分為植物顏料[19-20]，各種顏料類別、配比和技法的組合衍生了精美的敦煌壁畫。但是由于自然因素和人為因素的影響，壁畫產生了一系列起甲、酥堿、褪色、變色、脫落等病害，漸漸失去了創(chuàng)作之初的色貌。數字化技術為壁畫保護與修復提供了良好的手段和可能，當前壁畫的數字化保護主要采用記錄洞窟的幾何特征信息和壁畫色彩信息的方法，已基本滿足壁畫信息數字傳播的需求，但其仍有不足。一方面，創(chuàng)作壁畫的顏料本身具有化學組成、微觀結構以及光譜和顏色等多方面的綜合屬性，當前的壁畫數字化保護方法僅僅記錄了壁畫的顏色屬性，壁畫信息的記錄不夠全面。另一方面，當前數字化的方法對壁畫保護還存在以下兩方面問題：

（1）采用近景攝影數字化保護技術得到的壁畫相關信息與設備相關，無法獲得壁畫最真實的顏色信息。近景攝影技術是采用高分辨率CCD成像系統以RGB信息表征方式對壁畫進行數字化獲取，得到壁畫表面的幾何信息和顏色信息。但由于該記錄方式以色度學三原色顏色科學理論為基礎，它只能表征物質表面在特定環(huán)境與特定設備條件下的顏色信息。當兩者發(fā)生改變時，會導致顏色信息無法預測。因此現今數字化的壁畫信息適用范圍有限，無法準確指導修復褪色壁畫時的顏料種類鑒別工作，目前該工作依舊需要依賴文保工作者的經驗。

（2）礦物質顏料種類具有多樣性，結構具有隨機性，粒徑分布具有多尺度性。研究發(fā)現敦煌壁畫使用的顏料大多是由天然礦石加工而成的礦石顏料，極少部分為植物顏料和人工合成顏料，經由不同的原石及研磨工藝加工得到的礦物顏料具有顆粒大小不同、粗細不等等特征，呈現出不同的色相、光澤、粗糙度和紋理感，決定了礦物質顏料種類具有多樣性和復雜性特點，這些特點導致壁畫表面在不同方向上會表現出不同的光學特性，因此僅憑借二維的攝影技術無法采集場景內壁畫顏料顏色的多維度屬性信息。

綜上而言，目前已獲取的壁畫數字影像不能為壁畫保護修復創(chuàng)作提供全面且準確的參考信息，導致壁畫在修復、再現和傳播時會產生顏色和信息失真現象。為解決上述問題，就必須增加顏料表征參量，以獲得全面的顏料信息，同時將信息用數字化的形式進行表征和保存，在前期建立的壁畫以及顏料信息檔案中，增加顏料的光譜值、色度值、物質譜以及顆粒度等綜合屬性，最終構建敦煌壁畫顏料顏色數據庫，建立完善的石窟壁畫保護檔案，真實地記錄壁畫的物質基礎信息和顏色信息，為下一步修復和再現文物原貌提供最科學、完整、客觀的依據。

2 構建敦煌壁畫顏料顏色數據庫的

緊迫性

敦煌莫高窟作為我國三大石窟藝術寶庫之最，1987年被聯合國教科文組織列為世界文化遺產，敦煌莫高窟內的壁畫出現的各種各樣受損問題仍在延續(xù)，而這些破壞不可逆轉，因此構建敦煌壁畫顏料顏色數據庫已經刻不容緩。從環(huán)境影響角度分析而言，敦煌莫高窟巖體膠結性差，且窟區(qū)偶有突發(fā)性暴雨，崖體遇水易崩解，易出現風化剝落問題；甘肅敦煌地區(qū)有地震活動，容易造成洞窟卸荷裂隙和坍塌；窟區(qū)沙塵較多，易卷起風沙，危害石窟壁畫；敦煌石窟大氣溫濕度和晝夜間溫濕度的差值較大，導致窟內空氣溫濕度的變化受影響較大，再加上游客對窟內大氣溫濕度和二氧化碳含量帶來的影響，造成的石窟壁畫損壞往往是無可挽救的。由此可見，構建敦煌壁畫顏料顏色數據庫工作顯得尤為重要且迫切，如文物工作者所言“與時間賽跑”，要在壁畫損壞劣化前，搶先將壁畫數字化保存。

從本體保存狀況要求角度分析，敦煌莫高窟是我國早期石窟壁畫的重要代表，它的建筑形式和建造工藝及使用材料不僅是研究中國早期壁畫制作技術和中國科技史的良好素材，而且對我國絲綢之路上石窟壁畫的建造有重要影響。經過許多世紀的風化侵蝕和人為破壞，產生了各種各樣病害，不少壁畫脫落變色褪色嚴重，鮮艷的色彩變得晦暗模糊。例如，紅色顏料中鉛丹在敦煌壁畫中使用廣泛，但目前幾乎已經找不到保存完好的橘紅色鉛丹顏料，取而代之的是變色后的黑色二氧化鉛，洞窟中的許多藍色顏料層中含有大量的白色晶體顆粒，多為石膏和鹽分的結晶體，這些結晶顆粒會造成顏料粒子的脫落。顏料病害極大地威脅著壁畫的保存狀況，如不及時采取科學合理的保護修復措施，也將給國家和民族造成不可挽回的損失，因此建立完善的壁畫顏料數據庫是行之有效的搶救性保護手段。

從管理使用要求角度分析，壁畫屬于文化遺產，不可再生，極其珍貴，壁畫保護和游客量增加之間的矛盾日益突出。為解決上述矛盾，貫徹執(zhí)行“保護為主，搶救第一；合理利用，加強管理”的文物保護方針，落實文物保護科學發(fā)展觀，敦煌石窟壁畫顏料顏色數據庫構建項目的開展亦顯得迫切。構建的數據庫將記錄顏料最客觀真實的信息，可為文物工作者修復創(chuàng)作提供科學準確的用色參考，減少工作人員對經驗的依賴，防止破壞性保護的出現。

此外，由于壁畫顏料使用及繪畫技法均具有鮮明的時代特征，壁畫顏料信息的數據化也可為石窟考古研究提供科學依據。數據化的壁畫顏料信息還可以用于指導各種可視化移動終端真實再現壁畫色彩，在滿足人們精神文明追求的前提下，有效減緩壁畫病害的發(fā)展，為石窟保護工作贏得更多時間。

3 敦煌壁畫顏料顏色數據庫的

構建方法

針對自然災害、環(huán)境變化、人類活動以及當前保護技術水平限制等因素給敦煌壁畫帶來的不可逆損毀或消亡問題，當前敦煌數字化項目保護方法獲取壁畫信息不全面問題，本文基于對敦煌壁畫顏料分析、美術創(chuàng)作學習、史料挖掘、色彩科學領域色彩感知研究以及文化遺產的數字化保護理論與方法實踐等多個方面經驗的綜合積累，提出了一套較為科學的敦煌壁畫顏料顏色數據庫構建方法，整體的構建方法如圖1所示。

首先建立一套敦煌壁畫顏料顏色的色標體系，對色標體系中每一個色樣的顏色、物理、化學、視覺感知屬性進行量化標定，建立敦煌壁畫色標體系基礎數據庫；然后結合“數字敦煌”項目的研究成果，針對已經數字化洞窟的影像數據進行精細分區(qū)編目，針對每個精細分區(qū)進行實際無損非接觸式測量標定，獲得每個精細分區(qū)的顏色、物理、化學、視覺感知屬性數據；最后建立每個精細分區(qū)和敦煌壁畫色標體系基礎數據庫色樣的映射關系，完成敦煌壁畫顏料顏色數據構建，并通過實際應用指導測驗對建立的敦煌壁畫顏料顏色數據庫進行最終完善。

3.1 敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫的構建

如圖2所示，建立敦煌壁畫顏料顏色色標基礎數據庫，首先要對敦煌壁畫進行實地調研、專家咨詢以及文獻查閱等工作，全面掌握敦煌壁畫創(chuàng)作的原材料、制作工藝和創(chuàng)作技法，配置好全部種類顏料及色標制作配套工具；然后依據色標的具體應用情景及功用設計敦煌壁畫色標實體樣式，并根據實際掌握的洞窟壁畫的制作工藝和技法進行敦煌壁畫色標實體制作和編排；最后針對制作和編排的敦煌壁畫顏料顏色色標實體，進行多個維度屬性的標定，具體包括色標的色度屬性、光譜屬性、物質成分屬性及決定表面形貌屬性顏料顆粒度等各項指標，最終歸檔存儲形成敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫。

3.1.1 敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫構建的客觀基礎

敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫的構建是完成敦煌壁畫顏料顏色數據庫構建的基礎。一套基礎敦煌壁畫顏料顏色數據庫應該包括敦煌壁畫所使用的所有顏料的種類。顏料種類的確定需進行大量的文獻和實地調查來確定。關于敦煌壁畫所使用的顏料的種類的分析，敦煌學研究專家已經對敦煌壁畫進行過大量的實地調研與取樣分析。敦煌壁畫所使用的顏料的類別和種類目前已經明晰[19-20]。此外，敦煌壁畫創(chuàng)作所使用的連接膠料是完成壁畫創(chuàng)造的一種重要材料，對于敦煌壁畫創(chuàng)作所使用的膠料鑒定分析也取得了卓越的成果。專家通過化學分析確定敦煌壁畫中主要使用的膠料為牛皮膠 [21]。敦煌壁畫的制作工藝和創(chuàng)作技法是完成敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫構建的另外一個重要的決定因素，基礎色標數據庫的建立需有大量敦煌壁畫顏料模擬色樣的支撐，而借助敦煌研究院美術所專家的多年創(chuàng)作臨摹積累的經驗，完成敦煌壁畫模擬顏料色樣的制作已不再是難題。

3.1.2 敦煌壁畫顏料顏色色標的設計制作

敦煌壁畫所使用顏料的色系主要分為紅、橙、黃、綠、藍和包括白和黑的中性色等多個色系，每種色系顏料又包括不同種類和數量的礦物顏料，且按照傳統礦物顏料的研磨制作工藝，不同種類的礦物顏料根據其研磨程度不同又分為多個顆粒等級，如石綠顏料在古代就有頭綠、貳綠、叁綠、肆綠、伍綠之分，不同粒徑的同種礦物質顏料所表現出來的顏色色相、明度及飽和度各有不同，其顏色色樣給人的視覺感受也各不相同，圖3為天然辰砂在不同粒徑下的顏料色樣，從左至右粒徑逐漸減小，色樣明度越來越暗，飽和度越來越高，色樣表面的粗糙感和紋理感越來越弱。

因此應充分考慮敦煌壁畫礦物顏料的上述特性，在建立敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫時合理地安排顏料的色系排列，有規(guī)律地將顏料按照顆粒度大小進行放置，以便于更加有效地命名以及對敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫進行數據存儲和管理。此外，為便于數據庫的實際應用，實體的敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫樣冊可按圖4設計，其中顏料色樣為單頁分布設計，實體數據庫樣冊采用活頁裝訂形式裝訂成冊，以便隨時取下其中單頁使用。單頁中的每個顏料色樣固定在定制的紙質卡槽之內，紙質卡槽以嵌入的方式規(guī)則地固定在每一頁紙基之上，可方便隨時取下單個顏料色樣測量和使用。

為便于數字化數據的存儲管理，敦煌壁畫顏料顏色色標數據庫實體樣冊的中的每一個顏料色樣可按照表1所示方法進行命名存儲。其中第一行為色塊位置中文描述，如“敦煌壁畫顏料顏色色標第1頁第1行第5列”；第二行對應色塊的英文編目“DHMPCP-P1-R1-L5”，其中DHMPCP表示敦煌壁畫顏料色標（Dunhuang Murals Pigment Color

Patches），P代表色塊所在頁碼（Page），R和C代

表色塊所在對應頁碼下的行數（Row）和列數（Column）；第三行對應顏料的中英文名稱；第四行為色塊在色標數據庫中總的色序，其中總的色序從第一頁第一個色塊開始命名為CP-1，逐行色塊編序，直至最后一頁的最后一個色塊。在數字化數據存儲中，每一個色樣都對應有其屬性測量數據的存儲空間。

3.1.3 敦煌壁畫顏料顏色色標的測量標定

隨著科學技術的發(fā)展，原位無損測量標定分析技術發(fā)展日趨成熟，非接觸式原位無損測量標定的方法在歷史文化遺產的調查保護工作中展現著突出的優(yōu)勢，近年來大量的非接觸式原位無損測量標定技術越來越廣泛地被應用到石窟寺壁畫及出土墓葬葬品的標定之中。準確全面地記錄敦煌壁畫的數字信息，除已有的偽彩色壁畫數字影像外，還需標定記錄其真實色度屬性、光譜屬性、物質屬性以及表觀屬性。相應地，也需對敦煌壁畫顏料顏色色標的上述相應屬性進行測量標定，以獲得信息全面的敦煌壁畫顏料顏色色變基礎數據庫。其中色度及光譜屬性可采用非接觸式光導分光光度計或光譜輻射度計進行測量標定，物質屬性可采用非接觸手持拉曼光譜儀、手持式熒光光譜儀和便攜式手持礦物光譜儀等進行測量標定，方便快捷。壁畫的表觀屬性主要由顏料粒徑所決定。顏料色樣可由粒徑已知的顏料涂制，并可建立同種顏料粒徑與對應光譜和色度屬性的對應關系?；谏鲜鲈O備和方法即可準確地表征敦煌壁畫顏料顏色色標基礎數據庫中每個色塊的綜合屬性。

3.2 敦煌壁畫數字影像精細分區(qū)編目及多維度屬性標定

針對前期數字化敦煌項目中采集獲得的洞窟資料和壁畫數字影像稿，通過計算機數字圖像處理相關技術以及人工輔助操作等，對敦煌壁畫的數字影像資料進行精細分區(qū)，獲得敦煌壁畫顏料顏色分布信息的位置數據，并按照一定規(guī)則對每一個精細分區(qū)進行編目編號，編目信息包括分區(qū)所屬洞窟、在洞窟中的具體位置、壁畫內容等，編號信息為每個洞窟壁畫中每個最小分區(qū)自身獨屬的身份標識代碼，其功能等同于色標書中每個色塊自身獨屬的代碼功能，以便于龐大數據量的管理，具體實施流程如圖5所示。

隨著計算機圖像處理技術的發(fā)展，圖像分割算法和技術的發(fā)展日臻成熟，借助圖像分割技術，可以將現有的敦煌壁畫數字影像稿按照需求分成若干個特定的、具有獨特性質的區(qū)域，然后對各個區(qū)域進行編號。其中，壁畫數字影像幾何分區(qū)信息的編目可以按照“敦煌石窟—洞窟編號—洞窟壁畫數字影像編號—對應編號壁畫影像下分區(qū)數目—對應編號壁畫影像下子分區(qū)編號”編排，如“敦煌石窟—249窟—1號壁畫數字影像—1號壁畫20個分區(qū)—1號壁畫1/20號子分區(qū)”指代敦煌石窟第249窟1號數字影像稿20個分區(qū)中第1號子分區(qū)，此子分區(qū)的獨屬性編號就定為“DHG-

GN249-DI1-PN20-SPN1/20”，其中字母DHG、GN、DI、

PN和SPN的含義分別為敦煌石窟（Dunhuang Grottoes，DHG）、石窟編號（Grotto Number，GN）、數字影像（Digital Image，DI）、分區(qū)編號（Partition Number，PN）、子分區(qū)編號（Sub-Partition

Number，SPN），第249窟1號數字影像稿其他分子區(qū)的編號按順序進行編排，如DHG-GN249-DI1-

PN20-SPN2/20、DHG-GN249-DI1-PN20-SPN3/20等，本洞窟內其他壁畫影像的分區(qū)編目方式按照上述編目方式進行，詳細編號規(guī)則如流程圖6所示，同時為每一個最小分區(qū)元素分配待測量屬性數據的存放單元地址，便于數據錄入與存儲管理。

完成敦煌壁畫分區(qū)編目工作后，針對每一個壁畫的精細分區(qū)進行洞窟內實地測量工作，獲得每個最小分區(qū)元素的色度信息、光譜信息、物質成分信息以及壁畫的表觀信息等綜合屬性數據，并按照所制定的各分區(qū)編號規(guī)則，將對應的測量數據對號存儲，為下一工作內容各分區(qū)與敦煌壁畫顏料顏色色標之間索引關系的建立提供便利。

3.3 敦煌壁畫顏料顏色數據庫的構建

完成上述所有工作之后，對敦煌壁畫各分區(qū)與敦煌壁畫顏料顏色色標之間測量數據進行對應的匹配，建立壁畫分區(qū)數據信息到敦煌窟壁畫顏料顏色色標數據庫的索引表，以前期數字化保護工作采集的全部壁畫數字影像稿為載體，綜合壁畫數字影像稿的分區(qū)信息，最終完成敦煌壁畫顏料顏色數據庫的構建，并借助計算機工程技術搭建敦煌壁畫顏料顏色數據庫平臺，實施方案如圖7所示。

其中，從壁畫分區(qū)數據信息到敦煌石窟壁畫顏料顏色色標索引的建立，應綜合獲得色度屬性數據、光譜屬性數據、物質屬性數據以及決定壁畫表觀屬性的顏料粒徑數據，提取幾種屬性的綜合特征，利用當前較為成熟的特征空間構建方法，構建適用于色標數據庫和壁畫的有效多維度特征匹配空間，并對色標及壁畫分區(qū)內容的多維度特征進行提取；同時構建客觀有效的特征匹配度評價指標，評價指導壁畫分區(qū)多維度特征到色標數據庫多維度特征的準確映射，完成索引關系的建立，從而完成敦煌壁畫顏料顏色數據庫的構建。

最后，對構建的敦煌壁畫顏料顏色數據庫進行實際的測試檢驗，具體為利用構建的敦煌壁畫顏料顏色數據庫指導敦煌壁畫的臨摹性修復、實體（本體）修復以及壁畫數字影像稿的虛擬修復，比如利用殘損壁畫周圍已知顏料信息，推算出殘損壁畫處可能的顏料種類及顏料粒度，利用推算出的顏料進行臨摹性或計算機虛擬修復，查驗實際的修復效果，對構建的數據庫進行測驗評估，針對不足之處進一步完善，確定最終的敦煌壁畫顏料顏色數據庫。

4 結 語

歷史文化遺產的保護是一項永不落幕的工程，敦煌莫高窟作為世界歷史文化遺產之一，其所承載的歷史信息和研究價值不可估量，隨著大數據技術的不斷發(fā)展，通過數字化保護方式使得敦煌莫高窟壁畫得以永久地保存和傳播已成為現實。本文提出的敦煌壁畫顏料顏色數據庫構建方法將為敦煌壁畫的數字化保護工程提供助力，應用科學的方法獲取敦煌壁畫更多有價值的信息，并用數據科學技術進行有效的存儲和管理，不僅能為將來敦煌壁畫的各種類型的修復提供基礎可靠的參考依據，同時也將為更加深入地進行敦煌石窟研究提供寶貴的資料。

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