樊丹丹，劉 成，容 波，王 飛，孫 劍，雷 君

(1. 西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西西安 710069； 2. 秦始皇帝陵博物院，陜西西安 710600；3. 義縣文物管理局，遼寧錦州 121100； 4. 西安博物院，陜西西安 710061)

0 引 言

計算機圖像虛擬修復(fù)技術(shù)是指依據(jù)原有信息，按照一定規(guī)則復(fù)原缺損區(qū)域信息的技術(shù)?，F(xiàn)有的數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)主要分為非紋理合成和紋理合成[1]。非紋理合成的圖像修復(fù)方法主要應(yīng)用于一些小尺度破損的圖像，這種技術(shù)是利用待修復(fù)區(qū)域的邊緣信息，由精到粗的方法來估計等照度線的方向[2]，將已知區(qū)域的信息利用傳播機制復(fù)制到待還原區(qū)域，實現(xiàn)圖像還原。該技術(shù)實際上是偏微分方程中的PDE算法[3]。紋理合成則主要用于修復(fù)圖像中大塊破損區(qū)域的補全[4]，其方法是在較完整的區(qū)域中找到和破損區(qū)域最相近的像素進行對比，把最佳匹配塊復(fù)制到破損區(qū)域去填充圖像，逐步完成修復(fù)。這也是當(dāng)前最常見的圖像修復(fù)[5]，Photoshop虛擬修復(fù)方法正屬于此類。

基于Photoshop實現(xiàn)的古代壁畫虛擬復(fù)原研究，是在對古代壁畫繪制的顏料和制作技法進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機Photoshop軟件對其進行虛擬的色彩修復(fù)、線條修復(fù)以及殘缺補繪等，最后調(diào)整色彩中的HSV值還原古老壁畫的本來面貌[6](通過科學(xué)分析先確定每一種顏色的色調(diào)H、飽和度S、明度V值，然后對比修復(fù)結(jié)果，糾正錯誤的色彩信息)。

本研究以遼寧省義縣奉國寺壁畫為研究對象，根據(jù)對壁畫病害調(diào)查、顏料鑒定、色彩分析等，利用樣本塊的紋理合成技術(shù)，通過計算機圖像處理，對現(xiàn)有壁畫的線條病害、顏料病害和結(jié)構(gòu)病害進行虛擬修復(fù)。

1 奉國寺壁畫概況

奉國寺位于遼寧省錦州市義縣，于遼開泰九年(公元1020年)建成，屬遼代皇家寺院。由于朝代更迭，幾經(jīng)戰(zhàn)亂，再加上地震等自然災(zāi)害，目前寺內(nèi)除主殿大雄殿為遼代建筑外，山門、天王殿等皆為清代或近代重修[7]。

大雄殿面闊九間、進深五間，為中國遼代佛教寺院中最大的單體木構(gòu)建筑[8]。殿內(nèi)四壁滿繪壁畫，據(jù)佛像造型和繪畫風(fēng)格可定為元代壁畫，壁畫以間口分幅，其中南墻東西盡間各繪千手觀音1幅，東西墻各繪佛像5幅，北墻除當(dāng)心間外左右各繪觀音像4幅，共計20幅[9]。佛像間以須彌山相隔，既渾然一體，又自成單元。在繪畫技法上，使用“鐵線描”等技法，畫面線條流暢，背光、須彌山等又通過暈染的手法使畫面富于變化[10]。

奉國寺壁畫規(guī)模大，繪制水平高，且具有明確的斷代依據(jù)，對研究元代的佛教發(fā)展、壁畫風(fēng)格和壁畫繪制技法具有極高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價值[11]。

2 奉國寺壁畫病害調(diào)查與虛擬修復(fù)研究

2017年西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院受義縣文物管理局的委托，對奉國寺進行了壁畫的現(xiàn)狀調(diào)查，調(diào)查依據(jù)中華人民共和國文物保護行業(yè)標準WW/T 0061—2014[12]。調(diào)查結(jié)果表明目前奉國寺壁畫保存狀況堪憂，病害種類多，面積大，不僅破壞了壁畫的畫面完整，還影響著壁畫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此必須要對壁畫進行修復(fù)保護，確保壁畫的安全。

奉國寺壁畫病害包括覆蓋、劃痕、表面污染、顏料層脫落、變色、起甲、龜裂、地仗層疏松、地仗脫落、酥堿、裂隙等，其病害面積和比例如圖1所示。

圖1 奉國寺大雄殿壁畫病害統(tǒng)計圖Fig.1 Statistical chart of mural diseases of the main hall in Fengguo Temple

奉國寺壁畫病害類型復(fù)雜，畫面殘缺嚴重，對之后的保護修復(fù)造成了不小的阻礙，因此在實際修復(fù)前需要運用Photoshop虛擬修復(fù)技術(shù)對壁畫進行畫面的修復(fù)、補配，科學(xué)還原壁畫的本來面貌，一方面為之后的保護修復(fù)工作提供參考，另一方面可以確定壁畫保護修復(fù)的最終效果，避免多次修復(fù)對壁畫造成損害[13]。基于Photoshop虛擬修復(fù)的分類和操作方法，本研究將奉國寺壁畫的病害分為線條病害、顏料病害和結(jié)構(gòu)病害3類，對其分別進行病害虛擬修復(fù)的研究。

2.1 線條病害

線條病害主要指墨線的殘損。線條是中國繪畫的藝術(shù)語言，畫家謝赫曾提到的“六法”論[14]，一是“氣韻生動”，二是“骨法用筆”，即所謂的流暢美中不失力量。但墨線隨著歲月的變化，會出現(xiàn)殘缺(圖2a)、褪色(圖2b)等病害，破壞畫面的流暢性。不過根據(jù)線條的統(tǒng)一性和連貫性，對此類病害中線條的缺失部分可以準確預(yù)測，對于褪色區(qū)域可以通過對未褪色部分的色度檢測確定補色標準，因此通過Photoshop虛擬修復(fù)技術(shù)可以實現(xiàn)對此類病害的準確修復(fù)。

圖2 奉國寺大雄殿壁畫線條病害圖Fig.2 Mural line diseases of the main hall in Fengguo Temple

2.2 顏料病害

奉國寺壁畫的顏料病害主要包括顏料層脫落(圖3a)、龜裂(圖3b)、起甲(圖4a)和表面覆蓋(圖4b)等。

壁畫顏料層脫落會造成壁畫表面內(nèi)容缺失，影響壁畫的美觀性和藝術(shù)性。由于奉國寺同題材壁畫的畫面布局和繪畫風(fēng)格都大致相同，僅為佛像手印和服飾的差異，因此可以通過同一墻面其余壁畫的比對，確定壁畫缺失部分的內(nèi)容。

顏料層龜裂一方面會破壞壁畫的完整性，另一方面裂紋相連發(fā)展會形成顏料層的薄弱面，引起顏料層的大面積脫落。對于此類病害，在進行虛擬修復(fù)時，可以利用Photoshop技術(shù)將裂紋去除，還原壁畫。

圖3 奉國寺大雄殿壁畫顏料病害圖Fig.3 Mural pigment diseases of the main hall in Fengguo Temple

圖4 奉國寺大雄殿壁畫顏料病害圖Fig.4 Mural pigment diseases of the main hall in Fengguo Temple

壁畫起甲是顏料層已經(jīng)形成卷翹，其沒有畫面信息的缺失，但由于起甲部分與壁畫本體已經(jīng)不處于同一個平面，因此在虛擬修復(fù)時需要對壁畫進行降維處理[15]，再通過虛擬修復(fù)技術(shù)重新貼合在壁畫層面。

壁畫表面覆蓋物多為灰塵、動物糞便等。進行虛擬修復(fù)時，需要對比未覆蓋區(qū)域進行色彩樣本和數(shù)據(jù)提取，但此方法僅適合于沒有繪畫細節(jié)的單色區(qū)域；如果覆蓋區(qū)域下為手勢、服飾等差別部分，則需要通過多光譜成像等技術(shù)確定覆蓋位置下的繪畫內(nèi)容，再進行畫面復(fù)原。

2.3 結(jié)構(gòu)病害

結(jié)構(gòu)病害是除線條病害和顏料病害之外其余病害類型的總稱。其主要包括壁畫的裂隙(圖5a)、壁畫的空鼓變形(圖5b)等。

奉國寺20幅元代壁畫中有13幅壁畫都存在裂隙問題，且裂隙的開裂程度可以達到壁畫的粗泥層，斷裂面與壁畫本體嚴重錯開。對于這種直接影響壁畫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的病害，在進行虛擬修復(fù)壁畫時一是要對開裂位置進行復(fù)合，二是要對凸起變形位置進行復(fù)原[16]。

壁畫的空鼓變形是由于20世紀80年代壁畫使用了環(huán)氧樹脂和玻璃纖維布作為壁畫新的支撐體，而環(huán)氧樹脂因老化收縮變形后引起了地仗層的脫離與空鼓[17]。利用軟件在此類病害部位對空鼓變形位置進行修正即可。

圖5 奉國寺大雄殿壁畫結(jié)構(gòu)病害圖Fig.5 Mural structure diseases of the main hall in Fengguo Temple

3 虛擬修復(fù)技術(shù)在奉國寺壁畫保護中的應(yīng)用

奉國寺壁畫保存現(xiàn)狀堪憂、畫面破壞嚴重、病害類型眾多、病害機理復(fù)雜，短期內(nèi)無法進行保護修復(fù)工程，因此需要通過Photoshop虛擬修復(fù)技術(shù)對壁畫的畫面進行還原，指導(dǎo)今后保護修復(fù)的方向，同時也可以通過虛擬再現(xiàn)的方式使觀眾更好地了解壁畫全貌，便于壁畫價值的傳播。

3.1 虛擬修復(fù)原則

3.1.1最小干預(yù) 在虛擬修復(fù)過程中對于不確定且沒有完整證據(jù)支撐的缺失或覆蓋部分不進行主觀性質(zhì)的修補；對于畫面變色、褪色部分進行色彩復(fù)原時，如果不影響畫面的藝術(shù)表達，亦不進行色彩變動，保留壁畫的歷史信息[18]。

3.1.2價值展示為先 虛擬修復(fù)與實際本體修復(fù)不同，是通過各種現(xiàn)代技術(shù)對壁畫畫面進行還原，更注重畫面的整體藝術(shù)性，因此在確定的情況下需要盡可能多地還原壁畫信息，以展示壁畫的價值為先[19]。對于裂隙、空鼓等病害，在實際修復(fù)中考慮到壁畫的安全性，不可能將其完全恢復(fù)到原狀，但在虛擬修復(fù)時可以對這類病害進行處理，使其回到本來面貌。

3.1.3為壁畫保護服務(wù) 虛擬修復(fù)只是一種手段，在虛擬修復(fù)過程中不能本末倒置，應(yīng)該將其修復(fù)結(jié)果與之后的壁畫保護工程緊密地結(jié)合在一起，為壁畫本體保護提供建設(shè)性意見，確保本體保護可以取得更好的效果[20]。

3.2 虛擬修復(fù)方法

3.2.1線條病害 以線造型是奉國寺壁畫的重要藝術(shù)表現(xiàn)形式。奉國寺壁畫描繪的藝術(shù)形象包含了人物、山水、法器等，其用筆細而下垂，成圓弧狀，最講究線條之間的疏密排列變化，整體具有工麗嚴謹而又不失奔放灑脫的特點[21]。壁畫根據(jù)人物的身份、傳達的個性、服飾等采用完全不同的表現(xiàn)形式，畫面繼承了唐宋以來傳統(tǒng)的白描技法，人物的手、足、臉采用細而均勻的暗紅色游絲描，線條提按變化不大，多為圓曲轉(zhuǎn)線[22]。所著長袍的衣紋線一氣呵成，有時風(fēng)動流暢，有時則謹慎細膩，胸前領(lǐng)口飄帶、袖口在細小的花瓣之上勾勒出絲絲筋絡(luò)，輕柔嬌嫩。正所謂“是以虛實相生，疏密相用，繪事乃成”[23]。背景中的山水景致及云卷紋畫面較為素雅，山石以墨線勾勒，筆勢婉轉(zhuǎn)較有變化，并施以小斧劈皴，再施色石青和石綠淺絳設(shè)色。而云卷紋先以濃墨勾勒，再以淡墨暈染，最后淺絳設(shè)色，蓮花座采用雙線勾勒層次感極強，在整體空間的營造上增強了藝術(shù)的表現(xiàn)力。

奉國寺壁畫中線條病害的虛擬修復(fù)主要針對線條的殘缺情況(圖6)，一為可辨識性的殘缺；二為不可辨識性的殘缺。在運用Photoshop軟件的輔助修復(fù)中，要著重把握其線條流露的節(jié)奏和韻律美[24]：一則為線條自身的節(jié)奏和韻律，主要表現(xiàn)在繪畫過程中由提按、行頓、轉(zhuǎn)折、輕重、疾緩等所表達的變化；二則是每根線條的長短、粗細、繁簡、疏密、濃淡、虛實等展露出來的節(jié)奏感。

1) 可辨識性殘缺。可辨識性殘缺是由已有的壁畫信息去推測殘缺部分的繪制內(nèi)容，奉國寺壁畫中可辨識性缺失的主要內(nèi)容常在人物四肢、衣服紋飾、圖案的裝飾、佛像背光、山水景致等位置出現(xiàn)。這類殘缺一般情況下可進行準確的虛擬修復(fù)。其修復(fù)方法為：

(1) 針對完全殘缺的內(nèi)容應(yīng)用計算機選擇Photoshop工具欄中的仿制畫筆種類，并調(diào)整其大小、硬度、透明度、流量等參數(shù)，再運用已推測的信息補配殘缺內(nèi)容。

(2) 針對墨線模糊、褪色的情況，運用色彩差的原理重復(fù)提取原墨線痕跡，通過疊加使模糊淺淡的線條色彩恢復(fù)清晰。

2) 不可辨識性殘缺。不可辨識性殘缺是指殘缺的壁畫很難通過現(xiàn)有的視覺信息來進行修復(fù)，特別是人物的五官、手印、關(guān)鍵動態(tài)部位以及背景無規(guī)律云卷紋殘缺。這類缺失是壁畫虛擬修復(fù)中的重點，也是難點。其修復(fù)方法為：

(1) 判斷原有的繪畫運筆軌跡和用筆技法選擇具有類似效果的模擬筆刷[25]，以此來達到補配的藝術(shù)效果。

(2) 選擇一個具有類似特征的原型，將原型復(fù)制后移動到殘缺區(qū)域，進行大小、方位、邊緣細節(jié)等變型處理等使之符合人的視覺感受。

(3) 根據(jù)壁畫的整體構(gòu)圖、外輪廓特征以及人物布局等對原型進行調(diào)整，使之與人以及所依存的環(huán)境相融合[26]。對于墨線的修復(fù)，不僅要完成線條所展現(xiàn)的形體塑造，而且要領(lǐng)會、解讀畫面的豐富情感。這一部分的修復(fù)需要具備相關(guān)繪畫知識。

圖6 壁畫殘缺線條的虛擬修復(fù)Fig.6 Virtual image reconstruction of broken lines of murals

3.2.2顏料病害 奉國寺壁畫色彩以紅、青綠、靛藍為主，并輔以黑、白、金、黃等，色彩豐富而富麗精工。從圖像特征上看，壁畫中主體佛像大面積地使用了紅色，畫面卻絲毫不顯單調(diào)，主要在于用色主次分明、位置經(jīng)營巧妙。不僅具有視覺上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且畫面極具擴張力。著色技法以重彩勾填為主[27]。重彩勾填是中國傳統(tǒng)重彩畫經(jīng)典技法，用墨線作為骨架，勾好輪廓，然后填色。勾填的顏色多為覆蓋力強、濃重的礦物色，并做到色不壓線、線不壓色，保留墨線和色塊的相對獨立性和關(guān)聯(lián)性，即在墨線所界定范圍內(nèi)把色彩均勻涂開。但為了達到和諧的色彩畫面，除了建立主次分明的色彩秩序以外，還需要具有色相、明度漸變的方式來表達體積、明暗、空間[28]。這種著色技法一般從輪廓線開始向內(nèi)染，起筆部分顏色渾厚，色彩飽和度高，結(jié)束部分顏色淺，以此使色彩產(chǎn)生濃淡虛實的變化，形成明暗關(guān)系。古代壁畫受西域的影響，對飾品圖案、建筑裝飾等一般用重彩勾填法，對人物的服飾、皮膚、山水、花鳥等多用漸變暈染法[29]。

顏料病害的虛擬修復(fù)不同于線條病害，更需甄別古代壁畫的著色技法。一般來說修復(fù)重彩勾填病害的色彩區(qū)域時，只需選取相同色相較高、完好的區(qū)域樣本[30]，然后導(dǎo)入到待修復(fù)的區(qū)域，最后再進行色彩的矯正即可。而對于漸變區(qū)域的修復(fù)，則需要考慮模擬筆刷、色彩差原理、靈活調(diào)整透明指數(shù)等多種方法，才能使最后的視覺效果自然生動(圖7)。

以圖7所示局部山水的虛擬修復(fù)為例介紹顏料病害的修復(fù)流程，此區(qū)域的繪畫技法屬于典型的重彩勾填，也就是指將色彩均勻地涂在線條所界定的范圍內(nèi)，病害為顏料層褪色，在修復(fù)具有這一類的色彩區(qū)域時：

1) 選擇污點修復(fù)工具，并調(diào)整大小、硬度、模式、類型等參數(shù)，先清除表面黑色絮狀污染物以及顏料層由于起甲和龜裂而產(chǎn)生的短淺裂紋。

2) 對表面缺失部分應(yīng)用快速選擇工具將缺失內(nèi)容進行閉合框選，再利用近似匹配原理進行內(nèi)容識別填充。

3) 對褪色、變色部分的修復(fù)，選用仿制圖章工具采集同區(qū)域保存完好的顏色樣本導(dǎo)入到病害區(qū)域。

4) 最后調(diào)整色彩的HSV值，即可還原壁畫的原貌。

圖7 壁畫顏料區(qū)域病害的虛擬修復(fù)Fig.7 Virtual image reconstruction of pigment areas of murals

3.2.3結(jié)構(gòu)病害 雖然壁畫結(jié)構(gòu)病害種類繁多、數(shù)量龐大，不同病害產(chǎn)生的情況差異較大，但在修復(fù)中大體都要經(jīng)過病害識別、圖像預(yù)處理、特征提取、分類修復(fù)等基本步驟。

病害識別要在現(xiàn)場與壁畫進行比對，不能僅僅依靠高清圖片，同時也要輔助多光譜成像、超景深顯微系統(tǒng)對病害細節(jié)進行確定[31]。圖像預(yù)處理是需要對壁畫表面覆蓋物進行清除，對于壁畫龜裂所產(chǎn)生的裂縫和起甲形成的卷翹進行復(fù)原，以保證后期可以更準確地識別病害類型。然后依據(jù)病害調(diào)查情況對病害進行特征提取，最后依據(jù)不同結(jié)構(gòu)病害的特征設(shè)計虛擬修復(fù)方案(圖8)。

圖8 層次結(jié)構(gòu)病害的虛擬修復(fù)Fig.8 Virtual image reconstruction of structural layout of murals

如圖8所示的結(jié)構(gòu)病害為地仗層出現(xiàn)的縱向裂隙。修復(fù)這類破壞性較大的病害時，由于病害面積較大，修復(fù)結(jié)果往往要以畫面的整體融合性為主，使之最大程度符合人的視覺效果，一般分為以下2種情況：

1) 結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)在有繪畫內(nèi)容的壁畫上，先調(diào)整污點修復(fù)工具的參數(shù)對圖像進行預(yù)處理，復(fù)合開裂、凸起的變形位置，然后再補繪病害下的缺失內(nèi)容。

2) 結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)在單色的壁畫背景上，修復(fù)過程不能概念化，仿制圖章、內(nèi)容識別、近似紋理匹配等原理需要相結(jié)合靈活運用，最后運用加深、減淡工具對與周圍銜接處的細節(jié)進行處理，達到真實自然的效果。

4 結(jié) 論

如今虛擬修復(fù)技術(shù)已成為輔助壁畫保護工作的重要方法，對壁畫的信息共享、保護修復(fù)、學(xué)術(shù)研究和參觀鑒賞等具有極大的作用，同時也能為壁畫虛擬展示提供了更具象、立體的效果。

通過Photoshop虛擬修復(fù)技術(shù)對奉國寺壁畫修復(fù)的結(jié)果可知，此類修復(fù)方法可以實現(xiàn)對確定區(qū)域的準確修復(fù)，且壁畫還原效果好。Photoshop技術(shù)具有對壁畫色彩和線條的特性模擬處理能力，在對原壁畫不造成任何傷害的情況下，可以更好地還原古代壁畫的真實面貌，達到美學(xué)效果與歷史信息的雙重保留，為古代壁畫的數(shù)字化虛擬修復(fù)帶來新的契機，可加快我國壁畫研究數(shù)字化進程，對實體修復(fù)指導(dǎo)意義重大。基于Photoshop虛擬修復(fù)技術(shù)在不破壞原壁畫的前提下，能最大程度地展現(xiàn)古代壁畫圖像的信息，并且更加客觀、理性和準確，減少了人為和主觀因素的干預(yù)，更利于還原古代壁畫的本來面貌。且Photoshop是最常見的圖片處理軟件，操作簡單，工作人員在短期的學(xué)習(xí)之后就可以在文物保護中應(yīng)用，易推廣。

計算機技術(shù)的發(fā)展為古代壁畫的虛擬修復(fù)提供了強有力的技術(shù)手段，是世界文物保護領(lǐng)域一次重大的技術(shù)革新。選用Photoshop技術(shù)對古壁畫虛擬修復(fù)，是現(xiàn)代技術(shù)與古代藝術(shù)相結(jié)合的重要探索。修復(fù)過程融入了藝術(shù)家的專業(yè)知識、繪畫技法以及對壁畫的解讀，在視覺上可以達到與人工修復(fù)極為相似的藝術(shù)效果，是數(shù)字化保護文物發(fā)展的重要方向。