基于多种方法综合的壁画病害分析统计方法

张琦，高峰，张爱武

(1.首都师范大学 资源环境与旅游学院，北京 100048；2.中国文化遗产研究院，北京 100029)

1 引言

近几年来，我国大部分地区的壁画开始出现严重的损毁现象，很多专家为了能将古人留下的文化遗产良好的保存下来，都在致力于壁画的保护工作中，但是壁画的保护必须要基于可靠的数据分析，所以近几年来国内很多院所及保护机构已经开展了形式各样的壁画病害保护工作，方法也各有千秋。

调查统计方法：调查统计方法产生的时间比较早，由于当时物质和技术条件的限制，只能用文字和图形表示壁画病害的内容，现存的石窟档案中，用红色线条和图案表示病害和人为干预的范围，方法虽然简单，但是技术含量低，是与当时的工作环境联系在一起的，不能够形象和详细的表示病害的种类和范围，例如，同一区域如果出现多种病害并存的状况，简单的示意图，不能够准确的体现病害的范围和面积等数据，这些数据需要实地量测记录，这种方法不需要很强的专业技术知识，只须懂得量测方法就行，但是此方法费时费力，得出的病害种类和结果也不是很准确，记录的数据也无法给人直观印象。

物理化学分析方法：敦煌研究院的研究主要致力于损坏壁画的虫害因素，以及导致虫害影响下的连锁因素，主要通过运用物理的方法对病害进行详细的分析，通过偏光镜对影响物质进行结构分析，分析出病害种类，采用红外光谱分析，得到峰值图，来得到各种化学因素的影响程度及范围。之后通过颜色检测和色差分析检测对被污染壁画进行色度比较，由于不同物质对同种颜料的颜色影响不一致，以及同种物质对不同颜料的颜色影响也会不一致，所以要区分开不同影响物质的作用范围，需要很精确的色度分析，将分析出来的病害进行实地量测，得到面积数据。这种方法对于壁画病害的机理，研究的比较透彻，但是时间需求相对较多。

探地雷达检测壁画病害方法：探地雷达的检测是不常见的，在识别病害种类方面也是比较有限，在识别壁画空鼓病害方面较为有效，对于空鼓病害，雷达图像清晰可靠，误判率低，数据经抽取均道和带通滤波后，雷达图像的效果更直观，有利于空鼓的识别。通过探地雷达的使用来进行检测，需要很高的硬件性能，硬件的性能越高，检测的效果也越好，但是这种方法在采集的质量和所得雷达数字信号的后处理工作中还有很大不足。

可视化技术的统计方法：北京建筑工程学院先通过地面三维激光扫描的方式，得到壁画的点云模型，通过实地考察对石窟石刻壁画进行正摄影像图的制作，以及矢量信息图的生成，绘制出病害信息图，最后得到壁画病害的统计信息图。目前这种方法较为先进，通过对模型的建立，可以从电脑上实时反应出实地的场景模型，将实地测出的病害进行统计，制作成信息图，可以更好的对壁画病害进行了解，但是对病害的识别工作还是主要利用实地考察，而且得出的病害信息都是二维的，不能得到壁画中各种病害信息的具体属性信息，例如病害的位置，大小，面积等。

本文通过对大昭寺转经廊外侧东壁北部中门南窗和外侧南壁西部中窗的可识别病害的统计，主要介绍我们对于壁画病害的统计工作的一些方法，相比于上面所叙述的方法，我们的方法主要是将3D几何方法结合2D图像方法，对壁画病害进行分析统计。主要目的是将壁画的识别工作从以前的实地考察转移到通过在计算机上的识别，这种做法可以大大降低人力物力的消耗，缩短项目工作周期。

下图为本文工作的流程：

图1 本文工作流程图

2 病害分析方法

2.1 基于3D激光点云的识别

2.1.1 3D激光点云的特性和原理

3D激光点云的扫描主要是通过TOF脉冲测距法，是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值b。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。三维激光扫描仪所获得的数据是由全离散的适量距离点构成的点云，每一个像素所包含的是一个距离值和一个角度值，获得的点云数据都带有xyz三维坐标信息(图2所示)，所以它对于检测会发生几何形变的壁画病害有很大帮助。因为点云数据是根据实际量测出来的带有3D坐标的激光点，所以对于壁画上一切形变都可以较好的反应出来。

2.1.2 病害识别的种类

壁画病害种类繁多，都会在壁画表面上产生物化作用，长久之后，会导致壁画发生各种形变，作用范围、程度、形态都会不同。激光扫描测量能快速获取大面积目标空间信息，可以进行目标空间数据采集的速度非常快，可以及时测定形体表面立体信息，

图2 点云数据坐标信息

对于空鼓，裂隙，地仗脱落等导致壁画发生几何形变的病害，可以通过点云数据观测，根据点云表面的起伏状态可以察出发生形变的位置，得到坐标信息，还可以通过垂直于壁画表面的坐标，观察壁画形变的深度，判断何种病害作用于此，然后根据形变的xy轴的坐标信息计算病害的作用范围。通过激光点云的方法可以得到病害的范围，面积，方位信息。下表是对大昭寺转经廊外侧东壁北部中门南窗和外侧南壁西部中窗的可识别病害的统计。

表1 病害统计

2.1.3 举例分析

空鼓是壁画病害中常见的一种，它是指基层，砂浆层、砖体间粘贴不牢，或是水泥砂浆密实度不够导致的内空现象。例如，西藏地区，地震频繁，脱落的墙体及地仗就会填充于壁画的空鼓层中，随着脱落物的不断增加，空鼓就会越来越严重，随时有脱落的危险。壁画地仗依附于墙体和屋面直接相连，在壁画干燥的过程中，不同材质收缩率的不同易在材质结合部位形成空隙，加上力的传递作用，便形成了壁画普遍空鼓的现象。

发生空鼓后的壁画表面不再像以前一样平整，通过激光进行3D扫描之后，利用相关的处理软件对已扫描的点云数据进行分析，之后调用查询点云信息的工具(图3)，来观测局部点云3D坐标信息，得出XYZ的坐标，分析相对平整的壁画表面的形变程度，沿着病害发生的部位依次向下检测，确定出空鼓病害的作用范围，通过软件中的量测工具对空鼓病害的范围进行测量，得出面积信息，查看四个方向的坐标信息，确定空鼓病害的位置信息，记录到数据库中。裂隙病害等其它病害的检测方法也是同样，但是作用的机理不同，导致壁画形变的形式也略有不同。

图3 空鼓几何模型

2.2 基于反射率识别

2.2.1 反射率识别的原理

激光强度是指激光对不同材质、不同颜色的目标物体反射的信号不同。激光反射强度信息是指对接收激光的信号进行采样和量化后得到的数值。激光强度信息在没有灰度信息时有助于区分不同物体。反射率是指投射到物体上面被反射的辐射能与投射到物体上的总辐射能之比，也就是物体表面所能反射的光量和它接受的光量之比。反射率的不同决定于入射角度以及投射到的介质的不同，激光扫描仪所发出的光源可以看成是平行光，基本不存在入射角度的影响，在临界面上的反射率仅与介质的物理性能，和光线的波长及入射角有关，因此在这里我们只要考虑壁画表面介质的物理性能即可。

2.2.2 识别的病害种类

通过反射率识别病害，是一种较为高效可行的方法，但是它的识别也较为有限，对于流场痕类病害效果显著，这类病害对壁画表面色彩以及材质的影响比较大，作用之后，会使壁画原始表面出现色彩及化学变化，所以可以通过检测整体反射率的差异来判断受病害影响的部分。诸如水渍，烟熏等病害，都会使壁画表面产生一定的色彩变化，而且由于壁画本身材料不同，反射率相对也有差异。

2.2.3 举例分析

水渍，就是指被水冲刷过所残留在壁画表面的物质，由于寺内漏雨，壁画会被雨水冲刷，冲刷过的壁画表面会将壁画表面的颜料层冲淡，颜料层的颜色可能会混合到雨水中，沿水流从壁画带下，逐渐混合到其它部分。运用Polyworks软件中自带的点云反射率检查工具检查各部分的反射率，发现有明显变化的部分，确认发生变化的范围，然后通过量测工具对病害范围进行测量。

图4 反射率模型

2.3 基于图像的识别

2.3.1 图像识别的原理和方法

对于壁画病害的检测，图像识别是使用最为广泛、也较为简便的一种方法，主要是通过数码相机记录壁画的信息。在图像识别中，既要有即时进入感官的信息，也要有记忆中存储的信息，通过存储信息与即时信息进行比较加工，能实现对图像的识别。通过照片的记录方式，可以最有效的配合人脑的记忆，将现实完整的保留下来。人在图像上识别能力是很强的，图像识别是以图像的主要特征为基础的，每个图像都有它的特征，图像中含有大量的色彩及纹理信息，对于各种病害的识别较为简单。

2.3.2 识别的病害种类

通过图像可以识别的病害种类较多，一般对于会对壁画产生视觉上影响的病害均可识别，例如地仗脱落，烟熏，空鼓，裂隙，疱疹，起甲，生物病害等，但是对于壁画内部的化学物质发生的病害就很难观测，通过图像很难确定壁画病害的程度和立体信息，由于图像只能对二维信息进行记录，所以不同的拍摄角度，反应出的病害效果也不同，准确度也会受到限制。

2.3.3 举例分析

诸多病害作用在壁画上都会产生色彩或者形态上的变化，都可以通过图像观察得出，所以对于图像上的目视识别没有特定的规律和方法，主要是要根据检测人员对于各种病害信息的理解来进行判断。判断这类病害需要研究人员有丰富的病害方面的知识，通过图像上所反应的纹理变化，综合判断病害的种类及大致范围(下图展示了2种病害)。

图5 裂隙图

2.4 基于三者的综合识别

以上三种方法是我们对种类不同的病害进行的不同检测方法，但是有些病害的检测分析需要将上面的方法进行综合才可以辨别出来。有些病害虽然成因不同，但是他们作用后所形成的病理和损坏结果相同，所以需要我们将上述三种方法结合，进行一个综合的分析，然后判断是何种病害起主要作用。例如，壁画起甲与壁画空鼓两种病害，它们在壁画表面所表现的情况较为相似，如果单单从激光点云方面探测，观察它的三维坐标信息，很难判断出是空鼓病害还是起甲病害，所以必须结合图像来进行分析，判断病害的种类。相反，如果仅仅从图像角度方面判断壁画病害的信息，不仅无法正确识别病害，也得不到病害的精确的坐标信息与面积大小，而且图像信息根据拍摄的位置不同，也会得到不同大小的图像质量，所以要将图像与三维点云结合，给点云进行重建，并附上纹理信息，这样就可以更加准确的对病害进行分析统计。另外，判断流场痕等病害时，加入反射率的检测，可以更加准确的判断出是否是同种液体流过所导致的病害，或者是其他病害的作用影响。

将三种方法进行结合，对壁画病害进行综合的分析，是一种非常高效且精准的方法，先进行三维激光点云的获取，通过使用Riegl扫描仪来获取，之后对点云进行预处理，包括数据优化，数据删减，数据拼接等操作。保留点云的各项属性信息，进行三维模型的重建，在计算机上得到室外模型的虚拟仿真模型，最后将实地拍摄的图像利用纹理映射的方法，进行贴图，给模型以精确的纹理信息，完成模型的虚拟还原。之后在模型中对各种病害进行分析统计，并记录到数据库中，完成壁画病害的统计工作。

2.5 不同方法的对比分析

以大昭寺外侧东壁南部中门南窗一副壁画为例，我们先通过反射率方法进行分析，从图7中可以看出壁画局部地区亮度较高，呈现白色状，但从模型及图片信息中很难查出病害作用的效果；从图像和模型上我们可以发现龟裂等病害作用的效果，但是反射率的方法却又不能清晰的反应出病害效果。而单独从模型上分析，只能了解到此部分形变的数量差异，对于确定是何种病害，需要借助图像信息来确定出病害的种类。反射率方法着重研究壁画表面材质变质的情况，激光点云方法着重对壁画发生形变的部位予以展现，图像方法是着重检验出在视觉上发生变化的病害。三种方法的融合可以从多方位多形式上对病害的各种机理进行检测，可以完全满足研究人员对病害调查分析的要求，从图11中可以分析出此幅壁画包含多种病害的作用。下图是对大昭寺外侧东壁南部中门南窗同一副壁画用不同方法识别的效果图：

图7 反射率

图8 模型

图9 图像

图10 模型贴图

3 总结与展望

三维激光扫描技术正日趋成熟，数据具有较高的可靠性和准确性，为本研究提供了数据基础，较为完整的高质量点云数据能将壁画空间信息真实的记录下来，加上人工对数据的处理，使得生成的模型与实物模型基本吻合，而且这里所介绍的激光扫描技术是非接触式的，对于壁画不会造成二次损坏，相比于以前通过人工接触式测量，调查和手工绘制在数据准确性和文物的保护性都有明显提高。

本文将三维激光扫描技术与壁画保护技术进行结合，在传统的基于图像上的分析统计上，加上3D的因素，生成实体的三角网模型，实现对壁画病害的统计工作。相比于常规的2D图像分析，3D的几何分析的加入，帮助我们从三维形变上对病害的作用进行分析，帮助分析病害种类，附加图像的彩色纹理信息，使得分析病害更加准确，而且对于未接触过实际场景的研究人员们，3D形式的记录可以更好的将病害效果展现在其面前，使得他们对下一步要进行的保护工作游刃有余。

下一步，研究工作将会主要致力于对壁画病害的信息进行自动统计的研究。对于壁画的统计工作，之前的研究包括本文的研究还主要是通过半自动和人工目视解译进行的，之后的工作可以发展到全自动化，对各种病害的机理进行研究，建立每一种病害的样本库，在软件中用样本去训练样本库，最后

可以自动识别各种病害，并能自动获取病害的位置坐标和面积范围信息。

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