壁画图像的智能数字化修复研究

梁国兴

（山西云冈数字科技有限公司，山西 大同 037009）

0 前言

现代网络与计算机技术发展迅速，图像智能化、数字化处理水平也得到大幅度的提升，以往传统意义上对于图像的人工复原已经难以满足当下需求，越来越多地被智能化、数字化操作所替代，而这种替代从一定程度上满足了人类社会发展的需求，不仅快速稳定，而且逐渐被应用到了更宽广的领域当中。我国作为文物资源丰富的国家，文物保护始终都是十分重要的工作之一，随着科技的迅速发展，越来越多的科学家发现，智能数字化修复技术在图像修复上的优势与文物修复的难题之间存在着微妙的契合点。智能数字化图像修复利用智能科学的算法与越来越趋近于人性化的人工智能智慧，能够更好地服务于文物保护的损坏修复和复原工作，智能数字化修复技术在文物保护、文物修复领域的应用从很大程度上推动了文物保护工作的大跨步成果推进，也更好地体现了科学技术在信息化时代的大作用与高价值。

1 智能数字化修复技术的相关概念及应用难度

首先应当明确，随着科学技术的不断发展，学术界对于某项技术的应用领域会不断拓宽，而本文当中所描述的智能数字化修复技术包含了不止一个科学技术概念，其中包括文物虚拟修复、智能化交互、AI智能、3D成像、3D打印等等，这些无疑都是智能化、数字化的体现，而这个内涵将随着历史的演变和科学技术的进步而不断地发生横向或纵向的拓展。而对文物的智能数字化修复从通俗意义上来看，就是依托计算机强大的计算功能，通过数字化的虚拟修复将文物原本损毁或缺失的部分进行虚拟化复原，使复原后的文物无限接近于原先完整文物的样貌，恢复其完整的风采。如果更理性一些来理解，也可以将文物本身想象成一幅缺失的图画，科学家则通过计算机的智能算法将图画缺失的部分进行假想并尝试用计算将其填满，其目的在于还原整幅画，填补缺失部分造成的视觉空白。乍一听起来，这种文物的智能数字化修复好像类似于生活中常见的一些画面修复、图像修复等，然而，这种文物的智能数字化修复的难度却绝对不等同于人们修复一般的图像画面那样。

第一，文物不等同于一般的图像，文物本身有着极强的历史研究与考古等珍贵价值，在进行智能数字化修复前，必须对文物本身的所处年代、历史背景、创作风格、思想内容、技艺笔法等都有详尽的、客观的、科学的、完整的了解与掌握。就拿壁画来看，不同区域出土的壁画各具特色，细微之处都能看出极大的差异，因此就要求复原者不仅具备复原的技术与能力，还要掌握好复原的艺术性、科学性及全面的复原知识、文物知识。

第二，文物的智能数字化修复，就好比是通过已知描绘未知的过程，一切预想不到的问题都有可能影响到修复进程的推进。就拿壁画的智能数字化修复来说，一幅壁画从绘制到出土，中间经历了的不只有历史的更迭、岁月的变迁、自然的消弭损毁，还有人工发掘过程当中的损伤以及墙体氧化、颜料剥落等多重伤害，其中的任何一项都有可能对壁画本身造成不可逆的伤害，这都对壁画的智能数字化修复提出了数之不尽的难题。况且，就文物的智能数字化修复技术本身而言，缺失或损毁的部分是艺术创作的一个部分，所谓艺术创作，人们无法用绝对的笔触、图形的对称、色彩的延伸和故事内涵的猜想等来准确预估其原貌，这种对未知的还原本身就带有一定的悖逆性，本身是不符合事物发展的客观规律的，更不用说原有已保存的部分还可能存在一些褪色、模糊、起皮等问题，更让壁画的复原工作增添了几分困难。

2 我国现存壁画图像的保存情况

本文所指的壁画，主要是“中国壁画”。对于中国古代艺术研究领域而言，壁画称得上是古代中国最早的绘画形式，可追溯的创作历史最早在石器时代就有，因为壁画最早发现是在一个山洞之中，因此也被称之为洞穴画。而在现存的中国古代壁画中，汉代作品年代最为久远，主要存在于墓穴当中，在现在的河南、山西、辽宁、河北、山东、内蒙古等地出土的汉代墓穴当中都有壁画的身影，当中主要描绘的内容既有生活场景，又有神话故事，有些还与当时的一些史实有关，内容相对丰富。中国古代壁画创作的高峰时期起源于北魏，当时盛行凿窟建洞，因此当时的许多壁画都以凿壁的形式出现，而到了唐代壁画创作达到顶峰。代表中国古代壁画艺术创作最高水平的敦煌莫高窟就诞生于这一时期。这一时期的中国古代壁画不仅画面美轮美奂，而且创作的技艺与绘画的水平都是中国壁画艺术当中首屈一指的。以现存体量较大的两个中国古代壁画区域来看，山西一带的壁画体量大，但是损毁较为严重，而敦煌壁画的体量也大，保存相对完好。直观来看，这种保存的完整度与壁画所呈现的具体方式有较大关系，壁画绘制、雕刻如果裸露在外，或直接在墙体上进行，那么保存度自然无法与洞窟当中常年避光保存不见风沙与阳光暴晒的壁画相比。山西壁画本身地处黄土高原，风沙大，遮挡少，气候干燥，而且大部分的壁受到墙体本身坍塌、崩坏、鼓胀等问题的影响，自然损毁相对严重。再加上一些当地历史变迁、朝代更迭、战火侵袭等的影响，导致山西本土的壁画保存问题雪上加霜。相对而言，敦煌壁画远离战火纷扰，出土也相对较晚，壁画长期处在洞窟之中，阴暗避光，避免了风沙烈日的侵袭，一些特殊的绘画技艺也保证了壁画的完整性，因此当地壁画损毁的问题就相对比较小。

3 利用智能数字化修复技术修复壁画的步骤及优势

虽然在上文曾提到过利用智能数字化修复技术修复壁画的难点所在，但不可否认，利用智能数字化修复技术修复壁画还是具有巨大优势的，是值得推广并深入研究提升的方法，对促进我国古代壁画的修复和保护工作具有重大的意义。下面具体从我国古代壁画保护的四个步骤来谈一谈运用智能数字化修复技术的优势：

第一，便于收集被修复壁画的相关学术文献与档案记录，其中包括一些实地测量考察的数据，影像资料以及匠人临摹的初始图像资料等。如果利用智能修复技术，那么工作人员可以利用其计算机技术的相关优势，前期就对上述资料进行快速的整合处理，分类保管，实现数字化、智能化资料归类，并为后期的智能数字化修复做好前期准备。

第二，有助于对壁画现存状况进行全盘的了解与掌握，并对壁画周边的环境、所处的位置、壁画绘制所使用的材料与技艺等技术情况，以及壁画现存的损毁情况等进行数据化存档，做到对壁画本身情况的精细化掌握，为后续进行智能数字化修复奠定坚实的数据基础。当然也可以利用远程监控，实时了解壁画的变化情况，监测墙壁、天气、颜料氧化等的变化情况。

第三，能够科学进行被修复壁画的病害原因诊断。在进行壁画的智能数字化修复工作前，有必要对现有壁画进行一系列的化学分析，并通过科学的数据记录，诊断壁画现存的病害原因，其中包括温度湿度的检测、污染物的核检以及热源检测和色谱色相检测分析等。

第四，通过合理的虚拟化复原，壁画的损毁部分已更好地修复和保留，这极大限度地丰富了原有壁画保护的可能性，为壁画保护提供了新的方案，合理性也更强。以往对于壁画的保护往往与游客的观赏成为对立面，这极大地限制了壁画文化的传播与艺术价值的推广，通过壁画图像的智能数字化修复技术能够恰到好处地满足游览者的心态，也能够让壁画的保护更加合理，发挥其更大的魅力。

此外，利用图像的智能数字化修复技术修复壁画也满足了文物保护的三大原则。首先，整体上不破坏壁画的完整性，并不是强行幻想一个与原壁画格格不入的损毁部分进行复原，而是尊重了修旧如旧的理念，保持了原有壁画的整体原貌。其次，因为虚拟复原不需要破坏原有壁画，因此在选材和用料上，遵循了可逆性，不会造成原有文物的不可逆损伤，可以进行多次反复的建模、推敲与推倒重做。最后，这种复原方式虽然是虚拟修复，但是却完全依照原有壁画创作的步骤与选料进行，所有的步骤都不会被省略，因此能够最逼真、最全面、最科学地还原壁画的损毁部分，最大限度地尊重了壁画的本体特征。

相对于一般的人力数据采集，上述步骤以图像智能数字化修复为前提，这样的数据收集更为高效，能够随时调取，精准度也更高，极大地节省了时间，也减少了人力损耗。另一方面，这些数据采集更为全面，形成的数据储存也更为科学化，能够更好地作为存储调取的数据库，也能满足后期壁画图像智能修复技术的使用需求，让壁画图像智能修复技术的完成度、还原度、精细度与可信度都更高，有助于克服该技术的短板。相对于一般的人力临摹恢复还原，智能数字化修复技术更为高效，也更为精准，更为科学。在过去的人力修复过程中，不同专家对于不同缺失部分的考量会有差异，因此提出的修改方案也会有或多或少的差异，不断地讨论和重复推倒重来大大耽误了修复进程，然而现在通过智能数字化修复，只需要建好模型根据计算机的演算比对就能够得到相对严谨的修复方案，大大提高了修复的效率。而对于最初的原始壁画复刻与复原而言，智能数字化修复技术运用了虚拟化的复原成像，能够保证原有壁画不被损毁，也能与3D打印和3D成像技术相辅相成，复刻出不轻易被参观者损坏与影响的壁画复本，既满足了人们探寻古代壁画神秘美感与艺术价值的好奇心，又更大限度地保存了原始壁画的原貌被破坏。通过这种智能数字化修复技术，人类实现了对壁画残缺部分的复原假想，让古代艺术以更为完整的面貌呈现在世人面前，也是对古代文明的一种另类传承与发扬。

4 我国现存壁画图像的智能数字化修复内容与技术路线

对于文物修复而言，智能数字化修复内容早已不是什么新鲜事了，2000年之后尤其是2010年之后，智能数字化修复技术被应用到文物修复当中已经越来越普遍，许多先前存在的技术问题也在逐渐被克服，这种技术的内涵也在不断地得到扩展。在修复内容上，不仅可以单纯修复平面图像，对于立体的壁画、陶瓷器皿、青铜器、绢绸布帛等也都可以进行修复，在有了3D技术的加持之后，更是实现了对原有文物的一比一打印复制，应用的领域不断多元和丰富起来。从技术路线来看，主要是依靠数字图像修复技术自身的特征以及被修复文物本身的特征进行综合比对，利用计算机强大的计算功能与数字图像的采集分析技术，对文物本体现存部分和缺失部分进行比对、测算和虚拟描绘，当然，这一过程并不是一蹴而就的，而是先从简单的大体轮廓开始恢复，再到细化部分，按照由粗到细、由简单到复杂、由浅入深的规律进行恢复。从整体上而言，通过图像的智能数字化修复，壁画与其他文物的恢复都大大缩短了时间周期，也能够更加科学化精细化地进行修复，实现了人力的节约。

5 壁画图像的智能数字化修复案例

本部分通过对五台山壁画和敦煌洞窟壁画的智能数字化修复案例进行讲述，剖析了图像的智能数字化修复对于壁画复原的价值，希望这些成功案例能够帮助今后壁画的修复工作取得新的进展。

5.1 案例1：山西五台山壁画修复

山西五台山有体量较大的壁画，当地成立了“五台山文化数字传承研究团队”，由教授作为带头人，综合运用计算机的图像处理技术以及云计算技术和虚拟现实技术等先进的技术，对现存壁画展开科学化修复，并与当地旅游业展开合作，形成了大型虚拟的数字化展示与景区交互体验相结合的一体化平台。在这一过程中，该团队首先基于原始五台山壁画群的周边所处环境与壁画的现存情况进行了详尽的资料收集比对，并对现存壁画的残缺部分做了详细标注，利用计算机的强大的计算功能展开壁画图像的综合分析，深度挖掘五台山壁画在深层次的表达特征，从底层开始分层次展开学习探讨，从而发现了现存壁画的维度破坏问题，并依靠计算机大数据整理与处理平台为基础，合理有效地使用特征提取算法，对壁画的深层次特征进行模型构建。模型建成后通过粒子群算法优化深度卷积神经网络和多个分类器进行优化，对原有模型进行思想编辑，改进原有大数据平台，优化算法，构建了在大数据环境下对五台山壁画缺损区域的自动分类识别。在此基础上，依赖计算机视觉，分块对五台山壁画缺失部分进行区域化的重构与修复，将之前的思想与修复过程相联系，确保壁画修复的方向准确，修复的结构与内容能够一致。在缜密的逻辑和强大的运算支撑下，完成了此次五台山壁画的残损部分的修复工作，体现了图像的智能数字化修复技术在壁画复原领域的优越性。

复原壁画只是当地工作的第一步，随后还将图像的智能数字化修复技术运用到了与当地旅游业的结合当中，提出了“文化再现”的理念，将复原后的文物虚拟数字图像与3D投影技术相结合，辅助以现代的声光电技术，再现了五台山昔日的文化历史图景，让智能数字化修复技术应用的领域更加宽广，也进一步挖掘了当地文物保护的潜在能量。

5.2 案例2：敦煌壁画的智能修复

敦煌壁画现存体量巨大，在经历了历史的沧桑巨变之后，虽然大体保存下来，但是仍然受到了不同程度的损坏。腾讯开展了利用人工智能对敦煌壁画进行智能修复的公益拍摄行动，过程中发现敦煌壁画的体量大，不同区域呈现的壁画病害也不尽相同，有些则相对复杂，如果利用人工展开修复，则需要耗费巨大的人力，据粗略计算，一个十平方米的壁画块前期的工作量需要一个工作人员近一百小时的工作时长。为解决这样的问题，腾讯对敦煌壁画的病害数据进行了深度学习，研究形成了一整套自动识别并添加图示的算法，解决了敦煌壁画前期采样拍摄的大体量数据收集与识别问题。与此同时，还利用自身图像拍摄优势，搭建了远程沉浸式会诊技术，通过超高清画质的呈现与环绕视角拍摄，基本实现了对敦煌洞窟内壁画的全盘拍摄取材，即使专家无法到达洞窟内部，也能够洞悉所有细节，方便为壁画进行远程问诊。通过远程拍摄与诊断，为敦煌壁画的多发病“酥碱病”进行了确诊，并提出了综合治理的办法，从源头上遏制了壁画的进一步损毁。敦煌研究院与腾讯的这次战略合作，其价值意义并不仅仅停留在对敦煌洞窟和壁画的拍摄上，更是通过智能数字化修复技术与拍摄技术的结合，再现敦煌文化的辉煌，让更多的世人看到敦煌文化的璀璨风姿。而敦煌洞窟及壁画从很大程度上已经无力再接待更多的游客实地进行参观，这种数字化的文化再现能够更好地避免过度消耗，但又不阻碍游客对于文化的探索与观赏。在未来的发展当中，足不出户的云旅游成为新的潮流，也能让敦煌文化再现更为绰约的风姿。

6 壁画图像的智能数字化修复的未来展望

目前，壁画图像的智能数字化修复技术已经有了质的飞跃，结合新的3D打印技术，人们已经联想到了通过技术手段来实现一个数字化的文物博物馆，可以将更多的分布在祖国各地的壁画进行数字化复原，让它们通过3D打印技术再现，通过等比例地缩小形成微观的旅游聚合地，让游客们一次性饱览更多的壁画资源，体验更多的壁画文化。当然辅助以AI智能和虚拟实境体验等现代科技，人们还可以实现身临其境的旅游与体验，智能数字化修复技术未来的使用前景是无限广阔的。

注释

①王帅帅，樊瑶，李育博，等.壁画图像的智能数字化修复—以藏族壁画为例[J].现代信息科技，2021（3）：121-123，127.

②焦莉娟，王文剑，李秉婧，等.改进的块匹配五台山壁画修复算法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2019（1）：118-125.