壁画类文化遗产的数字化发展

吴健

摘要：敦煌莫高窟壁画数字化是数字遗产领域影响较大的项目，数字化工作较有典型性——通过数字化技术最终让文化遗产活起来，传承其承载的文化内涵。敦煌莫高窟通过与国内外的合作，完成了各项科研攻关，最终形成了一整套敦煌石窟数字化的方法和规范流程，拥有多项关键技术。后来又以科研单位为依托，发挥企业平台，将科研成果充分转化，形成科研与服务的新模式。壁画类遗产数字化的采集、处理、存储等关键技术的研究，壁画数字化成果价值的深入挖掘，数字化成果在学术研究、数字展览和文创产品的开发等领域的应用，都是值得探讨和期许的。

关键词：壁画类遗产；敦煌莫高窟；数字化保护；数字化成果应用

一、引言

壁画是人类历史上最早的绘画形式之一，壁画类文化遗产主要出现在洞窟、宫殿、寺观和墓葬之中，与其周围的建筑物相融合，承载着人类历史文明。…从原始社会刻画记事至今，国内外保存有大量的古代壁画，如印度壁画、欧洲宗教壁画、中国佛教石窟壁画等。敦煌莫高窟集壁画、建筑和彩塑于一体，是人类文化艺术的瑰宝，经过1600余年的发展，目前保存有十六国、北魏、西魏、隋、唐、宋等十个时期的壁画，壁画色彩丰富、题材形式多样，有经变画、故事画、服饰、图案等，具有极高的历史价值、艺术价值和科学价值。面对如此珍贵的古代壁画，近百年来保护工作者们已投入大量的人力、财力和物力，采取了积极有效的措施，进行了卓有成效的保护，但是文物是不可再生的，如何将壁画类文化遗产永久保存，在上世纪始终是一个难题。敦煌石窟壁画数字化经过20多年的发展，已经形成了一套标准规范流程，掌握了多项数字化核心技术。本文将以敦煌莫高窟的数字化为例，介绍敦煌石窟壁画数字化的内涵、历程、关键技术和数字化成果应用，以及各个时期数字化技术对数字化保护与展示的影响。

二、壁画类文化遗产数字化的内涵

壁画类文化遗产目前存在多种病害，例如起甲、龟裂、疱疹、酥碱和空臌等，并且易发生颜料层脱落、褪色等现象。壁画类遗产数字化技术是通过摄影采集和计算机等技术，将壁画类遗产当前的信息以计算机数据的形式永久地记录下来，并且能够多次重复使用。壁画数字化的生命周期为数据采集、加工、存储、传输、交换和服务，所以，壁画数字化的内涵不仅仅是单纯的摄影与计算机相加。经过对敦煌石窟壁画20余年的数字化探索与研究，总结壁画类遗产数字化的内涵，即融学术、技术和艺术于一体。

壁画类文化遗产数字化，不能盲目地去采集数据，首先，需要了解石窟寺被拍摄对象的历史、艺术和科学价值。遵循文物保护法则，深入学习壁画类数字化相关专业技术的理论知识，最终制定科学的实施方案。

壁画类遗产数字化具体的工程实施，需要通过多种技术手段实现，要严格执行标准规范，把握流程中的每一个细微环节，将不同阶段的数据科学、永久存储。在壁画类遗产数字化的不同阶段，要有创新的理念，积极引进新技术，并且应用在实际工作之中。

壁画类遗产数字化的目的首先是为了永久保存壁画信息，但是更重要的是如何利用这些数据，充分展现壁画的艺术价值。在保护好文物数字化数据的前提下，针对不同的应用领域，如何将尘封的数据鲜活起来，注入新的生命活力，在高品质还原文物本体的同时，精心设计、艺术加工、拓展思路、凭添氛围、加强利用、再现辉煌。

三、壁画类文化遗产数字化历程

1990年代，在美国梅陇基金会的支持下，敦煌研究院与美国西北大学合作，开展敦煌石窟壁画数字化研究工作。最开始采用胶片进行数据采集，将胶片冲印、扫描，再进行拼接，由于胶片在敦煌冲印不便，胶片扫描过程中信息的损失，最终没有采取这种形式。自1980年代数码相机的诞生至1990年代，数据相机的技术有了大幅度的提升：像素提高、存储能力增加、镜头成像能力增强。敦煌研究院与美国西北大学再次合作实验，利用数据相机采集数据，随着实验成功，最终确定了敦煌壁画数字化技术的基本形式，数据采集精度确定为75DPI，将数码相机架设在摄影采集架上，利用轨道进行散点分幅拍摄，通过专业图像处理软件进行图像拼接，最终完成整幅壁画的数字图像。截至2005年底，敦煌研究院与美国大学合作完成了22个敦煌石窟典型洞窟的数字化，完成基于OuickTime VR技术的虚拟漫游洞窟5个。另外，敦煌石窟壁画数字化团队还与浙江大学、武汉大学等高校在壁画数字化图像处理、图像定位纠正等领域常年合作。

敦煌研究院自1990年代开始，先后承担完成多项有关敦煌壁画数字化技术研究和攻关的科研项目，如甘肃省科委“八五”重点科技攻关项目“敦煌壁画的计算机贮存与管理系统的研究”，国家“九五”重点科技攻关项目“濒危珍贵文物信息的计算机存贮与再现系统”，国家“863”项目“曙光天演Power PC工作站在文物保护中的应用”，国家科技支撑项目“基于三维和沉浸式展示文物数字展示关键技术研究”、“文化遗产动态表现与影视系统技术研究”和“丝绸之路（中国段）文化遗产资源地理信息系统及文化旅游服务集成技术研发与应用示范”等。尤为重要的是承担了国家科技支撑计划课题“不可移动文物数字化保护关键标准研究与示范（以石窟寺为例）”制定完成不可移动文物数字化保护（以石窟寺为例）采集、加工、存储、传输、交换、服务等系列关键标准，解决目前不可移动文物数字化采集、加工、存储、传输、交换、服务等方面的方式方法众多、形式多样、杂乱无章、参差不齐，没有统一的规范标准体系的问题以及信息孤岛问题，提高不可移动文物机构问的资源共享、业务协同、安全保证和互联互通能力。

为了加快敦煌石窟壁画数字化工作，2006年敦煌研究院成立了“数字中心”，并于2014年更名为“文物数字化研究所”，下分五个专业工作室：图像采集研究室、图像处理研究室、多媒体研究室、视频采编室、数据信息管理研究室，将承担不可移动文物和可移动文物的数据采集、加工、存储、传输、交换和展示等数字化关键技术研究，以及数字化工程方案的制定与实施工作。随着科学技术的不断发展，敦煌石窟壁画数字化采集精度从75 DPI，提升至150PDI，最终确定为300DPI，壁画数字化的最终成果能够满足出版印刷、展览展示等各种需求。

随着事业发展的需要，2012年由敦煌研究院与中国敦煌石窟保护研究基金会合资注册，成立甘肃恒真数字文化科技有限公司。敦煌研究院在敦煌石窟壁画数字化积累的多项科研成果，通过国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心平台，进行科技成果转化与推广，使科研人员专心研究壁画数字化的关键技术，解决实际工作中遇到的问题，提高敦煌石窟壁画数字化的生产效率和技术水平，而甘肃恒真数字文化科技有限公司通过科技成果转化可以进一步反哺科研，科研与企业相辅相成。

四、壁画类文化遗产数字化关键技术

摄影采集摄影采集工作是壁画数字化的第一个重要环节，利用定制的轨道，对壁画逐格、逐行摄影采集，为了保证采集的数据达到规定要求，在摄影采集现场有一名图像处理人员，将拍摄的一行数据在计算机上对图像的曝光、清晰度、重合度、数量等技术参数做检查，符合要求摄影师再进行下一行的拍摄。

图像处理前期摄影采集的原始照片由后期图像处理人员进行图像拼接处理，将重叠50%的图像拼接成一幅完整的图像。拼接技术也在不断地改进，由最初的纯手工拼接到目前自动拼接与手动拼接相结合的方式，对拼接图像的形变、色彩等方面做了较好的控制。

定位纠正最终拼接的图像利用激光扫描获取的点云影像强度图，利用壁画定位、纠正和测量系统，进行图像形变纠正，可将图形形变控制在2毫米之内。

全景漫游摄影采集是全景漫游制作的基础工作。采集前根据洞窟的形制选择节点的数量和位置，采集时在节点位置支稳三脚架，脚架的高度一般在1.6至1.8米之间，具体高度根据采集时的实际情况决定。根据采集时所用的镜头来决定云台的旋转角度和拍摄张数。完成一个节点的采集后，在改变脚架位置前要及时安排图像检查人员对采集的数据进行现场检查，检查内容包括图像的焦点、白平衡、曝光、相邻图像的重合度等。确保采集的内容没有问题后再挪动三脚架进行下一个节点的拍摄。图像处理首先从源文件中选择需要拼接处理的图片，拼接成长宽比为2：1的全景图像，同时检查图像，在拼接错误的部位手动添加标记点，确保图像拼接平整、过度自然，按最大尺寸输出全景图像并备份至服务器。根据实际需求选择全景漫游的格式，一般有mov、swf、html5等。

数据校验敦煌壁画数字化流程复杂，数据通过SD卡、移动硬盘、硬盘、网络等多种传输介质进行数据交换，已发现数据传输不一致的问题，针对此问题自主设计并开发了敦煌石窟海量数据无差错传输校验软件，针对不同介质的传输速率对数据进行分块传输再合并，最终进行数据校验，确保数据传输的一致性和完整性。

数据存储数据存储对整个数字化来说非常重要，敦煌石窟壁画数字化的数据已累计产生近100TB的数据，数据量每年增长20余TB。针对如此巨大的数据量，首先建立了数据管理规章制度，在壁画数字化生命周期的不同阶段，根据不同的数据类型制定数据安全等级；然后划分逻辑存储空间：工作空间、数据存储空间、数据备份空间等；最终通过硬件存储设备搭建磁盘阵列，建立足够的物理存储空间，确保数据安全存储。通过建立规范的文件目录结构和图像数据库，提高数据管理和使用的效率。

五、数字化成果应用

敦煌石窟数字化已产生丰富的数字化成果，目前已完成近120个洞窟的摄影采集、40余个洞窟图像处理、110余个洞窟的全景漫游、20身彩塑的三维重建、120个洞窟的结构扫描，另外还有视频资料、4万余张底片的数字化等多种多样的数字化成果。对如此珍贵的数字化数据既要保存好，更应该充分利用这些数据，发挥数据更大的价值。

敦煌石窟的壁画内容丰富，国内外有众多的敦煌学研究人员，已产生大量的研究成果。随着数字化工程的加快，高清的数字化成果将通过计算机、网络等手段服务于学术研究人员，使研究人员摆脱在洞窟昏暗的光线、甚至长远距离观看洞窟壁画内容，研发了大容量图像快速浏览系统，不受硬件设备、时间和地点的约束，在计算机屏幕上可浏览壁画的每一个细节。利用数字资源，为美术临摹提供样本，依照高保真复制品进行起稿临摹，在节约临摹成本时，大幅度地提高工作效率。通过点云壁画数字化获取图像的精度，纠正图像处理之后出现变形的壁画，大幅度提高了考古测绘的准确度。

2014年在兰州举办的“敦煌艺术走出莫高窟——数字敦煌”集中展现了敦煌石窟数字化成果，展览通过整体设计，以数字技术为支撑，全面展示了敦煌石窟艺术精华，展览虚实结合、动静相依，使得科技与艺术高度融合并相得益彰，营造了良好的数字文化展示环境，满足了观众多种需求和个性化的文化体验，形成了丝绸之路中国段文化旅游展示与体验创新服务模式，初步实现科技支撑、文化体验、时空旅游、服务引领的目的和宗旨。敦煌莫高窟数字展示中心主题电影《千年莫高》和球幕电影《梦幻佛官》都是这种全新的数字展示模式的集中反映，并为日新月异的文化旅游打开了新的体验窗口，对文化遗产的保护与应用具有重要的作用。

随着国家对文化产业的支持，挖掘敦煌石窟数字化资源，整理提取具有鲜明的丝绸之路文化遗产特色的丰富创意素材，提升创意转化率，文化与创意结合，让丰富多彩的石窟艺术进入到生活的方方面面。以利用敦煌石窟数字资源开发设计的创意衍生品，具有鲜明的敦煌特色，例如“数字敦煌”系列文创产品，得到了社会各界的一致好评，并且取得了一定的经济效益。

六、结语

敦煌石窟壁画类遗产经过20余年的发展，攻克了大型洞窟、壁画凹凸不平、烟熏壁画、狭小空间等图像采集与处理，超大容量图像快速浏览、数据安全管理、数字化成果价值深度挖掘、应用与集成展示等一项项难题，形成了一整套壁画数字化的方法和规范流程。经过敦煌石窟、新疆克孜尔、西藏夏鲁寺、山东岱庙、河北毗卢寺、河北曲阳北岳王庙等不同壁画类遗产的数字化工程实施，充分验证了敦煌石窟壁画数字化技术的可靠性和先进性。敦煌石窟的壁画数字化不仅仅是一项工程，更重要的是担负的社会责任，尽快制定以石窟寺为例的不可移动文物数字化保护关键标准，规范壁画类数字化行业的工程实施，提高资源共享的能力，响应习近平总书记提出的“让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地上的遗产、书写在古籍里的文字都活起来，让中华文明同世界各国人民创造的丰富多彩的文明一道，为人类提供正确的精神指引和强大的精神动力”的号召，让壁画类遗产通过数字化技术，传承其承载的文化内涵。

（责任编辑：孙秀丽）