敦煌彩绘文物数字化保护色卡制作方法研究

梁金星 万晓霞 刘强 李婵 王琪

内容摘要：针对敦煌彩绘艺术品数字化保护采集和再现色彩不准确问题，提出了敦煌彩绘艺术品色彩控制色卡方法。通过对敦煌彩绘文物制作使用的颜料及胶料的类型与种类、敦煌彩绘文物的制作工艺及设色技法调查，制作了敦煌彩绘模拟样本并建立对应色彩数据库。通过对模拟样本进行色彩控制测试挑选和完善，为敦煌彩绘艺术品的色彩控制提供了一个参考色卡。测试结果表明，使用自制色卡对敦煌彩绘艺术品的色彩控制能力优于标准色卡。

关键词：敦煌彩绘；敦煌颜料；颜色控制；色卡

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）02-0117-08

Abstract： The aim of this paper is to introduce an effective method of making color charts for Dunhuang art paintings， which can help resolve the inaccurate color acquisition and display problem in digital protection of Dunhuang art paintings. Simulation samples of a color database of painted Dunhuang art paintings were established according to investigation of pigment， glue， and production processes and techniques. Some optimal samples were selected during digital color control tests to the color chart. The test results show that the self-made color chart is clearly superior to the standard color chart used in color control of Dunhuang art paintings and digital protection.

Keywords： Dunhuang art paintings； Dunhuang pigments； color control； color chart

一 引 言

在我国的文物保护工作中，作为世界文化遗产的敦煌莫高窟一直是文物保护工作者的重点保护研究对象[1-3]。敦煌莫高窟历经多个朝代的兴建，现有洞窟735个，壁画4.5万平方米，泥质彩塑2415尊，是世界上现存规模最大、内容最丰富的佛教艺术圣地，但由于长期自然和人为因素的影响，许多壁画、彩塑的面貌已经受到严重的损坏，其中敦煌壁画的起甲、龟裂、脱落、变色、褪色等病害普遍见形[4-6]，很大程度上改变了壁画原有的表现风格。许多文保工作者这对这些病害问题进行了深入研究，意在掌握病害机理、修复当前壁画。随着科学技术的进步，文保工作者逐渐意识到对文物原生态保护的重要性，开始着手对文物数字化保护理论与方法进行研究，以数字化的方式采集当前文物的原真信息，进而入库保存和三维沉浸式展现，最大限度地减少在文物保护过程中对文物的损害，被许多国内外文物保护研究机构所采纳[7-9]。当前的文物数字化保护方法主要采用高分辨率RGB三通道CCD数码相机设备对文物颜色信息进行记录，由于高分辨率的三通道CCD数码相机设备记录颜色的范围有限，数码相机的色域远小于自然界色彩色域，对于敦煌彩绘使用的一些高饱和度、色域外的颜色很难正确记录，加上相机本身具有参数可调节性，导致在相同观察条件下相机记录物体的颜色与视觉感受物体颜色具有较大差异。此外，对采集的敦煌彩绘艺术品进行再现时，由于显示设备自身的不稳定性导致显示的敦煌彩绘颜色与真实颜色之间存在失真现象，不能真实地再现原物体的艺术特征气息。因此需要通过科学制定的色卡对数码相机以及显示设备在采集和再现色彩时进行特性化校正，使采集和显示的敦煌彩绘颜色更加接近于真实彩绘颜色。

目前，国外在色卡的研制方法及技术领域的发展已经相对成熟，美国爱色丽公司、日本富士公司、柯达公司等都已推出自己的一系列标准色卡，用于数字输入、输出再现设备的色彩校正及特性化，其中以爱色丽公司的ColorChecker和ColorCheckerSG色卡应用最为广泛，ColorChecker是由McCamy等人在1976年通过哑光油漆涂料模拟自然界典型物体颜色制作[10]，具有较好的颜色恒常性，可应用于照相、电视以及印刷行业色彩复制的量化和视觉评价工作。2005年，孟塞尔实验室Mohammadi等人使用油画颜料制作了一个包含14个色块的色卡，用于油画艺术品的光谱重建，取得了较好的重建效果[11]。但敦煌彩绘主要由矿物颜料制作，其色彩属性与油画以及水粉画等画种常用的颜料有着较大的差别，往往具有较高的饱和度和光泽感。此外，目前国际广泛用于数码相机色彩特性化校正的ColorChecker与ColorChecker SG等色卡，其制作工艺以及基本的基底同敦煌彩绘也存在较大差别。敦煌彩绘均是制作于地仗之上的，而目前的标准色卡均是涂布于纸板表面的，这进一步导致敦煌彩绘色彩属性同目前常用标准色卡色彩属性存在一定的差异。因此若以现有的标准色卡对敦煌彩绘色彩的采集和再现进行校正，并不能得到满意效果。而在国内，虽然詹新国曾设计了一款敦煌色卡[12]，但只是简单地对现有的矿物质颜料进行排序编号，主要用于矿物颜料的商业售卖参考，对于敦煌彩绘色彩准确的数字化采集与再现几乎无任何帮助。因此本研究通过对敦煌彩绘艺术品的物质类别、制作技艺和设色技法等多方面综合分析，制作用于敦煌彩绘艺术品色彩准确获取与再现的控制色卡，为敦煌彩绘艺术品的数字化保护及传播提供具有指导意义的技术支持。

二 模拟样本

依据敦煌彩绘艺术品制作工艺方法制作模拟样本，建立敦煌彩绘模拟样本集是制作敦煌彩绘艺术品色彩控制色卡的基础。为此，本部分对敦煌彩绘文物制作过程中所使用颜料的类型与各类型颜料的种类[13-14]、敦煌彩绘文物制作的工艺流程与所使用的辅助工具和材料[15]以及敦煌彩绘文物在创作设色技法的运用[20]进行深入的分析调查，确定敦煌彩绘文物所使用的颜料20余种，其中主要为矿物质颜料，少部分为非矿物质颜料，以牛皮胶、骨胶以及桃胶等胶料对颜料进行调和，然后在事先制作好的地仗上面进行彩绘创作。在设色技巧方面多采用叠印和晕染的方法，通过叠印和晕染的技法绘制出飘逸的服饰，通过晕染方法表现凹凸有致的逼真人物画像。依据上述调研分析，以装裱白卡纸为基底模拟敦煌地仗，以牛皮胶料为连接料，选取北京天雅中国重彩岩彩画研究所提供的具有不同颗粒度的敦煌彩绘典型颜料，按照敦煌彩绘创作方法制作模拟样本。考虑到敦煌彩绘尤其是人物肤色褪色问题[16]，专门通过铅丹人工老化实验构造了不同程度的肤色老化模拟样本，同时以白珊瑚和纯黑朱两种最白和最黑颜料模拟制作灰梯尺，共制作模拟样本330个。

采用X-Rite公司Color-Eye 7000A型分光光度计测量获取330个色块在380nm—750nm波长范围内的光谱和色度信息。该设备为台式积分球式测量设备，采用直径大小为15mm的中号孔径进行测量，采用d/8°几何测量条件，去除镜面反射成分，测量中通过测量两次求平均值的方法消除测量随机误差，测量精度可以得到有效保证。

三 研究方法流程

敦煌彩绘艺术品创作使用的矿物颜料具有不同的颗粒度，这由古代颜料的制作工艺所决定[30-31]，而颜料的颗粒度决定彩绘艺术品的色彩属性（如色相、亮度、饱和度等），如图1-1、图1-2所示，为选择已有的最大颗粒度5#、中间颗粒度9#和最小颗粒度11#这三种颜料制作的模拟样本在CIELab颜色空间的分布情况，其中同一椭圆内为同一种颜料的三种颗粒度分布，圆圈added表示非矿物质颜料样本和制作的灰梯尺样本。

由图1分析可知，同一种颜料的不同颗粒度制作的模拟样本在颜色空间中的分布具有明显差异，通常颜料粒子的颗粒度越大，制作成模拟样本的饱和度越高，亮度越低，色相具有较小幅度波动，因此选用何种颗粒度的颜料制作色卡是首要解决的一个重要问题。

根据制作的敦煌彩绘模拟样本，采用如流程图2所示的方法进行敦煌彩绘色卡的制作。首先对单色不同颗粒度模拟样本间色彩控制能力进行评价，确定用于构成最终色卡的颜料的颗粒度型号，以色彩控制精度最优颗粒度型号制作的模拟样本，配合敦煌彩绘肤色老化样本和模拟制作的灰梯尺，共同构成初始敦煌彩绘色卡。然后利用初始敦煌彩绘色卡对数码相机采集和显示设备显示所有敦煌彩绘模拟样本的色彩控制能力进行测试，将测试结果与用标准ColorChecker与ColorChecker SG色卡对敦煌彩绘模拟样本的色彩采集和再现控制准确度进行比较，观察敦煌彩绘色卡相对于标准色卡的色彩控制精确性的提高程度，并通过主观或客观地综合评价检查在所有模拟样本中是否有综合误差较大的样本，进而对敦煌彩绘色卡进一步完善，得到最终敦煌彩绘色卡并进行命名。

四 实验及结果分析

按照图2所示方法，首先对单色不同颗粒度模拟样本间色彩控制能力进行评价，采用佳能EOS 600D数码相机作为测试对象，在暗室标准灯箱中的D50光源下。利用同一相机正常设置和相同几何条件拍摄5#、9#和11#颗粒度颜料制作的模拟样本，分别以三种颗粒度模拟样本各自的7000A测量数据作为标准数据，利用profilemaker 5.0色彩管理软件制作各颗粒度模拟样本的ICC特性文件，然后用其中任意一个特性文件控制包括自身在内的所有三种颗粒度模拟样本的颜色值，并与测量的三种颗粒度模拟样本各自的标准三刺激值进行比较，以CIEDE2000色差[17]作为评价指标，对单色不同颗粒度模拟样本间色彩控制能力进行评价，结果如表1所示。

由表1中的数据可知，使用5#颗粒度模拟样本制作的ICC文件对9#和11#模拟样本的色彩控制精度，优于使用9#和11#模拟样本对自身的控制效果。从分别使用5#、9#和11#模拟样本ICC对5#模拟样本的色彩控制精度来看，9#和11#模拟样本均不如5#模拟样本的ICC对自身色彩控制效果好。由此可知，同一种颜料颗粒度较大的样本对其自身以及颗粒度较小的样本的色彩正确控制能力较强，因此选择5#颗粒度模拟样本作为敦煌彩绘色卡的构成基础，结合制作的敦煌彩绘肤色老化样本和灰梯尺构成初始的敦煌彩绘色卡。以所有敦煌彩绘模拟样本作为色彩控制对象，利用初始敦煌彩绘色卡对其进行采集和再现的色彩精度控制，分别进行主观或客观评价，并与标准色卡对采集和再现的色彩精度控制效果进行比较。

首先进行显示设备色彩控制的主观和客观评价。实验采用带有遮光罩的EIZO CG301W液晶显示器作为评价载体，设置屏幕的色温与Gamma为推荐值，利用profilemaker 5.0驱动Eye-One分别测量显示器校正条件下的初始敦煌彩绘色卡7000A测量标准值和ColorChecker SG的标准值，利用Eye-One测量到的三刺激值与标准值计算各自校正后的特性文件，在艺卓显示器分别加载两个特性文件的条件下显示所有敦煌彩绘模拟样本并利用Eye-One进行测量，计算Eye-One测量的敦煌彩绘样本三刺激值与7000A测量的原始样本的三刺激值之间的CIEDE2000色差，客观地比较初始敦煌彩绘色卡与ColorChecker SG在显示设备上对敦煌彩绘模拟样本色彩控制的误差水平，表2为二者对330个敦煌彩绘模拟样本的色彩控制的误差结果。

由表2中的结果可知，使用本研究制作的敦煌彩绘色卡对所有彩绘模拟样本在显示设备上色彩控制的结果明显优于使用标准色卡ColorChecker SG的控制效果，色彩控制精度平均提高近2 个单位的CIEDE2000色差（Total），但统计发现仍有部分较饱和的石青蓝色和石绿绿色的色彩再现准确性不能得到很好的控制（Worst），其中使用敦煌彩绘色卡对此部分的色彩控制误差水平为7.82个单位的CIEDE2000色差，而ColorChecker SG对这部分的色彩控制误差水平为10.6个单位CIEDE2000色差。由此可见，使用本研究制作的敦煌彩绘色卡对模拟样本的显示器再现色彩的准确性具有更优的控制效果。

为了更全面地对色彩控制效果进行评价，选择10位观察者在灯箱标准光源D50下对显示器再现效果进行目视评价，透过带有略小面积孔洞的黑色卡纸观察板观察实验色块，从而避免相邻色块对观察色块产生的视觉干扰。主观评价分为看不出色差（1分）、有轻微色差（2分）、有较大色差（3分）和有明显色差（4分）四个等级[18]，每位观察者目视评价3次，对每个色块的30次目视评价结果求平均值并进行统计，如图3所示。

由图3中的目视评价统计结果可知，使用敦煌彩绘色卡控制的模拟样本再现误差在看不出色差到轻微色差（1—2）之间的样本数量较多于ColorChecker SG，在轻微色差到较大色差（2—3）和较大色差到明显色差（3—4）两个范围内的样本数量都低于ColorChecker SG，整体色彩控制效果优于ColorChecker SG，二者的目视评价精度如表3所示。

由表3可知，使用敦煌彩绘色卡对模拟样本再现的色彩控制整体精度水平为1.8934，再现效果优于使用ColorChecker SG的色彩控制精度2.3382，但整体仍存在轻微色差，这主要由部分难以控制的高饱和度石青蓝色和石绿绿色样本引起。统计发现图3中的较大色差到明显色差（3—4）范围内的模拟样本主要为石青和石绿这两类颜料制作，这与客观评价的结果完全一致。

综合主客观的评价结果可知，使用敦煌彩绘色卡对敦煌彩绘模拟样本的色彩再现控制精度整体优于标准色卡ColorChecker SG，但对具有较高饱和度的石青和石绿矿物颜料制作的模拟样本的色彩再现控制精度不是很理想，对这些模拟样本色彩再现控制的平均色差达到7.82个单位的CIEDE2000色差，原因为这些颜料制作的模拟样本已超出显示设备所能再现的色域范围而被压缩，因此不能得到准确的再现效果。

其次进行数码相机的客观评价。选取佳能 EOS 6D作为测试数码相机，在暗室标准灯箱中的D50光源、相同几何条件和同一相机设置的条件下，分别拍摄初始敦煌色卡、ColorChecker色卡和全部敦煌彩绘模拟样本；参考初始敦煌彩绘色卡的测量数据和ColorChecker重新测量数据利用profilemaker 5.0分别制作二者的特性文件；然后将二者的特性文件分别应用于拍摄的敦煌彩绘所有模拟样本，计算敦煌彩绘模拟样本加载特性文件后的色度三刺激值，并与敦煌彩绘模拟样本的测量数据进行比较，计算两者之间的CIEDE2000色差。表4为二者对330个敦煌彩绘模拟样本色彩的采集控制结果。

由表4中的结果可知，使用本研究制作的敦煌彩绘色卡对所有彩绘模拟样本进行数码相机采集控制的结果优于使用标准色卡ColorChecker的控制结果，色彩控制精度平均提高近1个单位的CIEDE2000色差，最大CIEDE2000色差降低约2单位。此时在所有330个敦煌彩绘模拟样本中，除部分石青蓝色和石绿绿色的误差较大之外，敦煌彩绘中常用的青金石末、漂净朱丹、藤紫色和钴蓝等颜料模拟样本也表现出较大的色差。这些颜料制作的模拟样本在显示设备上利用敦煌彩绘色卡控制显示时同样也是表现出除石青和石青之外的较大色差水平。

综合以上利用初始敦煌彩绘色卡对敦煌彩绘模拟样本在采集和再现过程中的色彩控制结果可知，初始敦煌彩绘色卡对敦煌彩绘模拟样本的控制能力明显优于常用的标准色卡，但仍有部分颜料的模拟样本色彩控制不准确，根据主观和客观的综合评价结果和色差统计情况，将除已经包含在初始敦煌彩绘色卡中的石青和石绿之外的其他四种色差较大的模拟样本加入到初始敦煌彩绘色卡中，得到包含48个颜色样本的敦煌彩绘色卡。此时敦煌彩绘色卡在相同条件下对所有敦煌彩绘模拟样本的采集和再现色彩的控制精度的整体平均色差分别降至4.12和3.39，控制精度相对于标准色卡得到进一步的提升，最终为敦煌彩绘文物艺术品的数字化采集和再现提供一套更加有效的色彩控制色卡，各个色块对应的名称和在D50光源测量条件下的CIE色度值标定如表5所示。

五 结 论

依据研究提出的色卡制作方法，成功地制作了敦煌彩绘艺术品数字化采集和再现的色彩准确性控制色卡，通过对主观和客观评价结果比较可知，本研究制作的敦煌彩绘色卡对敦煌彩绘艺术品数字化采集和再现的色彩精度控制明显优于标准色卡，能够较好地控制敦煌彩绘艺术品颜色的采集和再现，为敦煌彩绘文物艺术品的数字化保护及传播提供了参考和技术支持。

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