对流失海外的克孜尔石窟壁画的数字化复原探索

赵莉，翁子扬，胡译丹

（1.新疆龟兹研究院,新疆维吾尔自治区 拜城 842300；2.武汉大学 信息管理学院，湖北 武汉 430072）

克孜尔石窟位于新疆维吾尔自治区拜城县克孜尔乡东南方向7 km 木扎提河（渭干河）北岸、却勒塔格山对面的明屋塔格山断崖上。克孜尔石窟现存洞窟339 个，壁画近4 000 m2，以及少量彩绘泥塑遗迹，是龟兹石窟的典型代表。克孜尔石窟大约建于公元3 世纪，止于公元8—9 世纪，是我国开凿最早的大型石窟群之一。1961 年，克孜尔石窟被列为第一批国家级文物保护单位；2014 年，克孜尔石窟被列入世界文化遗产名录。经过千余年的风雨沧桑和大自然的洗礼，很多壁画漫漶不清，损坏严重。

对克孜尔石窟的考察始于19 世纪末20 世纪初西方掀起的西域探险热潮，其间，先后有俄国、日本、德国、英国和法国等探险队来到克孜尔石窟探险，这些探险队或多或少地都从克孜尔石窟劫掠过壁画等珍贵文物，其中，德国探险队从克孜尔石窟剥取的壁画最多。据统计，有近500 m2克孜尔石窟壁画被揭取，分散至世界各地。外国探险队的肆意切割与肢解使克孜尔石窟壁画脱离了石窟这一母体，窟内斑斑斧痕、千疮百孔，造成了无法估量的巨大损失。

经新疆龟兹研究院学者们数十年的努力，已经收集近500 幅分藏于德国、英国、法国、匈牙利、俄罗斯、韩国、日本和美国等8 个国家20 余家博物馆和美术馆以及私人收藏的壁画残片彩色图片，逐渐形成较完整的壁画体系。通过无数次的现场勘验与图像匹配比较、文献文本分析，实现了壁画数字化复原的基础数据层。随着专业检测技术、图像技术的发展与数字调校对功能的升级，数字化复原技术被逐渐认可并得到运用，通过将图像信息管理与数据相关联，在历史图文资源、现地考古成果和壁画图像本体资源之间建立有效关联。

从图像语义角度，提出基于4S 图像分析模型的壁画数字化复原方法，以期助力于现阶段的文化考古工作，在信息图像解读中实现信息管理理念的价值，尽可能完整恢复壁画图像。

1 相关研究与实践

随着科学技术手段的更新和学术理念的不断创新，壁画数字化复原方法愈加多元和丰富，然而需要重视的问题和面临的挑战也接踵而至。

1.1 现有数字化复原研究方法

从壁画复原手段的依赖因素角度，可将现有壁画数字化复原方法分为基于文献研究的数字化复原、基于艺术创作的数字化复原和基于专业技术的数字化复原3 种。

1.1.1 基于文献研究的数字化复原

囿于流失海外的克孜尔石窟壁画本体的资源共享程度不甚理想，文献资料成为对流失海外的壁画进行复原研究相对可靠的依据和数字化复原实践的前提和基础。基于文献研究的数字化复原，是依据海内外相关文献，通过对石窟构造与形制、壁画样式与内容以及图像构成与表达等方面的横向比较研究，判断残缺壁画的样式特点、图像内容和时间跨度等，在此基础上对壁画进行数字化复原。譬如，曾有学者以克孜尔第117 窟为例，依据20 世纪初德国学者阿尔伯特·格伦威德尔（A·Grünwedel）等的考察报告等，研究龟兹石窟早期壁画，辨析溯源、重建复原、印证历史［3］。

1.1.2 基于艺术创作的数字化复原

基于艺术创作的数字化复原，是用Photoshop等数字图像编绘工具或计算机软件，在遵循壁画图像基本规律的基础上进行数字化复原，该方法得到领域内众多研究者的认可。譬如，由新疆龟兹研究院和上海商务数码图像技术有限公司合作开展的海外克孜尔石窟壁画及洞窟复原工程，使用PhaseOne Power FX+、Rencay、PhaseOne IQ180 等高精扫描设备对窟内壁画进行信息采集，获得多个数字化局部壁画图像，依据图像质量对其进行四级分类，利用Photoshop 的自动拼接、手动拼接或混合拼接等技术对其进行拼接和调整，在经过色彩管理后输出完整的数字化复原壁画［4-5］。徐永明等［6］参考壁画完好部位并用Photoshop 进行类比，对壁画裂缝、被污染区域、块间断裂区域等进行补形复原；李雅梅［7］基于颜料特质与色彩修复理论，用Photoshop 对壁画褪色、变色、缺失区域进行修复与补绘。

1.1.3 基于专业技术的数字化复原

基于专业技术的数字化复原方法，是以专业领域技术为核心依据，通过数据采集、样本检测、模拟试验等技术形成模拟壁画本体的虚拟数字壁画形态。可分为绘画颜料化学检测技术复原法、光谱分析复原法、计算机辅助算法技术复原法。

绘画颜料化学检测技术复原法的核心在于对壁画颜料样本进行化学检测与分析，该方法常与光谱分析复原法结合使用。光谱分析复原法，即在对艺术品颜料成分检测后对图像进行修复，是对包括壁画在内的彩绘文物分析与复原的一种重要手段。光谱技术可检测物体的物理结构、化学成分等，常被用于颜料分析、信息增强、隐含信息挖掘［8］等。目前，X-射线衍射分析（XRD）［9］、显微拉曼光谱分析［10］、高光谱技术［11］、粉末显微偏光分析［12］等是常用的检测手段。例如，张文元等［13］综合应用拉曼光谱、X-射线荧光光谱、光纤漫反射光谱和数码显微镜等技术和设备分析天梯山石窟北凉洞窟壁画残块，以确定其颜料的化学成分。

计算机辅助算法技术复原法，一方面基于仿真模拟，对数字化采集样本完好部分的壁画本体进行分析与类比模拟，提供或自动生成缺失部分线条或颜色［14-16］；另一方面利用算法进行图像去噪。除均值滤波、中值滤波和小波变换3 种常用方法［17］外，还有双直方图均衡算法［18］、基于平均亮度值递归分解的均衡算法［19］、小波域多边小波系数直方图均衡算法［20］、基于RGB 灰度值缩放的彩色图像增强算法［21］、基于区域的色彩对象提取和色彩转换算法［22］等。

1.2 壁画数字化复原实践

壁画数字化复原实践的重要基础在于前期的数据采集与建模，包括石窟三维测绘、壁画平面数字化、石窟数据建模。

石窟三维测绘包括三维数据采集、三维数据处理和三维贴图。通过三维激光扫描设备，利用激光测距仪，记录石窟被测表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，将石窟内部实景的三维数据完整地采集到电脑中。在数据采集过程中，对被采集物体进行全方位连续扫描，得到密集的三维散点数据，即点云数据，并进行数据处理与贴图。

壁画平面数字化包括平面数据采集、平面数据处理和图像色彩比对。平面数据采集主要是通过平面数据采集设备对壁画图像进行数字化采集。其主要设备为自动化升降机、高分辨率平面扫描仪、标准光源。根据洞窟大小和壁画位置调整设备，采集相应数据，以满足数字化复原工作需求。平面数据处理，则是对采集到的平面数据图像进行拼接和调整，达到最佳壁画图像形状效果。对于数据采集过程中的数据误差、三维空间转至二维平面时产生的透视畸变等问题，需根据三维模型对壁画图像进行形状和位置调整，将数据误差控制在最小范围。在平面数字化过程中，多种设备空间的色彩转换会导致图像色彩的失真，这时需要在石窟现场对壁画进行色彩比对，以确保平面数字化过程中图像的色彩信息与原壁画色彩信息一致。通常，还需通过打样留样的方法输出洞窟壁画，将其作为样张保存，为后续数字化应用开发提供色彩依据。

在完成平面数字化后，需将石窟三维数据与平面数据结合，使特征点的三维空间信息与平面数据依次对应，完成石窟的三维贴图工作，最终得到完整的彩色石窟三维模型。由于平面数据量过大，在进行三维贴图时，通常需要对其进行压缩处理，所以在查看精确的壁画平面图像时，需要预览高精度的平面数据。

随着数字化、信息化、虚拟现实等技术的发展，高清壁画数据、同比例高精度复原实体洞窟、线上2.5 维洞窟浏览、线下虚拟现实洞窟沉浸式体验等得以实现，参观者无须亲临现场，就可以欣赏龟兹壁画之美，并进行专业研究与创作，为解决文物保护与旅游开发两者间的矛盾提供了新的方案。

1.3 问题与挑战

现有壁画数字化复原方法能够不同程度解决修复过程中的特定问题，助力文化遗产保护与开发，但仍具有一定的局限性，其中，问题之一在于这些方法的研究对象在一定程度上没有与壁画本体发生实质关联。另一较为棘手的问题是需要构建普适性的壁画本体基础光谱数据库，但就目前的研究与实践而言，该任务具有挑战性。

1.3.1 复原对象和方法脱离壁画本体

基于文献研究的数字化复原专注于对文献资料的研究与比较，虽然文献研究是开展海外壁画复原实践的基础与前提，但实际上单一使用该方法对流失海外的壁画数字化复原工作的帮助十分有限。首先，文献质量有待商榷与考量，并且需要消耗大量的时间和资源成本，而壁画正在消逝；其次，受技术水平、信息延迟、团队管理等因素的掣肘，数字化复原很可能达不到文献中的理想效果。

基于艺术创作的数字化复原的短板是在数字化复原过程中不可避免地含有主观创作成分，且主观创作占主导地位，一定程度影响复原成果的参考价值。

基于专业技术的数字化复原，该方法专注于纯技术检测，无法获取壁画本体的材料介质，一定程度上会忽视地帐层制作、绘稿、基本着色、精细描绘［23］等壁画绘制工艺，及土壤、岩层结构等因素对黏合剂等辅助材料的影响；由于壁画破损原因复杂，特定技术检测复原或计算机辅助技术复原很难达到理想效果。以绘画颜料的化学检测技术复原法为例，多数研究者将按照古代颜料研磨工艺制作的合成有机颜料作为基础色卡，记录各类检测数据，并以此为参照值，结合光谱技术对壁画进行对比检测和复原研究，但可惜的是，古代壁画颜料主要为矿石等天然无机颜料和植物枝叶等天然有机颜料，而非通过有机染料技术合成的有机颜料［24］。

1.3.2 基础颜色数据库构建难度大

利用光谱技术对壁画进行无损检测是目前壁画复原与研究工作的常用方法之一，为满足对流失海外的克孜尔石窟壁画的复原、再现、保存、传播等需求，构建基础数据库是必要和迫切的。梁金星等［25］结合数字敦煌成果，提出敦煌壁画颜料颜色数据库构建方法。然而，因流失海外的克孜尔石窟壁画本体分散于世界各地，构建本体基础颜色数据库，难度极高。

对流失海外的克孜尔石窟壁画的数字化复原的研究和实践，主要桎梏于壁画本体资源的共享。其一，壁画本体正在逐渐消亡；其二，流失于海外的克孜尔石窟壁画本体的资源共享程度不甚理想；其三，即使能够接触到壁画本体，也无法对其采择和检测。因此，研究者不可避免地需要依赖二手资料，且主要为质量欠佳的影像资料。从壁画本体角度看，由于受环境温度、湿度、光照、污染物等影响，壁画颜色的从属变量（色相、明度、纯度）不断变化，即现存壁画的色彩是一个活跃且不稳定的视觉变量［26］。从海外壁画影像资料获取角度看，由于色彩是人类大脑对客观存在的特定反射（或投射）波长光线物质的主观感知，因此，拍摄时的光环境很重要，但现有影像资料中的光环境存在不统一、未校正、难去除等问题。此外，鉴于对流失海外的克孜尔石窟壁画数字化复原研究工作的延续性，所获影像资料亦存在因时间跨度大引起的色彩标准不一致，且有时被拍摄对象来自其他影像资料而非壁画本体，对新旧影像资料中壁画色彩的校正难度较大。

2 基于4S 图像分析模型的壁画数字化复原方法

2.1 图像分析要素

图像是制图者对现实生活与精神世界具象且凝固的表达。图像作为内容（content）的主要类型之一，其生产与流通过程是以图像需求者、图像绘制者、绘图材料提供者、图像辅助绘制者、图像实体转移者、图像生产管理者等为主要行动者，受经济、政治、文化等因素影响，经过产生图像需求、传递需求信息、生产材料集结、生产准备就绪、生产图像内容、图像实体留存或转移（如商品交易、非法盗取等活动）等环节，并如此循环的文化生产活动（见图1）。生产行动者和生产环节大多因图像种类等因素各异，如古代克孜尔石窟壁画生态中，图像需求者最初或为佛教徒，产生图像绘制需求后由图像生产管理者传达需求并管理图像生产流程，由绘图材料提供者提供颜料、石灰等基础绘制与建造材料，由图像辅助绘画者进行洞窟选址、设计、开凿、搭建支撑结构与地仗层等，由图像绘制者进行壁画绘制。一般情况下，古代石窟壁画实体不会发生转移，因为生产之初壁画是不可能被设定为可交易或可被移动的，所以抛开自然原因导致的壁画消逝等不可抗因素，图像实体转移者实际上不存在，但因存在部分克孜尔石窟壁画曾被外国探险队揭取的客观事实，所以壁画实体转移者可被定义为壁画揭取者，与此同时，图像需求者也发生了主体转移，由佛教徒转变为外国探险人员或其政府以及财团。当然这一切都在政治、经济、文化及其他环境的影响下进行。

图1 图像生产生态圈Fig.1 Image production ecosystem

图像分析要素来自图像生产生态圈，同时又是构建4S 图像分析模型的基础。通过梳理图像生产生态圈发现，图像的产生受诸多因素影响，虽其最终以图像细节示人，但若想究其来龙去脉，宏观处如社会环境，微观处如笔法和用料法，大至洞窟形制，小至图像结构，均需关照。宏观因素影响微观细节的呈现，不被桎梏于细微处而深远于背景，以小见大，由大窥小，有助于提高图像分析的精准度和合理性。

2.2 4S 图像分析模型

4S 图像分析模型（4S image analysis model，4SIAM）基于图像语义（semantic）的空间场景（space scene）、图像意群（sense group of image）、单一图像（single image）的分析模型（见图2）。

2.2.1 空间场景

克孜尔石窟壁画的产生及价值由壁画陈设空间与壁画图像共同构成，因此，壁画语义分析也应结合壁画陈列的空间场景和壁画图像内容进行。需要强调的是，此处的空间场景被理解为由洞窟形制、组合结构、窟内陈列文物等一系列要素构成的客观存在的物理环境，而非壁画中由图像构成的语义场景。壁画图像的内容可由底层特征和高层语义两部分组成，前者包括色彩、纹理、大小、位置等特性，后者包括壁画名称、主题、位置、创作年代等［27］。

现阶段对克孜尔石窟壁画空间场景的分析着眼于海外留存的探险影像记录、历史图像留存状况记录、数字化空间场景记录和现存空间留存状况采集与分析，此四方面从某种程度上可实现对壁画图像资源的跨时间、跨空间、跨媒介分析。但重点工作落在数据采集环节。一般而言，绘画类文物主要依靠平面数据采集，但是，古代僧人将佛经故事直接绘于手工开凿的洞窟壁面上，使壁画与洞窟完美融合并形成不规则的复杂几何表面，所以，需要将三维与平面相结合采集克孜尔石窟壁画数据，即先使用激光三维扫描设备对壁画所在洞窟进行三维扫描，再对壁画进行高精度的平面数据采集，最后将三维数据与平面数据结合处理。

图2 4S-IAM 示意Fig.2 Schematic diagram of the 4S image analysis model

2.2.2 图像意群

图像意群通常是由一个（组）或数个（组）单一图像及其相关要素（relevance）组成的图像集合。克孜尔石窟壁画呈现多种绘制手法，其中以菱格构图模式尤为典型与独特。受创作需求、洞窟形制、绘画颜料、绘制手法等诸多因素影响，克孜尔石窟壁画常将多个图像意群呈现在同一幅壁画中，“有时它们之间会出现一些间隔标志，有时则没有”［28］。因此整体性是壁画图像意群分析中需要考虑的核心原则，主要包括图像色彩、空间关系、位置精度、壁画底色等维度。遵守整体性原则的意义在于将上文所述之相关要素纳入考虑范围，此相关要素不仅包含图像所属意群内要素一致性的层面，也应涉及同一时期不同石窟的绘制风格与同一时期文明交汇与融合状况的层面。

2.2.3 单一图像

单一图像是构成图像意群的最小单位，是壁画数字化复原的最细粒度分析单位。对单一图像，主要进行人为和动物破坏痕迹的辨析及细节分析。

一般而言，壁画损坏涉及自然和人为两方面原因，自然损坏包括大面积脱落、粉层起甲、地仗酥碱、壁画褪色和变色、发霉、虫蛀、禽鸟粪便等；人为损害包括剥取、烟熏、重层、刻划、油渍、磨损、穿洞等［29］。针对人为损害，主要进行以下四方面工作，各项工作相辅相成，需要依据实际状况调整顺序或取舍。第1，线条残留信息提取与链接。壁画图像由线条与色彩构成，就线条修复而言，通过数字扫描提取线条残留信息后，需要对提取的线条信息与同时代绘画图像风格和线条特点做比较，比较范围不限于壁画图像，以形成数据信息间的关联和驱动，掌握同时期线条绘制信息与组合链接。第2，浮空裂缝修复。在遭人为破坏后壁画也会因自然因素继续损坏，因此需要识别壁画破损原因，制订修复方案。第3，泥壁风化信息适当保留。对壁画风化痕迹采取适度保留的做法，一方面是对传统“修旧如旧”修复理念的承袭，意在体现克孜尔壁画跨越岁月的价值；另一方面，横向比较壁画风化信息与痕迹有利于壁画碎片与墙体的匹配，有助于推进壁画数字化复原工作。第4，对人为和动物污损痕迹进行修复。

图像细节分析主要以壁画图像基本对象为单位，部分对象还有宗教和世俗的差异（见图3）。

图3 单一图像细节分析框架Fig.3 Single image detail analysis framework

2.3 壁画数字化复原实例

基于上述分析思路与模型，对壁画“阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”（见图4）进行解读与数字化复原。该幅壁画位于克孜尔第205 窟右甬道内侧壁，同一题材壁画也见于克孜尔第4，98，101，178，193，219，224 窟［30］。

图4 克孜尔第205 窟“阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”Fig.4 Cave 205 of Kizil：King Ajātaśatru's Resurrection after Hearing the Announcement of the Buddha's Death

阿阇世是古代印度摩揭陀国频婆娑罗王之子，佛的同时代人。据佛经记载：阿阇世前世为一修道人，被频婆娑罗王所杀，为报此仇，投生为太子。当王妃韦希提怀孕时，相师预言，此儿生必有害。于是，在出生当天，父母便将他从楼上摔下，以绝后患。然而，阿阇世仅损指未死，又别称他为“折指”或“未生怨”，由此他对父母生下怨仇。阿阇世长大后，结交恶友提婆达多，幽禁父母，夺取王位，与佛为敌。后因害父之罪招致遍体生疮，至佛所忏悔，才得以平愈。从此，阿阇世皈依佛门。佛涅槃后，阿阇世王建塔供养佛的舍利，以大迦叶为首的五百阿罗汉于王舍城毕钵罗岩结集佛说三藏时，又四事供养，是一位有力于佛教之兴的君主。阿阇世王皈依佛教前幽禁父母的事是佛教艺术中常见的题材。唯独克孜尔石窟中的阿阇世王题材壁画是描绘他闻佛涅槃闷绝后复苏的情景。

据《根本说一切有部毗柰耶杂事》卷三十八记载，佛涅槃后，佛的大弟子迦叶担心摩揭陀国阿阇世王听说这一噩耗必定会哀恸之极呕血而死，便让阿阇世王的大臣行雨在王舍城羯兰铎迦池竹林园妙堂殿内预备了八只澡罐，分别装上生酥和牛头旃檀香水，并绘制一幅从降生前观察五事到涅槃“如来一代所有化迹”图，然后请王入园观看，为王依次陈述佛的一生传记。阿阇世王观画后，明白了佛已涅槃，无比悲痛，顿时昏厥过去，被侍臣移入澡罐内才苏醒过来。

克孜尔第205 窟“阿阇世王灵梦入浴”图中最有特色的是行雨大臣手执的一幅布帛画。布帛画上并未按照佛经绘出“如来一代所有化迹”图，由于篇幅所限，只选择佛一生中的4 件大事，从下至上、从左至右用线描依次绘出：树下诞生、降魔成道、鹿野苑初转法轮和涅槃。画面线条流畅，内容形象生动。这种别出心裁、独具一格的画中作画的壁画，堪称龟兹石窟壁画中的佳作。该幅大型壁画被德国探险队切割、揭取，劫掠至柏林，原藏于德国柏林民族学博物馆，遗憾的是，这幅壁画在第二次世界大战中遗失。

该壁画被揭取之前，画面比较完整。格伦威德尔在现场透过硫酸纸对壁画进行了拓临（见图5）。

图5 “阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”摹本（格伦威德尔绘）Fig.5 A copy of King Ajātaśatru's Resurrection after Hearing the Announcement of the Buddha's Death（Painted by Gruenweddell）

借助格伦威德尔所绘线描图，并依据《根本说一切有部毗柰耶杂事》相关记载，可将“阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”图划分为3 组图像意群，如图6（a）所示。第1 组，阿阇世王及其王后入园；第2 组，行雨大臣、四相图和在澡灌中的阿阇世王；第3 组，佛涅槃后引起的大地震动、山川颠倒、流星昼现等自然失序现象以及华盖倾倒的不正常景象。3 组图像意群空间位置和时空顺序相互交错，和谐统一。其中，第2 组意群可再次被划分，因“画中画”的表现手法在该幅壁画中尤为独特，四相图是一个相对独立的意群，因此，第2 组图像意群可看作由四相图、手持布帛的行雨大臣和坐于澡罐中的阿阇世王3 个子意群构成。而阿阇世王和行雨大臣分别出现在第1、第2 组图像意群中，因此对于阿阇世王和行雨大臣的复原可将第1、第2 组图像意群作为参照对象，以遵循整体性原则，如图6（b）所示。经过对单一图像及其细节的处理与补绘，完成图像的数字化修复，如图7 所示。

3 结语

克孜尔石窟壁画是世界文化瑰宝，对世界文化遗产的保护性开发是文化工作者责无旁贷的使命，随着技术的发展和手段的创新，壁画复原愈加科学化和数字化，也愈加有利于失落文明的复现、留存和传播。

图6 “阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”图像意群解析Fig.6 Analysis of the sense group of image of King Ajātaśatru's Resurrection after Hearing the Announcement of the Buddha's Death

图7 “阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”数字化复原示意Fig.7 Digital Restoration diagram of King Ajātaśatru's Resurrection after Hearing the Announcement of the Buddha's Death

针对流失海外的克孜尔石窟壁画，结合前人经验提出的基于图像生态和分析要素的4S-IAM，以“阿阇世王闻佛涅槃闷绝后复苏”为对象，初步验证了数字化复原的效果。毫无疑问，对这幅壁画图像资源的研究与数字化复原具有一定的主观性，因此对于图像意群划分的单一图像的处理也因人而异。总体而言，4S-IAM 能够帮助实现历史图文资源、现地考古成果和壁画图像本体资源之间跨时空、跨模态的数据关联，尽可能恢复壁画原貌。这是文化遗产数字化管理和复原工作的又一新尝试，为图像资源研究提供了新的范式和路径，以期为考古成果的固化与增值助力。