敦煌石窟虚拟重现与壁画修复模拟.docx

测绘学报投稿敦煌石窟虚拟重现与壁画修复模拟潘云鹤 鲁东明 陈任(浙江大学计算算机科学与工工程系 中中国杭州3110027))panyhh@n ldm@@ rcheen@n摘 要：由由于受到自然然灾害、经济济建设、旅游游开发等因素素的影响，许许多珍贵稀有有文物遗址已已处于濒危境境地，如何有有效保护、研研究与开发这这些文物资源源已经显得非非常的迫切与与重要本文文研究了如何何将计算机技技术与传统文文物保护工作作结合起来，对对文物实施数数字化保存、重重现和修复；；并以敦煌文文物为研究对对象，利用虚虚拟现实、图图像处理与人人工智能等技技术实现了敦敦煌石窟虚拟拟展示、脱落落壁画复原与与演变模拟等等系统，极大大地提高和改改善了文物保保护研究的效效率与效果关键词：虚拟现现实；人工智智能；文物保保护；艺术复复原1 引言自然灾害、经济济建设、旅游游开发等因素素的影响，许许多珍贵稀有有文物遗址已已处于濒危境境地，有些甚甚至正在或将将要消失抢抢救性地保护护珍贵文物信信息，已经显显得非常的迫迫切与重要采采用信息技术术对文物实施施数字化保存存，可以最大大程度地弥补补因文物不可可抗拒的衰变变或消失而带带来的缺憾；；同时利用虚虚拟现实、图图像处理与人人工智能等技技术实现敦煌煌石窟虚拟展展示、脱落壁壁画复原与演演变模拟等系系统，极大地地提高和改善善文物保护研研究的效率与与效果。

敦煌石窟是我国国和世界闻名名的珍贵历史史文化遗产之之一由于地地理条件的限限制，阻碍了了敦煌石窟艺艺术的广泛传传播；同时由由于地处沙漠漠之中，常年年的风沙侵袭袭，敦煌壁画画已经受到了了严重的破坏坏浙江大学与甘肃肃省敦煌研究究院合作进行行了敦煌石窟窟虚拟重现与与壁画修复模模拟的研究作作为国家自然然科学基金重重点项目“多媒体与智智能技术集成成及艺术复原原”课题的一个个部分，其目目的是在计算算机平台上提提供浏览敦煌煌石窟的虚拟拟现实界面，为为用户提供一一个全方位的的友好、方便便的浏览工具具，为考古学学家与艺术家家提供鉴赏、研研究的平台，并并对破损、褪褪色壁画进行行修复目前前，我们已完完成基于SGGI O2工工作站平台与与微机平台上上的敦煌虚拟拟漫游系统，其其中前者已在在德国汉诺威威世界博览会会（EXPOO 20000）展出；另另外，完成了了一些具代表表性的洞窟壁壁画图像色彩彩的数字化复复原与历史演演变过程模拟拟以上研究究工作已被整整理并发表在在 IEEE Multiimediaa和EuroGGraphiics20000等国际和和国内学术会会议和期刊上上 [9][[10] 作者简介：潘云鹤（1946－），男（汉族），浙江杭州人，教授，博导，中国工程院院士，浙江大学校长。

目前研究方向为认知科学、人工智能，计算机美术等基金项目：国家自然科学基金重点项目（69733030）本文将具体介绍绍我们的工作作在第二节节中我们总结结了目前国内内外的相关系系统，第三节节和第四节将将详细阐述敦敦煌石窟虚拟拟重现与漫游游系统和壁画画色彩虚拟复复原与演变模模拟系统，最最后我们将对对我们的工作作作一个总结结2 国内外相关关应用系统及及技术随着计算机科学学的不断发展展，特别是计计算机图形学学和数字图像像处理等技术术的逐渐成熟熟，为古代珍珍贵文物的保保护、复原与与研究提供了了新的手段与与方法，计算算机辅助的文文物保护与开开发受到了广广泛的关注，许许多国家已开开始将信息技技术应用于古古代文物的收收集、保存、虚虚拟展示、复复原、辅助考考古与研究、旅旅游宣传等各各个方面，并并取得了许多多成果另外，随着应用用需求的加强强，面向古代代文物保护与与开发的专门门信息技术研研究，已引起起学术界的普普遍关注近近几年一些多多媒体、虚拟拟技术或图形形学方面的国国际会议开设设了文化遗产产（Cultture HHeritaage）专题题，并将多媒媒体与虚拟技技术用于文物物保护作为会会议的主题，如如VSMM’’98, EEG’99等等[3][44][8]。

2.1 文物数数字化技术文物的数字化是是计算机辅助助文物保护工工作的基础根根据文物对象象的特征，文文物数字化的的研究分为二二维文物数字字化获取和三三维文物数字字化获取两个个部分二维文物数字化化获取的对象象一般包括文文物的平面图图案、色彩、文文本等，其数数字化目前常常用的方法是是采用数字摄摄影技术来对对文物进行拍拍照，或采用用普通相机拍拍摄后使用扫扫描仪记录为为数字图像比比如，英国大大英博物馆就就使用照相机机拍摄了馆藏藏的经书和绢绢画，以作永永久保存三维文物数字化化目前大致有有三类方法，即即基于测量的的方法、基于于计算机视觉觉的方法和基基于三维扫描描仪的方法其其中第三类方方法是目前数数字化方法的的主流这方方面典型的工工作有：美国国斯坦福大学学、华盛顿大大学与Cybberwarre公司合作作完成的数字字化米开朗基基罗计划，该该计划使用三三维扫描仪记记录了十座米米开朗基罗所所塑造的大型型塑像，包括括著名的大卫卫像[1]；；日本岐阜大大学完成的基基于测量的SShirakkawa-ggo地区的古古村落数字化化工作等[22]2.2 文物虚虚拟展示技术术文物虚拟展示技技术主要研究究如何将已经经数字化记录录完毕的文物物如实地展示示出来。

其应应用主要有：：为考古专家家提供非常逼逼真详细的文文物外观信息息；为艺术家家们提供图像像清晰、照明明充足的临摹摹范本和鉴赏赏环境；为游游客在展览馆馆或网页上交交互地欣赏一一些珍贵文物物、观看文物物发掘过程；；展示文物出出土时的周围围环境、位置置，整个发掘掘现场的整体体状况，以及及随着发掘工工作的进展，整整个遗址环境境的变化等文物虚拟展示最最典型的应用用是虚拟文物物遗址漫游系系统，这里用用到的计算机机技术主要是是虚拟现实（VVirtuaal Reaality）技技术典型的的有意大利罗罗马大学的AAngelaa Antoonicellli等人正正在进行的PPliniuus工程，对对庞贝古城进进行研究，建建立庞贝城的的虚拟现实模模型，并实现现三维漫游[[3]；中德德合作创建的的敦煌信息网网站，利用VVRML和QTVR等技技术实现对敦敦煌洞窟的漫漫游，使得用用户在网络上上也可以参观观敦煌石窟，得得到相关资料料[4]为进一步提高文文物虚拟展示示的真实感和和展示系统的的效率，根据据不同应用系系统的要求，文文物虚拟展示示技术的研究究目前主要集集中在加速实实时绘制技术术，加速实时时网络浏览技技术和真实感感绘制技术等等方面。

一些些计算机图形形学最新的研研究成果，例例如基于图象象的建模（IImage Basedd Rendderingg，IBR）技技术，多分辨辨率建模（MMultirresoluution Modelling）等等等，都已经经在文物虚拟拟展示系统中中获得了应用用2.3 计算机机辅助文物复复原技术计算机艺术复原原是计算机图图形学一个分分支，近几年年的SIGGGRAPH会会议均设专题题进行讨论1994年7月在美国举行的世界计算机图形学大会上，计算机艺术方面的内容比例很大，专门编印了计算机艺术作品选近年来，计算机艺术复原在文物修复方面的应用得到了世界各国广泛的关注，连续两年，VSMM98与EuroGraphic99在其会议中开设了这方面的专题讨论组，并出版了专集现在在文物修复复领域常用的的，而且已经经成熟的方法法主要是单纯纯的基于计算算机图象处理理的修复方法法其利用的的技术和原理理是艺术图象象处理的一般般技术原理，大大多数并不具具有针对文物物保护这个特特定领域的特特性这样，许许多在恢复阶阶段中十分有有用的知识（例例如壁画的变变色、褪色知知识），以及及其他一些具具有参考价值值的信息都被被忽略了另另外，整个修修复过程在形形式上基本是是人机交互，计计算机对修复复工作不提供供启发和指导导功能，因此此存在很大的的局限性。

针对以上不足，人人们开始研究究人工智能、多多媒体与传统统图象处理的的结合在多多媒体技术的的基础上，通通过嵌入知识识表达与推理理机制，来提提高或改善多多媒体系统在在媒体制作、组组织存储、检检索和显示交交互方面的性性能3 敦煌石窟虚虚拟重现与漫漫游3.1 文物数数字化信息获获取敦煌石窟艺术中中最有艺术价价值的是其壁壁画和彩塑如如何将其完整整，无损地记记录下来，是是我们文物数数字化信息获获取的主要目目标根据获获取对象的不不同特点，我我们将壁画、石石窟结构和彩彩塑分别采用用不同的方法法来进行获取取工作· 壁画数字化化获取我们采用数字相相机拍摄来获获取壁画的图图像数据为为了获得高精精度的壁画图图像，我们首首先把一整幅幅的壁画划分分成若干个区区域进行拍摄摄，并且使相相邻照片有部部分重叠以便便拼接拍摄摄的壁画图像像经过预处理理后，再合成成为整幅壁画画图像· 石窟结构数数字化获取对于石窟结构，我我们从已知的的测量数据直直接使用三维维建模工具（如如AUTODDESK公司司的3DS MAX等）进进行建模，把把壁画和地砖砖纹理采用投投射贴图的方方法映射到洞洞壁表面，采采用凹凸贴图图的方法来模模拟洞壁上的的浮雕，并根根据洞壁原始始情况改变其其凹凸度以增增加真实感。

· 彩塑模型数数字化获取对于彩塑等外形形比较复杂，对对记录精度要要求很高的三三维对象，我我们采用三维维扫描技术来来获取其模型型使用专业业的三维扫描描仪可以容易易地获得三维维物体的几何何模型，其记记录精度可以以达到毫米数数量级并针针对敦煌彩塑塑的特点研究究了专门的模模型拼接算法法另一方面，由于于文物大多具具有丰富的色色彩信息，这这些色彩、纹纹理也是考古古专家研究的的重要内容但但是目前大量量使用的三维维扫描仪只能能获得物体的的单色几何模模型，无法直直接获取色彩彩信息为了了弥补这种不不足，我们研研究了如何通通过三维扫描描仪扫描获得得的单色模型型与围绕着它它所拍摄的一一系列数字相相片来获取物物体纹理贴图图的方法该该算法通过模模型到图象的的对准技术、几几何投射与变变形和拼接等等步骤来获取取物体圆柱贴贴图纹理，具具有直观、对对原始照片质质量要求小、允允许运行时编编辑等优点该该方法已经在在系统中得到到了使用，并并取得了很好好的效果3.2 莫高窟窟外景虚拟漫漫游传统的漫游系统统主要使用非非常成熟的几几何建模和真真实感图形绘绘制技术，通通过手工方法法建立场景的的三维模型，设设定光照、纹纹理，然后根根据游览者的的观察角度用用光线跟踪或或纹理映射的的方法进行真真实感绘制。

但但这种绘制技技术存在着一一些明显不足足：首先，对对于复杂的场场景，特别是是自然景观，较较难建立满足足真实感要求求的模型，所所以不得不花花费大量时间间去建模，并并且显示时对对硬件的要求求也很高另另外，漫游场场景是计算机机根据一定的的光照模型进进行绘制的，色色彩层次没有有实际的自然然景观丰富，用用户很容易看看出是由计算算机产生出来来的为了克服以上不不足，许多学学者探索了基基于图象的绘绘制(IBRR)技术，直直接利用照片片作为输入来来实现漫游，在在外景虚拟漫漫游中，我们们就采用了基基于全景图的的IBR方法法这种方法法最大的特点点和优点是易易于实现、效效率高、漫游游速度快，也也可以在普通通的计算机上上实现实时地地漫游而不需需要专门的图图形、图象的的硬件加速设设备根据敦煌外景的的特点，我们们专门研究了了IBR中的的环绕与穿透透漫游方法这这样，用户就就可以连续漫漫游整个景区区，而不是象象传统的基于于全景图的IIBR方法那那样只能在固固定几个点上上观察景物3.3 艺术石石窟内部虚拟拟漫游 艺。