敦煌石窟虛擬重現(xiàn)與壁畫修復(fù)模擬

1、測繪學(xué)報投稿敦煌石窟虛擬重現(xiàn)與壁畫修復(fù)模擬潘云鶴 魯東明 陳任(浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程系 中國杭州310027)panyh ldm rchen摘 要：由于受到自然災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、旅游開發(fā)等因素的影響，許多珍貴稀有文物遺址已處于瀕危境地，如何有效保護(hù)、研究與開發(fā)這些文物資源已經(jīng)顯得非常的迫切與重要。本文研究了如何將計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)文物保護(hù)工作結(jié)合起來，對文物實施數(shù)字化保存、重現(xiàn)和修復(fù)；并以敦煌文物為研究對象，利用虛擬現(xiàn)實、圖像處理與人工智能等技術(shù)實現(xiàn)了敦煌石窟虛擬展示、脫落壁畫復(fù)原與演變模擬等系統(tǒng)，極大地提高和改善了文物保護(hù)研究的效率與效果。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；人工智能；文物保護(hù)；藝術(shù)復(fù)原1 引

2、言自然災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、旅游開發(fā)等因素的影響，許多珍貴稀有文物遺址已處于瀕危境地，有些甚至正在或?qū)⒁?。搶救性地保護(hù)珍貴文物信息，已經(jīng)顯得非常的迫切與重要。采用信息技術(shù)對文物實施數(shù)字化保存，可以最大程度地彌補(bǔ)因文物不可抗拒的衰變或消失而帶來的缺憾；同時利用虛擬現(xiàn)實、圖像處理與人工智能等技術(shù)實現(xiàn)敦煌石窟虛擬展示、脫落壁畫復(fù)原與演變模擬等系統(tǒng)，極大地提高和改善文物保護(hù)研究的效率與效果。敦煌石窟是我國和世界聞名的珍貴歷史文化遺產(chǎn)之一。由于地理條件的限制，阻礙了敦煌石窟藝術(shù)的廣泛傳播；同時由于地處沙漠之中，常年的風(fēng)沙侵襲，敦煌壁畫已經(jīng)受到了嚴(yán)重的破壞。浙江大學(xué)與甘肅省敦煌研究院合作進(jìn)行了敦煌石窟虛擬重

3、現(xiàn)與壁畫修復(fù)模擬的研究。作為國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“多媒體與智能技術(shù)集成及藝術(shù)復(fù)原”課題的一個部分，其目的是在計算機(jī)平臺上提供瀏覽敦煌石窟的虛擬現(xiàn)實界面，為用戶提供一個全方位的友好、方便的瀏覽工具，為考古學(xué)家與藝術(shù)家提供鑒賞、研究的平臺，并對破損、褪色壁畫進(jìn)行修復(fù)。目前，我們已完成基于SGI O2工作站平臺與微機(jī)平臺上的敦煌虛擬漫游系統(tǒng)，其中前者已在德國漢諾威世界博覽會（EXPO 2000）展出；另外，完成了一些具代表性的洞窟壁畫圖像色彩的數(shù)字化復(fù)原與歷史演變過程模擬。以上研究工作已被整理并發(fā)表在 IEEE Multimedia和EuroGraphics2000等國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議和期刊上

4、910 。_作者簡介：潘云鶴（1946），男（漢族），浙江杭州人，教授，博導(dǎo)，中國工程院院士，浙江大學(xué)校長。目前研究方向為認(rèn)知科學(xué)、人工智能，計算機(jī)美術(shù)等。基金項目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（69733030）本文將具體介紹我們的工作。在第二節(jié)中我們總結(jié)了目前國內(nèi)外的相關(guān)系統(tǒng)，第三節(jié)和第四節(jié)將詳細(xì)闡述敦煌石窟虛擬重現(xiàn)與漫游系統(tǒng)和壁畫色彩虛擬復(fù)原與演變模擬系統(tǒng)，最后我們將對我們的工作作一個總結(jié)。2 國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)及技術(shù)隨著計算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，特別是計算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字圖像處理等技術(shù)的逐漸成熟，為古代珍貴文物的保護(hù)、復(fù)原與研究提供了新的手段與方法，計算機(jī)輔助的文物保護(hù)與開發(fā)受到了廣泛的關(guān)注，許

5、多國家已開始將信息技術(shù)應(yīng)用于古代文物的收集、保存、虛擬展示、復(fù)原、輔助考古與研究、旅游宣傳等各個方面，并取得了許多成果。另外，隨著應(yīng)用需求的加強(qiáng)，面向古代文物保護(hù)與開發(fā)的專門信息技術(shù)研究，已引起學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。近幾年一些多媒體、虛擬技術(shù)或圖形學(xué)方面的國際會議開設(shè)了文化遺產(chǎn)（Culture Heritage）專題，并將多媒體與虛擬技術(shù)用于文物保護(hù)作為會議的主題，如VSMM98, EG99等348。2.1 文物數(shù)字化技術(shù)文物的數(shù)字化是計算機(jī)輔助文物保護(hù)工作的基礎(chǔ)。根據(jù)文物對象的特征，文物數(shù)字化的研究分為二維文物數(shù)字化獲取和三維文物數(shù)字化獲取兩個部分。二維文物數(shù)字化獲取的對象一般包括文物的平面圖案

6、、色彩、文本等，其數(shù)字化目前常用的方法是采用數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)來對文物進(jìn)行拍照，或采用普通相機(jī)拍攝后使用掃描儀記錄為數(shù)字圖像。比如，英國大英博物館就使用照相機(jī)拍攝了館藏的經(jīng)書和絹畫，以作永久保存。三維文物數(shù)字化目前大致有三類方法，即基于測量的方法、基于計算機(jī)視覺的方法和基于三維掃描儀的方法。其中第三類方法是目前數(shù)字化方法的主流。這方面典型的工作有：美國斯坦福大學(xué)、華盛頓大學(xué)與Cyberware公司合作完成的數(shù)字化米開朗基羅計劃，該計劃使用三維掃描儀記錄了十座米開朗基羅所塑造的大型塑像，包括著名的大衛(wèi)像1；日本岐阜大學(xué)完成的基于測量的Shirakawa-go地區(qū)的古村落數(shù)字化工作等2。2.2 文物虛擬

7、展示技術(shù)文物虛擬展示技術(shù)主要研究如何將已經(jīng)數(shù)字化記錄完畢的文物如實地展示出來。其應(yīng)用主要有：為考古專家提供非常逼真詳細(xì)的文物外觀信息；為藝術(shù)家們提供圖像清晰、照明充足的臨摹范本和鑒賞環(huán)境；為游客在展覽館或網(wǎng)頁上交互地欣賞一些珍貴文物、觀看文物發(fā)掘過程；展示文物出土?xí)r的周圍環(huán)境、位置，整個發(fā)掘現(xiàn)場的整體狀況，以及隨著發(fā)掘工作的進(jìn)展，整個遺址環(huán)境的變化等。文物虛擬展示最典型的應(yīng)用是虛擬文物遺址漫游系統(tǒng)，這里用到的計算機(jī)技術(shù)主要是虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)。典型的有意大利羅馬大學(xué)的Angela Antonicelli等人正在進(jìn)行的Plinius工程，對龐貝古城進(jìn)行研究，建立龐貝城

8、的虛擬現(xiàn)實模型，并實現(xiàn)三維漫游3；中德合作創(chuàng)建的敦煌信息網(wǎng)站，利用VRML和QTVR等技術(shù)實現(xiàn)對敦煌洞窟的漫游，使得用戶在網(wǎng)絡(luò)上也可以參觀敦煌石窟，得到相關(guān)資料4。為進(jìn)一步提高文物虛擬展示的真實感和展示系統(tǒng)的效率，根據(jù)不同應(yīng)用系統(tǒng)的要求，文物虛擬展示技術(shù)的研究目前主要集中在加速實時繪制技術(shù)，加速實時網(wǎng)絡(luò)瀏覽技術(shù)和真實感繪制技術(shù)等方面。一些計算機(jī)圖形學(xué)最新的研究成果，例如基于圖象的建模（Image Based Rendering，IBR）技術(shù)，多分辨率建模（Multiresolution Modeling）等等，都已經(jīng)在文物虛擬展示系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。2.3 計算機(jī)輔助文物復(fù)原技術(shù)計算機(jī)藝術(shù)復(fù)原是

9、計算機(jī)圖形學(xué)一個分支，近幾年的SIGGRAPH會議均設(shè)專題進(jìn)行討論。1994年7月在美國舉行的世界計算機(jī)圖形學(xué)大會上，計算機(jī)藝術(shù)方面的內(nèi)容比例很大，專門編印了計算機(jī)藝術(shù)作品選。近年來，計算機(jī)藝術(shù)復(fù)原在文物修復(fù)方面的應(yīng)用得到了世界各國廣泛的關(guān)注，連續(xù)兩年，VSMM98與EuroGraphic99在其會議中開設(shè)了這方面的專題討論組，并出版了專集。現(xiàn)在在文物修復(fù)領(lǐng)域常用的，而且已經(jīng)成熟的方法主要是單純的基于計算機(jī)圖象處理的修復(fù)方法。其利用的技術(shù)和原理是藝術(shù)圖象處理的一般技術(shù)原理，大多數(shù)并不具有針對文物保護(hù)這個特定領(lǐng)域的特性。這樣，許多在恢復(fù)階段中十分有用的知識（例如壁畫的變色、褪色知識），以及其他一

10、些具有參考價值的信息都被忽略了。另外，整個修復(fù)過程在形式上基本是人機(jī)交互，計算機(jī)對修復(fù)工作不提供啟發(fā)和指導(dǎo)功能，因此存在很大的局限性。針對以上不足，人們開始研究人工智能、多媒體與傳統(tǒng)圖象處理的結(jié)合。在多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過嵌入知識表達(dá)與推理機(jī)制，來提高或改善多媒體系統(tǒng)在媒體制作、組織存儲、檢索和顯示交互方面的性能。3 敦煌石窟虛擬重現(xiàn)與漫游3.1 文物數(shù)字化信息獲取敦煌石窟藝術(shù)中最有藝術(shù)價值的是其壁畫和彩塑。如何將其完整，無損地記錄下來，是我們文物數(shù)字化信息獲取的主要目標(biāo)。根據(jù)獲取對象的不同特點(diǎn)，我們將壁畫、石窟結(jié)構(gòu)和彩塑分別采用不同的方法來進(jìn)行獲取工作。 壁畫數(shù)字化獲取我們采用數(shù)字相機(jī)拍攝

11、來獲取壁畫的圖像數(shù)據(jù)。為了獲得高精度的壁畫圖像，我們首先把一整幅的壁畫劃分成若干個區(qū)域進(jìn)行拍攝，并且使相鄰照片有部分重疊以便拼接。拍攝的壁畫圖像經(jīng)過預(yù)處理后，再合成為整幅壁畫圖像。 石窟結(jié)構(gòu)數(shù)字化獲取對于石窟結(jié)構(gòu)，我們從已知的測量數(shù)據(jù)直接使用三維建模工具（如AUTODESK公司的3DS MAX等）進(jìn)行建模，把壁畫和地磚紋理采用投射貼圖的方法映射到洞壁表面，采用凹凸貼圖的方法來模擬洞壁上的浮雕，并根據(jù)洞壁原始情況改變其凹凸度以增加真實感。 彩塑模型數(shù)字化獲取對于彩塑等外形比較復(fù)雜，對記錄精度要求很高的三維對象，我們采用三維掃描技術(shù)來獲取其模型。使用專業(yè)的三維掃描儀可以容易地獲得三維物體的幾何模型

12、，其記錄精度可以達(dá)到毫米數(shù)量級。并針對敦煌彩塑的特點(diǎn)研究了專門的模型拼接算法。另一方面，由于文物大多具有豐富的色彩信息，這些色彩、紋理也是考古專家研究的重要內(nèi)容。但是目前大量使用的三維掃描儀只能獲得物體的單色幾何模型，無法直接獲取色彩信息。為了彌補(bǔ)這種不足，我們研究了如何通過三維掃描儀掃描獲得的單色模型與圍繞著它所拍攝的一系列數(shù)字相片來獲取物體紋理貼圖的方法。該算法通過模型到圖象的對準(zhǔn)技術(shù)、幾何投射與變形和拼接等步驟來獲取物體圓柱貼圖紋理，具有直觀、對原始照片質(zhì)量要求小、允許運(yùn)行時編輯等優(yōu)點(diǎn)。該方法已經(jīng)在系統(tǒng)中得到了使用，并取得了很好的效果。3.2 莫高窟外景虛擬漫游傳統(tǒng)的漫游系統(tǒng)主要使用非常

13、成熟的幾何建模和真實感圖形繪制技術(shù)，通過手工方法建立場景的三維模型，設(shè)定光照、紋理，然后根據(jù)游覽者的觀察角度用光線跟蹤或紋理映射的方法進(jìn)行真實感繪制。但這種繪制技術(shù)存在著一些明顯不足：首先，對于復(fù)雜的場景，特別是自然景觀，較難建立滿足真實感要求的模型，所以不得不花費(fèi)大量時間去建模，并且顯示時對硬件的要求也很高。另外，漫游場景是計算機(jī)根據(jù)一定的光照模型進(jìn)行繪制的，色彩層次沒有實際的自然景觀豐富，用戶很容易看出是由計算機(jī)產(chǎn)生出來的。為了克服以上不足，許多學(xué)者探索了基于圖象的繪制(IBR)技術(shù)，直接利用照片作為輸入來實現(xiàn)漫游，在外景虛擬漫游中，我們就采用了基于全景圖的IBR方法。這種方法最大的特點(diǎn)和

14、優(yōu)點(diǎn)是易于實現(xiàn)、效率高、漫游速度快，也可以在普通的計算機(jī)上實現(xiàn)實時地漫游而不需要專門的圖形、圖象的硬件加速設(shè)備。根據(jù)敦煌外景的特點(diǎn)，我們專門研究了IBR中的環(huán)繞與穿透漫游方法。這樣，用戶就可以連續(xù)漫游整個景區(qū)，而不是象傳統(tǒng)的基于全景圖的IBR方法那樣只能在固定幾個點(diǎn)上觀察景物。3.3 藝術(shù)石窟內(nèi)部虛擬漫游 藝術(shù)石窟內(nèi)部虛擬漫游的設(shè)計目標(biāo)是：具備基本的漫游功能，即自由控制漫游路線；具備局部對象的拾取、放大等處理功能，滿足考古工作者和藝術(shù)工作者的需要；提供較高真實感的繪制，特別在是壁畫的清晰度方面，要保證用戶在接近壁畫時仍具有一定的分辨率；提供面向游客的石窟漫游等。6因為敦煌石窟彼此之間相互獨(dú)立。

15、用戶在實際參觀中某一時刻所關(guān)注的只可能是一個石窟。所以我們將各個石窟分別建模和漫游，并以外景漫游將它們有機(jī)地串在一起。這不僅為實現(xiàn)自由式的漫游提供了設(shè)計方便，而且在實際應(yīng)用中，也可以方便研究人員開展工作?；谏鲜鲆螅覀冊O(shè)計了如下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：8圖1 藝術(shù)石窟內(nèi)部虛擬漫游系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)多媒體數(shù)據(jù)庫三維模型生成模塊壁畫，彩塑紋理生成洞窟導(dǎo)游信息獲取接口OpenGL API用戶界面三維視圖導(dǎo)游信息視圖視點(diǎn)控制VRML載入模塊建模工具與三維掃描輸入系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上設(shè)計為四個部分。最基本的是多媒體信息的數(shù)據(jù)庫（MDB），是包括石窟的三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，彩塑，壁畫，關(guān)于壁畫的文字、聲音和視頻等信息。它是系統(tǒng)的一切

16、數(shù)據(jù)來源，并提供數(shù)據(jù)I/O操作的接口；虛擬場景生成器（VSGVirtual Scene Generator）是系統(tǒng)的核心部分，包括三個子模塊：3D模型表達(dá)；石窟彩塑表達(dá)和壁畫多媒體信息表達(dá)；用戶界面（UI）負(fù)責(zé)管理各種顯示場景的窗口，接受用戶的各種輸入信息等。對于本系統(tǒng)來說，關(guān)鍵技術(shù)在于石窟中的塑像的處理，這些人物塑像往往造型復(fù)雜，色彩豐富，給建模和渲染上帶來了很大困難，我們采用基于morphing的IBR方法和多分辨率模型方法來解決這一問題： 基于Morphing的IBRMorphing是一種圖象變形技術(shù)，是使一個數(shù)字圖象到另一個圖象的流暢的變化。平滑的變形是利用對兩幅圖象色彩插值來實現(xiàn)的，

17、通常是先對圖象進(jìn)行warping，提供圖象中特征的幾何形狀轉(zhuǎn)換以保證圖象的幾何特征的對應(yīng)關(guān)系，然后再對色彩進(jìn)行插值。圖2 藝術(shù)石窟漫游系統(tǒng)界面在漫游過程中，我們采用改良的基于特征線段的Morphing方法來對彩塑照片進(jìn)行插值，以獲得中間視點(diǎn)的視圖。由于敦煌彩塑的形狀十分復(fù)雜，為了在漫游中取得較好的視覺效果。我們的Morphing算法在現(xiàn)有基于特征線Morphing算法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了傳統(tǒng)方法中不能解決的合成圖象中的“空洞”問題。我們首先使用基于動態(tài)規(guī)劃的邊緣檢測方法確定圖象的輪廓，先用區(qū)域生長法尋找“空洞”，然后使用反向區(qū)域生長法填充“空洞”。該算法已在漫游系統(tǒng)中使用，并取得了較好的效果。

18、 多分辨率模型多分辨率模型方法是指對一個場景或場景中的物體，通過具有不同細(xì)節(jié)的描述方法，得到一組模型，以供繪制時選擇使用。圖3 不同細(xì)節(jié)程度的佛像三維模型我們采用公認(rèn)簡化后幾何特征保持最好的是基于二次誤差度量的簡化算法來對掃描得到的精密模型進(jìn)行簡化。并針對敦煌漫游系統(tǒng)的特點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上作一定改進(jìn)，根據(jù)彩塑特點(diǎn)對簡化結(jié)果進(jìn)行約束。為每一尊彩塑建立多個不同細(xì)節(jié)程度的描述并保存后，我們可以在漫游過程中根據(jù)用戶的視點(diǎn)與彩塑的距離和角度選擇不同的描述進(jìn)行著色，這樣就大大降低了場景的復(fù)雜度，提高了漫游系統(tǒng)的效率。4 壁畫色彩復(fù)原與演變模擬敦煌壁畫色彩復(fù)原與演變模擬系統(tǒng)可以采用自動和交互手段，對褪色、變色和

19、脫落的殘破壁畫進(jìn)行復(fù)原，并模擬其病害的發(fā)生和演變過程。本系統(tǒng)的研究與開發(fā)為保護(hù)與研究敦煌壁畫提供了有效的計算機(jī)輔助研究工具，已在敦煌復(fù)原工作中使用，并獲得了很好的效果。敦煌壁畫色彩復(fù)原的思路是：根據(jù)圖像的主要顏色，自動將壁畫圖像劃分得到幾張單色圖像；利用壁畫的屬性檢索出與當(dāng)前壁畫相似的完好的壁畫作為復(fù)原的參考壁畫；同時應(yīng)用敦煌傳統(tǒng)用色知識，壁畫風(fēng)格知識、敦煌研究專家的經(jīng)驗知識，進(jìn)行色彩復(fù)原推理；最后，利用變色演示技術(shù)，能可以產(chǎn)生很多中間圖像，逼真地模擬壁畫演變的全過程，供敦煌色彩專家和文物保護(hù)專家參考。壁畫復(fù)原演變模擬涉及的主要技術(shù)包括：色彩分層、色彩風(fēng)格表達(dá)檢索、類比推理、色彩協(xié)調(diào)映射等方面

20、。4.1 色彩虛擬復(fù)原與演變模擬的系統(tǒng)流程色彩虛擬修復(fù)的流程為如下幾步：91) 預(yù)處理：根據(jù)經(jīng)驗處理圖像，使圖像質(zhì)量變好，以便于下面的分層和邊緣檢測劃分對象。2) 劃分對象：根據(jù)不同的破損情況，用分層或邊緣檢測的區(qū)域提取方法得到修復(fù)對象。系統(tǒng)可以最終進(jìn)行修復(fù)的最小單位是修復(fù)對象。3) 修復(fù)對象：修復(fù)對象的過程比較復(fù)雜，又可以分為以下幾個子步驟：I. 合并對象：如果有些層或區(qū)域修復(fù)對象可以作相同的修復(fù)處理，則可以把它們合并到一層。最后每個修復(fù)對象各占一層。II. 獲得對象的描述信息：系統(tǒng)通過提供一個向?qū)б龑?dǎo)用戶收集一些修復(fù)必須知道的描述信息，如壁畫所處朝代，洞窟、壁畫主題、內(nèi)容、風(fēng)格以及繪畫技法

21、、是變色、褪色還是脫落破損等等。III. 選擇修復(fù)方法及知識檢索：根據(jù)前面得到的描述信息以及對象本身的圖像信息，選擇適當(dāng)?shù)男迯?fù)方法并從知識庫中檢索相應(yīng)的形式化經(jīng)驗知識或類比知識。IV. 進(jìn)行修復(fù)：主要是根據(jù)知識進(jìn)行實際圖像處理上的色彩替換及圖案創(chuàng)作過程。V. 合并對象：定義各個對象的合并順序，把各個對象與原始圖重新合并成一幅整圖。4) 后處理：同預(yù)處理。預(yù)處理（圖像層）劃分修復(fù)對象（區(qū)域及對象）修復(fù)每個對象合并各個對象成一整圖分層區(qū)域提取修復(fù)算法變色、褪色、脫落知識庫特殊圖像處理：如調(diào)整、除臟后處理（圖像層）特殊圖像處理：如調(diào)整、平滑，除臟協(xié)調(diào)原始圖像演示中間關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)置變色軌跡的擬合和調(diào)整多

22、條變色軌跡的協(xié)調(diào)合并各層，實現(xiàn)演變過程虛擬演變知識庫圖4 虛擬修復(fù)與演示流程圖虛擬色彩演變模擬的兩個重大問題就是解決色彩過渡曲線的獲得和在演變過程中對多種色彩的中間色彩進(jìn)行協(xié)調(diào)。而我們得到的色彩過渡曲線通常是某一種顏料原始色彩的標(biāo)準(zhǔn)軌跡，而壁畫圖像色彩豐富，于是我們要在有限的標(biāo)準(zhǔn)軌跡上推出任一種色彩的變色軌跡并為它做近似色彩演示。4.2 關(guān)鍵技術(shù) 基于領(lǐng)域知識的自動色彩分層技術(shù)在基本的直方圖統(tǒng)計分色方法的基礎(chǔ)上，我們引入了領(lǐng)域知識。敦煌專家已經(jīng)給出了敦煌各個朝代的使用的標(biāo)準(zhǔn)色彩，根據(jù)這些色彩我們重新劃分色彩空間，將圖像中的色彩加權(quán)歸類。由于繪畫時色彩的空間連續(xù)性，在計算色彩相似度時，不僅根據(jù)當(dāng)

23、前像素的色彩值，而且考慮到它周圍n個點(diǎn)的色彩的平均或加權(quán)平均值。這樣得到的分層效果比普通的直方圖統(tǒng)計要明顯好很多。10 色彩風(fēng)格表達(dá)檢索和類比推理我們對圖像進(jìn)行了形式化的定義，考慮了圖像的內(nèi)容和背景等語義特征，這樣就可以避免純圖像處理方法中把圖像看成象素點(diǎn)集合的盲目性。我們在圖像處理的基礎(chǔ)上，引入知識類比，根據(jù)專家的經(jīng)驗知識和實驗統(tǒng)計知識作為圖像處理的約束條件。領(lǐng)域內(nèi)的知識約束使得復(fù)原效果真實可靠。對一幅藝術(shù)圖像而言，我們要對其進(jìn)行分析和處理，不僅僅要考慮它的視覺特征（色彩和空間分布等物理屬性），而且要考慮它的語義特征（圖像內(nèi)容以及相關(guān)背景信息），因此我們對藝術(shù)圖像的形式化定義如下：圖像視覺特

24、征空間=色彩特征 形狀特征 紋理特征 我們定義語義特征空間為：其中是洞窟號；是創(chuàng)作朝代；是主題。在這里，知識實際上是圖像類比的總體約束條件，所以我們采用知識約束的圖像檢索作為推理機(jī)制。這里的圖像檢索包括語義特征的檢索和視覺特征的檢索。一般來說，語義特征的區(qū)別也是視覺特征的區(qū)別，所以語義特征的檢索優(yōu)先于視覺特征的檢索。10 色彩轉(zhuǎn)換規(guī)則修復(fù)的過程實際上是一個色彩轉(zhuǎn)換的過程。對一個修復(fù)對象，我們在HSV空間統(tǒng)計出此對象的顏色直方圖，由此確定當(dāng)前圖像色彩分布（主要指直方圖的峰值），而修復(fù)后圖像的色彩分布是從經(jīng)驗知識或類比圖像中提取出來的。我們采用線性變換實現(xiàn)修復(fù)對象中象素的色彩轉(zhuǎn)換，其方法是根據(jù)修復(fù)

25、前后h、s、v兩峰值的和作為參數(shù)求出所要恢復(fù)區(qū)域象素的色彩值（系統(tǒng)也提供了在RGB空間的這種線性色彩轉(zhuǎn)換）。 色彩過渡變色及褪色演變過程是一個色彩過渡過程，我們要求色彩過渡軌跡上的所有顏色都應(yīng)該是敦煌色彩。色彩過渡軌跡可以由如下步驟得到：1、 對混色模型計算得出的關(guān)鍵色彩進(jìn)行判斷，看是否落于敦煌色集合。若否則在敦煌色中取與之相似度最高的顏色代替。2、 判斷任兩相鄰關(guān)鍵色彩的連線上的顏色點(diǎn)是否都是敦煌色，若否則產(chǎn)生演示曲線上的斷點(diǎn)，將此連線切成幾段線段。所以演示有可能顏色直接從某一色跳到下一敦煌色彩。3、 得到一折線的色彩過渡曲線分段函數(shù)。這就是某種顏料色彩過渡的標(biāo)準(zhǔn)軌跡。（也可以由貝塞爾曲線代

26、替直線擬合。）以下是我們得到的結(jié)果：圖5 基于知識的變色復(fù)原。左邊的是現(xiàn)在的壁畫（洞窟實景拍攝的的照片），中間的是用于類比的圖，右邊的是復(fù)原后的結(jié)果。5 研究總結(jié)與展望計算機(jī)科學(xué)與文物保護(hù)的結(jié)合，在國內(nèi)外尚處在試驗階段，但是它具有蓬勃的生命力，并受到了廣泛的關(guān)注。本文的探索工作為傳統(tǒng)的文物保護(hù)開辟了一條新的道路，以敦煌文物保護(hù)為例，為古代珍貴文物的保護(hù)、復(fù)原與研究提供了新的手段，即計算機(jī)輔助的文物保護(hù)與開發(fā)方法。通過浙江大學(xué)與敦煌研究院雙方計算機(jī)與文物保護(hù)專家們的共同努力，我們已經(jīng)基本完成了莫高窟第17、45、85、205、419窟中壁畫與彩塑的數(shù)字化攝影與保存，并開發(fā)了包括莫高窟外景在內(nèi)的石

27、窟虛擬展示與旅游參觀系統(tǒng)；另外，以第205窟的南墻壁畫為重點(diǎn)，完成了壁畫圖像色彩的數(shù)字化復(fù)原與歷史演變過程模擬。同時，還開發(fā)了支持石窟現(xiàn)場調(diào)查、病害標(biāo)記、材料分析、環(huán)境監(jiān)測與壁畫修復(fù)等全過程的計算機(jī)輔助石窟保護(hù)修復(fù)輔助系統(tǒng)、能臨摹創(chuàng)作敦煌風(fēng)格圖案的智能圖案輔助設(shè)計系統(tǒng)。目前，我們正進(jìn)一步加深對面向瀕危文物保護(hù)的信息數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)，完善各個應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并擬推廣應(yīng)用到其他遺址、文物的保護(hù)研究與開發(fā)。本文工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“多媒體與智能技術(shù)集成及藝術(shù)復(fù)原”（No.69733030）的資助。參 考 文 獻(xiàn)1 LEVOY M, PULLI K, CURLESS B, The Di

28、gital Michelangelo Project: 3D Scanning of Large Statues CD, Siggraph2000, ACM Press, 20002 HIRAYU H, OJIKA T, KIJIMA R, Construction the Historic Villages of Shirakawa-go in Virtual Reality J, IEEE Multimedia, 2000(4-6): 61-633 ANTONICELLI A, SCISCIO G, ROSICARELLI R, et al, Exploiting Pompei Cultu

29、ral Heritage: The Plinius Project CD, Eurographics99, Eurographics Association, 20004 HAMBACH S, How To Visit Dunhuang Without Travelling To Central Asia CD Eurographics99, Eurographics Association, 20005 PAN Yunhe, Dunhuang Art Cave Rebuilding & Navigation C, Proceeding of the Fourth Conference of

30、Computer Aided Architectural Design Research in Asia, Shanghai Scientific and Technological Literature Publishing House, 1-206 LU Dongming, PAN Yunhe, Image-Based Modeling & Rendering for Dunhuang Art Cave C, Proceeding of the 6th International Conference of CAD/CG, WenHui Publishers, 1172-11767 LU

31、Dongming, PAN Yunhe, Image-Based Virtual Navigation Systerm for Art Caves, the International Journal of Virtual Reality J, 2000, 4(4): 40-458 GONG Zhi, LU Dongming, PAN Yunhe, Dunhuang Art Cave Presentation and preserve based on VE C, VSMM98, IOS Press, 612-6189 LI Xiangyang, LU Dongming, PAN Yunhe, HUA Zhong, Virtual Dunhuang Mural Restoration System in Collaborative Network EnvironmentCD, Eurographics 2000, Eurographics Association, 2000 10 LI Xiangyang, LU Dongming, PAN Yunhe, Color Restoration and Image Retrieval for Dunhuang Fresco Preservat