敦煌石窟虛擬重現(xiàn)與壁畫修復(fù)模擬-wenkub
2023-07-08 06:28:04 本頁(yè)面
【正文】 作永久保存。近幾年一些多媒體、虛擬技術(shù)或圖形學(xué)方面的國(guó)際會(huì)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(huì)議的主題，如VSMM’98, EG’99等[3][4][8]?；痦?xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（69733030）本文將具體介紹我們的工作。目前，我們已完成基于SGI O2工作站平臺(tái)與微機(jī)平臺(tái)上的敦煌虛擬漫游系統(tǒng)，其中前者已在德國(guó)漢諾威世界博覽會(huì)（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(guò)程模擬。敦煌石窟是我國(guó)和世界聞名的珍貴歷史文化遺產(chǎn)之一。本文研究了如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)文物保護(hù)工作結(jié)合起來(lái)，對(duì)文物實(shí)施數(shù)字化保存、重現(xiàn)和修復(fù)；并以敦煌文物為研究對(duì)象，利用虛擬現(xiàn)實(shí)、圖像處理與人工智能等技術(shù)實(shí)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(shí)；人工智能；文物保護(hù)；藝術(shù)復(fù)原1 引言自然災(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?。由于地理?xiàng)l件的限制，阻礙了敦煌石窟藝術(shù)的廣泛傳播；同時(shí)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。以上研究工作已被整理并發(fā)表在 IEEE Multimedia和EuroGraphics2000等國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議和期刊上 [9][10] 。在第二節(jié)中我們總結(jié)了目前國(guó)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(duì)我們的工作作一個(gè)總結(jié)。 文物數(shù)字化技術(shù)文物的數(shù)字化是計(jì)算機(jī)輔助文物保護(hù)工作的基礎(chǔ)。三維文物數(shù)字化目前大致有三類方法，即基于測(cè)量的方法、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法和基于三維掃描儀的方法。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(yè)上交互地欣賞一些珍貴文物、觀看文物發(fā)掘過(guò)程；展示文物出土?xí)r的周圍環(huán)境、位置，整個(gè)發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的整體狀況，以及隨著發(fā)掘工作的進(jìn)展，整個(gè)遺址環(huán)境的變化等。一些計(jì)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?，F(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(jì)算機(jī)圖象處理的修復(fù)方法。針對(duì)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。根據(jù)獲取對(duì)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(lái)進(jìn)行獲取工作。拍攝的壁畫圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，再合成為整幅壁畫圖像。 彩塑模型數(shù)字化獲取對(duì)于彩塑等外形比較復(fù)雜，對(duì)記錄精度要求很高的三維對(duì)象，我們采用三維掃描技術(shù)來(lái)獲取其模型。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(wú)法直接獲取色彩信息。 莫高窟外景虛擬漫游傳統(tǒng)的漫游系統(tǒng)主要使用非常成熟的幾何建模和真實(shí)感圖形繪制技術(shù)，通過(guò)手工方法建立場(chǎng)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(shí)感繪制。這種方法最大的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、效率高、漫游速度快，也可以在普通的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地漫游而不需要專門的圖形、圖象的硬件加速設(shè)備。[6]因?yàn)槎鼗褪弑舜酥g相互獨(dú)立。基于上述要求，我們?cè)O(shè)計(jì)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(kù)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(jì)為四個(gè)部分。 基于Morphing的IBRMorphing是一種圖象變形技術(shù)，是使一個(gè)數(shù)字圖象到另一個(gè)圖象的流暢的變化。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(wèn)題。 多分辨率模型多分辨率模型方法是指對(duì)一個(gè)場(chǎng)景或場(chǎng)景中的物體，通過(guò)具有不同細(xì)節(jié)的描述方法，得到一組模型，以供繪制時(shí)選擇使用。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(dòng)和交互手段，對(duì)褪色、變色和脫落的殘破壁畫進(jìn)行復(fù)原，并模擬其病害的發(fā)生和演變過(guò)程。 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：[9]1) 預(yù)處理：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(cè)劃分對(duì)象。最后每個(gè)修復(fù)對(duì)象各占一層。V. 合并對(duì)象：定義各個(gè)對(duì)象的合并順序，把各個(gè)對(duì)象與原始圖重新合并成一幅整圖。 關(guān)鍵技術(shù) 這樣得到的分層效果比普通的直方圖統(tǒng)計(jì)要明顯好很多。領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)約束使得復(fù)原效果真實(shí)可靠。… …我們定義語(yǔ)義特征空間為： 其中是洞窟號(hào)；是創(chuàng)作朝代；是主題。[10] 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。（也可以由貝塞爾曲線代替直線擬合。本文的探索工作為傳統(tǒng)的文物保護(hù)開
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