敦煌壁画色卡数字成像色彩管理应用研究

梁金星，万晓霞，孙志军

(1． 武汉大学印刷与包装系，湖北武汉 430079； 2． 敦煌研究院，甘肃酒泉 736200)

0 引 言

历史文化遗产的数字化保护方法是当前文物保护领域的研究热点，敦煌壁画作为我国珍贵的历史文化遗产，是我国古代文明的重要组成部分，蕴含着我国古代的政治、经济、文化、科学技术及生产工艺发展等重要历史信息，承载着灿烂文明，传承历史文化，是研究我国古代人文学、社会学、美学以及自然科学的珍贵资源，有效地挖掘壁画文物所蕴含的历史、文化和科学价值，亦将发挥其公共文化服务和社会教育功能。

自20世纪90年代初，敦煌壁画的数字化保护成为国内外研究的重点关注方向，其中“数字敦煌”项目的开展取得了可观的研究成果[1，2]。数字化的敦煌壁画不仅可以通过可视化手段显示于各种移动终端，满足人民精神文明追求的需要，同时又可以减缓壁画病害的发展，为壁画保护工作赢得时间。目前，敦煌壁画数字化保护主要采用数码相机设备对其色彩信息进行记录，然后通过后期拼接和颜色校正等处理，结合三维建模等相关技术[3]，完成各个洞窟壁画内容的数字化重构。在当前壁画数字化采集工作中，由于以下几个客观因素的存在，导致数码相机记录的壁画颜色与真实壁画颜色之间产生偏差问题：1)不同类型数码相机记录颜色属性不同，可记录的颜色范围存在固有差异；2)同一数码相机受自身参数可多样化设定的影响，记录同一幅壁画颜色存在偏差；3)同一数码相机受照明光源(光源色温)变化的影响，记录同一幅壁画颜色存在偏差；4)数码相机应用的RGB颜色空间为非均匀颜色空间，且不同类型RGB颜色空间记录和再现颜色的范围(色域)存在固有差异。

对于壁画颜色采集不准问题，有效的颜色校正方法是通过色彩管理软件和色卡，为数码相机创建颜色校正特性文件(ICC特性文件)，利用ICC特性文件对偏色图像进行色彩校正。在利用色彩管理软件和色卡创建特性文件时，色彩管理软件是以色卡所有色块的色度数据为节点，以全局最优的方式创建颜色校正特性文件，使得色卡所有色块经校正后的颜色偏差最小。因此，色卡与被拍摄对象的颜色特征(如色域大小和色度值分布)的相关性或一致性，直接决定ICC特性文件应用于偏色图像色彩校正的准确性[4]。当前敦煌壁画图像的颜色校正过程工作中，采用国际上通用的标准色卡为数码相机创建ICC特性文件，对各种拍摄条件下的壁画图像进行颜色校正。这些标准色卡均是用哑光油漆或涂料模拟自然界典型物体的光谱曲线制作而成[5]，对自然界典型物体颜色具有较好代表性。但对物质基础和创作技法完全不同的敦煌壁画而言，不管是在色彩范围还是在色度分布方面，标准色卡与敦煌壁画的颜色特性都存在一定差异。因此，在实际的颜色校正工作中，标准色卡对敦煌壁画颜色的校正效果不如自主研制敦煌壁画色卡效果好，这一点已经在前期的研究中得到初步证明[6]。

但前期的研究主要基于敦煌壁画模拟样本开展，并未将自主研制的敦煌壁画色卡用于实际的敦煌壁画色彩管理之中，本研究以敦煌壁画高保真艺术复制品为具体研究对象，应用自主研制的敦煌壁画色卡对三幅敦煌壁画高保真复制品在不同拍摄偏色设定条件下，进行图像颜色的校正处理，并通过主观实验与Macbeth Color Checker的颜色校正效果进行对比，对自主研制的敦煌壁画色卡进行了更进一步的评价研究。

1 实验条件与方法

1．1 实验设备

研究使用的主要设备有：型号为EOS 600D的佳能数码照相机，分辨率为1 800万像素，配备EF-S 18-200 mm变焦镜头，固定数码相机用三脚架；博物馆展陈照明专用光源及日光灯光源，其中展陈照明光源使用Philips卤素灯，色温为4 000 K，显色指数为82，日光灯光源使用Philips直管形荧光灯，色温为6 500 K，显示指数为85；Philips Hue智能LED可控光源及配套软件Hue Lights，可控色温在2 000～6 500 K范围，照度可调，利用PR705配合标准白板，在暗室中测量得到2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K五种色温下的相对光谱功率分布如图1所示，计算得到相应的显示指数分别为91、89、84、81和79；自主研制敦煌壁画色卡；国际通用数码相机色彩管理标准色卡Macbeth ColorChecker；爱色丽SpectroEye分光光度计；Profile Maker 5.0 Application色彩管理软件；爱色丽Eyeone色彩管理设备；Adobe Photoshop CS5图像处理软件；艺卓Eizo CG223W专业显示器。

1．2 实验对象

实验对象为三幅敦煌壁画高保真复制艺术品。用于对比自主研制敦煌壁画色卡和标准色卡Color Checker的高保真敦煌壁画复制品为敦煌莫高窟第390窟隋代藻井图案，如图2a所示。藻井正中画重瓣大莲花，周围盘茎上缀有十二朵小莲花。花心或四角描绘了莲花的形象，造型写实且充满变化。图2a藻井图片使用佳能600D数码相机自动档拍摄，光圈f/5，曝光时间1/60 s，拍摄距离约2.2 m，采用博物馆顶棚漫反射展陈光源均匀照明。

此外，研究利用自主研制敦煌壁画色卡对敦煌壁画唐代第329窟西披的“夜半逾城”和“乘象入胎”图像，以及莫高窟元代第3窟北壁的千手千眼观音图像偏色校正进行了相关研究。329窟西披图像和元3窟千手千眼观音高保真复制品拍摄图像见图2b和图2c，均采用佳能600D数码相机拍摄，拍摄条件均为自动档，其中329窟图案拍摄光圈和曝光时间分别为f/5和1/100 s，采用博物馆顶棚灯漫反射展陈光源均匀照明，拍摄距离为2.2 m；元3窟北壁图案采用两个Philips Hue智能LED可控光源45°对称照明，照明距离为2 m，拍摄距离为2.2 m，控制LED光源照度为36Lux，色温为6 500 K，自动曝光的光圈和时间分别为f/5和1/20 s。

1．3 实验方法

1．3．1偏色及多色温LED照明图像采集 为直观对比自主研制的敦煌壁画色卡和标准色卡Color Checker对各种偏色条件下的颜色校正效果，将数码相机调整到手动档拍摄模式，使用同一白平衡设置，手动调整拍摄图像的色度偏移值。在各个设定的图像色度偏移值条件下分别拍摄包含色卡和不包含色卡的图像，完成实验研究所用偏色图像的采集。利用光源控制软件Hue Lights将LED调节至不同色温照明条件，均匀照射拍摄画面，完成LED不同色温照明条件下包含敦煌壁画色卡和不包含敦煌壁画色卡的图像的采集。对自主研制敦煌壁画色卡在不同色温照明条件下色彩管理的效果进行研究；同时，拍摄LED光源在特定色温条件下的偏色图像，研究自主研制敦煌壁画色卡在对应条件下的色彩管理效果。

1．3．2数码相机特性文件制作 首先利用爱色丽SpectroEye分光光度计分别测量自主研制敦煌壁画色卡和标准色卡的光谱反射率数据。作为制作特性文件的参考标准，按照相应的数据格式导入到ProfileMaker 5.0 Application色彩管理软件安装文件的对应参考文件夹目录下。

对佳能600D拍摄得到的RAW格式图片不做任何调整处理，保存为无压缩TIFF格式图像，在Adobe Photoshop CS5图像处理软件中打开保存的TIFF格式图像，截取图像中色卡的有效区域，将色卡图片保存为TIFF格式。

最后打开ProfileMaker 5.0 Application色彩管理软件，选择“CAMERA”功能项，在参考数据框中选择测量导入的参考文件。在照相测试色靶选项框中选择保存的色卡图片，设定特性文件的意图为通用“General Purpose”，参考拍摄的RAW格式图像，选择与拍摄环境光源色温最为接近的计算光源，计算得到数码相机的特性文件。

1．3．3主观评价 首先利用色彩管理设备Eyeone和色彩管理软件ProfileMaker 5.0 Application按照校正规范对艺卓显示器进行校正，使之达到最佳工作状态。将屏幕背景设定为25%中性灰，将经标准色卡和自制色卡校正后的壁画图像并列排放，用于图像颜色校正效果的主观评价比较。实际主观评价过程中，选取20名有颜色知识背景的研究生作为观察者，其中男、女各10名。20名观察者首先在日光灯照明条件下观察壁画高保真复制品图案约30 min，形成对图案色彩的整体记忆，然后在标准暗室中进行3 min暗适应。最后在同一观察条件下，观察两个经色彩管理之后图案的色彩与记忆色彩的整体视觉感知一致性，对一致性做出判断，给出评分，其中评分规则为7个等级，对应0～6分，具体评分规则如表1所示。根据主观评分整体情况，取各实验对象的平均分。根据总体平均分对色彩管理效果进行最终比较和评价，总体平均分越高对应色彩管理效果越好。

表1 主观视觉评分等级及评分规则

2 结果与讨论

2．1 敦煌壁画色卡与标准色卡比较

研究首先对比自主研制敦煌壁画色卡与标准色卡ColorChecker的实际色彩管理效果。以图2a敦煌莫高窟390库藻井高保真复制作品为研究对象，利用佳能600D数码相机分别拍摄藻井图案在不同偏色设置条件下的图像，实验现场图和实验几何条件示意图分别如图3a和图3b所示。其中，数码相机设定为手动档、自动白平衡，固定相机光圈和快门分别为f/5.6和1/40 s，ISO设定值为1 600。

在上述实验条件下，分别设定数码相机偏色参数为A3G3、G3B3、B3M3、A3M3、A6G6、G6B6、B6M6、A6M6共8组偏色校正对比实验。在上述偏色设定参数中，A代表琥珀色，G代表绿色、B代表蓝色、M代表品红。如果将偏色参数设定为A3M3，则实际拍摄图片颜色略偏向A和M方向。若偏色参数设定为如图4a所示的A6M6，则拍摄图片更加偏向A和M方向。按照上述原理，在每组实验条件下，分别拍摄不包含色卡的壁画复制品图像、包含敦煌壁画色卡的壁画复制品图像和包含标准色卡ColorChecker的壁画复制品图像，以A6M6偏色设定条件为例，拍摄的色偏图像如图4b、图4c、图4d所示。

在完成自主研制敦煌壁画色卡及标准色卡色偏图像拍摄之后，研究首先对两种色卡在白平衡校正方面的效果进行了对比。利用Adobe Photoshop CS5图像处理软件分别打开包含两种色卡的RAW格式的偏色图片，如图5a和图5b所示。然后在白平衡选择框中选择自定义白平衡选项，选中自定义白平衡吸管工具，利用吸管工具分别提取ColorChecker标准色卡和自主研制敦煌壁画色卡灰梯尺的第二个色块响应值，完成自定义白平衡校正。白平衡校正效果如图5c和图5d所示。由图5显示的结果可知，自主研制的敦煌壁画色卡和标准色卡ColorChecker均能较好地对偏色图像进行白平衡校正。从主观视觉评价角度均难以区分两种色卡白平衡效果的差异。由此可知，自主研制的敦煌壁画色卡灰梯尺的准确性已达到标准色卡灰梯尺应用水平。

在完成白平衡校正对比之后，按照上述特性文件制作方法，在每种偏色设定条件下，利用Profile Maker 5.0 Application分别制作两个色卡的相应数码相机色彩管理特性文件。将特性文件保存至Adobe Photoshop CS5可以调用的目录文件夹中。在特性文件生成过程中，依据自动检测的博物馆光源照明色温，选择D50标准光源作为计算光源，使用自然白平衡条件进行计算。

完成特性文件制作之后，利用Adobe Photoshop CS5打开偏色图像，在“编辑”工具中选择“制定配置文件”选项，选择上述计算得到的色彩管理ICC特性文件，为偏色图像配置相应偏色设定条件下的色彩校正文件，进行偏色图像的整体色彩校正。将经过特性文件校正的偏色图像进行保存，在校正过的艺卓专业显示器屏幕上等尺寸显示校正后的图像与参考图像。按照上述主观评价方法，对两种色卡的色彩管理结果进行主观颜色视觉感知一致性评价对比。以A6M6的偏色图像的色彩管理为例，两种色卡校正效果图像以及主观评价实验场景如图6所示。

针对图6中偏色图像的色彩管理效果，从主观视觉颜色感知方面而言，采用ColorChecker色卡的校正图像整体仍略偏品红色。采用敦煌壁画色卡的校正图像中的颜色较为正常，且图像中蓝色和绿色颜色的校正效果整体优于ColorChecker的校正效果。采用ColorChecker与敦煌壁画色卡校正后的图像亮度上存在明显差异，敦煌壁画色卡校正后的图像亮度略高于ColorChecker色卡校正后的图像，由上述分析知，两种色卡对于敦煌壁画图像的色彩管理效果存在一定程度的差异。为量化对比表达两种色卡的色彩管理效果与原作颜色视觉感知的一致性，表2给出了8组偏色图像色彩管理效果主观评分的统计结果。

由表2中的结果可知，针对8组偏色图像色彩管理效果而言，采用敦煌壁画色卡色彩管理效果主观评价的平均值均高于ColorChecker色卡，且敦煌壁画色卡主观评分中有5组最大评分都达到了6分。由此可知，采用敦煌壁画色卡进行色彩管理的整体效果优于ColorChecker标准色卡。

表2 偏色图像色彩管理效果主观评分的统计

2．2 敦煌壁画色卡用于329窟壁画图案色彩管理

采用佳能600D数码相机分别拍摄包含敦煌壁画色卡和不包含敦煌壁画色卡的偏色图像。按照上述研究方法，对329窟西披壁画高保真复制品进行色彩管理研究，拍摄的色偏图像分为A6G6、G6B6、B6M6和A6M6共四组。图7给出了A6M6偏色图像的白平衡校正和颜色校正对比结果。

由图7中白平衡和颜色校正结果可知，敦煌壁画色卡能够较好地对329窟西披的“夜半逾城”和“乘象入胎”图案颜色进行校正。四组偏色图像颜色校正主观评价的平均分分别达到4.61(A6G6)、4.63(G6B6)、4.69(B6M6)和4.66(A6M6)。

2．3 敦煌壁画色卡用于LED照明色彩管理

此外，为研究自主研制敦煌壁画色卡对多种照明光源的色彩管理适用性，本部分将自主研制的敦煌壁画色卡用于可控智能LED照明色彩管理。对不同LED照明色温条件下拍摄的图像进行颜色校正处理，并对特定色温条件下的偏色图像进行了色彩管理研究，研究对象为图1c所示敦煌莫高窟第3窟北壁千手千眼观音图案。按照内容1．2中所述的LED光源照明和拍摄条件，首先利用佳能600D数码相机自动档拍摄了2 500 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K和6 500 K九组不同色温条件下的千手千眼观音图像。图8为LED光源色温在2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K下的图像及白平衡校正图像。

由图8中的不同照明色温条件下，千手千眼观音图像及对应白平衡校正效果可知，对于任意色温条件下拍摄的图像，使用自主研制的敦煌壁画色卡均能很好完成白平衡校正。仔细对比在五种色温条件下的白平衡校正图像可知，采用敦煌壁画色卡进行白平衡处理的图像之间看不出任何颜色方面的差异。由此可以证明敦煌壁画色卡在敦煌壁画色彩管理应用具有较好的稳定性。除此之外，研究对LED光源色温为5 000 K条件下的偏色图像色彩管理效果进行了测试，5 000 K色温条件下拍摄的A6G6、G6B6、B6M6、A6M6如图9a、9b、9c、9d所示，对应色彩管理图像图9e、9f、9g、9h所示。

由图9所示4种不同色偏图像的色彩管理实际效果可知，无论拍摄的敦煌壁画颜色偏向颜色空间的任何方向，都能通过敦煌壁画色卡对其颜色进行准确校正，获得其真实正确的色彩。证明敦煌壁画色卡可对于任意的色偏条件下的敦煌壁画偏色图像进行准确校正。

3 结 论

本研究以高保真敦煌壁画文物艺术复制品为对象，利用数码相机和专业色彩管理设备，对自主研制的敦煌壁画色卡的适用性进行了相关研究。研究结果表明，自主研制的敦煌壁画色卡对敦煌壁画数字成像色彩管理的效果优于标准色卡Macbeth Color Checker， 可对于任意偏色及任意照明色温条件下的偏色图像进行准确校正。上述研究结果表明，自主研制的敦煌壁画色卡在敦煌壁画数字化保护图像高保真采集工作中具有较好的应用前景，可为敦煌壁画的艺术品的色彩高保真采集、复制以及数字化传播提供有力的技术支持。