敦煌壁画颜料颜色数据库构建方法

梁金星　万晓霞　孙志军　李婵　李俊锋

内容摘要：提出了一种敦煌壁画颜料颜色数据库的构建方法：首先建立一套敦煌壁画的基础色标体系，对色标体系中每一个颜料色样的光谱、颜色、颗粒、物质属性进行量化标定，建立敦煌壁画色标体系基础数据库；然后结合“数字敦煌”项目的研究成果，针对已经数字化洞窟的影像数据进行精细分区编目，针对每个精细分区进行非接触式无损测量标定，获得每个精细分区的颜色、物理、化学属性等数据；最后建立每个精细分区和敦煌壁画色标体系基础数据库色样的映射关系，完成敦煌壁画颜料颜色数据的构建。

关键词：敦煌壁画；基础色标体系；颜料颜色数据库

中图分类号：K870.6；K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2017）01-0132-09

引 言

文化遗产是人类历史文明的载体，“文物不可再生，也不能永生”[1]，历史文化遗产的保护是一项永不落幕的大工程。在当今数字化时代背景下，中国历史文化遗产保护也将不可避免地走进数字化时代，构建完善的历史文化遗产大型多维数字化数据库档案并进行永久保存和利用，是当前历史文化遗产数字化保护理论和方法的根本目的。敦煌莫高窟是一座珍贵的艺术宝库，窟内的壁画蕴含着深厚的历史文化底蕴及研究价值。然而，这些承载着珍贵历史文明的宝贵载体却无时无刻不在遭受着自然和人为因素的损害，出现各种各样的病害，其原有的艺术风格和表现内容遭到破坏，可以显现的艺术和历史价值正不断地消减[2-4]。

文物专家奋力投身于敦煌壁画的保护工作中，采取多种多样物理形式保护方法[5-6]，以期挽留这些富丽堂皇的珍贵历史文物。事实证明，虽然这些方法在壁画病害治理方面发挥了积极作用，但只能减缓壁画病害损耗的进程，不可能阻止这些艺术宝藏逐渐消亡的脚步。随着科学技术的不断进步，文物保护专家逐渐意识到采用科学的数字化保护方法可以有效克服物理保护方法的不足[7-11]，通过多种多样的参数、数据以及高保真数字影像将当前的壁画永远定格在数字之中。历史文化遗产的数字化保护方法也已逐漸成为全世界各个国家进行历史文物保护的研究热潮，就敦煌莫高窟保护而言，国际敦煌项目（IDP）是一个非常成功的案例[12-13]，其构建了一个开创性的古文献保护、研究与数字化的国际合作平台。此外，于20世纪初开展的“数字敦煌项目”也取得了可观的成绩[14-17]。该项目抢救性地完成了莫高窟A类重点洞窟的数字化采集，使之得以永久真实地保存，通过建立虚拟现实三维沉浸式敦煌石窟数字化展览馆，缓解了石窟开放的压力，为保护壁画提供了技术保障，得到了国家及国内外多个基金会和机构的资助。

尽管敦煌数字化项目当前已经取得了令人赞叹的成就，但对于敦煌壁画的数字化保护工作仍有很长的路要走，不断地从不同的角度去挖掘敦煌莫高窟里的有用信息并推送出去，才会产生更大的影响。目前的敦煌壁画数字化工作已经从宏观保护上取得成功[18]，但对于壁画自身微观属性的研究尚存不足，缺少一个客观科学的敦煌壁画颜料颜色数据库来对壁画每一处的颜色、物理、化学等属性进行条理系统的记录和保存。在当前高精度文物摄影技术以及非接触式无损文物准确测量标定等方法的支撑下，建立这样的一个数据库是必要且可行的，其不仅可以保存壁画的各种属性数据，而且为未来壁画的信息挖掘、虚拟现实、临摹和虚拟修复等工作提供科学的指导，也是探究敦煌壁画艺术创作和研究敦煌壁画颜料使用的一个重要依据。

1 构建敦煌壁画颜料颜色数据库的

必要性

颜料是壁画制作最重要的材料，敦煌壁画几乎全部使用矿物颜料制作，极少部分为植物颜料[19-20]，各种颜料类别、配比和技法的组合衍生了精美的敦煌壁画。但是由于自然因素和人为因素的影响，壁画产生了一系列起甲、酥碱、褪色、变色、脱落等病害，渐渐失去了创作之初的色貌。数字化技术为壁画保护与修复提供了良好的手段和可能，当前壁画的数字化保护主要采用记录洞窟的几何特征信息和壁画色彩信息的方法，已基本满足壁画信息数字传播的需求，但其仍有不足。一方面，创作壁画的颜料本身具有化学组成、微观结构以及光谱和颜色等多方面的综合属性，当前的壁画数字化保护方法仅仅记录了壁画的颜色属性，壁画信息的记录不够全面。另一方面，当前数字化的方法对壁画保护还存在以下两方面问题：

（1）采用近景摄影数字化保护技术得到的壁画相关信息与设备相关，无法获得壁画最真实的颜色信息。近景摄影技术是采用高分辨率CCD成像系统以RGB信息表征方式对壁画进行数字化获取，得到壁画表面的几何信息和颜色信息。但由于该记录方式以色度学三原色颜色科学理论为基础，它只能表征物质表面在特定环境与特定设备条件下的颜色信息。当两者发生改变时，会导致颜色信息无法预测。因此现今数字化的壁画信息适用范围有限，无法准确指导修复褪色壁画时的颜料种类鉴别工作，目前该工作依旧需要依赖文保工作者的经验。

（2）矿物质颜料种类具有多样性，结构具有随机性，粒径分布具有多尺度性。研究发现敦煌壁画使用的颜料大多是由天然矿石加工而成的矿石颜料，极少部分为植物颜料和人工合成颜料，经由不同的原石及研磨工艺加工得到的矿物颜料具有颗粒大小不同、粗细不等等特征，呈现出不同的色相、光泽、粗糙度和纹理感，决定了矿物质颜料种类具有多样性和复杂性特点，这些特点导致壁画表面在不同方向上会表现出不同的光学特性，因此仅凭借二维的摄影技术无法采集场景内壁画颜料颜色的多维度属性信息。

综上而言，目前已获取的壁画数字影像不能为壁画保护修复创作提供全面且准确的参考信息，导致壁画在修复、再现和传播时会产生颜色和信息失真现象。为解决上述问题，就必须增加颜料表征参量，以获得全面的颜料信息，同时将信息用数字化的形式进行表征和保存，在前期建立的壁画以及颜料信息档案中，增加颜料的光谱值、色度值、物质谱以及颗粒度等综合属性，最终构建敦煌壁画颜料颜色数据库，建立完善的石窟壁画保护档案，真实地记录壁画的物质基础信息和颜色信息，为下一步修复和再现文物原貌提供最科学、完整、客观的依据。

2 构建敦煌壁画颜料颜色数据库的

紧迫性

敦煌莫高窟作为我国三大石窟艺术宝库之最，1987年被联合国教科文组织列为世界文化遗产，敦煌莫高窟内的壁画出现的各种各样受损问题仍在延续，而这些破坏不可逆转，因此构建敦煌壁画颜料颜色数据库已经刻不容缓。从环境影响角度分析而言，敦煌莫高窟岩体胶结性差，且窟区偶有突发性暴雨，崖体遇水易崩解，易出现风化剥落问题；甘肃敦煌地区有地震活动，容易造成洞窟卸荷裂隙和坍塌；窟区沙尘较多，易卷起风沙，危害石窟壁画；敦煌石窟大气温湿度和昼夜间温湿度的差值较大，导致窟内空气温湿度的变化受影响较大，再加上游客对窟内大气温湿度和二氧化碳含量带来的影响，造成的石窟壁画损坏往往是无可挽救的。由此可见，构建敦煌壁画颜料颜色数据库工作显得尤为重要且迫切，如文物工作者所言“与时间赛跑”，要在壁画损坏劣化前，抢先将壁画数字化保存。

从本体保存状况要求角度分析，敦煌莫高窟是我国早期石窟壁画的重要代表，它的建筑形式和建造工艺及使用材料不仅是研究中国早期壁画制作技术和中国科技史的良好素材，而且对我国丝绸之路上石窟壁画的建造有重要影响。经过许多世纪的风化侵蚀和人为破坏，产生了各种各样病害，不少壁画脱落变色褪色严重，鲜艳的色彩变得晦暗模糊。例如，红色颜料中铅丹在敦煌壁画中使用广泛，但目前几乎已经找不到保存完好的橘红色铅丹颜料，取而代之的是变色后的黑色二氧化铅，洞窟中的许多蓝色颜料层中含有大量的白色晶体颗粒，多为石膏和盐分的结晶体，这些结晶颗粒会造成颜料粒子的脱落。颜料病害极大地威胁着壁画的保存状况，如不及时采取科学合理的保护修复措施，也将给国家和民族造成不可挽回的损失，因此建立完善的壁画颜料数据库是行之有效的抢救性保护手段。

从管理使用要求角度分析，壁画属于文化遗产，不可再生，极其珍贵，壁画保护和游客量增加之间的矛盾日益突出。为解决上述矛盾，贯彻执行“保护为主，抢救第一；合理利用，加强管理”的文物保护方针，落实文物保护科学发展观，敦煌石窟壁画颜料颜色数据库构建项目的开展亦显得迫切。构建的数据库将记录颜料最客观真实的信息，可为文物工作者修复创作提供科学准确的用色参考，减少工作人员对经验的依赖，防止破坏性保护的出现。

此外，由于壁画颜料使用及绘画技法均具有鲜明的时代特征，壁画颜料信息的数据化也可为石窟考古研究提供科学依据。数据化的壁画颜料信息还可以用于指导各种可视化移动终端真实再现壁画色彩，在满足人们精神文明追求的前提下，有效减缓壁画病害的发展，为石窟保护工作赢得更多时间。

3 敦煌壁画颜料颜色数据库的

构建方法

针对自然灾害、环境变化、人类活动以及当前保护技术水平限制等因素给敦煌壁画带来的不可逆损毁或消亡问题，当前敦煌数字化项目保护方法获取壁画信息不全面问题，本文基于对敦煌壁画颜料分析、美术创作学习、史料挖掘、色彩科学领域色彩感知研究以及文化遗产的数字化保护理论与方法实践等多个方面经验的综合积累，提出了一套较为科学的敦煌壁画颜料颜色数据库构建方法，整体的构建方法如图1所示。

首先建立一套敦煌壁画颜料颜色的色标体系，对色标体系中每一个色样的颜色、物理、化学、视觉感知属性进行量化标定，建立敦煌壁画色标体系基础数据库；然后结合“数字敦煌”项目的研究成果，针对已经数字化洞窟的影像数据进行精细分区编目，针对每个精细分区进行实际无损非接触式测量标定，获得每个精细分区的颜色、物理、化学、视觉感知属性数据；最后建立每个精细分区和敦煌壁画色标体系基础数据库色样的映射关系，完成敦煌壁画颜料颜色数据构建，并通过实际应用指导测验对建立的敦煌壁画颜料颜色数据库进行最终完善。

3.1 敦煌壁画颜料颜色色标数据库的构建

如图2所示，建立敦煌壁畫颜料颜色色标基础数据库，首先要对敦煌壁画进行实地调研、专家咨询以及文献查阅等工作，全面掌握敦煌壁画创作的原材料、制作工艺和创作技法，配置好全部种类颜料及色标制作配套工具；然后依据色标的具体应用情景及功用设计敦煌壁画色标实体样式，并根据实际掌握的洞窟壁画的制作工艺和技法进行敦煌壁画色标实体制作和编排；最后针对制作和编排的敦煌壁画颜料颜色色标实体，进行多个维度属性的标定，具体包括色标的色度属性、光谱属性、物质成分属性及决定表面形貌属性颜料颗粒度等各项指标，最终归档存储形成敦煌壁画颜料颜色色标数据库。

3.1.1 敦煌壁画颜料颜色色标数据库构建的客观基础

敦煌壁画颜料颜色色标数据库的构建是完成敦煌壁画颜料颜色数据库构建的基础。一套基础敦煌壁画颜料颜色数据库应该包括敦煌壁画所使用的所有颜料的种类。颜料种类的确定需进行大量的文献和实地调查来确定。关于敦煌壁画所使用的颜料的种类的分析，敦煌学研究专家已经对敦煌壁画进行过大量的实地调研与取样分析。敦煌壁画所使用的颜料的类别和种类目前已经明晰[19-20]。此外，敦煌壁画创作所使用的连接胶料是完成壁画创造的一种重要材料，对于敦煌壁画创作所使用的胶料鉴定分析也取得了卓越的成果。专家通过化学分析确定敦煌壁画中主要使用的胶料为牛皮胶 [21]。敦煌壁画的制作工艺和创作技法是完成敦煌壁画颜料颜色色标数据库构建的另外一个重要的决定因素，基础色标数据库的建立需有大量敦煌壁画颜料模拟色样的支撑，而借助敦煌研究院美术所专家的多年创作临摹积累的经验，完成敦煌壁画模拟颜料色样的制作已不再是难题。

3.1.2 敦煌壁画颜料颜色色标的设计制作

敦煌壁画所使用颜料的色系主要分为红、橙、黄、绿、蓝和包括白和黑的中性色等多个色系，每种色系颜料又包括不同种类和数量的矿物颜料，且按照传统矿物颜料的研磨制作工艺，不同种类的矿物颜料根据其研磨程度不同又分为多个颗粒等级，如石绿颜料在古代就有头绿、贰绿、叁绿、肆绿、伍绿之分，不同粒径的同种矿物质颜料所表现出来的颜色色相、明度及饱和度各有不同，其颜色色样给人的视觉感受也各不相同，图3为天然辰砂在不同粒径下的颜料色样，从左至右粒径逐渐减小，色样明度越来越暗，饱和度越来越高，色样表面的粗糙感和纹理感越来越弱。

因此应充分考虑敦煌壁画矿物颜料的上述特性，在建立敦煌壁画颜料颜色色标数据库时合理地安排颜料的色系排列，有规律地将颜料按照颗粒度大小进行放置，以便于更加有效地命名以及对敦煌壁画颜料颜色色标数据库进行数据存储和管理。此外，为便于数据库的实际应用，实体的敦煌壁画颜料颜色色标数据库样册可按图4设计，其中颜料色样为单页分布设计，实体数据库样册采用活页装订形式装订成册，以便随时取下其中单页使用。单页中的每个颜料色样固定在定制的纸质卡槽之内，纸质卡槽以嵌入的方式规则地固定在每一页纸基之上，可方便随时取下单个颜料色样测量和使用。

为便于数字化数据的存储管理，敦煌壁画颜料颜色色标数据库实体样册的中的每一个颜料色样可按照表1所示方法进行命名存储。其中第一行为色块位置中文描述，如“敦煌壁画颜料颜色色标第1页第1行第5列”；第二行对应色块的英文编目“DHMPCP-P1-R1-L5”，其中DHMPCP表示敦煌壁画颜料色标（Dunhuang Murals Pigment Color

Patches），P代表色块所在页码（Page），R和C代

表色块所在对应页码下的行数（Row）和列数（Column）；第三行对应颜料的中英文名称；第四行为色块在色标数据库中总的色序，其中总的色序从第一页第一个色块开始命名为CP-1，逐行色块编序，直至最后一页的最后一个色块。在数字化数据存储中，每一個色样都对应有其属性测量数据的存储空间。

3.1.3 敦煌壁画颜料颜色色标的测量标定

随着科学技术的发展，原位无损测量标定分析技术发展日趋成熟，非接触式原位无损测量标定的方法在历史文化遗产的调查保护工作中展现着突出的优势，近年来大量的非接触式原位无损测量标定技术越来越广泛地被应用到石窟寺壁画及出土墓葬葬品的标定之中。准确全面地记录敦煌壁画的数字信息，除已有的伪彩色壁画数字影像外，还需标定记录其真实色度属性、光谱属性、物质属性以及表观属性。相应地，也需对敦煌壁画颜料颜色色标的上述相应属性进行测量标定，以获得信息全面的敦煌壁画颜料颜色色变基础数据库。其中色度及光谱属性可采用非接触式光导分光光度计或光谱辐射度计进行测量标定，物质属性可采用非接触手持拉曼光谱仪、手持式荧光光谱仪和便携式手持矿物光谱仪等进行测量标定，方便快捷。壁画的表观属性主要由颜料粒径所决定。颜料色样可由粒径已知的颜料涂制，并可建立同种颜料粒径与对应光谱和色度属性的对应关系。基于上述设备和方法即可准确地表征敦煌壁画颜料颜色色标基础数据库中每个色块的综合属性。

3.2 敦煌壁画数字影像精细分区编目及多维度属性标定

针对前期数字化敦煌项目中采集获得的洞窟资料和壁画数字影像稿，通过计算机数字图像处理相关技术以及人工辅助操作等，对敦煌壁画的数字影像资料进行精细分区，获得敦煌壁画颜料颜色分布信息的位置数据，并按照一定规则对每一个精细分区进行编目编号，编目信息包括分区所属洞窟、在洞窟中的具体位置、壁画内容等，编号信息为每个洞窟壁画中每个最小分区自身独属的身份标识代码，其功能等同于色标书中每个色块自身独属的代码功能，以便于庞大数据量的管理，具体实施流程如图5所示。

随着计算机图像处理技术的发展，图像分割算法和技术的发展日臻成熟，借助图像分割技术，可以将现有的敦煌壁画数字影像稿按照需求分成若干个特定的、具有独特性质的区域，然后对各个区域进行编号。其中，壁画数字影像几何分区信息的编目可以按照“敦煌石窟—洞窟编号—洞窟壁画数字影像编号—对应编号壁画影像下分区数目—对应编号壁画影像下子分区编号”编排，如“敦煌石窟—249窟—1号壁画数字影像—1号壁画20个分区—1号壁画1/20号子分区”指代敦煌石窟第249窟1号数字影像稿20个分区中第1号子分区，此子分区的独属性编号就定为“DHG-

GN249-DI1-PN20-SPN1/20”，其中字母DHG、GN、DI、

PN和SPN的含义分别为敦煌石窟（Dunhuang Grottoes，DHG）、石窟编号（Grotto Number，GN）、数字影像（Digital Image，DI）、分区编号（Partition Number，PN）、子分区编号（Sub-Partition

Number，SPN），第249窟1号数字影像稿其他分子区的编号按顺序进行编排，如DHG-GN249-DI1-

PN20-SPN2/20、DHG-GN249-DI1-PN20-SPN3/20等，本洞窟内其他壁画影像的分区编目方式按照上述编目方式进行，详细编号规则如流程图6所示，同时为每一个最小分区元素分配待测量属性数据的存放单元地址，便于数据录入与存储管理。

完成敦煌壁画分区编目工作后，针对每一个壁画的精细分区进行洞窟内实地测量工作，获得每个最小分区元素的色度信息、光谱信息、物质成分信息以及壁画的表观信息等综合属性数据，并按照所制定的各分区编号规则，将对应的测量数据对号存储，为下一工作内容各分区与敦煌壁画颜料颜色色标之间索引关系的建立提供便利。

3.3 敦煌壁画颜料颜色数据库的构建

完成上述所有工作之后，对敦煌壁画各分区与敦煌壁画颜料颜色色标之间测量数据进行对应的匹配，建立壁画分区数据信息到敦煌窟壁画颜料颜色色标数据库的索引表，以前期数字化保护工作采集的全部壁画数字影像稿为载体，综合壁画数字影像稿的分区信息，最终完成敦煌壁画颜料颜色数据库的构建，并借助计算机工程技术搭建敦煌壁画颜料颜色数据库平台，实施方案如图7所示。

其中，从壁画分区数据信息到敦煌石窟壁画颜料颜色色标索引的建立，应综合获得色度属性数据、光谱属性数据、物质属性数据以及决定壁画表观属性的颜料粒径数据，提取几种属性的综合特征，利用当前较为成熟的特征空间构建方法，构建适用于色标数据库和壁画的有效多维度特征匹配空间，并对色标及壁画分区内容的多维度特征进行提取；同时构建客观有效的特征匹配度评价指标，评价指导壁画分区多维度特征到色标数据库多维度特征的准确映射，完成索引关系的建立，从而完成敦煌壁画颜料颜色数据库的构建。

最后，对构建的敦煌壁画颜料颜色数据库进行实际的测试检验，具体为利用构建的敦煌壁画颜料颜色数据库指导敦煌壁画的临摹性修复、实体（本体）修复以及壁画数字影像稿的虚拟修复，比如利用残损壁画周围已知颜料信息，推算出残损壁画处可能的颜料种类及颜料粒度，利用推算出的颜料进行临摹性或计算机虚拟修复，查验实际的修复效果，对构建的数据库进行测验评估，针对不足之处进一步完善，确定最终的敦煌壁画颜料颜色数据库。

4 结 语

历史文化遗产的保护是一项永不落幕的工程，敦煌莫高窟作为世界历史文化遗产之一，其所承载的历史信息和研究价值不可估量，随着大数据技术的不断发展，通过数字化保护方式使得敦煌莫高窟壁画得以永久地保存和传播已成为现实。本文提出的敦煌壁画颜料颜色数据库构建方法将为敦煌壁画的数字化保护工程提供助力，应用科学的方法获取敦煌壁画更多有价值的信息，并用数据科学技术进行有效的存储和管理，不仅能为将来敦煌壁画的各种类型的修复提供基础可靠的参考依据，同时也将为更加深入地进行敦煌石窟研究提供宝贵的资料。

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