“數(shù)字拓片”構(gòu)想及實驗研究

J323：A1009-3060(2011)03-0082-07目前，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域正成為國家文物保護工作的重要策略[1]。隨著計算機技術(shù)的普及與廣泛應(yīng)用，它在文物保護工作中也發(fā)揮著越來越重要的作用，其利用途徑及方式也豐富多樣?！皵?shù)字拓片”的構(gòu)想與實驗研究正是在這樣的時代背景下產(chǎn)生的。本文將主要圍繞石刻拓片的相關(guān)問題展開討論。一、“數(shù)字拓片”的概念數(shù)字拓片是指利用計算機圖像處理技術(shù)，對浮雕物(如石刻)本體的數(shù)字照片進行圖像處理而獲得具有傳統(tǒng)拓片視覺特征的數(shù)字圖像。“數(shù)字拓片”不同于“拓片數(shù)字化”。拓片數(shù)字化是運用計算機技術(shù)，將傳統(tǒng)拓片的影像數(shù)據(jù)以數(shù)字信息方式存儲，從而使傳統(tǒng)拓片實現(xiàn)形式上的另一種轉(zhuǎn)換。兩者雖然均屬于拓片范疇，且都涉及到運用計算機技術(shù)，然而它們卻有著完全不同的涵義。拓片數(shù)字化是基于原始拓片本身，而數(shù)字拓片則是基于浮雕物(如石刻)本體的數(shù)字照片。二、研究“數(shù)字拓片”的目的及意義拓片作為我國特有的傳統(tǒng)藝術(shù)形式，是中華文化的藝術(shù)瑰寶，具有很高的審美價值和歷史文化價值，然而拓片也面臨著一些尷尬問題：第一，傳統(tǒng)手工方式拓制拓片與石刻文物保護之間存在矛盾。拓片的制作需要用蘸有墨汁的拓包在僅隔著一層薄薄宣紙的刻有文物的原石或器物上進行捶打，這必然會對拓制對象造成一定的損害，特別是對于那些年代久遠、已經(jīng)成為珍貴文物的石刻，由于其自身非常脆弱，以傳統(tǒng)的拓制方法來制作拓片，有可能會對它們造成毀滅性的損害。因此，出于對文物保護的目的，有必要限制在文物上進行拓制的行為，國家和相關(guān)部門已用法規(guī)的形式對此類行為明文禁止。然而這在一定程度上又限制了某些依賴于拓片進行專門研究工作的開展。比如拓片圖像所呈現(xiàn)出的獨特鮮明的黑白形式、圖底關(guān)系、形狀輪廓等視覺信息對藝術(shù)領(lǐng)域的造型、構(gòu)圖等研究有著特殊的價值和意義，而這些特征是普通照片所不具備與無法替代的。第二，傳統(tǒng)拓片的制作過程對環(huán)境有較高的要求，容易受到天氣條件、地理環(huán)境等客觀因素的制約，拓制對象的大小與類型也會對拓片制作工作造成影響。尤其對一些處在復(fù)雜環(huán)境中且體型巨大的高浮雕作品來講，要想成功地制作它們的拓片，的確是一件相當困難的事情。如果遇到大風(fēng)、大雨等惡劣天氣情況，拓制工作更是無法開展。這種“看天吃飯”的模式，勢必給拓制工作的正常進行帶來諸多麻煩。第三，要想采用傳統(tǒng)拓片制作工藝拓制出高質(zhì)量的拓片，不僅需要耗費專門的人力和物力，而且也對若干技術(shù)環(huán)節(jié)提出了相當高的要求，比如紙張的厚度、拓制時紙張的濕潤程度、拓制力度的大小、拓制的方式和手法等。所有這些環(huán)節(jié)都要求拓制人員對之有充分的考慮和控制，唯有如此才可能確保制作的拓片能如實體現(xiàn)原物表面的細微變化，獲得理想效果。這項工作是一個既細致又耐心的過程，只有“慢功”才能出“細活”。在當前文博單位人力、財力都相對緊張的情況下，這無疑增添了很大的工作量。第四，采用傳統(tǒng)拓片制作工藝拓制某些造型奇特的原始文物時，實物本體不規(guī)則的形態(tài)外貌不僅會給拓制工作帶來困難，而且會使制作出來的拓片圖像產(chǎn)生比較明顯的變形，從而影響拓片對原石器文物造型的準確反映。同時，許多文字拓片為了避免字口變粗，字形變得松散，都盡量保持拓片原始凹凸起伏的變化，不主張對其進行托裱。這種保存方式對環(huán)境的要求極為苛刻，一方面單薄的拓片用紙在歷經(jīng)較長時間的存放后，紙張纖維會出現(xiàn)老化現(xiàn)象而變得異常脆弱；另一方面，要保持好拓片的原始凹凸感是不容易做到的，任何一次擠壓和搬動，都不可避免地會造成拓片現(xiàn)有狀態(tài)的改變。因此，尋找一種相對穩(wěn)定、不易變形的拓片形式也是十分必要和迫切的。第五，在新的時代環(huán)境下，作為我國寶貴文化遺產(chǎn)的傳統(tǒng)拓片制作工藝，應(yīng)該受到充分的重視并加以有效的保護。數(shù)字拓片的研究將致力于利用現(xiàn)代計算機技術(shù)來建立一個規(guī)范的、可以量化的拓片制作標準，使原本較為復(fù)雜、繁瑣、耗時費力的傳統(tǒng)拓片制作工藝程式化、科學(xué)化，使拓片的制作變得更為簡單、快捷且易操作。數(shù)字拓片的研究立足于以一種新的思想與觀念去探索拓片藝術(shù)的弘揚、發(fā)展及利用。當代的計算機技術(shù)，在諸如水粉水彩畫仿真、油畫仿真、三維場境模擬等方面已經(jīng)取得了卓有成效的研究成果。近年來，陸續(xù)有研究者開始嘗試將計算機技術(shù)運用到中國傳統(tǒng)文化藝術(shù)領(lǐng)域中，試圖尋找一種能更加有效地服務(wù)于我國文化遺產(chǎn)研究需求的方式與途徑，于是出現(xiàn)了水墨畫的仿真、書法的仿真、剪紙效果的仿真研究等等。除此之外，以“敦煌壁畫和石窟藝術(shù)”為中心而展開的一系列研究(如敦煌壁畫數(shù)字化修復(fù)和保護、敦煌壁畫虛擬展示、敦煌石窟漫游、敦煌壁畫檢索等)也充分體現(xiàn)了計算機技術(shù)在中國傳統(tǒng)藝術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的深化，為我國的文化遺產(chǎn)保護作出了積極有益而又意義深遠的探索[2]。目前在全國范圍內(nèi)利用計算機技術(shù)，將“拓片”作為中心對象開展的研究工作還非常稀少，可查證且具有一定代表性和影響力的研究僅有中國國家圖書館牽頭組織的“中文拓片資源庫”建設(shè)工程[3][4]。該工程主要致力于拓片的數(shù)字化，即對館藏原拓和拓片出版物進行影像捕捉，并用計算機技術(shù)建構(gòu)拓片資源數(shù)據(jù)庫，以此為國內(nèi)外讀者和研究機構(gòu)提供拓片的檢索查詢和瀏覽服務(wù)。該課題對現(xiàn)有拓片資源的有效管理、廣泛傳播、合理應(yīng)用及永久性保存等有著重要意義[5]。然而就如何利用計算機技術(shù)制作數(shù)字拓片，以解決傳統(tǒng)拓片制作方法帶來的諸多問題方面，目前還沒有任何機構(gòu)與個人涉及到這一領(lǐng)域。本文所進行的數(shù)字拓片研究，就是試圖找尋一條解決這一問題的思路和方法，通過將計算機技術(shù)引入到中國傳統(tǒng)拓片制作領(lǐng)域，推動拓片藝術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，使數(shù)字拓片成為傳統(tǒng)拓片藝術(shù)形式的一種有益和必要的補充。三、“數(shù)字拓片”研究的總體思路數(shù)字拓片是傳統(tǒng)拓片的延續(xù)、發(fā)展及補充，是計算機技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)視覺藝術(shù)領(lǐng)域的一次新的嘗試?！皵?shù)字拓片”研究的總體思路主要包括：1.兩個主要任務(wù)第一步的任務(wù)如圖1所示，是尋找實現(xiàn)數(shù)字拓片的關(guān)鍵技術(shù)；第二步的任務(wù)是實現(xiàn)數(shù)字拓片方法的自動化。任務(wù)一需要選擇現(xiàn)有多種圖像處理軟件，并通過反復(fù)比對修改補充實驗來選擇制作數(shù)字拓片的關(guān)鍵技術(shù)。任務(wù)二需要在分析選定的數(shù)字拓片技術(shù)原理的基礎(chǔ)上進行相關(guān)算法設(shè)計，并通過編程工具實現(xiàn)算法；除此之外，還需要設(shè)計一個可供用戶方便使用的交互式操作界面，通過它可以使數(shù)字拓片的制作變得更為簡單、便捷。2.一個重要問題——數(shù)字拓片的可信度在本論文中，所謂可信度就是指數(shù)字拓片與手工拓片的相似程度，它是評判數(shù)字拓片研究是否具有價值和意義的基本前提。因此，設(shè)法確保數(shù)字拓片具有較高的可信度是本研究必須解決的一個重要前提。圖1“數(shù)字拓片”研究的總體思路四、“數(shù)字拓片”研究的主要方法及實驗結(jié)果尋找實現(xiàn)數(shù)字拓片生成方法的實驗工作量是非常巨大的，在整個實驗過程中，我們依照先易后難、先粗后精的原則，以尋找實現(xiàn)數(shù)字拓片的思路和方法為線索，先通過與傳統(tǒng)手工拓片樣本進行感性比對，建立一個粗略的數(shù)字拓片大樣，然后再用理性分析的方法，對實現(xiàn)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行改進，對流程和算法深入修改補充，逐步提高生成數(shù)字拓片的精度。就計算機制作工具而言，在尋找制作“數(shù)字拓片”關(guān)鍵技術(shù)的過程中，我們主要借助目前使用最廣泛、也最普及的數(shù)字圖像處理軟件photoshop來輔助完成，而在實現(xiàn)“數(shù)字拓片”方法自動化的任務(wù)中，則主要利用了MATLAB軟件來實現(xiàn)。1.利用Photoshop數(shù)字圖像處理軟件作為制作工具進行若干比對實驗，幫助尋找制作“數(shù)字拓片”的關(guān)鍵技術(shù)[6]為了確保數(shù)字拓片的可信度，使其盡可能達到拓片獨特的視覺特征，我們采用了以下方法：(1)提取拓片圖像基本特征，并始終以它作為制作數(shù)字拓片的基本依據(jù)。通過對傳統(tǒng)手工拓片圖像(如圖2)及拓片制作工藝進行研究，我們總結(jié)出“數(shù)字拓片”應(yīng)該滿足的基本圖像特征為：①具有強烈反差的黑白圖像；②拓片圖像黑色區(qū)域內(nèi)部呈現(xiàn)豐富的、大小不等的顆粒變化(肌理美)；③黑、白兩種顏色的分布規(guī)律總是遵循：拓片圖像中的黑色通常為浮雕物(石刻)的凸起部位；白色則通常為浮雕物(石刻)的凹陷部位；④平面性、均勻性(與光照條件無關(guān)，因而也沒有光照不均導(dǎo)致的明暗差異、無陰影)。圖2瀘縣宋墓石刻手工拓片及局部肌理(2)“樣本比對”法“樣本比對”法要求在進行“數(shù)字拓片”的多次生成實驗時，必須嚴格參照與之相對應(yīng)同一實物的“手工拓片”，如圖3所示。就樣本采集而言，為了滿足實驗的需要，又不至于對珍貴的文物造成損壞，我們充分發(fā)揮藝術(shù)專業(yè)特長和優(yōu)勢，先用泥土、石膏仿制了瀘縣宋墓石刻的浮雕小模型作為原始文物的替代品(圖4)，再手工拓制了浮雕模型的拓片；除此之外，為了增加樣本數(shù)量，我們還拓制了其他形式“浮雕實物”(如各種金屬錢幣、雕刻的器物等)的拓片作為樣本參與實驗(圖5)。圖3樣本比對方法的示意圖4仿瀘縣宋墓石刻的小模型及其手工拓片圖5其它浮雕實物及其手工拓片(3)“數(shù)字拓片”的關(guān)鍵技術(shù)通過分析拓片圖像的典型特征，并嚴格依照樣本比對原則，以數(shù)字圖像處理軟件為主要制作工具，在經(jīng)過多次反復(fù)試驗及驗證后，我們最終確立了將石刻圖像制作成為“數(shù)字拓片”的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括二值化、色度反轉(zhuǎn)、圖像濾波增強、圖像融合等。①通過“二值化”處理獲得黑白顆粒及其所組成的圖像。二值化就是將有256個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈撝?界限值)選取而轉(zhuǎn)換成黑白二值圖像。如圖6所示，是我們運用圖像二值化方法對石刻圖像(a)進行處理后，獲得黑白顆粒及其所組成的圖像(b)，該圖像在色調(diào)特征方面就由原來的連續(xù)色調(diào)變成了非連續(xù)色調(diào)，從而具有拓片圖像的肌理感。②通過“色度反轉(zhuǎn)”將凹黑凸白的顏色分布轉(zhuǎn)換成凸黑凹白的特征。色度反轉(zhuǎn)處理是指將圖像中黑、白二色作特征互換，即原來的黑色變?yōu)榘咨咨優(yōu)楹谏?。如前所述，圖像經(jīng)過二值化處理后，獲得如圖6(b)所示的黑白效果，但此時凹黑凸白的特征與拓片圖像凸黑凹白的特征恰好相反。因此，我們對它進行色度反轉(zhuǎn)處理，使其符合拓片圖像的黑白分布規(guī)律，如圖6(c)。然而此時所得圖像只是簡單趨近了拓片特征，還存在光照不均及黑色背景兩個問題需要進一步解決。圖6二值化與色度反轉(zhuǎn)處理效果示意③通過“圖像濾波增強”消除光照不均。在石刻圖像數(shù)字照片的采集和傳輸過程中不可避免會產(chǎn)生噪聲，造成圖像質(zhì)量下降，直接影響后續(xù)圖像處理的效果。石刻圖像的光照不均是影響數(shù)字拓片質(zhì)量的主要因素。如圖7所示，初步得到的數(shù)字拓片(a)呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性光照不均現(xiàn)象，不符合一般手工拓片圖像的平面性特征。為了解決這一問題，需要對它作濾波增強處理，以突出制作數(shù)字拓片所需要的有用信息，并削弱或去除影響圖像質(zhì)量的干擾信息。數(shù)字拓片(b)是經(jīng)過圖像濾波增強處理后的效果圖，它滿足了拓片的平面性特征。圖7圖像增強解決光照不均④通過“圖像融合”法去除黑色背景。圖像融合也即圖像合成，通過對兩幅大小、類型均相同的圖像作加運算，可以獲得一幅新圖像。我們采用該方法達到去除圖像黑色背景的目的。如圖8所示，(a)(b)兩圖在執(zhí)行圖像融合處理后，圖(b)目標模板被疊加到原圖(a)上，從而獲得一幅去除了黑色背景的數(shù)字拓片新圖像，如圖(c)。而圖8(b)中用于圖像融合的目標模板則是通過一系列算法所得，主要涉及對比度拉伸、Otsu二值化、色度反轉(zhuǎn)等方法。圖9是求取目標模板的過程示意。首先，對石刻圖像進行對比度拉伸，以此增強目標石刻與黑色背景的亮度反差；然后用Otsu二值法計算出最佳閾值(界限值)，并按照該閾值將該圖像二值化，即圖像中凡是灰度值大于該閾值的像素就被處理成白色，凡是灰度值小于該閾值的像素就被處理成黑色，這樣便形成了一幅目標為白色、背景為黑色的圖像，以便有效地提取出目標石刻圖像的輪廓及形狀；最后通過色度反轉(zhuǎn)處理獲得目標模板。圖8圖像融合去除黑色背景圖9求取目標模板的過程示意2.利用MATLAB及其編程語言實現(xiàn)算法及創(chuàng)建可視化用戶界面，從而實現(xiàn)“數(shù)字拓片”的自動生成[7](1)算法實現(xiàn)借助photoshop圖像處理軟件，我們進行了大量比對實驗，找到了一套用浮雕實物的數(shù)字照片來制作“數(shù)字拓片”的方案，并通過若干實驗驗證了該方案的有效性。然而方案中的每一個環(huán)節(jié)、每一次處理都必須依賴于人的干預(yù)才能完成，實際操作起來既不太方便，也比較耗時。為進一步完善數(shù)字拓片制作技術(shù)，使之成為一種便捷、實用的工具，我們選擇了用MATLAB來輔助完成后續(xù)自動生成的實驗任務(wù)。MATLAB是目前國內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛的圖像處理軟件，提供了大量常用的圖像變換和圖像處理程序，這些程序以函數(shù)形式保存在Image工具箱中，用戶可以方便地調(diào)用和對其作適當修改來滿足不同的需求。在“數(shù)字拓片”前期實驗成果的基礎(chǔ)上，我們利用MATLAB及其編程語言進行了前述方法的算法設(shè)計、流程調(diào)整等工作。經(jīng)過多次反復(fù)實驗，最終實現(xiàn)了石刻浮雕圖像“數(shù)字拓片”的自動生成。也即是說，當我們將一幅石刻數(shù)字照片調(diào)入“數(shù)字拓片”程序后，只需點擊MATLAB工具欄上的“run”按鈕，程序就會自動運行，并按照我們所編寫的程序命令去逐一執(zhí)行圖像處理任務(wù)，從而完成“數(shù)字拓片”的自動生成。(2)界面設(shè)計盡管運用上述方法實現(xiàn)了程序的自動運行，但此時用戶面對的不是一個直觀、方便的操作平臺，而是抽象的計算機程序，這給使用造成了新的不便。因此，我們?yōu)椤皵?shù)字拓片”系統(tǒng)設(shè)計了一個友好的可視化操作界面。如圖10所示，該界面包含三組控件。第一組是“打開”、“轉(zhuǎn)換”、“保存”等最基本的命令按鈕，通過這組控件，用戶可以十分方便地調(diào)用電腦中的圖像處理文件、執(zhí)行數(shù)字拓片的轉(zhuǎn)換任務(wù)及對最后的處理結(jié)果進行保存等。第二組是“自動”、“手動”按鈕，通過這組控件，用戶可以自由選擇兩種模式中的任意一種來制作數(shù)字拓片。當選用“自動”模式時，系統(tǒng)將調(diào)用內(nèi)部程序默認的最優(yōu)處理方案對輸入的數(shù)字圖像進行自動處理并生成數(shù)字拓片；當選用“手動”模式時，用戶則可以根據(jù)自身需求對部分參數(shù)進行調(diào)整與重新設(shè)置。第三組是“圖像大小”、“顆粒大小”按鈕，事實上，它們就是“手動”方式下的兩種具體選項。由于圖像的大小會直接影響程序的運算速度(即圖像越小，其精度越低，處理速度則越快；相反，圖像越大，其精度越高，處理速度也就越慢)，所以，界面中的“圖像大小”按鈕可以滿足用戶對圖像尺寸進行修改的要求。另外，“顆粒大小”按鈕可以幫助用戶完成不同參數(shù)值的設(shè)定，以此來決定所生成的數(shù)字拓片的顆粒粗細，從而獲得不同效果的數(shù)字拓片。如圖11所示，N的取值越小，所得數(shù)字拓片顆粒越細；相反，N取值越大，所得數(shù)字拓片顆粒越粗。圖10數(shù)字拓片系統(tǒng)界面設(shè)計圖11顆粒大小取不同參數(shù)值所得數(shù)字拓片圖像效果比較五、結(jié)論本文介紹了“數(shù)字