圖像拼接法在阿里地區(qū)壁畫數(shù)字化應(yīng)用的關(guān)鍵問題及解決辦法
——以札達縣托林寺白殿壁畫數(shù)字化為例

歐陽盼

浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

圖像拼接法在阿里地區(qū)壁畫數(shù)字化應(yīng)用的關(guān)鍵問題及解決辦法
——以札達縣托林寺白殿壁畫數(shù)字化為例

歐陽盼

浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

本文以托林寺白殿壁畫的數(shù)字化高保真采集為例，介紹了浙江大學(xué)自主研發(fā)的圖像拼接軟件在工程中所遇到的困難和針對性的解決方案。嘗試性的研究旨在展示圖像拼接法在阿里地區(qū)壁畫乃至整個西藏地區(qū)的壁畫高保真數(shù)字化采集廣發(fā)應(yīng)用前景，以促進西藏壁畫高保真數(shù)字化研究工作的發(fā)展。

圖像拼接法 托林寺白殿 壁畫數(shù)字化

1 前言

保存在古格故城、托林寺、東嘎皮央石窟寺等佛教寺院遺址中的早期佛教壁畫，是阿里地區(qū)乃至西藏文化史上文物價值最高的文化遺存。由于自然環(huán)境的變化、宗教活動的復(fù)興與旅游事業(yè)的興旺，原本地處偏遠、人跡罕至的阿里地區(qū)寺院壁畫不可避免地發(fā)生著自然和人為的損壞。不少壁畫產(chǎn)生空鼓、起甲、脫落、酥堿等現(xiàn)象，一些石窟寺院還發(fā)生焚毀和石窟的坍塌，甚至有石窟壁畫被盜剝的犯罪活動發(fā)生。西藏阿里地區(qū)壁畫保護變得刻不容緩，對這些精美的壁畫進行高保真采集是永久地、高保真地保存這些珍貴壁畫數(shù)字資源的重要手段之一。

本文以托林寺白殿壁畫的數(shù)字化高保真采集為例，介紹了浙江大學(xué)自主研發(fā)的圖像拼接技術(shù)在工程中所遇到的困難和針對性的解決方案。嘗試性的研究旨在展示圖像拼接法在阿里地區(qū)壁畫乃至整個西藏地區(qū)的壁畫高保真數(shù)字化采集廣發(fā)應(yīng)用前景，以促進西藏壁畫高保真數(shù)字化研究的發(fā)展。

2 圖像拼接技術(shù)介紹

圖像拼接法和掃描法是目前文物二維信息高保真采集的主要方法。掃描法主要使用基于線狀CCD的大平臺掃描儀，光源與CCD能夠同步移動，保證掃描面的光照均勻，獲得色彩均勻的圖像質(zhì)量。每次線狀CCD掃描到一個線狀區(qū)域，在把每次線狀CCD掃描到的信息合起來以后，最終輸出整體掃描結(jié)果，如德國的cruse掃描儀等。圖像拼接法則是利用數(shù)碼相機對文物進行分塊拍攝，拍攝圖像問互相有重疊，然后對拍攝得到的圖像放到計算機中根據(jù)計算機視覺與圖像處理原理進行計算，最后得到一張高分辨率無縫的圖像。浙江大學(xué)石洗凡博士在其論文中總結(jié)出大平臺掃描儀三方面的缺點，不適合壁畫數(shù)字化高保真采集。錢煒在其碩士論文中指出雖然圖像拼接方法獲取圖像的保真度略低于掃描法，但經(jīng)過計算機后期處理后的結(jié)果完全不輸于掃描方式獲取的結(jié)果，且具有拍攝的范圍不受限制，具有高靈活性的特點。

圖像拼接技術(shù)的一般基本流程為：

圖像獲取為根據(jù)掃描精度的要求計算好每張照片拍攝的幅面和相鄰兩張圖像的重疊率對某一特定場景進行分塊圖像拍攝，一般重疊率建議為30%以上保證穩(wěn)妥的重合率。圖像預(yù)處理是對圖像進行幾何校正、邊緣提取等基本操作，使拼接圖像間能準確找到重合的位置。圖像配準為采取某種匹配策略，為待拼接圖像中的特征點或窗口模板等在參照圖像中找到準確對應(yīng)的特征點或窗口模板，使拼接圖像間能準確找到重疊位置。圖像融合為通過某種融合算法，把所有圖像融合為一張高分辨率無縫的圖像。

浙江大學(xué)的壁畫自動拼接技術(shù)所采用的就是圖像拼接法，目前自主研發(fā)的壁畫自動化采集技術(shù)在全國有著眾多的示范應(yīng)用基礎(chǔ)，如實施了敦煌石窟壁畫數(shù)字資源庫、山西忻州九原崗墓葬壁畫的高保真數(shù)字化采集等項目。但是阿里地區(qū)屬于高原地區(qū)，文物本身也有新的特點，需要有必要開展針對性的研究工作才能滿足阿里壁畫的數(shù)字化高保真采集工作。

3 阿里石窟寺壁畫的特點

3.1 高反光材料的使用

與浙江大學(xué)此前采集的石窟寺壁畫、墓葬壁畫所不同的是：在藏式壁畫的繪制過程中，有諸多環(huán)節(jié)會用到一些高反光的材質(zhì)，如在繪制過程中調(diào)色需要用到牛膠，壁畫繪制完成后為了保護壁畫還要刷一層牛膠、桐油或清漆作為保護層。

3.2 空間尺度大

以托林寺白殿為例，西壁長20.8米，高4.84米、南壁長18.24米，高4.38米，東壁長20.83米，高4.45米，北壁長18.06米，高4.97米。托林紅殿和古格遺址紅殿、白殿項目組雖還未進行精細測量，但目測其高度不低于7米。

3.3 壁面和地面起伏

壁面和地面的起伏，來自于多方面的綜合因素，如托林寺白殿的地面主體就是由高低起伏不平的鵝卵石鋪就，壁面的壁畫歷經(jīng)了千百年的滄桑歲月，受到自然環(huán)境和人類活動的影響，也出現(xiàn)了傾斜和表面凹凸不平的情況。同時，在北壁、南壁、東壁等都殘存有凸出的佛像的背光、頭光，北端靠近正壁佛臺的第1組圖像有一座凸出的蓮臺等等。

3.4 高海拔

阿里地區(qū)平均海拔4500米以上，部分石窟寺壁畫地處偏遠，交通不便。

4 圖像拼接法在白殿壁畫數(shù)字化應(yīng)用存在的問題

4.1 數(shù)據(jù)采集時的高光問題

高光問題是文物是文物數(shù)字化過程中常見的難點之一，一方面高光問題會導(dǎo)致高光區(qū)域的圖像細節(jié)丟失，違背了文物數(shù)字化高保真記錄的初衷。另一方面，高光問題會影響后期圖像數(shù)據(jù)的后期拼接，如導(dǎo)致圖像體征點匹配困難，使最后拼接的結(jié)果出錯或直接計算不出來，還會導(dǎo)致兩張圖像重疊部分不能完全吻合時，會出現(xiàn)鬼影或者模糊現(xiàn)象。

4.2 修復(fù)工作帶來的影響

上個世紀80年代，當?shù)卮迕褡园l(fā)維修寺院時，用泥漿和土料對壁畫進行了墻體加固和裂縫修補。細膩的修復(fù)材料一方面抹蓋了部分精美的壁畫，另一方面由于修復(fù)材料過于細膩，紋理較弱，使壁畫在自動拼接時難以提取圖像中的有效特征點，導(dǎo)致難以拼接或者出現(xiàn)錯誤。

隨后在2005-2009年間，瑞士伊莎貝拉及巴爾茲·貝奇壁畫保護基金會與國內(nèi)幾家單位合作，還開展過白殿壁畫的維修保護工程，新舊壁畫在視覺上雖然感覺一致性，但事實上新修復(fù)區(qū)域的反光要比舊壁畫明顯亮出許多。

4.3 壁面起伏帶來的誤差

目前一般的圖像拼接技術(shù)，算法一般假定圖像是處于理想的絕對平面。但現(xiàn)實中壁畫所在平面往往不是完全平面，它的表面會有起伏和凹凸，兩幅圖像所存在的誤差關(guān)系。誤差和圖像的不平整度成正比，和焦距成反比。這種誤差會隨著拍攝圖像的分辨率增加而更明顯。

同時，由于拍攝時相機歪斜、鏡頭畸變亦會影響拼接效果。目前一般的拼接軟件只是簡單的對相鄰兩張圖像進行映射，因此有時拼接軟件為了能夠?qū)蓮垐D像拼接在一起，會進行圖像的輕微扭曲畸變，在拼接的圖像數(shù)量少時這種誤差還不太明顯，但是若是一張張累加起來，一個壁面幾百張圖像誤差的累積效果會導(dǎo)致最終拼接結(jié)果與高保真數(shù)字化的要求背道而馳。

4.4 大空間情況下數(shù)據(jù)采集的難度

目前浙江大學(xué)自研發(fā)的第四代壁畫自動化采集設(shè)備所設(shè)計的掃描高度為4.2米，而部分洞窟實際高度遠遠超出了此高度，如上述的托林寺紅殿、古格遺址的紅殿、白殿壁畫，壁畫的高度已經(jīng)接近8米左右。若要在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上直接增加設(shè)備的掃描高度，設(shè)備自動運行到位不能保證因為慣性有小幅的晃動，產(chǎn)生圖像“虛焦”現(xiàn)象，這種晃動在照相機內(nèi)直接檢查時很難觀察出來，而在后期圖像放大檢查時會特別明顯。

4.5 高海拔的影響

部分壁畫地處偏遠，交通不便，甚至無法使用機動車輛，只能使用畜力或人力進行設(shè)備搬運。在平原地區(qū)應(yīng)用良好的壁畫自動拍攝設(shè)備相對于高原地區(qū)的運輸條件和人員適應(yīng)能力，會顯得更為笨重。如若遇到上述的大空間壁畫采集需要搭設(shè)腳手架進行采集，那么人員攀爬腳手架和將設(shè)備搬運上腳手架會面臨更大的挑戰(zhàn)，增大了工程實施的危險系數(shù)。

4.6 大數(shù)據(jù)的處理與存儲

白殿壁畫數(shù)字化采集的分辨率設(shè)定在300PPI，目前適合能滿足高保真信息記錄存儲的主流格式是TIFF格式和PSD/PSB格式。其中TIFF格式目前能存儲的最大文件僅為4GB，即便是能支持存儲圖像最大分辨率為3000000*3000000的PSB格式，也遠遠不能滿足整個壁面數(shù)字化成果整體存儲的需要。

5 解決問題的方法

解決上述問題需要從兩方面入手，一方面通過工程手段，對設(shè)備進行針對性改進、調(diào)節(jié)布光方法，在最大限度的消除高光影響的同時，保證所拍攝的每一張圖像曝光均勻、保持使相機與壁面保持垂直等方式獲得理想的原始圖像數(shù)據(jù)。另一方面，則需要針對現(xiàn)有的壁畫拼接算法進行針對性改進，從根本上提升現(xiàn)有拼接軟件的處理能力。

5.1 通過工程手段盡量減少高反光問題

由于壁面的起伏情況不一、同時存在新舊壁畫在視覺上雖然感覺一致性，但事實上新修復(fù)區(qū)域的反光要比舊壁畫明顯亮出許多的情況。設(shè)備現(xiàn)有的燈箱難以應(yīng)付這種復(fù)雜的情況，在現(xiàn)場實際測試發(fā)現(xiàn)必須拋棄現(xiàn)有燈箱重新根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行測試調(diào)整。項目組選取了白殿東壁一個局部進行了布光測試，通過多次試驗，終于取得了較為理想的效果。這種方法就是：將兩格個光燈同時從一側(cè)遠距離進行打光，燈光重疊的區(qū)域即為單張拍攝數(shù)據(jù)采集的區(qū)域，兩只燈光與壁面的傾斜角度需要根據(jù)壁面的起伏情況、反光情況綜合判斷，在做好相關(guān)準備工作后，采用敦煌壁畫數(shù)字化采集測試燈光均勻性的辦法，將一塊白板盡量平行貼近壁面，拍攝完畢后在Photoshop中檢查各個位置的RGB值，確保中間點和四周的RGB值相差不大于5，就表明這組照片是光線均勻的。

在這種復(fù)雜的情況下，反而是手動拍攝的設(shè)備更符合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的實際要求，每拍攝一張都可以及時通過網(wǎng)線連接到筆記本電腦現(xiàn)場及時確認，對于燈光的補光角度也能夠及時的做出調(diào)整。

5.2 對壁畫自動化采集設(shè)備進行輕便化改造

為增加壁畫采集設(shè)備在高原地區(qū)的可操作性，需進行針對性的輕便化改造升級工作。項目組主要對壁畫自動化采集設(shè)備進行了輕便化改造及輕型壁畫手動采集設(shè)備的研制。壁畫自動化采集設(shè)備的輕便化改造將主要集中在鋁合金支撐結(jié)構(gòu)和鋁合金滑臺的輕型化上，并提升設(shè)備的模塊化組裝水平，便于拆解成為多個部件運輸及快速拼裝。輕型壁畫手動采集設(shè)備的研制將主要集中在窄軌壁畫采集設(shè)備研制、輕便軌道研制方面，通過縮小設(shè)備體積降低設(shè)備重量。

5.3 對軟件的算法改進提升

5.3.1 弱紋理特征圖像的處理辦法

主要進行了算法改進，改進重點集中在多相機自動標定算法中對誤匹配的檢測與處理方面、密集匹配過程中對紋理特征區(qū)分度和容忍度參數(shù)自動調(diào)整方面、照片數(shù)據(jù)強化。

5.3.2 增加一種基于SFM算法的圖像正射投影算法

為了解決圖像拼接過程中欠缺全局信息導(dǎo)致誤差累積疊加的問題，提出了一種基于SFM算法的圖像正射投影技術(shù)，技術(shù)的關(guān)鍵就是用SFM算法來估算出特征點的三維空間坐標，然后利用這些三維信息重建一個最佳投影平面，把所有待拼接圖正射投影到這個平面上，最后融合在一起便構(gòu)成全局圖。這種方法，得到的結(jié)果比流行的第三方軟件拼接效果要好很多，更加趨近于現(xiàn)實情況。

5.3.3 增加針對二維圖像拼接的全局約束性亮度調(diào)整算法

算法實現(xiàn)為：對圖像進行配準的基礎(chǔ)上，將圖像從RGB轉(zhuǎn)換到HSV色彩空間進行亮度全局約束的最小距離計算，將該問題轉(zhuǎn)換為對線性方程的求解。為每張圖像求得一個初步亮度調(diào)整系數(shù)，然后以所有圖像作為參照，求得最終調(diào)整系數(shù)，把每張圖像的亮度v乘以該系數(shù)以后再轉(zhuǎn)化為RGB色彩空問。實驗證明，該算法能使拍攝的同一場景的所有圖像的亮度趨于一致。

使用了新算法的壁畫拼接流程具體下圖所示：

新的拼接流程對于弱紋理壁畫、壁面起伏較大的壁畫，以及因為客觀因素限制導(dǎo)致色調(diào)、飽和度、亮度方面差異較大的壁畫圖像，拼接效果有了顯著改進。不僅改善了壁畫拼接精度，效果也大大的以提升。

5.3.4 拼接成果大數(shù)據(jù)的存儲

首先拼接軟件使用了第三方的開源軟件Enblend來進行圖像融合。Enblend使用了第三方的圖像處理庫VIGRAt381處理圖像的輸入和輸出。這樣使得軟件能夠存儲其中PSB格式的成果。

其次，對于超大幅面的壁畫內(nèi)容采用了分段拼接融合的辦法，使每段最終的拼接成果不會超過PSB格式能存儲的最大數(shù)據(jù)量。但這種方法需要結(jié)合全站儀測繪數(shù)據(jù)做好數(shù)據(jù)的整體平差工作，確保數(shù)據(jù)的拼接精度不受影響。同時，在今后軟件所支持的存儲量提升后，能夠快速便捷的拼合在一起。

6 結(jié)語

以圖像拼接法為基礎(chǔ)的浙江大學(xué)的壁畫自動采集設(shè)備目前已經(jīng)完成了托林寺白殿壁畫高保真數(shù)字化的采集與后期任務(wù)，項目所得到的最終成果也表明，圖像拼接法對于藏式壁畫的高保真采集是有效而且可靠的，拍攝的范圍不受限制、高靈活性的特點也得到了展示。這不僅是一張張壁畫的高清全景圖像，更是一個全息記錄的數(shù)字化新型成果。這使得研究者可以近距離、全方位的對壁畫進行反復(fù)觀察和對比研究，有些觀察甚至是在現(xiàn)場也不能完成的。如通過本工程數(shù)字化的成果，東壁南側(cè)原已遭到雨水侵蝕、易被忽略的藏文題記現(xiàn)在得到辨識，成為解讀壁畫繪制內(nèi)容的關(guān)鍵信息、白殿壁畫維修保護工程的工作結(jié)果也得到充分展示。

依據(jù)圖像拼接法完成的項目成果對于白殿壁畫基于互聯(lián)網(wǎng)+的數(shù)字化展示和傳播也具有重要作用，如依托本項目成果出版《阿里壁畫：托林寺白殿》，該成果在2015年8月西藏阿里地區(qū)舉辦的第二屆象雄文化節(jié)上首次展示，獲得一致好評，并且榮獲2016年3月上海國際印刷周上揭曉的“上海印刷大獎”中的“出版物商業(yè)印刷類大獎”。以本項目成果節(jié)選數(shù)字化高保真復(fù)制的《宗喀巴與仁欽桑波像尊像》、《頂髻尊勝佛母尊像》、《大白傘蓋佛母尊像》，應(yīng)阿里文化局的邀請，代表阿里地區(qū)的最新文物數(shù)字化保護成果連續(xù)參加了第2屆中國西藏旅游文化國際博覽會和第12屆中國（深圳）國際文化產(chǎn)業(yè)博覽交易會。

[1]石洗凡.大幅面古畫高保真數(shù)字獲取關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，博士學(xué)位論文．2010

[2]錢煒．壁畫正射影像自動拼接技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].浙江大學(xué)，碩士學(xué)位論文．2012

[3]藏傳顏料研究課題組．藏族傳統(tǒng)繪畫顏料的歷史及工藝研究[J].中國藏學(xué)，1999，(4)：117—127

[4]沈武魁.基于SFM的大幅面壁畫圖像高保真拼接技術(shù)[D] .浙江大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2011，第4頁

[5]陳銘．基于Poisson Cloning的大幅文物圖像拼接技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].浙江大學(xué)，碩士學(xué)位論文．2014

本文受唐仲英基金會（中國）《中國西部地區(qū)古代石窟壁畫數(shù)字保護及資源庫建設(shè)》項目資助。