“數字拓片”構想及實驗研究

摘要：數字拓片是弘揚和傳承中國傳統拓片藝術的一種新途徑，是保護石刻文物的一種新思考。本文充分發揮藝術專業學科的優勢，結合計算機圖像處理技術，提出了一套將石刻浮雕物圖像轉化成“數字拓片”的方案，實現了數字拓片的自動生成。實驗結果表明，所提方案方便、快捷，經處理的圖像效果較理想，是制作數字拓片的有效手段。

關鍵詞：文化遺產保護；石刻；拓片；數字拓片；數字圖像處理

中圖分類號：J323 文獻標識碼：A 文章編號：1009－3060(2011)03－0082－07

目前，將現代科學技術應用于文化遺產保護領域正成為國家文物保護工作的重要策略。隨著計算機技術的普及與廣泛應用，它在文物保護工作中也發揮著越來越重要的作用，其利用途徑及方式也豐富多樣?！皵底滞仄钡臉嬒肱c實驗研究正是在這樣的時代背景下產生的。本文將主要圍繞石刻拓片的相關問題展開討論。

一、“數字拓片”的概念

數字拓片是指利用計算機圖像處理技術，對浮雕物(如石刻)本體的數字照片進行圖像處理而獲得具有傳統拓片視覺特征的數字圖像。“數字拓片”不同于“拓片數字化”。拓片數字化是運用計算機技術，將傳統拓片的影像數據以數字信息方式存儲，從而使傳統拓片實現形式上的另一種轉換。兩者雖然均屬于拓片范疇，且都涉及到運用計算機技術，然而它們卻有著完全不同的涵義。拓片數字化是基于原始拓片本身，而數字拓片則是基于浮雕物(如石刻)本體的數字照片。

二、研究“數字拓片”的目的及意義

拓片作為我國特有的傳統藝術形式，是中華文化的藝術瑰寶，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、已經成為珍貴文物的石刻，由于其自身非常脆弱，以傳統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，國家和相關部門已用法規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出的獨特鮮明的黑白形式、圖底關系、形狀輪廓等視覺信息對藝術領域的造型、構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，傳統拓片的制作過程對環境有較高的要求，容易受到天氣條件、地理環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。尤其對一些處在復雜環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、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，要想采用傳統拓片制作工藝拓制出高質量的拓片，不僅需要耗費專門的人力和物力，而且也對若干技術環節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。所有這些環節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，實物本體不規則的形態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。這種保存方式對環境的要求極為苛刻，一方面單薄的拓片用紙在歷經較長時間的存放后，紙張纖維會出現老化現象而變得異常脆弱；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有狀態的改變。因此，尋找一種相對穩定、不易變形的拓片形式也是十分必要和迫切的。

第五，在新的時代環境下，作為我國寶貴文化遺產的傳統拓片制作工藝，應該受到充分的重視并加以有效的保護。數字拓片的研究將致力于利用現代計算機技術來建立一個規范的、可以量化的拓片制作標準，使原本較為復雜、繁瑣、耗時費力的傳統拓片制作工藝程式化、科學化，使拓片的制作變得更為簡單、快捷且易操作。數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的弘揚、發展及利用。

當代的計算機技術，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取得了卓有成效的研究成果。近年來，陸續有研究者開始嘗試將計算機技術運用到中國傳統文化藝術領域中，試圖尋找一種能更加有效地服務于我國文化遺產研究需求的方式與途徑，于是出現了水墨畫的仿真、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”為中心而展開的一系列研究(如敦煌壁畫數字化修復和保護、敦煌壁畫虛擬展示、敦煌石窟漫游、敦煌壁畫檢索等)也充分體現了計算機技術在中國傳統藝術領域應用的深化，為我國的文化遺產保護作出了積極有益而又意義深遠的探索。

目前在全國范圍內利用計算機技術，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”建設工程。該工程主要致力于拓片的數字化，即對館藏原拓和拓片出版物進行影像捕捉，并用計算機技術建構拓片資源數據庫，以此為國內外讀者和研究機構提供拓片的檢索查詢和瀏覽服務。該課題對現有拓片資源的有效管理、廣泛傳播、合理應用及永久性保存等有著重要意義。

然而就如何利用計算機技術制作數字拓片，以解決傳統拓片制作方法帶來的諸多問題方面，目前還沒有任何機構與個人涉及到這一領域。本文所進行的數字拓片研究，就是試圖找尋一條解決這一問題的思路和方法，通過將計算機技術引入到中國傳統拓片制作領域，推動拓片藝術的創新與發展，使數字拓片成為傳統拓片藝術形式的一種有益和必要的補充。

三、“數字拓片”研究的總體思路

數字拓片是傳統拓片的延續、發展及補充，是計算機技術應用于傳統視覺藝術領域的一次新的嘗試?！皵底滞仄毖芯康目傮w思路主要包括：

1、兩個主要任務

第一步的任務如圖1所示，是尋找實現數字拓片的關鍵技術；第二步的任務是實現數字拓片方法的自動化。任務一需要選擇現有多種圖像處理軟件，并通過反復比對修改補充實驗來選擇制作數字拓片的關鍵技術。任務二需要在分析選定的數字拓片技術原理的基礎上進行相關算法設計，并通過編程工具實現算法；除此之外，還需要設計一個可供用戶方便使用的交互式操作界面，通過它可以使數字拓片的制作變得更為簡單、便捷。

2、一個重要問題——數字拓片的可信度

在本論文中，所謂可信度就是指數字拓片與手工拓片的相似程度，它是評判數字拓片研究是否具有價值和意義的基本前提。因此，設法確保數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。

四、“數字拓片”研究的主要方法及實驗結果

尋找實現數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，以尋找實現數字拓片的思路和方法為線索，先通過與傳統手工拓片樣本進行感性比對，建立一個粗略的數字拓片大樣，然后再用理性分析的方法，對實現的各個關鍵環節進行改進，對流程和算法深入修改補充，逐步提高生成數字拓片的精度。

就計算機制作工具而言，在尋找制作“數字拓片”關鍵技術的過程中，我們主要借助目前使用最廣泛、也最普及的數字圖像處理軟件photoshop來輔助完成，而在實現“數字拓片”方法自動化的任務中，則主要利用了MATLAB軟件來實現。

1、利用photoshop數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“數字拓片”的關鍵技術

為了確保數字拓片的可信度，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字拓片的基本依據。

通過對傳統手工拓片圖像(如圖2)及拓片制作工藝進行研究，我們總結出“數字拓片”應該滿足的基本圖像特征為：①具有強烈反差的黑白圖像；②拓片圖像黑色區域內部呈現豐富的、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(與光照條件元關，因而也沒有光照不均導致的明暗差異、無陰影)。

(2)“樣本比對”法

“樣本比對”法要求在進行“數字拓片”的多次生成實驗時，必須嚴格參照與之相對應同一實物的“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，我們充分發揮藝術專業特長和優勢，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)。

(3)“數字拓片”的關鍵技術

通過分析拓片圖像的典型特征，并嚴格依照樣本比對原則，以數字圖像處理軟件為主要制作工具，在經過多次反復試驗及驗證后，我們最終確立了將石刻圖像制作成為“數字拓片”的關鍵技術，主要包括二值化、色度反轉、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的閾值(界限值)選取而轉換成黑白二值圖像。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)，該圖像在色調特征方面就由原來的連續色調變成了非連續色調，從而具有拓片圖像的肌理感。

②通過“色度反轉”將凹黑凸白的顏色分布轉換成凸黑凹白的特征。

色度反轉處理是指將圖像中黑、白二色作特征互換，即原來的黑色變為白色、白色變為黑色。如前所述，圖像經過二值化處理后，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處理，使其符合拓片圖像的黑白分布規律，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。

③通過“圖像濾波增強”消除光照不均。

在石刻圖像數字照片的采集和傳輸過程中不可避免會產生噪聲，造成圖像質量下降，直接影響后續圖像處理的效果。石刻圖像的光照不均是影響數字拓片質量的主要因素。如圖7所示，初步得到的數字拓片(a)呈現出明顯的區域性光照不均現象，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，以突出制作數字拓片所需要的有用信息，并削弱或去除影響圖像質量的干擾信息。數字拓片(b)是經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。

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；最后通過色度反轉處理獲得目標模板。

2、利用MATLAB及其編程語言實現算法及創建可視化用戶界面，從而實現“數字拓片”的自動生成

(1)算法實現

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字照片來制作“數字拓片”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節、每一次處理都必須依賴于人的干預才能完成，實際操作起來既不太方便，也比較耗時。為進一步完善數字拓片制作技術，使之成為一種便捷、實用的工具，我們選擇了用MATLAB來輔助完成后續自動生成的實驗任務。

MATLAB是目前國內外應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，這些程序以函數形式保存在Image工具箱中，用戶可以方便地調用和對其作適當修改來滿足不同的需求。

在“數字拓片”前期實驗成果的基礎上，我們利用MATLAB及其編程語言進行了前述方法的算法設計、流程調整等工作。經過多次反復實驗，最終實現了石刻浮雕圖像“數字拓片”的自動生成。也即是說，當我們將一幅石刻數字照片調入“數字拓片”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行圖像處理任務，從而完成“數字拓片”的自動生成。

(2)界面設計

盡管運用上述方法實現了程序的自動運行，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，我們為“數字拓片”系統設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用電腦中的圖像處理文件、執行數字拓片的轉換任務及對最后的處理結果進行保存等。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字拓片。當選用“自動”模式時，系統將調用內部程序默認的最優處理方案對輸入的數字圖像進行自動處理并生成數字拓片；當選用“手動”模式時，用戶則可以根據自身需求對部分參數進行調整與重新設置。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值的設定，以此來決定所生成的數字拓片的顆粒粗細，從而獲得不同效果的數字拓片。如圖11所示，N的取值越小，所得數字拓片顆粒越細；相反，N取值越大，所得數字拓片顆粒越粗。

五、結論

本文介紹了“數字拓片”的構想及相關研究情況，提出了一種用浮雕實物數字照片來制作“數字拓片”的圖像處理方法，并運用MATLAB及其編程語言基本實現了“數字拓片”流程的自動化和界面設計，使數字拓片的制作變得方便、快捷。圖12、圖13是由數字拓片制作系統實現的數字拓片圖像。

在實驗過程中，如何確?！皵底滞仄钡目尚哦仁潜狙芯康闹攸c，為此，我們主要運用了樣本比對方法；在采集“比對樣本”時，充分發揮了藝術專業的學科優勢，嚴格按照傳統拓片制作流程與方法，手工拓制了浮雕器物的拓片。另外，解決光照不均與去除黑色背景是數字拓片研究的難點，我們經過反復實驗，給出了解決方案，效果較為理想。實驗結果表明，所提方案對于制作數字拓片與實現數字拓片的自動生成是行之有效的，但如何使該方案更優化以進一步提高數字拓片的圖像質量，如何實現拓片的風格化和個性化，以及如何使“數字拓片”增添更豐富的藝術效果等，將是今后“數字拓片”研究的努力方向。

“數字拓片”研究體現了一種將計算機技術應用到中國傳統藝術領域的探索與實踐。尤其是在今天珍貴文物不容受損的情況下，進行“數字拓片”的研究，無論是對于我國古代石刻藝術還是對于傳統拓片藝術而言都是十分重要的保護舉措，它體現了一種以嶄新視角來關注和探索我國文化遺產保護工作的理念與作法。我們希望數字拓片研究工作的開展能為新技術條件下的文物保護工作起到一個拋磚引玉的作用。

(責任編輯：曾靜)