古代壁畫病害標識系統及其在敦煌莫高窟的應用

張楠+張乾+馮偉+王小偉+孫勝利+柴勃隆+孫濟洲

內容摘要：由于年代久遠、保存環境簡陋、材質脆弱，再加上洪水、沙塵等自然災害和人為的破壞，現存古代壁畫產生了不同程度不同種類的病害。要對這些壁畫進行預防性保護或對病害進行修復，需要根據病害的類型采取不同的措施。其中一項重要的過程是在所獲取的圖像上對病害的類型、程度和區域進行精準的標識，為修復或監測分析工作奠定基礎。敦煌莫高窟等遺址保存壁畫的規模巨大，而目前壁畫病害的標識一般使用通用工具如AutoCAD等，這類工具存在著專業針對性差，學習周期長，操作繁瑣等問題，很難滿足病害標識工作的需要。通過對古代壁畫病害標識工作的調研，本文設計了一種專業針對性強，學習周期短，操作簡捷，功能全面的古代壁畫病害標識系統。通過在敦煌莫高窟的實際應用，證明本系統可以減輕病害標識工作的繁重程度，極大地提高病害標識工作的效率。

關鍵詞：古代壁畫；病害標識；敦煌莫高窟

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2017）02-0135-06

Abstract： Murals are one of the most precious sources of cultural heritage of our countryand are of great his-torical and artistic value. However， due to the destruction caused by poor environmental preservation and fragile materials coupled with floods， dust， and human activities， extant ancient murals exhibit numerous kinds of deterioration. The preventive monitoring of murals and restoration of damaged relics require different measurement techniques according to the type of deterioration. One of the most important tasks faced right now is to precisely determine and catalogue the types， degrees， and size of the deterioration suffered by mural paintings， of which the Dunhuang Mogao Grottoes and other sites have preserved in large number. By studying the deterioration labeling process， a fully functional labeling system has been designed for ancient murals that is professional， easy to learn， and requires much simpler procedures for operation. The use of this new technique in the Mogao caves proves that this system can reduce the arduousness of deterioration labeling work while greatly improving efficiency.

Keywords： ancient mural； identification of mural deterioration； Dunhuang Mogao Grottoes

1. 古代壁畫病害標識工作的背景

多種多樣的古文化遺產中，山崖洞窟、墓穴和古寺廟中的壁畫，具有獨特的歷史研究價值和藝術價值。由于壁畫繪制方式較為原始，繪制材料非常脆弱，在漫長的歷史中不斷地發生變化，再加上自然因素和人為的破壞，壁畫產生了多種病害，如酥堿、起甲、皰疹、裂隙等。

對壁畫病害進行監測和修復、需要周期性地觀測病害區域和病害類型。古代壁畫經歷漫長年代的演化，表面非常脆弱，直接接觸壁畫表面就會傷害壁畫。病害標識作為壁畫監測和修復的重要步驟，其現有方法一般是對壁畫進行覆蓋式拍攝而得到高分辨率圖像[1]，并在圖像上手動標注出病害的區域和類型。某些壁畫規模巨大，如敦煌莫高窟，壁畫面積達45000平方米，要對其進行病害標識，需要便捷高效的標識工具。

當前病害標識工作中一般使用AutoCAD軟件[2]，是目前在機械，建筑等領域通用的繪圖工具。這類工具專業針對性較差，一般需要定制模板或插件才能支持病害的標識；用戶也需要通過長時間的學習，掌握一些應用技巧，才能較為快捷地進行標識繪制；實現某些功能如標識區域填充等需要非常繁瑣的操作。經過對敦煌病害標識工作流程的調研，我們設計了針對古代壁畫的病害標識系統。該系統具有專業針對性強、學習周期短、操作便捷、功能全面等優點，使用本系統，用戶可以極大地提高標識工作的效率。

2. 需求分析

古代壁畫由于繪制材料和保存環境的不同而會產生多種病害。根據古代壁畫病害標識的相關國家標準，將壁畫病害分為24類[3]，每種病害都規定了標準的圖示。使用標準圖示將病害區域標示出來，根據實地作業的要求，還需打印、出圖。

現有的通用繪圖工具如AutoCAD，可以通過插件、模板等形式定制完成如下一些功能：

1）加載不同大小、不同分辨率的圖片，并可以調整顯示圖片大小；

2）繪制符合國家標準的病害標識，并且可以調整標識的大小、類型、顏色、輪廓、填充等，也可以添加圖例，比例尺，編制說明；

3）打印繪制完成的圖片，可以調整打印的格式，如頁邊距，單雙面等；

4）能實現出圖功能，可以同時將多張圖片打印到多張紙上，可以調整每張紙上圖片的數量、排列方式、相互間隔等。

然而，通過壁畫病害標識實際操作的調研，發現現有工具（如AutoCAD）一方面在實現某些功能時操作繁瑣，消耗大量的人力和時間；另一方面某些功能又是無法實現的。如下功能尚需要在系統中進行完善或實現：

1）在繪制病害區域時，現有工具在圈定病害區域后仍需手動為區域填充圖形，應當可以自動填充標準的病害圖示，并且可以手動調節已繪制的圖示；

2）在采集某些壁畫圖像時會采用高分辨率相 機拍攝大面積的壁畫，或者將數張不同區域的圖像拼接成較大的圖像，導致圖像直接打印到紙上無法分辨壁畫細節，這類超大圖片在打印時應當切割為小圖進行打印，并且病害區域在切割完成后應當保持封閉；

3）同區域大量圖片一般會使用相同的格式出圖，這些圖像出圖時應當在設置布局后一次性自動完成，而不是依賴手動選取操作；

4）病害區域的面積數據對于監測病害演化非常重要，系統應實現簡單的統計功能，可以統計單張圖片和多張圖片每種病害的面積；

5）為了縮短軟件學習周期，系統應當提供簡潔直觀、邏輯清晰的圖形用戶界面。

3. 本系統功能，設計與實現

3.1 本系統流程圖

古代壁畫的修復工作已經進行多年，作為修復之重要步驟的病害標識工作，在多年的實踐中已經形成了一套比較規范的操作流程[2]。

如圖1所示，加載壁畫圖像之后，首先針對不同的病害使用不同的標識格式，繪制完成之后添加圖例、比例尺、編制說明，然后可以選擇統計病害數據或者開始打印。當完成同一區域的多張圖像，如同一洞窟所有區域的病害標識工作后，可以選擇將多達上千張圖像按照設置的格式打印到多張紙上，即出圖過程。

3.2 系統模塊

按照3.1所示的病害標識流程，本系統應分為三個模塊的功能：病害標識、統計和出圖。病害標識模塊主要完成繪制設置，繪制區域的生成、修改，添加圖例、比例尺和編制說明功能；統計模塊主要完成單張圖像病害的統計、多張圖像病害的統計和導出EXCEL表單功能；出圖模塊主要完成多張圖片在頁面的布局和出圖功能。

3.3 系統實現

本系統使用C++語言基于Qt用戶界面庫開發[4]。Qt用戶界面庫提供了圖形視圖框架（The QGraphics View Framework），QGraphicsScene類提供了圖形視圖的場景，作為紙、標識、圖例等頁面元素的容器，可以方便高效地添加和獲取各種不同的元素。QGraphicsView類控制視圖部件的可視化，每一個圖像窗口作為一個view，對圖像整體的放縮也可以通過view實現。QGraphicsItem類是場景中所有圖形項的基類，壁畫圖像、紙、病害標識、圖例、比例尺和編制說明等都作為item處理，可以方便地實現拖放、組合等功能，還可以實現對各種鼠標和鍵盤事件的響應。

Qt用戶界面庫具有良好的跨平臺性，只需改動少量代碼即可在Windows、Linux、Mac等不同系統間切換，但由于系統依賴軟件Microsoft Excel 2007（或更高版本）的相關組件，推薦使用平臺為Windows7/8。

4. 標識系統在敦煌莫高窟的應用實例

4.1 古代壁畫標識實例

本節將以敦煌莫高窟某窟圖像為例展示本系統各模塊功能的應用。

4.1.1加載圖片

首先雙擊打開軟件，選定要標識的帶有病害的壁畫圖像。有兩種方式加載圖像，選擇菜單中的“打開圖片”選項或者直接將圖像拖入軟件窗口。

設置紙張的大小，可以選擇標準的A3或A4，也可以自定義長度和寬度；設置圖像相對紙張的放置方向，圖片加載后程序界面如圖2所示。

4.1.2 病害標識

選定病害區域，通過鼠標指針選取病害區域進行局部放縮以察看細節。在圖2的左側豎直工具條中選擇對應病害的標識，在水平工具欄下會彈出設置欄，設置標識的畫筆寬度、顏色、填充圖形顏色、填充圖形寬度、填充圖形間距；點擊鼠標左鍵不放繪制病害區域，釋放鼠標后，選擇區域內會自動填充病害對應的標準圖形；在繪制病害完成后，選擇設置菜單中的“標識”，可以對某一類病害的標識格式進行統一設置，如圖3所示。

邊界捕捉：繪制當前病害標識，可以點擊F2啟用邊界捕捉功能，使畫筆自動沿其他病害區域的邊界進行繪制。

添加圖例，編制說明和比例尺：每在壁畫圖像中添加一種新的病害，系統會自動添加對應的圖例；在右下側的編制說明框中對應空白處雙擊即可開始編輯編制說明。

一般壁畫圖像拍攝時會在右下角放置標尺，首先在設置菜單中選擇“比例尺”，設置標尺對應的實際真實長度，點擊“插入比例尺”，然后用鼠標從標尺一端拖到另一端，在拖動過程中需要盡量與標尺保持平行；為了比例尺顯示的美觀可在設置“比例尺”時選擇顯示長度。

圖例、編制說明和比例尺界面效果如圖4所示。

調整頁面布局：壁畫圖像、病害標識、比例尺、圖例和編制說明等頁面元素都可以拖動調節位置、大小，在拖動過程中可以動態顯示與其他元素的距離；可以通過Ctrl鍵結合上下左右鍵對位置進行微調。

標識繪制完成整體的效果如圖5所示。

4.1.3保存和打印圖片

在文件菜單中選擇分塊保存，可選擇將大圖切為多張小圖保存；默認不會切分，保存格式為dh。在文件菜單中選擇“分塊打印”，可選擇將大圖平均切割為多行多列，系統會自動填補被切割后的標識區域，雙擊任何一部分可以單獨設置其布局，保存后可應用到所有的分塊圖像，分割效果如圖6所示；選擇任意多塊并點擊“打印所選”，或者點擊“全部打印”即進入打印預覽。

4.1.4統計病害數據

設置比例尺之后，在統計菜單選擇“單圖統計”，可以將此圖像中每種病害的面積匯總到表格中，點擊右下角“導出EXCEL報表”，可以將數據導入到EXCEL中便于進一步統計。

在統計菜單選擇“聯合統計”，導入圖片，將多張標好的圖像（必須是本軟件保存格式，后綴為dh）導入；如圖7所示，在表格中顯示多張圖像中病害的面積和，同樣可以導出Excel報表。

4.1.5出圖

在文件菜單中選擇“出圖”，在右側選擇導入圖片；可以在右側調整紙張，每張紙上放置圖片的行數和列數；在紙上可以拖動調節每張圖片的位置和大小，這些調整將應用到所有的圖片；選擇將圖片打印或者保存，出圖界面如圖8所示。

4.2時間對比

我們請敦煌研究院的相關工作人員為本系統做了測試，首次接觸本系統，1—2個小時即可學會系統的操作，而要熟悉AutoCAD的操作需要約為期一周的培訓。分別使用AutoCAD軟件和本系統對相同的壁畫圖像進行標識，AutoCAD完成標識繪制和添加比例尺等需要約60分鐘；本系統僅需要10分鐘左右。其中自動完成病害區域填充，大大節省了標識的時間。

5. 結 論

本文提出了古代壁畫的病害標識系統，解決了現有工具專業針對性差、操作繁瑣、學習周期長等問題，并根據實際需要，添加了分塊打印等功能。對敦煌莫高窟壁畫的標識操作驗證，證明了本系統具有專業針對性強，操作簡捷，學習周期短的優點。在以后的工作中我們會對系統的輸入設備進行改進，如使用觸屏或者手寫設備，提高用戶操作的便捷性，使病害標識系統操作更加簡捷。

參考文獻：

[1]樊錦詩.敦煌石窟保護與展示工作中的數字技術應用[J].敦煌研究，2009（6）.

[2]王小偉，柴勃隆，孫勝利.莫高窟壁畫現狀調查記錄方法的思考[J].敦煌研究，2007（5）.

[3]國家文物局編.古代壁畫病害與圖示[M].北京：文物出版社，2008.

[4]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Qt4編程[M].閆鋒欣，曾泉人，張志強，譯.北京：電子工業出版社，2013.