《古代壁画病害标识系统及其在敦煌莫高窟的应用》-历史学论文，历史论文-论文范文参考-科学狗论文网

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古代壁画病害标识系统及其在敦煌莫高窟的应用

范文

张楠+张乾+冯伟+王小伟+孙胜利+柴勃隆+孙济洲

内容摘要：由于年代久远、保存环境简陋、材质脆弱，再加上洪水、沙尘等自然灾害和人为的破坏，现存古代壁画产生了不同程度不同种类的病害。要对这些壁画进行预防性保护或对病害进行修复，需要根据病害的类型采取不同的措施。其中一项重要的过程是在所获取的图像上对病害的类型、程度和区域进行精准的标识，为修复或监测分析工作奠定基础。敦煌莫高窟等遗址保存壁画的规模巨大，而目前壁画病害的标识一般使用通用工具如AutoCAD等，这类工具存在着专业针对性差，学习周期长，操作繁琐等问题，很难满足病害标识工作的需要。通过对古代壁画病害标识工作的调研，本文设计了一种专业针对性强，学习周期短，操作简捷，功能全面的古代壁画病害标识系统。通过在敦煌莫高窟的实际应用，证明本系统可以减轻病害标识工作的繁重程度，极大地提高病害标识工作的效率。

关键词：古代壁画；病害标识；敦煌莫高窟

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：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. 古代壁画病害标识工作的背景

多种多样的古文化遗产中，山崖洞窟、墓穴和古寺庙中的壁画，具有独特的历史研究价值和艺术价值。由于壁画绘制方式较为原始，绘制材料非常脆弱，在漫长的历史中不断地发生变化，再加上自然因素和人为的破坏，壁画产生了多种病害，如酥碱、起甲、疱疹、裂隙等。

对壁画病害进行监测和修复、需要周期性地观测病害区域和病害类型。古代壁画经历漫长年代的演化，表面非常脆弱，直接接触壁画表面就会伤害壁画。病害标识作为壁画监测和修复的重要步骤，其现有方法一般是对壁画进行覆盖式拍摄而得到高分辨率图像[1]，并在图像上手动标注出病害的区域和类型。某些壁画规模巨大，如敦煌莫高窟，壁画面积达45000平方米，要对其进行病害标识，需要便捷高效的标识工具。

当前病害标识工作中一般使用AutoCAD软件[2]，是目前在机械，建筑等领域通用的绘图工具。这类工具专业针对性较差，一般需要定制模板或插件才能支持病害的标识；用户也需要通过长时间的学习，掌握一些应用技巧，才能较为快捷地进行标识绘制；实现某些功能如标识区域填充等需要非常繁琐的操作。经过对敦煌病害标识工作流程的调研，我们设计了针对古代壁画的病害标识系统。该系统具有专业针对性强、学习周期短、操作便捷、功能全面等优点，使用本系统，用户可以极大地提高标识工作的效率。

2. 需求分析

古代壁画由于绘制材料和保存环境的不同而会产生多种病害。根据古代壁画病害标识的相关国家标准，将壁画病害分为24类[3]，每种病害都规定了标准的图示。使用标准图示将病害区域标示出来，根据实地作业的要求，还需打印、出图。

现有的通用绘图工具如AutoCAD，可以通过插件、模板等形式定制完成如下一些功能：

1）加载不同大小、不同分辨率的图片，并可以调整显示图片大小；

2）绘制符合国家标准的病害标识，并且可以调整标识的大小、类型、颜色、輪廓、填充等，也可以添加图例，比例尺，编制说明；

3）打印绘制完成的图片，可以调整打印的格式，如页边距，单双面等；

4）能实现出图功能，可以同时将多张图片打印到多张纸上，可以调整每张纸上图片的数量、排列方式、相互间隔等。

然而，通过壁画病害标识实际操作的调研，发现现有工具（如AutoCAD）一方面在实现某些功能时操作繁琐，消耗大量的人力和时间；另一方面某些功能又是无法实现的。如下功能尚需要在系统中进行完善或实现：

1）在绘制病害区域时，现有工具在圈定病害区域后仍需手动为区域填充图形，应当可以自动填充标准的病害图示，并且可以手动调节已绘制的图示；

2）在采集某些壁画图像时会采用高分辨率相机拍摄大面积的壁画，或者将数张不同区域的图像拼接成较大的图像，导致图像直接打印到纸上无法分辨壁画细节，这类超大图片在打印时应当切割为小图进行打印，并且病害区域在切割完成后应当保持封闭；

3）同区域大量图片一般会使用相同的格式出图，这些图像出图时应当在设置布局后一次性自动完成，而不是依赖手动选取操作；

4）病害区域的面积数据对于监测病害演化非常重要，系统应实现简单的统计功能，可以统计单张图片和多张图片每种病害的面积；

5）为了缩短软件学习周期，系统应当提供简洁直观、逻辑清晰的图形用户界面。

3. 本系统功能，设计与实现

3.1 本系统流程图

古代壁画的修复工作已经进行多年，作为修复之重要步骤的病害标识工作，在多年的实践中已经形成了一套比较规范的操作流程[2]。

如图1所示，加载壁画图像之后，首先针对不同的病害使用不同的标识格式，绘制完成之后添加图例、比例尺、编制说明，然后可以选择统计病害数据或者开始打印。当完成同一区域的多张图像，如同一洞窟所有区域的病害标识工作后，可以选择将多达上千张图像按照设置的格式打印到多张纸上，即出图过程。

3.2 系统模块

按照3.1所示的病害标识流程，本系统应分为三个模块的功能：病害标识、统计和出图。病害标识模块主要完成绘制设置，绘制区域的生成、修改，添加图例、比例尺和编制说明功能；统计模块主要完成单张图像病害的统计、多张图像病害的统计和导出EXCEL表单功能；出图模块主要完成多张图片在页面的布局和出图功能。

3.3 系统实现

本系统使用C++语言基于Qt用户界面库开发[4]。Qt用户界面库提供了图形视图框架（The QGraphics View Framework），QGraphicsScene类提供了图形视图的场景，作为纸、标识、图例等页面元素的容器，可以方便高效地添加和获取各种不同的元素。QGraphicsView类控制视图部件的可视化，每一个图像窗口作为一个view，对图像整体的放缩也可以通过view实现。QGraphicsItem类是场景中所有图形项的基类，壁画图像、纸、病害标识、图例、比例尺和编制说明等都作为item处理，可以方便地实现拖放、组合等功能，还可以实现对各种鼠标和键盘事件的响应。

Qt用户界面库具有良好的跨平台性，只需改动少量代码即可在Windows、Linux、Mac等不同系统间切换，但由于系统依赖软件Microsoft Excel 2007（或更高版本）的相关组件，推荐使用平台为Windows7/8。

4. 标识系统在敦煌莫高窟的应用实例

4.1 古代壁画标识实例

本节将以敦煌莫高窟某窟图像为例展示本系统各模块功能的应用。

4.1.1加载图片

首先双击打开软件，选定要标识的带有病害的壁画图像。有两种方式加载图像，选择菜单中的“打开图片”选项或者直接将图像拖入软件窗口。

设置纸张的大小，可以选择标准的A3或A4，也可以自定义长度和宽度；设置图像相对纸张的放置方向，图片加载后程序界面如图2所示。

4.1.2 病害标识

选定病害区域，通过鼠标指针选取病害区域进行局部放缩以察看细节。在图2的左侧竖直工具条中选择对应病害的标识，在水平工具栏下会弹出设置栏，设置标识的画笔宽度、颜色、填充图形颜色、填充图形宽度、填充图形间距；点击鼠标左键不放绘制病害区域，释放鼠标后，选择区域内会自动填充病害对应的标准图形；在绘制病害完成后，选择设置菜单中的“标识”，可以对某一类病害的标识格式进行统一设置，如图3所示。

边界捕捉：绘制当前病害标识，可以点击F2启用边界捕捉功能，使画笔自动沿其他病害区域的边界进行绘制。

添加图例，编制说明和比例尺：每在壁画图像中添加一种新的病害，系统会自动添加对应的图例；在右下侧的编制说明框中对应空白处双击即可开始编辑编制说明。

一般壁画图像拍摄时会在右下角放置标尺，首先在设置菜单中选择“比例尺”，设置标尺对应的实际真实长度，点击“插入比例尺”，然后用鼠标从标尺一端拖到另一端，在拖动过程中需要尽量与标尺保持平行；为了比例尺显示的美观可在设置“比例尺”时选择显示长度。

图例、编制说明和比例尺界面效果如图4所示。

调整页面布局：壁画图像、病害标识、比例尺、图例和编制说明等页面元素都可以拖动调节位置、大小，在拖动过程中可以动态显示与其他元素的距离；可以通过Ctrl键结合上下左右键对位置进行微调。

标识绘制完成整体的效果如图5所示。

4.1.3保存和打印图片

在文件菜单中选择分块保存，可选择将大图切为多张小图保存；默认不会切分，保存格式为dh。在文件菜单中选择“分块打印”，可选择将大图平均切割为多行多列，系统会自动填补被切割后的标识区域，双击任何一部分可以单独设置其布局，保存后可应用到所有的分块图像，分割效果如图6所示；选择任意多块并点击“打印所选”，或者点击“全部打印”即进入打印预览。

4.1.4统计病害数据

设置比例尺之后，在统计菜单选择“单图统计”，可以将此图像中每种病害的面积汇总到表格中，点击右下角“导出EXCEL报表”，可以将数据导入到EXCEL中便于进一步统计。

在统计菜单选择“联合统计”，导入图片，将多张标好的图像（必须是本软件保存格式，后缀为dh）导入；如图7所示，在表格中显示多张图像中病害的面积和，同样可以导出Excel报表。

4.1.5出图

在文件菜单中选择“出图”，在右侧选择导入图片；可以在右侧调整纸张，每张纸上放置图片的行数和列数；在纸上可以拖动调节每张图片的位置和大小，这些调整将应用到所有的图片；选择将图片打印或者保存，出图界面如图8所示。

4.2时间对比

我们请敦煌研究院的相關工作人员为本系统做了测试，首次接触本系统，1—2个小时即可学会系统的操作，而要熟悉AutoCAD的操作需要约为期一周的培训。分别使用AutoCAD软件和本系统对相同的壁画图像进行标识，AutoCAD完成标识绘制和添加比例尺等需要约60分钟；本系统仅需要10分钟左右。其中自动完成病害区域填充，大大节省了标识的时间。

5. 结论

本文提出了古代壁画的病害标识系统，解决了现有工具专业针对性差、操作繁琐、学习周期长等问题，并根据实际需要，添加了分块打印等功能。对敦煌莫高窟壁画的标识操作验证，证明了本系统具有专业针对性强，操作简捷，学习周期短的优点。在以后的工作中我们会对系统的输入设备进行改进，如使用触屏或者手写设备，提高用户操作的便捷性，使病害标识系统操作更加简捷。

参考文献：

[1]樊锦诗.敦煌石窟保护与展示工作中的数字技术应用[J].敦煌研究，2009（6）.

[2]王小伟，柴勃隆，孙胜利.莫高窟壁画现状调查记录方法的思考[J].敦煌研究，2007（5）.

[3]国家文物局编.古代壁画病害与图示[M].北京：文物出版社，2008.

[4]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++GUI Qt4编程[M].闫锋欣，曾泉人，张志强，译.北京：电子工业出版社，2013.

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