敦煌壁畫色卡數(shù)字成像色彩管理應(yīng)用研究

梁金星，萬曉霞，孫志軍

(1． 武漢大學(xué)印刷與包裝系，湖北武漢 430079； 2． 敦煌研究院，甘肅酒泉 736200)

0 引 言

歷史文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)方法是當(dāng)前文物保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，敦煌壁畫作為我國珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，是我國古代文明的重要組成部分，蘊(yùn)含著我國古代的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)工藝發(fā)展等重要?dú)v史信息，承載著燦爛文明，傳承歷史文化，是研究我國古代人文學(xué)、社會(huì)學(xué)、美學(xué)以及自然科學(xué)的珍貴資源，有效地挖掘壁畫文物所蘊(yùn)含的歷史、文化和科學(xué)價(jià)值，亦將發(fā)揮其公共文化服務(wù)和社會(huì)教育功能。

自20世紀(jì)90年代初，敦煌壁畫的數(shù)字化保護(hù)成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)關(guān)注方向，其中“數(shù)字敦煌”項(xiàng)目的開展取得了可觀的研究成果[1，2]。數(shù)字化的敦煌壁畫不僅可以通過可視化手段顯示于各種移動(dòng)終端，滿足人民精神文明追求的需要，同時(shí)又可以減緩壁畫病害的發(fā)展，為壁畫保護(hù)工作贏得時(shí)間。目前，敦煌壁畫數(shù)字化保護(hù)主要采用數(shù)碼相機(jī)設(shè)備對(duì)其色彩信息進(jìn)行記錄，然后通過后期拼接和顏色校正等處理，結(jié)合三維建模等相關(guān)技術(shù)[3]，完成各個(gè)洞窟壁畫內(nèi)容的數(shù)字化重構(gòu)。在當(dāng)前壁畫數(shù)字化采集工作中，由于以下幾個(gè)客觀因素的存在，導(dǎo)致數(shù)碼相機(jī)記錄的壁畫顏色與真實(shí)壁畫顏色之間產(chǎn)生偏差問題：1)不同類型數(shù)碼相機(jī)記錄顏色屬性不同，可記錄的顏色范圍存在固有差異；2)同一數(shù)碼相機(jī)受自身參數(shù)可多樣化設(shè)定的影響，記錄同一幅壁畫顏色存在偏差；3)同一數(shù)碼相機(jī)受照明光源(光源色溫)變化的影響，記錄同一幅壁畫顏色存在偏差；4)數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用的RGB顏色空間為非均勻顏色空間，且不同類型RGB顏色空間記錄和再現(xiàn)顏色的范圍(色域)存在固有差異。

對(duì)于壁畫顏色采集不準(zhǔn)問題，有效的顏色校正方法是通過色彩管理軟件和色卡，為數(shù)碼相機(jī)創(chuàng)建顏色校正特性文件(ICC特性文件)，利用ICC特性文件對(duì)偏色圖像進(jìn)行色彩校正。在利用色彩管理軟件和色卡創(chuàng)建特性文件時(shí)，色彩管理軟件是以色卡所有色塊的色度數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)，以全局最優(yōu)的方式創(chuàng)建顏色校正特性文件，使得色卡所有色塊經(jīng)校正后的顏色偏差最小。因此，色卡與被拍攝對(duì)象的顏色特征(如色域大小和色度值分布)的相關(guān)性或一致性，直接決定ICC特性文件應(yīng)用于偏色圖像色彩校正的準(zhǔn)確性[4]。當(dāng)前敦煌壁畫圖像的顏色校正過程工作中，采用國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)色卡為數(shù)碼相機(jī)創(chuàng)建ICC特性文件，對(duì)各種拍攝條件下的壁畫圖像進(jìn)行顏色校正。這些標(biāo)準(zhǔn)色卡均是用啞光油漆或涂料模擬自然界典型物體的光譜曲線制作而成[5]，對(duì)自然界典型物體顏色具有較好代表性。但對(duì)物質(zhì)基礎(chǔ)和創(chuàng)作技法完全不同的敦煌壁畫而言，不管是在色彩范圍還是在色度分布方面，標(biāo)準(zhǔn)色卡與敦煌壁畫的顏色特性都存在一定差異。因此，在實(shí)際的顏色校正工作中，標(biāo)準(zhǔn)色卡對(duì)敦煌壁畫顏色的校正效果不如自主研制敦煌壁畫色卡效果好，這一點(diǎn)已經(jīng)在前期的研究中得到初步證明[6]。

但前期的研究主要基于敦煌壁畫模擬樣本開展，并未將自主研制的敦煌壁畫色卡用于實(shí)際的敦煌壁畫色彩管理之中，本研究以敦煌壁畫高保真藝術(shù)復(fù)制品為具體研究對(duì)象，應(yīng)用自主研制的敦煌壁畫色卡對(duì)三幅敦煌壁畫高保真復(fù)制品在不同拍攝偏色設(shè)定條件下，進(jìn)行圖像顏色的校正處理，并通過主觀實(shí)驗(yàn)與Macbeth Color Checker的顏色校正效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)自主研制的敦煌壁畫色卡進(jìn)行了更進(jìn)一步的評(píng)價(jià)研究。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

研究使用的主要設(shè)備有：型號(hào)為EOS 600D的佳能數(shù)碼照相機(jī)，分辨率為1 800萬像素，配備EF-S 18-200 mm變焦鏡頭，固定數(shù)碼相機(jī)用三腳架；博物館展陳照明專用光源及日光燈光源，其中展陳照明光源使用Philips鹵素?zé)?，色溫? 000 K，顯色指數(shù)為82，日光燈光源使用Philips直管形熒光燈，色溫為6 500 K，顯示指數(shù)為85；Philips Hue智能LED可控光源及配套軟件Hue Lights，可控色溫在2 000～6 500 K范圍，照度可調(diào)，利用PR705配合標(biāo)準(zhǔn)白板，在暗室中測(cè)量得到2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K五種色溫下的相對(duì)光譜功率分布如圖1所示，計(jì)算得到相應(yīng)的顯示指數(shù)分別為91、89、84、81和79；自主研制敦煌壁畫色卡；國際通用數(shù)碼相機(jī)色彩管理標(biāo)準(zhǔn)色卡Macbeth ColorChecker；愛色麗SpectroEye分光光度計(jì)；Profile Maker 5.0 Application色彩管理軟件；愛色麗Eyeone色彩管理設(shè)備；Adobe Photoshop CS5圖像處理軟件；藝卓Eizo CG223W專業(yè)顯示器。

1．2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為三幅敦煌壁畫高保真復(fù)制藝術(shù)品。用于對(duì)比自主研制敦煌壁畫色卡和標(biāo)準(zhǔn)色卡Color Checker的高保真敦煌壁畫復(fù)制品為敦煌莫高窟第390窟隋代藻井圖案，如圖2a所示。藻井正中畫重瓣大蓮花，周圍盤莖上綴有十二朵小蓮花?；ㄐ幕蛩慕敲枥L了蓮花的形象，造型寫實(shí)且充滿變化。圖2a藻井圖片使用佳能600D數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)檔拍攝，光圈f/5，曝光時(shí)間1/60 s，拍攝距離約2.2 m，采用博物館頂棚漫反射展陳光源均勻照明。

此外，研究利用自主研制敦煌壁畫色卡對(duì)敦煌壁畫唐代第329窟西披的“夜半逾城”和“乘象入胎”圖像，以及莫高窟元代第3窟北壁的千手千眼觀音圖像偏色校正進(jìn)行了相關(guān)研究。329窟西披圖像和元3窟千手千眼觀音高保真復(fù)制品拍攝圖像見圖2b和圖2c，均采用佳能600D數(shù)碼相機(jī)拍攝，拍攝條件均為自動(dòng)檔，其中329窟圖案拍攝光圈和曝光時(shí)間分別為f/5和1/100 s，采用博物館頂棚燈漫反射展陳光源均勻照明，拍攝距離為2.2 m；元3窟北壁圖案采用兩個(gè)Philips Hue智能LED可控光源45°對(duì)稱照明，照明距離為2 m，拍攝距離為2.2 m，控制LED光源照度為36Lux，色溫為6 500 K，自動(dòng)曝光的光圈和時(shí)間分別為f/5和1/20 s。

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

1．3．1偏色及多色溫LED照明圖像采集 為直觀對(duì)比自主研制的敦煌壁畫色卡和標(biāo)準(zhǔn)色卡Color Checker對(duì)各種偏色條件下的顏色校正效果，將數(shù)碼相機(jī)調(diào)整到手動(dòng)檔拍攝模式，使用同一白平衡設(shè)置，手動(dòng)調(diào)整拍攝圖像的色度偏移值。在各個(gè)設(shè)定的圖像色度偏移值條件下分別拍攝包含色卡和不包含色卡的圖像，完成實(shí)驗(yàn)研究所用偏色圖像的采集。利用光源控制軟件Hue Lights將LED調(diào)節(jié)至不同色溫照明條件，均勻照射拍攝畫面，完成LED不同色溫照明條件下包含敦煌壁畫色卡和不包含敦煌壁畫色卡的圖像的采集。對(duì)自主研制敦煌壁畫色卡在不同色溫照明條件下色彩管理的效果進(jìn)行研究；同時(shí)，拍攝LED光源在特定色溫條件下的偏色圖像，研究自主研制敦煌壁畫色卡在對(duì)應(yīng)條件下的色彩管理效果。

1．3．2數(shù)碼相機(jī)特性文件制作 首先利用愛色麗SpectroEye分光光度計(jì)分別測(cè)量自主研制敦煌壁畫色卡和標(biāo)準(zhǔn)色卡的光譜反射率數(shù)據(jù)。作為制作特性文件的參考標(biāo)準(zhǔn)，按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入到ProfileMaker 5.0 Application色彩管理軟件安裝文件的對(duì)應(yīng)參考文件夾目錄下。

對(duì)佳能600D拍攝得到的RAW格式圖片不做任何調(diào)整處理，保存為無壓縮TIFF格式圖像，在Adobe Photoshop CS5圖像處理軟件中打開保存的TIFF格式圖像，截取圖像中色卡的有效區(qū)域，將色卡圖片保存為TIFF格式。

最后打開ProfileMaker 5.0 Application色彩管理軟件，選擇“CAMERA”功能項(xiàng)，在參考數(shù)據(jù)框中選擇測(cè)量導(dǎo)入的參考文件。在照相測(cè)試色靶選項(xiàng)框中選擇保存的色卡圖片，設(shè)定特性文件的意圖為通用“General Purpose”，參考拍攝的RAW格式圖像，選擇與拍攝環(huán)境光源色溫最為接近的計(jì)算光源，計(jì)算得到數(shù)碼相機(jī)的特性文件。

1．3．3主觀評(píng)價(jià) 首先利用色彩管理設(shè)備Eyeone和色彩管理軟件ProfileMaker 5.0 Application按照校正規(guī)范對(duì)藝卓顯示器進(jìn)行校正，使之達(dá)到最佳工作狀態(tài)。將屏幕背景設(shè)定為25%中性灰，將經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)色卡和自制色卡校正后的壁畫圖像并列排放，用于圖像顏色校正效果的主觀評(píng)價(jià)比較。實(shí)際主觀評(píng)價(jià)過程中，選取20名有顏色知識(shí)背景的研究生作為觀察者，其中男、女各10名。20名觀察者首先在日光燈照明條件下觀察壁畫高保真復(fù)制品圖案約30 min，形成對(duì)圖案色彩的整體記憶，然后在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行3 min暗適應(yīng)。最后在同一觀察條件下，觀察兩個(gè)經(jīng)色彩管理之后圖案的色彩與記憶色彩的整體視覺感知一致性，對(duì)一致性做出判斷，給出評(píng)分，其中評(píng)分規(guī)則為7個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)0～6分，具體評(píng)分規(guī)則如表1所示。根據(jù)主觀評(píng)分整體情況，取各實(shí)驗(yàn)對(duì)象的平均分。根據(jù)總體平均分對(duì)色彩管理效果進(jìn)行最終比較和評(píng)價(jià)，總體平均分越高對(duì)應(yīng)色彩管理效果越好。

表1 主觀視覺評(píng)分等級(jí)及評(píng)分規(guī)則

2 結(jié)果與討論

2．1 敦煌壁畫色卡與標(biāo)準(zhǔn)色卡比較

研究首先對(duì)比自主研制敦煌壁畫色卡與標(biāo)準(zhǔn)色卡ColorChecker的實(shí)際色彩管理效果。以圖2a敦煌莫高窟390庫藻井高保真復(fù)制作品為研究對(duì)象，利用佳能600D數(shù)碼相機(jī)分別拍攝藻井圖案在不同偏色設(shè)置條件下的圖像，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖和實(shí)驗(yàn)幾何條件示意圖分別如圖3a和圖3b所示。其中，數(shù)碼相機(jī)設(shè)定為手動(dòng)檔、自動(dòng)白平衡，固定相機(jī)光圈和快門分別為f/5.6和1/40 s，ISO設(shè)定值為1 600。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，分別設(shè)定數(shù)碼相機(jī)偏色參數(shù)為A3G3、G3B3、B3M3、A3M3、A6G6、G6B6、B6M6、A6M6共8組偏色校正對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在上述偏色設(shè)定參數(shù)中，A代表琥珀色，G代表綠色、B代表藍(lán)色、M代表品紅。如果將偏色參數(shù)設(shè)定為A3M3，則實(shí)際拍攝圖片顏色略偏向A和M方向。若偏色參數(shù)設(shè)定為如圖4a所示的A6M6，則拍攝圖片更加偏向A和M方向。按照上述原理，在每組實(shí)驗(yàn)條件下，分別拍攝不包含色卡的壁畫復(fù)制品圖像、包含敦煌壁畫色卡的壁畫復(fù)制品圖像和包含標(biāo)準(zhǔn)色卡ColorChecker的壁畫復(fù)制品圖像，以A6M6偏色設(shè)定條件為例，拍攝的色偏圖像如圖4b、圖4c、圖4d所示。

在完成自主研制敦煌壁畫色卡及標(biāo)準(zhǔn)色卡色偏圖像拍攝之后，研究首先對(duì)兩種色卡在白平衡校正方面的效果進(jìn)行了對(duì)比。利用Adobe Photoshop CS5圖像處理軟件分別打開包含兩種色卡的RAW格式的偏色圖片，如圖5a和圖5b所示。然后在白平衡選擇框中選擇自定義白平衡選項(xiàng)，選中自定義白平衡吸管工具，利用吸管工具分別提取ColorChecker標(biāo)準(zhǔn)色卡和自主研制敦煌壁畫色卡灰梯尺的第二個(gè)色塊響應(yīng)值，完成自定義白平衡校正。白平衡校正效果如圖5c和圖5d所示。由圖5顯示的結(jié)果可知，自主研制的敦煌壁畫色卡和標(biāo)準(zhǔn)色卡ColorChecker均能較好地對(duì)偏色圖像進(jìn)行白平衡校正。從主觀視覺評(píng)價(jià)角度均難以區(qū)分兩種色卡白平衡效果的差異。由此可知，自主研制的敦煌壁畫色卡灰梯尺的準(zhǔn)確性已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)色卡灰梯尺應(yīng)用水平。

在完成白平衡校正對(duì)比之后，按照上述特性文件制作方法，在每種偏色設(shè)定條件下，利用Profile Maker 5.0 Application分別制作兩個(gè)色卡的相應(yīng)數(shù)碼相機(jī)色彩管理特性文件。將特性文件保存至Adobe Photoshop CS5可以調(diào)用的目錄文件夾中。在特性文件生成過程中，依據(jù)自動(dòng)檢測(cè)的博物館光源照明色溫，選擇D50標(biāo)準(zhǔn)光源作為計(jì)算光源，使用自然白平衡條件進(jìn)行計(jì)算。

完成特性文件制作之后，利用Adobe Photoshop CS5打開偏色圖像，在“編輯”工具中選擇“制定配置文件”選項(xiàng)，選擇上述計(jì)算得到的色彩管理ICC特性文件，為偏色圖像配置相應(yīng)偏色設(shè)定條件下的色彩校正文件，進(jìn)行偏色圖像的整體色彩校正。將經(jīng)過特性文件校正的偏色圖像進(jìn)行保存，在校正過的藝卓專業(yè)顯示器屏幕上等尺寸顯示校正后的圖像與參考圖像。按照上述主觀評(píng)價(jià)方法，對(duì)兩種色卡的色彩管理結(jié)果進(jìn)行主觀顏色視覺感知一致性評(píng)價(jià)對(duì)比。以A6M6的偏色圖像的色彩管理為例，兩種色卡校正效果圖像以及主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖6所示。

針對(duì)圖6中偏色圖像的色彩管理效果，從主觀視覺顏色感知方面而言，采用ColorChecker色卡的校正圖像整體仍略偏品紅色。采用敦煌壁畫色卡的校正圖像中的顏色較為正常，且圖像中藍(lán)色和綠色顏色的校正效果整體優(yōu)于ColorChecker的校正效果。采用ColorChecker與敦煌壁畫色卡校正后的圖像亮度上存在明顯差異，敦煌壁畫色卡校正后的圖像亮度略高于ColorChecker色卡校正后的圖像，由上述分析知，兩種色卡對(duì)于敦煌壁畫圖像的色彩管理效果存在一定程度的差異。為量化對(duì)比表達(dá)兩種色卡的色彩管理效果與原作顏色視覺感知的一致性，表2給出了8組偏色圖像色彩管理效果主觀評(píng)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由表2中的結(jié)果可知，針對(duì)8組偏色圖像色彩管理效果而言，采用敦煌壁畫色卡色彩管理效果主觀評(píng)價(jià)的平均值均高于ColorChecker色卡，且敦煌壁畫色卡主觀評(píng)分中有5組最大評(píng)分都達(dá)到了6分。由此可知，采用敦煌壁畫色卡進(jìn)行色彩管理的整體效果優(yōu)于ColorChecker標(biāo)準(zhǔn)色卡。

表2 偏色圖像色彩管理效果主觀評(píng)分的統(tǒng)計(jì)

2．2 敦煌壁畫色卡用于329窟壁畫圖案色彩管理

采用佳能600D數(shù)碼相機(jī)分別拍攝包含敦煌壁畫色卡和不包含敦煌壁畫色卡的偏色圖像。按照上述研究方法，對(duì)329窟西披壁畫高保真復(fù)制品進(jìn)行色彩管理研究，拍攝的色偏圖像分為A6G6、G6B6、B6M6和A6M6共四組。圖7給出了A6M6偏色圖像的白平衡校正和顏色校正對(duì)比結(jié)果。

由圖7中白平衡和顏色校正結(jié)果可知，敦煌壁畫色卡能夠較好地對(duì)329窟西披的“夜半逾城”和“乘象入胎”圖案顏色進(jìn)行校正。四組偏色圖像顏色校正主觀評(píng)價(jià)的平均分分別達(dá)到4.61(A6G6)、4.63(G6B6)、4.69(B6M6)和4.66(A6M6)。

2．3 敦煌壁畫色卡用于LED照明色彩管理

此外，為研究自主研制敦煌壁畫色卡對(duì)多種照明光源的色彩管理適用性，本部分將自主研制的敦煌壁畫色卡用于可控智能LED照明色彩管理。對(duì)不同LED照明色溫條件下拍攝的圖像進(jìn)行顏色校正處理，并對(duì)特定色溫條件下的偏色圖像進(jìn)行了色彩管理研究，研究對(duì)象為圖1c所示敦煌莫高窟第3窟北壁千手千眼觀音圖案。按照內(nèi)容1．2中所述的LED光源照明和拍攝條件，首先利用佳能600D數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)檔拍攝了2 500 K、3 000 K、3 500 K、4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K和6 500 K九組不同色溫條件下的千手千眼觀音圖像。圖8為LED光源色溫在2 500 K、3 500 K、4 500 K、5 500 K和6 500 K下的圖像及白平衡校正圖像。

由圖8中的不同照明色溫條件下，千手千眼觀音圖像及對(duì)應(yīng)白平衡校正效果可知，對(duì)于任意色溫條件下拍攝的圖像，使用自主研制的敦煌壁畫色卡均能很好完成白平衡校正。仔細(xì)對(duì)比在五種色溫條件下的白平衡校正圖像可知，采用敦煌壁畫色卡進(jìn)行白平衡處理的圖像之間看不出任何顏色方面的差異。由此可以證明敦煌壁畫色卡在敦煌壁畫色彩管理應(yīng)用具有較好的穩(wěn)定性。除此之外，研究對(duì)LED光源色溫為5 000 K條件下的偏色圖像色彩管理效果進(jìn)行了測(cè)試，5 000 K色溫條件下拍攝的A6G6、G6B6、B6M6、A6M6如圖9a、9b、9c、9d所示，對(duì)應(yīng)色彩管理圖像圖9e、9f、9g、9h所示。

由圖9所示4種不同色偏圖像的色彩管理實(shí)際效果可知，無論拍攝的敦煌壁畫顏色偏向顏色空間的任何方向，都能通過敦煌壁畫色卡對(duì)其顏色進(jìn)行準(zhǔn)確校正，獲得其真實(shí)正確的色彩。證明敦煌壁畫色卡可對(duì)于任意的色偏條件下的敦煌壁畫偏色圖像進(jìn)行準(zhǔn)確校正。

3 結(jié) 論

本研究以高保真敦煌壁畫文物藝術(shù)復(fù)制品為對(duì)象，利用數(shù)碼相機(jī)和專業(yè)色彩管理設(shè)備，對(duì)自主研制的敦煌壁畫色卡的適用性進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果表明，自主研制的敦煌壁畫色卡對(duì)敦煌壁畫數(shù)字成像色彩管理的效果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)色卡Macbeth Color Checker， 可對(duì)于任意偏色及任意照明色溫條件下的偏色圖像進(jìn)行準(zhǔn)確校正。上述研究結(jié)果表明，自主研制的敦煌壁畫色卡在敦煌壁畫數(shù)字化保護(hù)圖像高保真采集工作中具有較好的應(yīng)用前景，可為敦煌壁畫的藝術(shù)品的色彩高保真采集、復(fù)制以及數(shù)字化傳播提供有力的技術(shù)支持。