龙门石窟彩绘色彩遗存的多模态信息采集与数字化考证

摘  要：龙门石窟历经千余年，洞窟中残存的彩绘色彩因风化、破坏和环境影响濒临消逝，传统的色彩记录方法难以同时获取形态、色泽、材质三类信息，造成彩绘遗存难以获得有效保护和研究。本文以多模态信息采集为切入点，通过三维激光扫描、高光谱成像、显微观察和色度测量等方法获取色彩遗存多维度信息，建立面向色彩遗存的立体化数字档案，进而运用多源数据融合、颜料光谱解混和色彩复原模拟等方法，提出“多模态数字化考证”的概念。本文以龙门石窟宾阳中洞、奉先寺等彩绘数据获取为例，初步验证多模态方法能够获取彩绘的色相、颜料组成和赋存状态信息，为石窟色彩的原真性保护、虚拟复原和历史视觉化研究提供依据。

　　关键词：龙门石窟；彩绘色彩；多模态信息采集；数字化考证；高光谱成像

　　问题的提出

　　龙门石窟现有窟龛2345个，其中很大一部分原先敷有彩绘。由于伊阙两岸皆为石灰岩，易渗水、温差变化剧烈，加之煤烟熏覆，彩绘层大面积脱落、褪色，剩余部分多呈斑驳状，肉眼已难辨其原本色彩。以往记录色彩多采用摄影和手绘色卡，不仅存在不同程度的失真，而且无法获取颜料厚度和病害等信息。如果只有单一的手段，彩绘遗存的辨色工作就难以深入，基于色彩的历史复原、传播、交互体验也缺乏科学依据。

　　近年来，随着三维扫描和高光谱成像技术日趋成熟，多模态信息采集逐渐成为不可移动文物记录的主流范式。所谓“多模态”，是在同一坐标系下，将空间形态、图像纹理、光谱特征、显微结构等不同模态的数据进行关联采集与融合，每个测量点同时拥有几何信息、RGB颜色、连续光谱及微观形貌，从而为后来的考证提供数字多面体。针对龙门石窟彩绘色彩遗存，本文尝试建立从采集、融合到考证的一套技术，并论证其在彩绘遗存研究中的内涵与价值。

　　多模态信息采集体系

　　☆空间形态模态：三维激光扫描

　　精准的空间框架是多模态数据配准的基础。使用脉冲式三维激光扫描仪对主要彩绘洞窟进行全息扫描，点间距均在1mm以内，获取高密度点云的同时，利用倾斜摄影获取洞窟岩壁的高清正射影像，生成带纹理的三维网格模型。通过特征点匹配和算法，不同站点的点云被统一到大地坐标系下，误差均在2mm以内。上述各模态获取的是彩绘遗存的宏观空间位置与表面起伏，可呈现裂隙、起甲、空鼓等病害的三维分布。

　　☆光谱模态：高光谱成像

　　人眼识别颜色是光源、物体、视觉系统共同作用的结果，普通相机获取的是经过物体反射的包含上述三者的光谱，RGB通道无法分辨同色异谱的颜料。高光谱成像获取每个像素等间隔的几十到上百个窄波段的光谱反射率曲线，相当于给文物采集了光谱指纹。龙门石窟现场，使用推扫式高光谱相机，在均匀日光或者标准光源下对彩绘区域进行扫描，获取高光谱数据立方体。为避免采集前环境光的干扰，采集时放置标准白板和色彩参考板，经过辐射定标和反射率校正，可以获取绝对反射率光谱，从而为颜料比对和虚拟色彩还原提供物理级数据。

　　☆微观材质模态：显微与便携荧光分析

　　对于无法用肉眼直接观察的叠层、颗粒等信息，使用便携式数码显微镜对彩绘表面进行序列拍摄，获取显微图像；使用便携式X射线荧光光谱仪进行无损元素分析，快速筛查颜料中的特定元素，并辅助光谱解混及颜料定性。显微图像和元素数据均通过控制点与主三维模型匹配，并进入多模态数据集。

　　☆色度模态：分光测色

　　对彩绘色彩进行定量描述，还需要与标准色度体系对接。使用便携式分光测色仪依空间测定残留颜料，并与标准色卡比对，获取色差。这样既可以如实描述色彩现状，还可以作为下一步复原时选择颜料和虚拟调配颜色的依据。

　　数字化考证的关键技术

　　多模态数据获取完成后，便进入数字化考证阶段。其目的是依据多模态数据复原彩绘壁画原来的色彩面貌，并对颜料种类、工艺、年代等进行推断。

　　☆高光谱颜料识别与解混

　　在石窟彩绘中，多种颜料混合使用的彩绘表面往往覆盖有尘土、烟熏或保护层，因此高光谱数据经大气校正、滤除噪声后，采用端元提取算法，并结合已知颜料光谱库，对颜色混合的高光谱数据进行线性解混，得到各像素不同颜料的丰度图。例如，宾阳中洞藻井高光谱红色区域解混结果显示，红色区域除朱砂外还存在大量富集在表层的铅丹，表明很可能是用铅丹罩染在朱砂上，这与元素分析中汞与铅共存高度契合，从而确定了“丹砂底、铅丹表”的施色工艺。

　　☆色彩复原模拟与考证

　　在获得表面的颜料种类和浓度之后，可利用颜料数据库模拟去除表面污染层后直接保留颜料本身的原始光谱，进而求得其标准光源下的渲染RGB，即可虚拟清洗，将复原色彩重映射回三维模型表面，即可生成不同历史时刻的可视化效果。这并不是凭空臆造，而是以实测光谱为约束的、一种可被验证的推测性复原。比如奉先寺卢舍那大佛红色袈裟区域，通过光谱解混和老化模拟，去除黑色烟熏和无机沉积物后，复原较为明丽的朱红基调是合理的，结合《大卢舍那像龛记》等可知妆銮时间，从而标定了该色彩最可能对应唐代开光。这样的考证将色彩史实和视觉再现融合，为多模态交互提供了可靠的美术依据。

　　☆病害与色彩关联分析

　　多模态数据将色彩数据与病害数据相关联。通过在三维模型上叠加高光谱特征波段诊断出的病害范围，分析病害与色彩遗存的空间关系，统计色彩与病害的关联概率。分析表明，蓝色颜料主要集中在青金石矿区，明显高于其他色区。类似的发现可为制定针对性保护措施提供依据，也是对色彩遗存“证色”的拓展。

　　应用实例：宾阳中洞藻井与奉先寺造像

　　☆宾阳中洞穹顶的多模态采集与考证

　　宾阳中洞为北魏宣武帝时期开凿，穹顶可能有早期彩绘痕迹。进行地面激光扫描，获取完整洞窟模型后，在可升降平台上安装高光谱相机和显微镜，对穹顶中心莲花及飞天残片进行贴近扫描。通过光谱解混发现，莲花瓣黄色区域的主要呈色物为天然雄黄、蓝色飞天飘带使用的是进口青金石，都是价格昂贵的颜料，表明了王室开窟的品级。通过显微观察发现，青金石颗粒棱角方正、纯净度高，未发现方解石杂质，可判断是来自阿富汗品质较高的矿料。以上内容均通过多模态数据一次性获取，并在同一个数字模型上综合呈现。

　　☆奉先寺色彩遗存的跨模态验证

　　奉先寺群像的色彩考证更具挑战性，因其露天状态受阳光直射，表面彩绘几乎全部脱落。通过对现存微量残点的多模态密集采集，尤其是高光谱成像在近红外波段捕捉到少数肉眼不可见的有机红色残留，结合原位分析检测到汞元素，最终确认了袈裟的朱砂底色。将该结论映射于高精度三维模型，并利用环境贴图模拟唐代光线与石窟环境，实现了卢舍那大佛初唐色彩的数字“唤醒”。该方法已被初步应用于数字化展览中，游客可通过增强现实设备交互观看复原色彩，形成“多模态交互体验”的雏形。

　　结论与展望

　　对龙门石窟彩绘色彩遗存，单一数字化已难以支撑考证、保护和传播。本文建立多模态信息采集体系，将空间形态、光谱、微观材质和色度信息纳入统一坐标系，赋予数字档案“全息”特征。基于这一方法，颜料识别、色彩复原与工艺推断皆可追溯验证，颠覆惯常主观臆断。未来，多光谱成像向长波红外扩展，深度学习光谱解混与老化模型应用，将大幅提升考证精度与效率。考证色彩数据导入视觉系统，支撑裸眼三维与混合现实多模态交互，让公众在复原色彩中重识龙门辉煌。

文章来源：《大河美术报》https://www.zzqklm.com/w/qk/35647.html