基于图像分析的古代壁画病害演变监测技术的研究

A lot of ancient frescoes, the most precious culture heritage have been leaved behind for us. Whether they are in the caves, graves or in the ancient temples, they are all facing the serious problem how to postpone their life and how to monitor and protect them, due to the long history, frangibility of painting material and the impacts from the environment and human actions. To the question of lack of the methods of monitoring directly fresco disease evolvement without any touch and damage, though the methods for monitoring the environment have been affluent in culture heritage places, this applying project will implement the following researches. Based on the analysis of the exhibited image characters of different fresco diseases in different periods, try to explore the monitoring techniques of ancient fresco disease evolvement and the quantificational analysis methods of disease evolvement degree by comparing images and analyzing difference in microgram. Based on the image character extraction, segmentation and compare, research for the support techniques of precise image sampling and camera re-location, in order to insure the credible monitoring and accurate measurement. The research for the integrated analysis technology of large area fresco disease evolvement is also included, in order to achieve the disease evaluation of any fresco or a group of frescos.

祖先为我们留下了一批弥足珍贵的文化遗产-古代壁画，它们无论是保存在洞窟、墓穴中还是在古寺庙中，由于历史源长、绘制材料的脆弱性，再加上环境条件和人为的影响，均面临着如何减缓其衰败、实施有效监管和保护的难题。该申请项目针对当前各文化遗产地虽环境监测手段丰富，但直接监测壁画本身的病害演变的无损非接触的手段尚属空白的问题开展研究。力图在对古壁画不同类型病害和不同演变时期的表观形貌图像特征进行分析的基础上，在超越人眼识别局限的相对微观层面上探索基于图像比对和差异分析的古壁画病害演变的监测技术和病害演变程度的定量分析方法与标准。为了保障监测和度量的可靠、准确，研究基于图像特征提取、分割、比对的图像精准获取与自反馈重定位的支撑技术；为能实现对病害区域、 整幅壁画、壁画群的病害演变的情况给出监测与评估的结果，对于大面积病害区域的病害演变的宏观层面上的综合分析的技术的研究也将包括在该项目的工作中。

分布在洞窟、墓穴或古寺庙中具有数千年历史的古代壁画是我国最重要的文化遗产，但由于其历史悠久、绘制材料的脆弱性,再加上环境条件和人为的影响,均面临着如何减缓其衰败、实施有效监管和保护的难题。多年来人们为保护古壁画，遏制它的劣化进度，采用大量的现代科技手段作为支撑，对其赋存环境进行各种参数的监控，对其衰变原理进行模拟仿真的研究。然而，对壁画本体由于受到不能碰触的限制，尚无法获取其本身表面病害演变，尤其在短时间内发生的肉眼无法识别的极微小的变化的信息，周围环境的信息再充分但无法将其对壁画本体病害的影响建立联系，无法为预防性保护提供情报，无法为壁画病害的产生、发展、变化机理的研究提供依据。该项研究以图像特征提取、分割、比对分析为手段所提出的精准图像重复获取与自反馈重定位技术和所研制出的相机精准重定位平台系统突破了这一难点和填补了这项空白，不仅将壁画本体病害演变和环境的影响构成了一个闭环的完整关系链，为预防性保护提供了决策的依据，为病害演变机理的研究奠定了基础。该项研究基于稀疏编码和随机场理论并借助机器学习的方法而取得的典型病害图像局部区域特征提取、表示和相似性度量技术，满足了不同类型病害劣化程度的识别、区域的标识、宏观区域病害量化统计分析等需求。该项目进行的过程中所完成的针对典型病害特征所遴选的洞窟和监测点的三次（年周期）大规模数据采集和分析，不仅验证了该项研究的最突出的成果－图像精准重复获取系统的有效性，为预防性保护的实施奠定了本体变化及时发现和精确度量方面的技术基础。此外，还对敦煌莫高窟壁画病害的现状、演变、风险预控、保护管理等等提供了足够的信息预档案资料。该项目的研究成果还在室外古遗址监测与壁画修复后的评估等应用上进行了尝试，也取得了很好的效果。发表相关论文14篇，申请或授权专利9项，软件著作权5项。