敦煌莫高窟狭小空间内立体面摄影采集与图像处理
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内容摘要：随着“数字敦煌”的实施和推进，图像数字技术飞速发展，洞窟图像数字信息完整性进一步拓展。第254窟的狭小空间制约了立体面摄影采集，依据摄影数字技术和积累的经验，采用焦点堆栈技术有效解决了部分立体面摄影采集景深问题。焦点堆栈所采集的图像数据拼接完成后，需结合定位测量技术进行定位与纠正，最终实现符合数字敦煌档案的高品质数字图像。
关键词：敦煌石窟；数字化；立体面；摄影采集；焦点堆栈
中图分类号：TP391.9；K870.6 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2012）06-0108-05
1 引 言
莫高窟第254窟开凿于北魏时期465—500年之间，是一个中心塔柱窟，其形式特征是在一个纵向矩形空间轴线偏后部分建造一方形塔柱，绕柱有通道，塔柱四面开有佛龛、塑佛及菩萨数身。柱前宽敞的前堂顶部是人字披形式，披面上有浮塑的横梁和椽子[1]。南壁和北壁上部各开五个佛龛，龛内均有彩塑。第254窟形制复杂，整体保存完整，壁画总面积243平方米。在获取高精度壁画数字图像的同时，为了全方位推动“数字敦煌”进程，进一步完善洞窟图像数字信息，采用焦点堆栈技术和平行移动摄影采集，有效解决了狭小空间内立体面摄影采集景深问题。以第254窟数字化为例，对狭小空间内立体面进行了数字化摄影采集。
2 第254窟立体面摄影采集
洞窟内共有17个佛龛，4个阙形龛，13个圆券龛。佛龛形制、装饰形式、大小、高低和纵深各异（图1）。
针对该窟立体面起伏变化突出的问题、拍摄空间狭小的局限，为理想的布光和色彩还原、降低人为因素造成图像畸变，以取得高品质影像数据的完整性，我们借鉴现阶段石窟壁画数字化摄影采集技术，针对狭小空间内立体面的特点，调整和改进数字化摄影采集方法，从而获取了狭小空间内立体面的有效图像数据。现以中心柱南向面的佛龛及龛沿立体面摄影采集为例，阐述狭小空间内立体面摄影采集具体步骤和图像拼接处理所面临的难点。
2.1运用焦点堆栈技术拍摄佛龛立体面
（1）摄影采集设备及各项参数
相机：佳能Eos-1DsMarkⅢ，镜头：佳能EF50mmf/1.2USM，像素数：5616×3744，感光度：ISO100，白平衡：测试值手动设置或闪光灯模式，光圈：f/16，图像文件格式：Raw，色彩空间：AdobeRGB，相机锐化：无，拍摄风格：标准，灯光：ElinchromFreeLite频率闪光灯和自定义反射柔光箱，摄影采集分辨率：300dpi/英寸，摄距：67厘米。
（2）景深与焦点堆栈技术
景深（depthoffield）是指在拍摄主体（对焦点）前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。图像景深的大小取决于使用的镜头、设定的光圈值及传感器与被摄体的距离的大小，根据主要因素对景深的影响，可通过景深计算公式计算景深范围（图2）。如：摄距：67厘米，光圈：f/16，弥散圆直径：0.035毫米，在景深计算器中填入相关数据，计算出在此条件下的景深，前景深是8.74厘米，后景深是11.83厘米，清晰范围是58.26-78.83厘米，景深是20.57厘米，得出结论是景深很浅。
石窟数字化摄影采集中的立体面景深，受拍摄空间和图像采集精度的限制，景深相对减弱。镜头焦距和摄距可调控景深非常有限，缩小光圈值可增加景深，但为了达到景深问题而盲目缩小光圈值，会造成数字图像品质下降。因为当光圈值太小时，衍射现象就会出现，反而降低图像的反差和细节再现能力，影响高品质数字化图像采集。解决狭小空间内立体面摄影采集的景深问题，是当前急需攻克的数字技术难点。随着壁画数字化经验的积累和数字化技术的发展，狭小空间内立体面数字化采用了焦点堆栈技术，焦点堆栈技术有效解决了狭小空间内立体面景深问题。焦点堆栈技术是一个宏观的摄影技术，摄影师针对不同景深的对象，拍摄多幅图片，将品质好的图像运用图像处理软件进行堆叠拼接，获得一个清晰的大景深。
（3）焦点堆栈技术的具体运用
佛龛立体面摄影采集要点：①摄影架安装要与佛龛所在的壁面平行，相机焦平面要与被摄立体面平行。②立体面摄影采集顺序为自下而上，自左而右”，以拍摄立体面的左下角为坐标原点，建立拍摄坐标系，以原点为拍摄起点，X轴方向为拍摄方向，拍摄第一行row01，然后拍摄第二行row02……（图版35），最终完成立体面的拍摄。③同一取景范围不同立体面上选取焦点，要确保每个立体面的景深。④同一取景范围的相同立体面应减少重复选取焦点，以免造成拼接处理工作量的增加。⑤1、2、3、4、5、6……标识为选取的拍摄焦点（图版36），拍摄焦点的选取依图像景深大小而定，立体面变化较大时可增加拍摄焦点。由于考虑到图像形变较大，图像边缘质量衰减，景深问题等诸多因素，因此在拍摄之前应考虑图像拼接时可能变形较大，应将相邻两张图片的重合度适当控制在60%—70%之间，为图像处理预留更多的空间。⑥拍摄空间限制和数码相机架设在反光箱内，造成无法对佛龛立体面局部进行实时观测拍摄。为了便于焦点堆栈技术的实施，采用了数码相机和计算机联机拍摄，在计算机上实现了实时监控和实时手动对焦，使焦点堆栈的焦点更精确，避免摄影采集产生失焦区域。联机实时取景选取合适涵盖位置和相邻两张图像重合度，使得相邻图像的重合部分更合理。
（4）立体面摄影采集的光源
光源采用重复精度高的数码闪光系统，与组装灵活的自制反光箱组合，在使用过程中不断改进和完善，符合现阶段数字化高品质图像摄影采集。由于第254窟遭受烟熏，灰尘比较多，部分立体面反光等，针对整体洞窟和立体面局部的特点，依据佛龛立体面对光源的特殊需求，在现场拍摄中根据具体情况做出相应调整。立体面布光原则：首先，摄影采集的光线要从图像处理的角度考虑。其次，拍摄与立体面同等条件充满镜头区域的灰板，检查灰板图片四周1/8处的RGB值相差不大于10，就表明单张图像光线是均匀的。拍摄时相机每升高一层，相邻两层之间的图像光线RGB值不大于10，表明符合图像处理布光标准。第三，要符合、兼顾平面和立体面布光效果。第四，根据立体面拍摄反光的特性，确定全幅立体面的最佳曝光。第五，独立设计的反光箱，据有灵活的可操控性。根据立体面凹凸不平的布光要求，可调整反光箱的上、下、左、右的反光板，分别满足多个立体面对拍摄光线的具体要求（图3）。摄影采集光线运用总的要求和目的是：平面壁画布光要达到布光均匀，更好体现图像的细节，层次和质感，降低壁画信息量丢失；立体面布光要根据被摄体的特点，使细部纹理、影调过渡、明暗对比、色彩还原准确等均达到图像数据采集要求。
（5）立体面摄影采集中色彩控制
由于摄影采集的立体面趋于窟内实际条件制约，空间干扰和色彩环境相互影响，难以准确辨别壁画的真实色彩，基于以上情况，所以在往常的数字化信息采集过程中必须严格按照科学的技术手段，参照准确的数字化信息数据，对于获得色彩逼真的数字影像显得尤为重要。在复杂多变的窟内采集中，得到准确的色温值，必须借助色温表和标准色卡，为图像拼接处理转换Raw文件提供一个准确的色温依据[2]。因此，色彩管理对色卡拍摄环节至关重要，改变摄影采集相关因素，例如被摄体、光圈、光源、镜头等，必须拍摄一张曝光准确的标准色卡。狭小空间内拍摄色卡，尽可能降低和排除环境色对色卡的干扰，拍摄光线要柔和均匀，拍摄的色卡曝光准确无反光。现阶段所采用的色卡是爱色丽Digital SG 140色。摄影采集的色卡RGB值要求是相同色块间RGB值误差不超过5，亮度、对比度要求全黑色块RGB值不超过15，全白色块RGB值不低于220[3]。基于狭小空间内的摄影采集受到多种因素限制时，色卡所显示RGB值不在规定的范围内，须在摄影记录表中加以说明，以便于图像的拼接纠正处理。
（6）立体面摄影采集中镜头的运用
在高精度数字图像获取的过程中，塔柱对拍摄空间的限制、佛龛立体面的不规则、镜头畸变等因素，制约了立体面摄影采集的准确性。石窟立体面的不规则和拍摄空间无法改变，只有通过镜头的合理选择和光圈最优使用，减少镜头光学原理造成的畸变、渐晕、图像边缘质量衰减。依据中心柱南向面佛龛拍摄空间（壁面与中心柱的最近距离为1.45米）、布光需求、300dpi/英寸分辨率、工作效率等因素，选择了佳能EF 50mmf/1.2 USM镜头。但是50mm镜头的畸变、渐晕、图像边缘质量衰减相对突出，如何降低镜头的畸变、渐晕、图像边缘质量衰减呢？镜头畸变采用photoshop CS5镜头球差校正功能，对50mm焦段镜头所采集的图像进行校正，较好地解决了镜头球差造成的影像畸变。50mm镜头渐晕和图像边缘质量衰减拼接处理采取措施，是将图像四周渐晕严重的部分和图像边缘质量衰减的部分裁切掉，目的是将图像质量较好的正中间部分用来拼接处理，获得高品质的数字图像。
2.2运用焦点堆栈技术拍摄中心柱龛沿
狭小空间内龛沿数字化摄影采集。首先，要处理好龛沿与其上、下部分衔接关系的拍摄。其次，根据龛沿整体不规整、凸凹不平等特点，严格执行摄影采集精度、景深标准、重合度的同时，尽可能降低造成采集图像畸变的人为因素。摄影采集龛沿与其上、下部衔接处的完整图像信息，是实现龛沿整体图像拼接处理的关键。
（1）龛沿与其上、下部分衔接处的图像采集
龛沿立体面严重凸凹不平和整体不规整，图像采集精度的合理确定受到影响。如何使整体图像采集精度达到300dpi/英寸和提高工作效率，关键在于拍摄距离的选择，拍摄距离应从相机焦平面到最远被摄体之间的距离，才能确保整体图像采集精度。龛沿整体上下起伏比较大，轨道上平行移动拍摄时，拍摄焦点需要及时调整，以防焦点偏移所拍摄的立体面。中心塔柱龛沿立体面分为三层拍摄（图版37），首先摄影采集B层。其次是摄影采集A、C层。通过B层确定拍摄距离、曝光、采集精度。龛沿边缘A、C层是立体面过渡部分，所采集的相邻图像之间会产生视差，图像拼接处理存在旋转、大小调整、形变等，因此要确保龛沿上、下部分有足够的图像数据，为图像校正处理提供更多的空间。
（2）龛沿下部立体面摄影采集
中心塔柱南相面龛沿下部的立体面长度为3.1米，宽度为0.2米，下部跨度为0.3米（图版38）。针对弧度大、跨度小的弧度立体面，采集方法上使用相机随立体面弧度旋转，旋转角度由立体面弧度、重合度、景深决定。弧度立体面具体拍摄方法：①确保图像采集精度的前提下，调整好相机位置，降低造成采集图像畸变的人为因素。②弧度立体面分层拍摄时，相机位置保持不变，调整相机角度要根据立体面弧度、重合度、景深变化而变化。③1、2、3、4……标识为拍摄焦点（图版39），确定好一层的拍摄位置后，要检查相邻两层图像之间产生的视差，进行现场图像拼接处理，符合图像拼接处理标准，方可进行下一层拍摄。④弧度立体面变化幅度比较大，相机在轨道平行移动拍摄，容易造成相机焦点、曝光、取景范围等发生变化，应及时调整摄影系统。⑤在实际工作中，类似第254窟立体面摄影采集的未预知困难还有很多，所以在现场检查拍摄期间摄影师与现场图像处理工作人员应做好密切配合。
3立体面图像拼接处理
3.1图像拼接中的色彩处理
曝光准确的标准色卡信息输入计算机后，通过彩条灰度三上吸取出现频率最高的数字信息值对每张图片进行色温色调的统一规范管理，使其最终还原于壁画真实的色彩信息（所拍摄的数据图像未对其进行相应的色彩统一管理，对于壁画数字化而言是没有任何意义的）。在摄影采集和预处理中首先必须利用专业色彩管理软件Eye-One对相机、洞窟相关工作站主机显示屏幕的Icc color profile文件进行制作，使所有仪器输出的色彩保持一致，为后期图像的真实再现提供基础（图版40）。
3.2图像拼接中的形变和图像边缘衰减处理
新版photoshop CS5中软件自带Lens Correction功能，选择Camera Make可将拍摄的相机型号，镜头以及相机自带拍摄匹配文件进行统一校正，将相机本身镜头畸变所带来的画面变形降到最低限度，致使所拍摄的原始图像严格客观忠实于图像本身。
减少所拍摄图像的镜头畸变来提高每幅图像的品质，也是为后期图像的拼接处理奠定基础（图4、5）。在图像色彩、细节内容、图像层次、清晰度等问题上，要减轻图像无必要的变形。为提高图像的拼接质量，摒弃图像品质不优的画面，我们会采取相应的技术手段通过对画面边缘不同位置，进行相应裁切，确保拼接完成后的图像达到后期图像处理的各项要求（图版41）。
3.3以佛像龛内立体面拼接为例
对立体面图像拼接预处理，现场检查记录人员应该明确，由于景深、焦距、镜头、立体面纵深范围等问题，造成所采集的数字图像对拼接处理的影响。画面当中所标明的1、2、3、4为画面拍摄所对应的焦点图像细节（图版42），进行图像拼接处理时，左面图像1 2 3 4。
为相机对焦框所拍摄到的清晰画面，红线框则表示在相机一定景深范围内所能拍到的清晰画面，未在相机景深范围红线之间的为虚化图像。在拼接时，首先，确定每幅图像重合度的位置，为了减少立体面拼接产生大量的形变，要适当加大相邻两张的重合度。其次，在1和2之间图像有相互重合度的基础上，选取两幅图像重合区域的明确位置，利用套索工具对其部分图像进行裁切，将画面当中虚化的图像裁去，焦点对应的清晰画面予以保留。图像3、4以此类推，遵循“先整体后局部，整体切入局部着手”的方法，应用PS自带的变形工具进行整体变换，局部调整，细部变形，用画笔工具调节图像的色彩、饱和度、光线明暗程度来使之完美地融合在一起，要做到细部过渡自然，整体忠实原貌。
通过对第254窟立体面的拼接处理，表明此种方法针对狭小空间内的立体面进行摄影采集、拼接处理是具有一定可行性的（图版43）。在面对狭小空间范围内作用于一定景深的立体面使之高质量、严要求地完成壁画数字化信息的采集和最终拼接是切实可行的。
4 结 论
莫高窟狭小空间内立体面数字化摄影采集，针对立体面采集景深、镜头畸变、图像边缘质量衰减、光源和色彩管理等，依据摄影数字技术和积累的经验，采用焦点堆栈技术解决了立体面摄影采集景深问题，实现了第254窟部分立体面数字化摄影采集。所采集的图像数据拼接完成后，需结合定位测量技术进行定位与纠正，最终实现符合数字敦煌档案的高品质数字图像。
参考文献：
[1]赵晓星.三位一体的莫高窟艺术[EB/OL].http：///00C4/index.htm.
[2]吴健，余生吉，俞天秀.莫高窟158窟雕塑数字化与艺术表现[J].敦煌研究，2009（6）.
[3]赵良.色彩管理在壁画数字化工作中的应用[J].敦煌研究，2008（6）.