作者：付心仪 李岩 孙志军 杜鹃 王凤平 徐迎庆
来源：《敦煌研究》2021年第01期
內容摘要：烟熏病害是敦煌壁画的典型病害之一，具有颜破坏大、修复难度高、相关研究少等难点，实体修复对烟熏病害尚没有有效的复原手段。针对敦煌壁画所面临的烟熏病害，以莫高窟第156窟北壁烟熏壁画作为典型研究对象，从数字化复原和物理化学分析的角度出发，利用两次烟熏模拟实验，探究了颜料在烟熏条件下产生的变化规律，收集
了颜在烟熏过程中变化的数据集，提出了基于机器学习的烟熏壁画数字化复原方法。本研究创新性地采用了基于模拟实验的数字化彩复原研究方法，取得了珍贵的烟熏壁画数据样本，相关数字化研究成果可以应用在烟熏类壁画的数字化彩复原中，将烟熏前的颜展现给社会大众。
关键词：烟熏壁画;数字化复原;机器学习;物理化学;模拟实验
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2021）01-0137-11
Abstract：Soot damage is one of the typical types of deterioration seen in Dunhuang murals， though it is a somewhat a typical research topic when compared with other types of deterioration. Soot damage is particularly damaging to the color of murals and cannot be ameliorated by conventional physical restoration methods. Focusing on the soot damaged murals in Mogao cave 156， and by conducting two simulation experiments of soot damage from the perspective of digital restoration and physicochemical analysis， this paper explores the pattern of changes in paint pigments under the influence of soot and collects relevant data on color change. The researchers t
hen pose a digital restoration method for soot damaged murals based on machine learning that is applicable to the restoration of similarly colored murals.
Keywords：soot damaged murals; digital restoration; machine learning; physical chemistry; simulation experiment
1 引 言
敦煌莫高窟是壁画类文化遗产的典型代表，现存壁画4.5万平方米。敦煌壁画曾饱受烟熏病害的侵扰，其成因是在莫高窟尚未建立现代保护机制前，附近的善男信女在佛事活动期间居住在窟内使用明火烧香、煮饭和取暖，由于香油和碳等物质的沉降，造成壁画颜变黄、变暗甚至变黑的现象。烟熏病害对壁画的彩和构图造成了大范围的严重破坏，但目前尚没有十分有效的治理此种病害的手段。敦煌壁画的保护专家们曾经尝试通过溶液清洗等方法洗掉烟渍，如段修业等人针对莫高窟第71窟的烟熏壁画，先后使用清水、硝酸、高锰酸钾、重铬酸钾等氧化剂溶液对烟熏部位进行清洗，除了已经氧化的颜，其余颜基本露出[1]。然而，由于某些溶剂带有颜，清洗后的壁画可能会覆盖一层溶剂颜，长期的清洗效果和是否有后遗症还需要观察。
壁画的数字化复原方法，具有复原成本低、文物保护性高、结果可复制、复原周期短等优势，相关领域的研究工作也取得了一定的成果[2-4]。针对烟熏壁画的彩复原问题，我们采用烟熏实验、颜料成分分析和数字化手段的综合复原方法，首先对壁画遭受烟熏的过程进行模拟分析，探索颜料和彩在烟熏条件下的变化规律，然后在数字化维度计算壁画烟熏前的彩。
2 敦煌莫高窟烟熏壁画现状调研
莫高窟现存有壁画和彩塑的洞窟数为492个，根据王进玉[5]等人的统计，具有烟熏病害的洞窟一共有47个。经过初步筛选，我们对其中的16个洞窟（第8，57，94，99，120，156，178，227，231，235，236，237，257，370，445，450窟）进行了实地考察，期望到一个保存相对完好，且壁画的烟熏程度具有层次感的洞窟。
通过对洞窟的朝代、保存现状、烟熏程度三个维度的考察，最终选取第156窟北壁壁画作为典型研究对象。该窟始建于晚唐年间，位于莫高窟崖面的顶层，其壁画内容保存完好，烟熏程度较轻，并且方便进行数字化。
第156窟北壁的烟熏壁画如图1所示，该烟熏区域以烟道为中心，向两侧壁画边缘扩散，呈现越来越浅的烟熏趋势。壁画上半部分，由于烟雾的长期积累，形成的烟熏比壁画下半部分更深。由于烟道内烟雾具有比较高的温度，高温会影响碳颗粒的附着，所以根据壁画距离烟熏着火点的位置，可以将壁画的烟熏区域分为“近火高温烟熏”和“远火低温烟熏”两种。这两种烟熏状态形成的颜变化不尽相同，其中近火高温烟熏所形成的烟熏区域，碳颗粒覆盖较厚，颜较深，几乎看不出壁画本来的内容与颜;远火低温烟熏所形成的烟熏区域，碳颗粒覆盖较薄，颜较浅，某些位置可以分辨出原始的壁画内容和颜。
3 研究方法
如图2所示，我们采用基于典型烟熏壁画的数字化彩复原方法。莫高窟洞窟内的壁画经过“自然烟熏过程”，由原始壁画逐渐变成为烟熏壁画，对于这个自然烟熏过程和烟熏后壁画颜料成分和相变化的研究，是烟熏壁画数字化复原的关键。由于敦煌莫高窟壁画的不可接触性，对烟熏颜进行科学合理的采样、检测与分析难度非常大，国际上相关的工作又处在近乎空白的阶段，仅能通过一些原位无损分析手段，如便携式荧光光谱仪、便携式拉曼光谱测量仪等[6-8]，推断烟熏后颜料的主要物质成分。所以，经过广泛的专家
论证，我们最终采用通过对使用与敦煌莫高窟壁画相同颜料绘制的壁画样块，使用与实际烟熏相同的燃料，进行实地烟熏的方案，来获取烟熏壁画彩复原的原始数据，即“烟熏实验过程”。烟熏实验的主要目的是，通过对相同或相近颜料的快速烟熏，得到颜在烟熏条件下的变过程，通过对该过程的物理化学和数字化分析，科学地总结出烟熏对壁画颜的影响，从而探究烟熏彩复原的方法。我们通过对洞窟内烟熏壁画进行无损物质成分分析的方法，即“成分验证”来验证烟熏实验的结果符合自然烟熏过程。根据实验烟熏壁画的颜变化，我们提出基于机器学习的“烟熏数字化复原模型”方法，使用烟熏实验前后的彩空间数据集建立彩复原模型，最后应用到“洞窟烟熏壁画数字化复原”中。
