本發(fā)明涉及一種壁畫表面形貌變化的分析方法，尤其涉及一種采用photoshop與matlab軟件分析壁畫表面形貌變化的方法，屬于壁畫表面形貌變化的分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

壁畫是墻壁上的藝術(shù)，即直接畫在墻面上的畫。作為建筑物的附屬部分，它的裝飾和美化功能使它成為環(huán)境藝術(shù)的一個(gè)重要方面。壁畫為人類歷史上最早的繪畫形式之一，在古代，壁畫多作于石窟、墓室或是寺觀的墻壁上。壁畫不僅具有藝術(shù)與觀賞價(jià)值，還具有歷史價(jià)值與科學(xué)價(jià)值。以敦煌莫高窟壁畫為例，窟內(nèi)有2000余身精美生動(dòng)，造型各異的佛教塑像與精美絕倫的壁畫，壁畫和塑像的內(nèi)容主要以佛教為主，還包括一定年代內(nèi)對(duì)都城、出征等歷史的寫實(shí)部分，為人們研究歷史提供了重要史實(shí)資料，此外洞窟的開鑿與壁畫的繪制也是古代人類智慧的結(jié)晶。1961年，莫高窟成為建國(guó)以來第一批國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位之一，在1987年，被列為世界文化遺產(chǎn)，具有重要的文物保護(hù)價(jià)值。

莫高窟壁畫是典型的多層結(jié)構(gòu)，由砂礫巖支撐體、地仗層(粗泥層與細(xì)泥層)、底色層(白粉層)、顏料層組成。多層壁畫結(jié)構(gòu)由于組成材料的性質(zhì)不同，材料間和層間可能有兼容性問題，從而導(dǎo)致壁畫的病害；而且制作材料多為多孔材料，由于其孔隙較大，在水分和可溶鹽的作用下，很容易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的破壞。經(jīng)歷了上千年自然環(huán)境的作用，雖然受到國(guó)家的大力保護(hù)，莫高窟壁畫上仍然產(chǎn)生了大量病害。其中最典型的為酥堿病害與皰疹病害，酥堿是壁畫地仗中的可溶性鹽，隨著環(huán)境濕度變化，不斷地溶解和結(jié)晶，從而導(dǎo)致地仗膨脹、收縮的反復(fù)作用使壁畫地仗結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生的疏松狀態(tài)。酥堿是敦煌莫高窟壁畫病害中最常見，易反復(fù)，難修復(fù)的病害，是一種典型的活動(dòng)性病害，有人稱酥堿病害為壁畫的“癌癥”，此類病害對(duì)壁畫的危害極大。

為了加深對(duì)壁畫病害發(fā)展的認(rèn)識(shí)，控制并防止莫高窟壁畫各類病害的發(fā)生，研究者們?cè)O(shè)計(jì)并對(duì)莫高窟實(shí)施了許多實(shí)施監(jiān)測(cè)措施。然而大多數(shù)的監(jiān)測(cè)措施只是對(duì)室內(nèi)的溫、濕度，二氧化碳，人流量，風(fēng)速，空氣質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，缺乏對(duì)病害發(fā)展趨勢(shì)的實(shí)施監(jiān)測(cè)，目前對(duì)壁畫病害的觀測(cè)主要通過肉眼或者相機(jī)進(jìn)行定時(shí)觀察，從宏觀、定性角度進(jìn)行描述，存在諸多主觀性，難以量化和比較各處病害程度及發(fā)展速率。對(duì)壁畫病害程度進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)往往存在一定的難度，但確是非常重要的，需要投入大量人力物力進(jìn)行鉆研。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于壁畫表面形貌變化的分析方法，通過該分析方法對(duì)壁畫表面變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將得到的壁畫表面變化監(jiān)測(cè)結(jié)果與壁畫的病害發(fā)展情況結(jié)合起來，闡釋壁畫表面病害發(fā)展趨勢(shì)與規(guī)律，為控制壁畫病害發(fā)生與發(fā)展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：包括以下步驟：

(1)對(duì)壁畫表面形貌每隔一定時(shí)間進(jìn)行同一位置跟蹤拍照，或不同條件下的壁畫進(jìn)行同一位置跟蹤拍照；

(2)用photoshop和matlab軟件對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行分析，提取相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，得到壁畫表面形貌的量化分析結(jié)果，由量化數(shù)據(jù)判斷病害發(fā)生了明顯或微小的變化。

其中對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬壁畫表面形貌拍照時(shí)，樣品應(yīng)放置在固定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，在樣品上方同一平面每隔固定角度放置一盞功率為1.1w的實(shí)驗(yàn)燈，并保證日光、照明光線不造成樣品拍照時(shí)光照度差異。對(duì)第一次拍照時(shí)樣品的位置、實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置、燈的位置進(jìn)行標(biāo)記，保證后續(xù)每次拍攝位置不變。用三腳架將數(shù)碼相機(jī)固定并垂直于樣品表面拍照，鏡頭到樣品表面的距離固定為9cm，采用微距拍攝模式，保證每次拍照的參數(shù)一致。

其中步驟(2)首先將初始時(shí)間或初始條件下拍的數(shù)碼照片采用photoshop軟件處理得到灰度圖像，再用matlab處理得到一個(gè)在雙精度數(shù)值范圍內(nèi)的紋理圖像、對(duì)底部紋理生成粗略遮罩、邊緣進(jìn)行平滑處理、以及使用紋理濾鏡等手段后，得到試樣表面三維形貌圖，并對(duì)三維圖進(jìn)行編號(hào)并設(shè)定標(biāo)尺，隨后對(duì)圖片垂直軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，參與后續(xù)的量化計(jì)算；

采用上述方法對(duì)不同時(shí)間不同條件下的壁畫進(jìn)行分析；然后與初始時(shí)間或初始條件下拍的數(shù)碼照片進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生了變化以及破壞程度。

其中進(jìn)一步得到的三維圖的圖片垂直軸的數(shù)據(jù)反映出試樣表面的孔洞、突起等形貌的量化值。每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)數(shù)值。

本發(fā)明的有益效果是：采用photoshop和matlab軟件對(duì)壁畫表面形貌的數(shù)碼照片進(jìn)行相關(guān)處理后，可以將宏觀的數(shù)碼照片轉(zhuǎn)換成微觀形貌變化的量化數(shù)值，從而獲得壁畫表面病害的發(fā)生與發(fā)展信息。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1matlab軟件分析模擬壁畫表面形貌流程圖；

圖2樣品的數(shù)碼照片和表面三維形貌圖：

第一行是不同含鹽量的樣品在35％相對(duì)濕度下放置36h，第二行是對(duì)應(yīng)的三維圖；第三行是2％的含鹽量樣品在相對(duì)濕度為65％不同時(shí)間時(shí)的形貌，第四行是對(duì)應(yīng)的三維圖。

圖3相對(duì)濕度為35％(a)，65％(b)和80％(c)環(huán)境下試樣mcv與含鹽量、時(shí)間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方案

以下結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬酥堿病害壁畫表面微觀形貌變化量化數(shù)值的獲取過程對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步解釋，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

模擬酥堿病害壁畫試樣用土取自莫高窟附近的大泉河床(當(dāng)?shù)胤Q之為澄板土)，將土過篩(＜0.05mm)后在110℃下烘干。麥秸與試樣混合前將其剪碎至長(zhǎng)度不大于0.8cm，每個(gè)模擬試樣中纖維增強(qiáng)材料約占樣品質(zhì)量的2.5％左右。實(shí)驗(yàn)中用的可溶鹽為nacl+na2so4(質(zhì)量比為1:2)，制作含鹽為1％、2％、3％、5％、10％的模擬試樣，以含鹽量為0％的試樣為空白對(duì)照。每侵蝕24h，對(duì)模擬壁畫樣品表面形貌跟蹤拍照。樣品放置在固定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，在樣品上方同一平面每隔110°角度放置一盞實(shí)驗(yàn)燈(1.1w)，并保證日光、照明光線不造成樣品拍照時(shí)光照度差異。對(duì)第一次拍照時(shí)樣品的位置、實(shí)驗(yàn)臺(tái)的位置、燈的位置進(jìn)行標(biāo)記，保證后續(xù)每次拍攝位置不變。用三腳架將數(shù)碼相機(jī)(canon700d，japan)固定并垂直于樣品表面拍照，鏡頭到樣品表面的距離固定為9cm，采用微距拍攝模式，保證每次拍照的參數(shù)一致。用photoshop和matlab軟件對(duì)拍攝的數(shù)碼照片分析并提取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。以含鹽量為2％的試樣在相對(duì)濕度為35％下放置60h為例對(duì)處理方法進(jìn)行解釋，分析流程見圖1。

首先將原始數(shù)碼照片(圖1a)采用photoshop軟件處理得到灰度圖像(圖1b)再用matlab處理得到一個(gè)在雙精度數(shù)值范圍內(nèi)的紋理圖像(圖1c)，對(duì)底部紋理生成粗略遮罩，邊緣進(jìn)行平滑處理(圖1d)，以及使用紋理濾鏡(圖1e)等手段后，得到試樣表面三維形貌圖，并對(duì)三維圖進(jìn)行編號(hào)并設(shè)定標(biāo)尺(圖1f)，隨后對(duì)圖片的z軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取(圖1g)后，參與后續(xù)的量化計(jì)算。

采用上述方法對(duì)不同含鹽量的帶有顏料層的試樣在各相對(duì)濕度環(huán)境下侵蝕不同時(shí)間后的形貌進(jìn)行完整的記錄和分析。比較在相同時(shí)間內(nèi)，不同含鹽量的樣品形貌以及同一個(gè)樣品在不同時(shí)間內(nèi)的表面形貌(圖2)，可以看出樣品的表面形貌出現(xiàn)了明顯的變化，即樣品的破壞程度有了明顯的變化。

進(jìn)一步得到的三維圖的z坐標(biāo)值(圖1g)反映出試樣表面的孔洞、突起等形貌的量化值。每張三維形貌圖大小為512×480像素，每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)數(shù)值，每張三維圖有480行，512列，即245760個(gè)數(shù)據(jù)。在模擬實(shí)驗(yàn)及試樣形貌圖像解析過程中發(fā)現(xiàn)，含鹽量為0％的試樣表面形貌變化不大，所以計(jì)算時(shí)以相應(yīng)相對(duì)濕度環(huán)境下，含鹽量為0％的試樣第一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)提取的z坐標(biāo)值作為基準(zhǔn)，假定參照數(shù)據(jù)為groupa(表1a)，其余任意時(shí)間，任意含鹽量的數(shù)據(jù)為groupb(表1b)。通過計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化值來確定樣品表面形貌是否發(fā)生變化。

表1參照組(groupa)數(shù)據(jù)行列分布示意和任意含鹽量數(shù)據(jù)(groupb)行列分布示意

為了用數(shù)值表示出三維圖中突出及凹進(jìn)的程度，采用平均絕對(duì)值法進(jìn)行運(yùn)算，如下公式所示。mcv是形貌變化值(morphologychangevalue)的縮寫。

采用上述計(jì)算方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬含鹽量0％，1％，2％，3％，5％，10％的試樣在35％，65％，80％的相對(duì)濕度下，各侵蝕時(shí)間點(diǎn)的表面形貌進(jìn)行量化計(jì)算，數(shù)值越大說明樣品表面變化越明顯，計(jì)算結(jié)果如圖3。

從圖3可以看出，含鹽量為0％的各試樣，在最初的一段時(shí)間出現(xiàn)一定的變化，變化值mcv在5-10之間，隨著相對(duì)濕度從35％，65％增加到80％，表面被破壞程度發(fā)展趨勢(shì)基本一致，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，均未出現(xiàn)明顯變化。初始時(shí)表面出現(xiàn)變化的原因可能是試樣放入恒溫恒濕箱中最初的干燥過程中，土層、白粉層和顏料層一定的收縮所致，顏料層表面未出現(xiàn)明顯破壞。含鹽試樣在各相對(duì)濕度下，隨著受環(huán)境破壞時(shí)間延長(zhǎng)，相對(duì)于不含鹽的試樣，表面形貌數(shù)值幾乎均明顯增大，所以可溶性鹽對(duì)表面形貌的影響顯著。含鹽試樣表面形貌變化數(shù)值波動(dòng)明顯，可能是由于可溶性鹽在一定的相對(duì)濕度環(huán)境中，離子發(fā)生了遷移，不斷地沉積、結(jié)晶和溶解現(xiàn)象所致。試樣在三種相對(duì)濕度環(huán)境下，含鹽試樣表面形貌出現(xiàn)明顯的破壞均出現(xiàn)在最初的一段時(shí)間內(nèi)，在本實(shí)驗(yàn)的時(shí)間范圍中，相對(duì)濕度為35％，65％，80％的環(huán)境下，試樣表面形貌明顯變化分別出現(xiàn)在32h，7h，22h左右。試樣在相對(duì)濕度為35％的較為干燥的環(huán)境下，處于放濕狀態(tài)，試樣中原有的水分，隨著試樣的干燥過程，攜帶著可溶性鹽遷移到表面使試樣破壞。之后隨著試樣中水分含量降低，與環(huán)境交互作用減弱，且試樣中水分的減少使得鹽分遷移變得困難，所以明顯受到破壞所需時(shí)間較長(zhǎng)，但是由于鹽分極難在此環(huán)境下發(fā)生潮解，鹽分的沉積作用對(duì)顏料層破壞卻具有毀壞性。相對(duì)濕度為80％的環(huán)境下，試樣吸濕效果明顯(觀察到試樣在此環(huán)境下變得潮濕)，可溶性離子遷移更加容易，且在此相對(duì)濕度下na2so4和nacl會(huì)發(fā)生潮解，不會(huì)導(dǎo)致試樣明顯的破壞，因此其mcv值遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)濕度下的。相對(duì)濕度為65％的環(huán)境下，試樣吸濕較為明顯，試樣中的水分保證了鹽離子順利遷移，并且組合鹽分也未達(dá)到潮解的濃度，所以產(chǎn)生結(jié)晶沉積作用破壞試樣的表面，因此其表面形貌變化產(chǎn)生最快并且變化幅度最大。由以上分析可見，采用matlab軟件對(duì)跟蹤的數(shù)碼照片進(jìn)行處理、分析，采集分析數(shù)據(jù)，對(duì)樣品表面形貌變化可以初步有效地進(jìn)行量化，可以對(duì)肉眼無法觀察到的微小變化進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)破壞程度大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，環(huán)境對(duì)樣品的侵蝕強(qiáng)弱得到評(píng)估，為采取一定的治理措施奠定基礎(chǔ)。