李雅梅

重慶大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，重慶 401331

四川古壁畫具有十分重要的研究?jī)r(jià)值，它是我國(guó)藝術(shù)寶庫(kù)中的珍貴遺產(chǎn)，是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要組成部分.目前為止，計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)在藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還相當(dāng)匱乏，絕大部分的圖像仍然是依靠人工的方式在進(jìn)行辨識(shí)，這樣不僅消耗大量的時(shí)間，正確率也并不高，不利于我國(guó)傳統(tǒng)優(yōu)秀文化藝術(shù)的傳播、推廣和普及[1].四川壁畫多留存于數(shù)百年的古佛寺之中，壁畫采用傳統(tǒng)工筆重彩畫技法繪制[2]，設(shè)色濃重飽和，給人以強(qiáng)烈的視覺震撼力，在壁畫圖像所呈現(xiàn)的形狀、色彩和紋理特征當(dāng)中色彩最具有辨識(shí)力[3].鑒于上述原因，本研究針對(duì)四川最具代表性的壁畫進(jìn)行分類識(shí)別，最后經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明壁畫自動(dòng)識(shí)別的有效性.

特征提取與分類識(shí)別在美術(shù)領(lǐng)域的研究：王靜[4]提出了一種中國(guó)畫圖像的特征提取方法，分別提取了中國(guó)畫的顏色特征和紋理特征，盡可能地保留國(guó)畫原始圖像中所包含的重要信息.為了解決特征提取過程中信息缺失的問題提出一種新的分塊方式，并結(jié)合灰度共生矩陣算法對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了研究的有效性.郭高鵬[5]選擇花鳥、山水、鞍馬、竹子和人物畫為研究對(duì)象，提出了基于顏色特征和紋理特征的中國(guó)畫識(shí)別方法，首先利用灰度共生矩陣法和顏色矩提取國(guó)畫圖像的紋理和顏色特征，然后將其組成國(guó)畫圖像的復(fù)合特征，將復(fù)合特征作為RELM的輸入而國(guó)畫類別作為RELM的輸出，研究結(jié)果證明該算法提高了國(guó)畫識(shí)別的精度.劉賞等人[6]提出了一種中國(guó)畫的畫家識(shí)別算法，該算法建立在中國(guó)畫筆墨特征提取的基礎(chǔ)上，中國(guó)畫研究中墨線的形狀和墨色的布局是畫家對(duì)技法研究的重要環(huán)節(jié)，將這些特征提取出來作為支持向量機(jī)的輸入再進(jìn)行畫作的分類.該算法在平均查全率和查準(zhǔn)率上具有一定的優(yōu)勢(shì)，可為中國(guó)畫的傳承和鑒賞提供數(shù)字化的工具.童茵[7]提出了一種基于深度網(wǎng)絡(luò)的中國(guó)畫皴法風(fēng)格遷移模型，對(duì)中國(guó)畫的構(gòu)圖進(jìn)行識(shí)別，在中國(guó)畫構(gòu)圖所覆蓋的繪制區(qū)域內(nèi)，對(duì)中國(guó)畫的皴法和不同的皴法風(fēng)格進(jìn)行了對(duì)比，使新生成的紋理具有皴擦所產(chǎn)生的特殊肌理效果，通過實(shí)驗(yàn)由模型轉(zhuǎn)換的圖像可以較好地保留繪畫技法.通過文獻(xiàn)檢索，近年來美術(shù)領(lǐng)域相對(duì)于其他學(xué)科領(lǐng)域，特征提取與分類識(shí)別方面的研究成果較少[8-10].為了加快我國(guó)傳統(tǒng)美術(shù)研究的數(shù)字化進(jìn)程，本研究提出基于顏色特征提取的四川古壁畫分類識(shí)別方法，通過多次實(shí)驗(yàn)建立四川古壁畫的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng).

四川古壁畫分類識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)包括4個(gè)方面的內(nèi)容：① 圖像數(shù)據(jù)獲取.研究首先采用計(jì)算機(jī)可以運(yùn)算的符號(hào)來表示對(duì)象，通過量化用矩陣或向量表示二維的壁畫數(shù)字圖像，以使計(jì)算機(jī)能夠?qū)λ拇ü疟诋媹D像進(jìn)行分類；② 圖像預(yù)處理.去除四川地區(qū)古壁畫圖像中的噪聲，增強(qiáng)古壁畫圖像中有用的數(shù)據(jù)信息，對(duì)由設(shè)備輸入而造成古壁畫圖像質(zhì)量減弱的現(xiàn)象進(jìn)行重新修復(fù)；③ 特征提取與選擇.在四川古壁畫圖像分類識(shí)別研究中，根據(jù)古壁畫拍攝的具體情況將壁畫顏色特征進(jìn)行歸類，在每個(gè)類別的圖像中選取一個(gè)特征點(diǎn)以代表該類圖像的最主要特征；④ 分類器設(shè)計(jì)和分類決策.采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，把特征空間中古壁畫圖像所映射的點(diǎn)歸入到某一個(gè)特定的類別當(dāng)中，然后確定古壁畫圖像的分類判決規(guī)則，并按照這種規(guī)則對(duì)壁畫圖像進(jìn)行分類識(shí)別，直到將圖像識(shí)別的錯(cuò)誤率降至最低.據(jù)此，本研究建立了四川古壁畫分類識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型(圖1)，其中特征提取和特征選擇兩個(gè)模塊是整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵，提取什么樣的特征和如何選擇特征，直接關(guān)系到最后分類識(shí)別的結(jié)果.

圖1 四川古壁畫分類識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1 四川古壁畫圖像的顏色特征

為了獲得最佳的顏色特征提取和選擇效果，本研究對(duì)四川古壁畫中最具特色的廣元?jiǎng)﹂w覺苑寺壁畫、廣漢龍居寺壁畫、新津觀音寺壁畫、新繁龍藏寺壁畫和蓬溪寶梵寺壁畫的顏色特征、分布情況、顏料使用以及壁畫保存現(xiàn)狀等進(jìn)行詳解.

1)新津觀音寺壁畫(圖2).主要顏色特征分布：主壁畫以“黑、金、紅”三色為主，背景全部為深色.輔以石綠、石青、珍珠粉等顏料繪制，色彩濃重富麗鮮艷奪目.背壁以“紅、綠、金”色為主，背景為黑色，輔以少量白色和赭石色.顏料使用情況：壁畫主要采用朱砂、朱磦、墨色、金箔等材料制作而成，其次以石綠、雄丹、石青、珍珠粉等顏料繪制.壁畫中紅色顏料的品種主要有朱砂、鉛丹、黃丹、代赭石等.顏色保存現(xiàn)狀：壁畫色彩保存非常完好，但是由于年代久遠(yuǎn)，壁畫中由于吸附了部分粉塵導(dǎo)致紅色顏料中略帶“灰”的色彩傾向，使顏料對(duì)比度降低而產(chǎn)生出一種灰雅之感.

圖2 新津觀音寺壁畫：普賢菩薩

2)新繁龍藏寺壁畫(圖3).主要顏色特征分布：主壁畫基調(diào)以“紅、綠”二色為主，輔以黑、白、金色，顏色整體較為灰暗.背屏以“紅、金”二色等為主，輔以適量的藍(lán)色.藻井以“黑、白、紅、淺綠”為主，輔以金色，色彩濃重飽滿.顏料使用情況：壁畫主要采用朱砂、石綠等繪畫材料，并輔以石墨、朱磦、赭石、黃丹、貝殼粉等顏料而成.另有銀朱、紅丹、黃丹、飛鉛、粉朱、土紅等.顏色保存現(xiàn)狀：壁畫色彩保存情況欠佳，主壁畫由于墻體坍塌，灰塵過多，色彩灰暗，剝落嚴(yán)重.頂部的藻井和背屏壁畫由于被遮擋，顏色較為鮮亮.

圖3 新繁龍藏寺壁畫：善財(cái)童子

3)劍閣覺苑寺壁畫(圖4).主要顏色特征分布：壁畫整體色調(diào)厚重深沉，深褐色的背景上用“金”色進(jìn)行裝飾，貼金處有金碧輝煌之感，繪制以“白、黑”兩色為主色，其次“紅”色使用較多.畫面上黑、白、紅、金四色對(duì)比強(qiáng)烈，充滿運(yùn)動(dòng)感.背壁以“紅、黑、金”三色為主，輔以少量的白色和褐色，色調(diào)趨向于黃土.顏料使用情況：壁畫主要采用珍珠粉、朱 砂、石綠、黑色、灰色、赭石、土黃等繪畫材料，壁畫上裝飾品、建筑、房頂、器物等大面積采用瀝粉貼金技法.顏色保存現(xiàn)狀：壁畫色彩整體保存較為完好.頂部靠近房檐處有少量受潮的斑點(diǎn)，中間有一些貫穿上下的水痕，部分畫面有剝落.

圖4 劍閣覺苑寺壁畫：同舉金棺

4)蓬溪寶梵寺壁畫(圖5).主要顏色特征分布：壁畫以“紅、綠、藍(lán)、金、白”等多色繪制，色彩濃重飽滿，絢麗明艷，對(duì)比強(qiáng)烈.寶梵寺壁畫用色的重要特點(diǎn)是紅、綠兩色使用最多，輔以黑白灰和少量青色搭配.畫面貼金面積較大，視覺效果華美富麗.顏料使用情況：紅色系顏料使用了朱砂、朱磦、朱丹、粉朱、銀朱、土紅等.綠色系顏料使用石綠、灰綠、墨綠、翠綠等.顏色保存現(xiàn)狀：壁畫色彩保存情 況整體較好，尤其是中間主繪內(nèi)容色彩鮮艷，對(duì)比強(qiáng)烈.壁畫底部靠近墻角低端的地方有明顯剝落.

圖5 蓬溪寶梵寺壁畫：羅漢聆經(jīng)

5)廣漢龍居寺壁畫(圖6).主要顏色特征分布：壁畫以“綠、黑、紅、金”色為主，背景為白色.其中壁畫頂部以紅色、金色、色彩為主，壁畫靠近中心的部分綠色或棕黑色使用的頻率較高，白色背景上以綠色或棕黑色為主，輔以少量的紅色和金色.顏料使用情況：壁畫主要采用石綠、石墨、朱砂等繪畫材料，并輔以少量黃丹、赭石和石青色，除裝飾品以外，建筑房頂采用貼金技法表現(xiàn).顏色保存現(xiàn)狀：壁畫色彩損毀嚴(yán)重，曾經(jīng)被整體涂刷成白墻，后來經(jīng)人工剝出壁畫，整體上十分斑駁，部分畫面內(nèi)容已無法辨識(shí).

圖6 廣漢龍居寺壁畫：護(hù)法諸天

四川古壁畫大部分保存完好，顏色特征鮮明，這為特征提取提供了有利的前提條件.在四川古壁畫圖像的形狀、顏色和紋理諸多特征中，顏色特征無疑比其他兩大特征都要更加穩(wěn)定和可靠，它對(duì)圖像的旋轉(zhuǎn)、倒置、縮放等都具有不變性，甚至對(duì)圖像的各種變形均不敏感，表現(xiàn)出相當(dāng)強(qiáng)的魯棒性.本研究在對(duì)四川古壁畫圖像進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、色卡制作以及顏料使用狀況分析以及繪制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行顏色特征提取.

2 基于顏色特征提取的分類識(shí)別方法

研究采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于自建的四川古壁畫圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，本數(shù)據(jù)庫(kù)共收集高清圖像數(shù)千幅.研究首先提取圖像的RGB值作為特征來進(jìn)行聚類，然后將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間提取圖像的特征向量，再將K-Means算法和最鄰近算法進(jìn)行比較從中選取最優(yōu)的算法.為了進(jìn)一步提高識(shí)別的精度，實(shí)驗(yàn)嘗試手動(dòng)去噪和將HSV顏色空間量化到300級(jí)的方法，但是由于效果不明顯最終放棄此方法.在多次實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，幾類壁畫圖像中仍有部分類別的圖像識(shí)別正確率不高，其主要原因在于：① 同類壁畫圖像中包含有整體照片、局部照片和特寫照片，這幾類圖像由于拍攝的范圍和角度不同，色彩上存在較大的差異；② 古壁畫的繪制通常會(huì)分為上段、中段和下段，由于每一段表現(xiàn)的內(nèi)容不同，色彩存在一定的差異；③ 由于圖片拍攝時(shí)均采用自然光線(而非燈光拍攝)，寺廟中靠近中間位置的壁畫受光較好顏色鮮亮，位于頂部和底部的壁畫由于受光較差圖片偏暗.鑒于此，在每個(gè)大類的圖片中僅分出兩個(gè)類別，并不能涵蓋該類圖像的主要特征.因此在多次實(shí)驗(yàn)后，本研究對(duì)分類效果不高的廣元?jiǎng)﹂w覺苑寺壁畫和新津觀音寺壁畫再細(xì)分為3個(gè)類別，而其他地區(qū)的壁畫則分兩個(gè)類別來進(jìn)行測(cè)試.通過每類圖像特征點(diǎn)逐步增加的方式來進(jìn)行測(cè)試，取得了較好的識(shí)別效果.最后確定四川古壁畫圖像識(shí)別系統(tǒng)研究采用的算法、特征提取方法和分類識(shí)別方案.算法步驟：首先在每一類里面使用K-Means算法進(jìn)行聚類，并提取該類中2～3個(gè)特征向量；其次使用最鄰近算法，計(jì)算每幅圖像與特征向量的相似度并進(jìn)行分類；再次將特征向量與類進(jìn)行對(duì)應(yīng)，將圖像類別整理成5類；最后計(jì)算分類的正確率.

統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：① 將RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間，有利于壁畫圖像別的分類；② K-Means算法和最鄰近算法相比，最鄰近算法優(yōu)于K-Means算法；③ 手動(dòng)去噪的方法在一定程度上有利于分類器準(zhǔn)確率的提高；④ 對(duì)于量化級(jí)的提高，即增加HSV顏色特征向量的分量對(duì)分類器的正確率提高并不明顯；⑤ 一個(gè)類提取兩個(gè)特征向量的方法對(duì)分類的準(zhǔn)確率有明顯的提高；⑥ 一個(gè)類提取多個(gè)特征向量的方法對(duì)分類的準(zhǔn)確率有極大的提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果開始接近預(yù)期的目標(biāo).

3 四川古壁畫識(shí)別系統(tǒng)研究

四川古壁畫自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)8個(gè)功能：① 將圖像的顏色信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把四川古壁畫的RGB顏色空間轉(zhuǎn)化到HSV顏色空間，然后非等間隔量化古壁畫圖像的HSV顏色空間；② 歸一化處理由古壁畫圖像統(tǒng)計(jì)所得到的顏色特征向量；③ 通過對(duì)上面步驟循環(huán)得到圖像庫(kù)中各圖像特征向量；④ 對(duì)于每個(gè)類使用K-Means算法提取一個(gè)或多個(gè)類代表點(diǎn)；⑤ 對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征向量與每個(gè)代表點(diǎn)特征向量的相似度，并根據(jù)特征點(diǎn)所在的類對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行歸類；⑧ 對(duì)于每個(gè)點(diǎn)根據(jù)其原有的分類和程序分類，計(jì)算分類器的正確率.其流程見圖7.

圖7 四川地區(qū)古壁畫系統(tǒng)識(shí)別流程

3.1 類代表點(diǎn)提取

1)K-Means算法聚類.由于四川古壁畫中每一類圖像的顏色特征都不夠統(tǒng)一，所以對(duì)于同一類圖像的顏色特征采用多個(gè)顏色特征向量來代表.使用K-Means算法進(jìn)行聚類，將聚類后的簇點(diǎn)作為類的代表點(diǎn)，因此K-Means算法中k值的選擇對(duì)于分類效果具有很大的影響.

2)每個(gè)類手動(dòng)提取多個(gè)特征向量.針對(duì)四川五類古壁畫圖像不同的色彩表現(xiàn)風(fēng)格，經(jīng)過多方面的綜合比較與分析，分量的選擇如下：廣元?jiǎng)﹂w覺苑寺主壁“佛傳故事畫”根據(jù)圖片拍攝受光情況的不同各提取3個(gè)特征數(shù)，背壁的“護(hù)法禮佛壁畫”圖提取1個(gè)特征數(shù)；廣漢龍居寺的主壁畫和背壁畫各提取1個(gè)特征數(shù)；新津觀音寺壁畫“十二圓覺菩薩”分別從頂部、底部、中部和貼金部位各提取1個(gè)特征數(shù)，背壁的“香山全堂”的上部和下部各提取1個(gè)特征數(shù)；新繁龍藏寺主壁畫和藻井壁畫各提取1個(gè)特征數(shù)；蓬溪寶梵寺壁畫“十八羅漢”中，根據(jù)羅漢著衣色調(diào)的差異各提取3個(gè)特征數(shù).實(shí)驗(yàn)中每類圖像提取了多個(gè)顏色特征，該取值能夠反映出四川古壁畫圖像最為本質(zhì)的特征，參數(shù)的選擇對(duì)分類識(shí)別的準(zhǔn)確率具有至關(guān)重要性的作用.

3.2 相似度計(jì)算

本研究采用直方圖相交法進(jìn)行特征向量的相似度計(jì)算.基本方法是提取待識(shí)別古壁畫圖像的顏色直方圖，計(jì)算四川古壁畫圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中顏色直方圖之間的距離，距離較近的就被歸入同一個(gè)類別.

3.3 分類

圖像分類是四川古壁畫識(shí)別研究的核心部分，內(nèi)容包括特征描述與分類器設(shè)計(jì)兩個(gè)主要方面.由于圖像特征的客觀描述直接關(guān)系到圖像分類的準(zhǔn)確率，因此，確定既能夠準(zhǔn)確表達(dá)同類圖像之間的相似性，又能夠區(qū)分不同類圖像之間差異性的特征至關(guān)重要.對(duì)于四川古壁畫圖像而言，顏色信息對(duì)于整幅圖像可辨識(shí)度最高，研究只需在同一類別的壁畫中選擇出幾個(gè)最具代表性的色彩特征即可.研究采用最鄰近算法對(duì)壁畫圖像進(jìn)行分類，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)與特征點(diǎn)的相似度計(jì)算，將其歸入到最為鄰近的類別當(dāng)中去，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壁畫圖像的自動(dòng)分類.

3.4 正確率計(jì)算

四川古壁畫識(shí)別研究是在已知每個(gè)點(diǎn)的正確分類和分類器的分類之后，計(jì)算出分類器的正確率.分類準(zhǔn)確率計(jì)算包括：計(jì)算正確的分類、計(jì)算錯(cuò)誤的分類和計(jì)算正確識(shí)別率的百分比.

3.5 界面顯示分類結(jié)果

為了方便用戶查看系統(tǒng)分類的結(jié)果，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)古壁畫分類系統(tǒng)顯示界面，顯示參數(shù)值、分類情況和分類的正確率，當(dāng)我們?cè)O(shè)定好參數(shù)k值以后識(shí)別系統(tǒng)就會(huì)隨機(jī)生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：當(dāng)參數(shù)k值取值為最佳時(shí)，在識(shí)別系統(tǒng)隨機(jī)生成的10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，劍閣覺苑寺壁畫最高識(shí)別率89%，最低識(shí)別率86%，平均識(shí)別正確率87%.廣漢龍居寺壁畫最高識(shí)別率91%，最低識(shí)別率90%，平均識(shí)別正確率90%.新津觀音寺壁畫最高識(shí)別率91%，最低識(shí)別率87%，平均識(shí)別正確率90%.新繁龍藏寺壁畫最高識(shí)別率89%，最低識(shí)別率87%，平均識(shí)別正確率89%.蓬溪寶梵寺壁畫最高識(shí)別率89%，最低識(shí)別率86%，平均識(shí)別正確率88%.四川古代佛寺壁畫系統(tǒng)識(shí)別的平均準(zhǔn)確率達(dá)到89%，總體上取得了較好的分類識(shí)別效果.

4 結(jié)語

四川古壁畫分類識(shí)別系統(tǒng)研究中，由于5類壁畫圖像中每個(gè)類別的顏色特征都不統(tǒng)一，因此本研究采用選擇多個(gè)特征向量來代表該類圖像顏色特征的方法.在整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)研究中k值的選擇對(duì)分類識(shí)別準(zhǔn)確率的提高具有決定性的作用，k值過大會(huì)出現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的過度擬合，過小則會(huì)導(dǎo)致分類識(shí)別的準(zhǔn)確率不高，因此，存在一個(gè)最優(yōu)k值確定的問題.四川古壁畫識(shí)別系統(tǒng)中最優(yōu)k值的確定，主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顏色空間的分布情況來決定，最后通過計(jì)算系統(tǒng)隨機(jī)生成的多次識(shí)別結(jié)果的平均值來驗(yàn)證是否最優(yōu)k值.針對(duì)四川的古壁畫圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明識(shí)別系統(tǒng)達(dá)到了令人滿意的分類效果(圖8).基于顏色特征提取的四川古壁畫分類識(shí)別研究是計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)在美術(shù)學(xué)科研究領(lǐng)域的一種探索與嘗試，識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可為全國(guó)壁畫圖像的自動(dòng)識(shí)別研究提供參考.

圖8 四川古壁畫顏色特征提取與分類識(shí)別研究創(chuàng)新之處