基于Grasshopper的壁画参数化逆时重访技术.pdf

69Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究基于 Grasshooer的壁画参数化逆时重访技术*Parametric Reverse-time Revisiting Technology of Fresco Based onGrasshopper赖非云 LAI Feiyun杨雪松 YANG Xuesong张驰ZHANG Chi闫丁?YAN Ding1.武汉大学，湖北武汉430 0 7 2（WuhanUniversity，430 0 7 2 W u h a n H u b e i）2.云冈研究院，山西大同0 37 0 0 7（Yungang Research Institute，0 37 0 0 7 D a t o n g Sh a n x i）摘要：壁画修复通常遵循“修旧如旧”的原则对壁画病害进行弥补、稳固，这种实物修复通常注重壁画处于某一时间点所呈现的视觉表征，即修复效果是在“时间凝固”状态下的视觉表征呈现。基于Grasshopper平台的参数化技术对壁画进行模拟修复，可以打破实物修复“时间凝固”状态下的局限性，实现壁画作品的“逆时重访”。构建壁画参数化模拟修复系统，需梳理壁画的病害现象，分析病害对壁画视觉表征的影响，并将影响因素转化为参数，置于纹理生成模拟、模型贴图模拟、贴图动画模拟和时间总控制器四个电池组之中，最终通过时间轴控制壁画视觉表征变化过程，以此模拟出壁画的病害随时间发展的变化，为观众提供一种感受时光蚀刻、穿越时空的新体验。关键词：壁画；参数化：复原GrasshopperAbstract:Mural restoration usually follows the principle of repairing the old as before to make up for and treat the mural diseases.This kind ofphysical restoration pays attention to the visual representation of the mural at a certain point in time,that is,the restoration effect is based on the visualrepresentation in the state of time solidification.The parametric technology based on Grasshopper platform can simulate the restoration of murals,which can break the limitation of the physical restoration in the state of time solidification and realize the reverse time revisit of mural works.To builda parametric simulation and restoration system for murals,it is necessary to sort out the disease phenomena of murals,analyze the influence of diseaseson the visual representation of murals,and convert the influencing factors into parameters,which are placed in four battery packs:texture generationsimulation,model mapping simulation,mapping animation simulation and time master controller.Finally,the change process of visual representationof murals is controlled through the time axis,so as to simulate the changes of murals diseases with time,and provide viewers with a new experience offeeling time etching and traveling through time and space.Key words:mural painting;parameterization;restoration;Grasshopper中图分类号：TP391.41文献标识码：Adoi：10.39 6 3/j.is s n.2 0 9 5-0 7 0 5.2 0 2 3.0 5.0 15一、引言壁画记录了人类的生存与发展过程，是文化遗产不可或缺的组成部分，具有极高的保护与研究价值。随着遗产数字化保护理念和技术不断进步，围绕壁画开展的破损图像修补 、色彩复原2 、扫描辅助修复3 等研究得以发展。这些研究虽然推动了壁画保护工作的发展，但现阶段的研究仍存在相关空缺。其中，壁画存在多种病害，这些病害会导致壁画产生复杂的变化，因此多数研究以壁画的某一种或几种病害收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 4*基金项目：2 0 2 0 年度湖北省重点研发计划项目（2 0 2 0 BAB119）。作者简介：赖非云（19 9 8 一），女，武汉大学城市设计学院硕士研究生，研究方向为文化遗产数字化保护与利用、参数化设计；杨雪松（19 7 0 一），男，博士，武汉大学教授，主要研究方向为文化遗产数字化保护与利用；张驰（19 9 4一），男，武汉大学助教，研究方向为文化遗产数字化保护与利用；闫丁（19 8 0 一），男，云冈研究院副院长，研究方向为山西古建筑保护与利用。70设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.52023作为重点。此外，现有壁画数字修复技术都是针对某一时间点的壁画表征进行修复，弱化了时间在壁画发展过程中的作用。为了表现时间作用于壁画的病害变化，对所有病害进行数字化模拟，使用参数化技术进行修复。所谓参数化，即对影响事物的多个因素进行关联，构建出一个相互作用的系统，并将其转化为计算机可用的信息，通过调整影响因素的参数，自下而上的控制参数4，模拟事物的结果。目前，参数化技术逐渐融入文化遗产保护中，但研究对象都是村落、传统纹样和建筑为主，较少运用到壁画中。2 0 2 0 年，JuanMoyano等人使用BIM平台，运用参数化的方式对西班牙圣地亚哥教堂进行数字化重建，使同类建筑的数字重建更加便捷5。2 0 2 1年，李至惟运用参数化技术对传统云雷纹理进行研究，构建一个可以多样化设计云雷纹的系统，实现对云雷纹的数字化转化和创新6 。根据参数化技术在文化遗产保护中的运用形式，在本研究中提出壁画与参数化技术结合的新方法，使用参数化技术对壁画进行动态化模拟7 ，此方法打破实物修复“时间凝固”状态下的局限性，并实现壁画作品的“逆时重访”二、壁画参数化修复的意义1.克服实物修复的局限性自2 0 世纪7 0 年代起，文物保护工作者就大量使用现代材料修复壁画。伴随着时光流逝，一些有机材料依然持续老化、变性，壁画起甲、龟裂、空鼓等现象难以避免8 。此外，修复工艺不当导致已修复的画面出现新污染，破坏了壁画原有的艺术特征。时效较短、后果未知、持续衰退，这些都是实物修复工作中无法回避的问题。同时，现阶段壁画修复通常遵循“修旧如旧”的原则对壁画病害进行弥补、稳固。由于业界对“修旧如旧”中“如旧”的理解不尽相同，延伸出“修旧如初”“修旧如故”“修旧如现”三种观念（见图1）。因此，使用参数化技术进行壁画修复，克服了实物修复无法避免持续衰变的局限性，也避免了“修旧如旧”三种释义的冲突修旧如初修旧如故修旧如现“初”意指当初，亦是时间“故”，意指过往的时间，修旧如故“现”意指现状，既保留历上的初始，修旧如初是指是指修复至时间轴上任意节点的状史印记的现状来修复。恢复到初始状态。态，但并不一定是初始状态。起始现状图1“修旧如旧”的三种释义示意图722.为穿越时间提供可能性历经时光打磨的壁画是随时间、环境动态演变的艺术作品。传统的实物修复，往往聚焦于壁画在某一时间段内所具有代表性的视觉特征，或者说，修复的效果是基于“时间凝固”状态下的视觉表征。如果使用参数化技术修复壁画，在壁画最初绘制完成的阶段与现阶段之间设置“时间”影响因素，并将该影响因素的参数作用于壁画视觉表征等影响因素的参数，即可再现壁画随时间演变的全过程，实现壁画作品的“逆时重访”。同理，基于壁画现状，依据壁画视觉表征变化的时间规律，也可以虚拟穿越时光，对壁画作品进行“未来探访”。由此可见，使用参数化技术可以创建一个过去与现在、现在与未来的动态观赏场景，为观众提供一种感受时光蚀刻、穿越时空的新体验。三、壁画参数化模拟修复系统视觉表征研究为了模拟壁画的逆时重访过程，构建壁画参数化模拟修复系统，需要对壁画的病害视觉表征进行分析，并透过呈现出时间印记的视觉表征分析其内在的影响因素，进而提取影响因素间相互作用的参数，调整参数模拟出壁画的视觉变化效果，最终构成壁画参数化模拟修复系统，形成病害参数模拟库，实现不同壁画的逆时重访。壁画参数化模拟修复系统实现流程总体上分为壁画的视觉表征研究和参数化模拟实现两个部分。视觉表征研究环节又可细分成壁画视觉表征分析、视觉表征影响因素整合和影响因素的参数化转化三部分，参数化模拟修复分为参数化模拟流程构建和参数化模拟两个部分1.壁画视觉表征分析(1)病害与表征根据古代壁画病害与图示所示，中国传统壁画由里及外分为支撑层、地仗层、粗泥层、细泥层、底色层、颜料层、表面涂层，这些层级均会因为渗水、风蚀、温度变化等自然现象或人为因素导致壁画产生起甲、粉化等共2 8 种病害现象。病害是壁画逃避不了的问题，它随着时间逐步改变壁画的色彩与肌理这2 8 种病害有些直接影响壁画的视觉表征，有些并不产生视觉表征，而我们只需要对影响壁画视觉表征的病害进行研究。（2）病害与表征的关系无论病害现象作用于壁画表层还是里层都会产生71Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究不同的视觉效果，只要对壁画的颜料层产生影响一定会形成视觉表征。因此，壁画视觉效果的形成原因有三种，其中两种会形成视觉表征。第一种，作用于颜料层的褪色、龟裂等病害现象会直接产生视觉表征，酥碱、划痕等病害现象会导致壁画由表及里剥落，形成里层暴露，产生新的视觉表征。第二种，因壁画里层发生变化，由里及外带动其他层出现裂缝、错位、互相叠压等现象，直至影响到颜料层出现裂缝、剥落等视觉表征第三种，病害只作用于壁画里层，未影响到壁画的颜料层，所以不产生视觉表征（3）表征变化壁画丰富的色彩主要来源于不同的矿物质，但这些矿物质长期暴露在自然界使壁画出现褪色与变色病害现象，如使用铅丹制作的红色经过长时间氧化最终转变成棕黑色除了上述与色彩相关的褪色与变色病害现象外，其他病害现象也会使壁画发生变化形成独特的肌理表征。这些肌理表征可以分为两种类别，其一是细小的龟裂纹、起甲、点状脱落及微生物侵蚀等病害现象，总体上趋向平面类的肌理变化；另一种是较大的裂隙、疱疹、空鼓、泡状起甲、酥碱等病害现象会产生立体状的肌理变化（见表1）。表1壁画肌理的视觉表征示意表23类型病害名称图片示意表征特点类型病害名称图片示意表征特点不规则点状呈现扁点状脱落泡状起甲不规则破损球状平块状分布不规则点状呈现扁疱疹、疤疹状微生物损伤不规则密集球状平块状分布脱落不规则扁平点状和向内产生不规则粉化裂缝块状线性凹陷不规则扁平块状，向内产生不规则龟裂划痕边缘轻微翘起线性凹陷平面类立体状肌理肌理不规则扁平块状，由内而外产生凸起甲酥碱边缘轻微翘起状起酥松块状不规则块状碎片颜料层脱落不规则扁平块状盐霜相互叠压叠压、覆盖、不规则扁平块状空鼓块状鼓起涂写烟熏、水渍、不规则面状点，起向内凹陷的不规地仗脱落泥浆等痕迹伏较为平缓则块状2.视觉表征影响因素的整合根据已有的壁画信息，壁画视觉表征由时间、肌理和色彩表征三个因素构成，时间因素同时作用于肌理和色彩表征。肌理表征影响因素分为纹理的面积大小、层级暴露的深浅和肌理的形状差异，色彩表征的影响因素则分为饱和度、明度和纯度（见图2）。肌理表征色彩表征扁平肌理立体肌理时间时间参数用于控制肌理和色彩表征面积深浅形状饱和度明度纯度图2视觉表征影响因素整合示意图分72设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.520233.壁画影响因素的参数转化为了模拟肌理与色彩随时间产生的表征变化，需对作用于二者的影响因素设置对应的参数。时间和色彩表征的影响因素与参数逻辑相同，可直接转化成参数。肌理表征需根据其面积、深浅、形状影响因素，使用块状纹理参数模拟扁平肌理和部分立体肌理；呈现线性延伸的立体肌理，则使用线性纹理参数来模拟（见图3）。肌理表征扁平肌理面积：不规则、面积大面积：不规则面积：不规则线性深浅：表面起伏深浅：产生深人投影深浅：产生深人投影形状：扁平块状形状：块状起伏形状：线性延伸块状纹理线性纹理图3肌理影响因素的参数转化过程示意图四、参数化模拟修复1.参数模拟修复系统构建完成影响因素的参数转化后，将线性纹理、块状纹理和色彩三个参数进一步细分，构建完整的参数化模拟修复系统。此系统由线性纹理、块状纹理、色彩变化和时间四个参数。其中线性纹理和块状纹理与色彩成为同层级参数共同受时间参数控制，形成“1+3”的模式。线性纹理参数细分为线性走向、延伸长度、真实纹理三个次级参数，依次由图片干扰、路径连接和管状模型三个技术模块形成。块状纹理的次级参数又分为真实纹理和层级破损暴露过程，使用PBR贴图技术即可；色彩则分为饱和度、明度和纯度，实用动态显示技术2.参数化模拟（1)G r a s s h o p p e r 参数化功能Grasshopper软件是完成参数化流程的主要软件之一，将建模与编程高效地结合，自由地实现程序可视化，通过改变参数（数据）使编写的算法生成多样的结果。其中，在Grasshopper中建模与编程语言被编汇成“电池”，使用者将电池输出处与对应的输入处连接，使不同的指令互相作用，形成一个新的程序（2）壁画参数化模拟本次实践案例由云冈研究院提供（见图4），此张壁画已出现外层碎片化、色彩衰退、内层裸露等状况，呈现粉状脱落、裂缝与褪色等病害现象，并分析此壁画的肌理与色彩表征发现此壁画具有粉状脱落、剥落和裂缝等病害，图4壁画纹理分析示意图别可获得线性纹理参数、块状纹理参数和色彩参数。3.设计实践根据参数化模拟流程，结合软件功能，本课题组成员根据线性纹理、块状纹理、色彩和时间参数分别设计出纹理生成模拟、模型贴图模拟、贴图动画模拟和时间总控制器四个电池组（1）纹理生成模拟纹理生成的特性由三个部分构成，一是真实纹理的路径方向，二是纹理逐渐出现的过程，三是纹理凹凸的真实状态。为模拟出这三个效果，分别用图片干扰、路径连接和管状模拟电池组实现。接下来以壁画某部分纹理为例（见图5-a），展现纹理生成模拟的效果（见图5-b）。（a）破损纹理样品（b）纹理生长后成果图5破损纹理实践成果示意图图片干扰是通过纹理图片不同的灰度值对点阵进行干扰，获得纹理走向的结构点，得到对应的数据列表。基于图片干扰的原理，将实景图片的纹理处理为黑色，使纹理区域形成统一的灰度值g。随后建立一个适当密度的点阵，用赋予了纹理贴图的取样电池对点阵进行数据干扰。再以点阵为圆心，数值为半径，获得纹理的大致结构走向。最后，用圆阵的半径值通过比大小筛选出对应的结构点，完成真实纹理路径方向点提取（见图6）。73Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究建立图片干机1图6图片干扰电池组示意图路径连接则是根据数据列表依次连接每个结构点，模拟纹理逐渐延伸的效果。在路径连接电池组中，使用生长起点a和生长终点b两个滑杆控制路径的起始点。生长起点a可改变路径起点的位置，生长终点b实现路径连接过程。移动生长终点b的滑杆，使列表数据逐个被调用，结构点依次连接，完成纹理逐渐产生的效果（见图7）。同时，依据该方法可以共同生成多条纹理小图7纹理生成控制器不同数值下路径连接情况示意图？管状模拟则是将线性路径转化成管状模型，便于模拟纹理的真实细节。折线必有转折点，转折点依据自身的强度会产生不同的t值，即t值暗示了线条转折的位置。为了模拟出纹理的粗细不同，使用数据区间自主限定管道半径，使用管状生成电池组（见图8），构成不同的t值，最终依据路径转折点产生粗细不同的管状模型图8管装生成电池组示意图（2）模型贴图模拟块状纹理的实现需满足两个条件，一是纹理的真实质感与面积大小，二是表层破损后里层显露的过程。其中，壁画层级的裸露的程度由破损的肌理决定使用vrayforrhino中的PBR材质复原真实的纹理质感和面积大小，此材质通过吸取物体的光信息来模拟物体表面的物理属性。这里以壁画的细泥层作为例子，首先建立颜色层和细泥层两个平面上下放置。再借助PixPlant软件生成细泥层的纹理贴图，形成PBR材质。之后将PBR材质赋予到细泥层模型上，可模拟出细腻层真实纹理。最后，使用透明贴图限定细泥层上纹理的面积显露过程则使用移动电池。PBR材质赋予到细泥层模型后，运用位移电池将纹理模型逐步向上推移，通过修改位移的数值大小控制破损纹理在颜料层上浮现的面积大小，形成如下电池组（见图9）。其中PBR材质可模拟出其他的非线性病害现象（见表2）。移动电池P双材质显示电池图9块状纹理电池组示意图表2不同病害现象的PBR材质染效果图23参考图PBR材质染图点状脱落起甲参考图PBR材质染图疱疹酥碱下转第7 9 页责任编辑曾班74设计艺术研究DESIGNRESEARCHVol.13No.52023（3）贴图动画模拟由于rhino软件目前的局限性，不能直接使用参数控制色彩变化，因此借助Photoshop软件进行色彩变化的编辑，形成图库。最终用文件路径电池提取图库中的图片，使用“图像调取控制”滑杆控制图片调用顺序，实现壁画色彩的转变，具体电池组如下（见图10)。EngingO.40.75saueldsutePlaneMoobR35:15atrialVGeomeiryQuotyOutputImopaVaibleOutput ResokutlonLitoifune.CamenRefectionWrantightGleMateriat.VGeometryIOR-Timelineopeeity-RanderElementsUpdete Ettete Freguency图10贴图动画模拟电池组示意图72（4）“时间”总控制器此处运用区间映射电池，将时间的数据映射成纹理参数的“生长点a、b”滑杆数据、“方向”滑杆数据和色彩参数的“图像调取控制”滑竿数据，实现只用时间参数控制其他所有参数。拉动时间控制器电池组的滑竿（见图11），使纹理生成、模型贴图模拟、与贴图动画模拟电池组运行，模拟出壁画纹理、层级与色彩的变化过程（见图12），呈现壁画随时间变化的完整过程。FramesCount0171Frames.Timeline开物年粉Stant1700年粉蜂止年份170EndFraction图11“时间”总控制电池组示意图72公元2 0 2 2公元2 0 0 9公元18 0 0公元16 30公元140 0公元110 0公元7 50公元453图12壁画逆时重访效果展示图？五、结语在此次实践中，使用Grasshopper模拟了壁画的逆时重访效果，尚存两点不足1.样本仅维持轻度损伤利用参数化技术修复壁画，样本需处于轻度损伤的状态。大面积的损伤壁画无法推断出最初的图案，难以形成完整的逆时重访过程。之后可运用深度学习等方法对破损壁画进行自动修复9 ，使更多壁画实现“逆时重访”2.部分参数未设置阈值运用参数化模拟修复系统时，多个参数相互嵌套关联，修改每一个参数的数据都会影响其他参数获得新的结果。由于样本数量不足，不足以获得多个参数的上下限阈值，此次实践仅就技术进行尝试，后期尚需通过其他样本数据逐渐完善参数的设置虽然此次实践存在上述不足，但实现了参数化模拟壁画的变化过程。总之，使用参数化对壁画进行保护，促进了文化遗产保护数字化技术的完善，构建了壁画新的叙事背景，打破了传统壁画保护的局限性。壁画参数化模拟系统不仅仅实现了历史细节的可视化与未来的推测，也是大众借助新媒介学习和体验人类历史文明，实现历史文化在当代数字环境下的再表达、再记忆的重要资源。壁画参数化打破原有的时间、地域界限，将沉寂的壁画通过数字媒介生动地与人类个体联系起来，产生了更加自由的交流，完成了一次人与文化之间新的交汇发展注释时间凝固，在本文意指文化遗产修复结果展现的是某一个时间点的状态。图1图12，表1、表2（PBR材质煊染图）来源：作者自绘表1、表2（参考图）来源：国家文物局.古代壁画病害与图示：GB/T30237-2013S.北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局；中国国家标准化管理委员会，2 0 13.参考文献1JA.Schmidt,P.Madhu,A.Maier,et al.ARIN:Adaptive Resamplingand Instance Normalization for Robust Blind Inpainting ofDunhuang Cave Paintingsc.2022 Eleventh International Conference on Image Processing Theory,Tools and Applications(IPTA),2022:1-6.2付心仪，李岩，孙志军，等.敦煌莫高窟烟熏壁画的数字化色彩复原研究J.敦煌研究,2 0 2 1,18 5（0 1)：137-147.上接第7 4页曾进责任编辑79Vol.13No.52023DESIGNRESEARCH设计艺术研究明、细腻，远远望去，朦朦胧胧的身影，呈虚幻缥缈视觉效果，从而和现实中的灯光装置构成一种遥相呼应的艺术空间气氛3.视效价值灯光在游戏画面中主要起照明、煊染场景氛围以及把游戏的整体风格与基调表现得淋漓尽致的效果。因此，交互灯光对染气氛，表现主题起到重要的推动作用。材质与交互灯光紧密搭配，将光线的色彩元素、走向配合起来，强度的掌握等特点，通过交互灯光色彩冷暖与饱和度的合理配合，来拉开轻重缓急，反应空间层次，使图片自然、生动，创造出一种与大自然恰如其分的超现实艺术风格。4.营销价值与游戏效果一致，交互灯光效果使玩家更具有沉浸感，吸引玩家下载安装游戏，由此产生商业价值（见图6）。在交互灯光有效运用之下，游戏的情景就比较鲜明了，引导玩家视觉，让玩家感受力更强。出色的灯光设计，营造出良好的画面效果，可以带来更多的商业营销价值。图6Fo r c e o f Na t u r e，Fi e l d x Ni k e 项目展示图753JYangJ,CaoJ,YangH,et al.Digitally Assisted Preservation andRestoration of a Fragmented Mural in a Tang TombJ.Sensingand Imaging,2021,22(1).4段晓晨，吴世蔚.基于参数化方法的几何纹样设计方法研究J.设计艺术研究,2 0 2 2,12(0 1)：13-17.5JMoyano J,Carreno E,Nieto-Julian J E,et al.SystematicApproach to Generate Historical Building InformationModelling(HBIM)in Architectural Restoration ProjectJ.Automation in Construction,2022,143:104551.五、结语游戏被当作一种娱乐对象，成为必不可少的组成部分，不但能使人的身体和精神放松，并丰富了人们的生活，是人民紧张生活中的一种调剂品，如何更好的进行设计就显得尤为重要。灯光所扮演的角色能给作品注人活力，将优秀特质发挥得更加突出，还能把没有做好的地方遮盖起来。而光作为交互灯光装置中的一环，关系到观众游戏整体体验的趣味性与实用性，这对于交互灯光装置设计具有十分重要的作用。因此，我们应该充分了解交互灯光装置，把交互灯光装置与游戏结合运用到游戏中，在保障艺术性的前提下，增强玩家互动体验、游戏趣味性。注释图1来源：https:/volna- 来源：https:/ 0 19,9(06):83-88+94.2崔轩成.灯光装置艺术的创作方式探析J.山东工艺美术学院学报,2 0 2 2(0 4):19-2 2.3黎盟.互动灯光装置中的情感传达研究D.昆明：云南艺术学院，2 0 2 2:2 0.4徐敏.互动灯光装置的沉浸式体验设计D.南京：南京艺术学院,2 0 2 0：17-18.5吴洁宜.体感游戏里的具身实践以游戏健身环大冒险为例J。新媒体研究，2 0 2 2，8（15）：116-119.6王思文.当代艺术语境下的灯光装置艺术J.现代装饰（理论）,2 0 16(01):231.7沈倩.灯光装置艺术的当代性研究J.新疆艺术学院学报，2 0 2 1，19(04):71-81.6李至惟.基于数学模型的参数化立体复合云雷纹生成研究J.南京艺术学院学报（美术与设计），2 0 2 1（0 5）：2 0 5-2 0 77Poulopoulos V,Wallace M.Digital Technologies and the Roleof Data in Cultural Heritage:The Past,the Present,and theFutureJJ.Big Data and Cognitive Computing,2022,6(3):73.8赵凡，谢振斌，王冲.四川马尔康甲扎尔甲山洞窟壁画材料耐水性试验研究J.科学技术与工程，2 0 19，19（2 9）：2 7 2-2 7 79蒋超，雷桐，俞琳，等.西安韩森寨元代墓室壁画数字化修复方法J.科学技术与工程，2 0 2 0,2 0（31）：12 9 2 2-12 9 2 6.