文献推荐 | 根特祭坛画的数字影像处理

引用格式：

Pizurica, A., Platisa, L., Ruzic, T., Cornelis, B., Dooms, A., Martens, M., … Daubechies, I. (2015). Digital Image Processing of The Ghent Altarpiece: Supporting the painting’s study and conservation treatment. IEEE Signal Processing Magazine, 32(4), 112–122. 

内容介绍：

1.背景与意义

       根特祭坛画-也被称之为神秘羔羊之爱，由荷兰画家凡·埃克兄弟于1415-1432年间创作，现存于比利时的根特·辛特·巴夫大教堂，该画被后世认定为世界上第一幅油画。在经历了战争的损害以后，该画于2012年迎来了一次较为系统的修复。除了修复油画在经历了烧毁痕迹、年代裂隙等等病害以外，由于该油画由荷兰画家凡·埃克兄弟共同创作，故通过对油画之中隐含信息的提取和分析可以分析不同画者的绘画风格。故对根特祭坛画的虚拟修复不仅是艺术界的一笔宝贵的财富；对于历史界来说同样是一场生动有趣的探寻旅程。

2.理论背景和方法

2.1 裂隙检测

       裂隙是文物中最常见的病害之一。除了由于人为因素造成的裂隙病害外，自然的裂隙病害主要是由于空气中湿度的波动导致的文物表面结构的收缩或扩张而造成。该文将裂隙大致分为两种，一种是基于暗背景的明亮裂隙；另一种是基于明亮背景的暗裂隙。而该文的裂隙检测与修复主要为基于明亮背景的暗裂隙。该文选用的实例是修女手中的一幅满是裂隙的圣经画。该文对外业采集中微距摄影、近红外微距摄影以及X射线的成像结果进行特征矢量提取，构成最终的裂隙集合。然后对待修复影像上的随机变量是否在该集合上进行概率判断。以0-1为判断区间。其中0为不属于裂隙、1为属于裂隙、超过0.5属于部分裂隙。

2.2 裂隙虚拟修复

       传统的裂隙虚拟修复方法大致可以分为局部和全局两种形式。该文在基于全局的裂隙虚拟修复方法的基础上提出了改进的结构全局虚拟修复方法。该法的思想是在整幅影像上选取多个可以填充待修复区域的候选区域；在待修复区域上选择一个包容区间；候选区域不仅要和待修复区域本身进行相似度判定，还要和包容区间上每一个方向上的区域进行相似度判定；相似度最高的候选区域即为最终的填充区域。

2.3 “珍珠”背后的秘密

       “珍珠”是根特祭坛画中最常见的绘画元素。由于该画不仅创作于两位画家之手，并且在创作后的1432年至2012年期间经历过不少损伤和规模不大的修复和重绘。故对油画中重绘区域以及绘画风格连续性的判定成为了虚拟修复需要解决的又一大难题。而对“珍珠”的相似度分析有望揭开这些问题的神秘面纱。对每一颗珍珠进行空间直方图分析，出自同一位画家之手的珍珠会在三维空间直方图上呈现相似性。将相似大小的珍珠分为一组，分别对每一组的ssim值进行判断。如果同一组珍珠在视觉上排列整齐，但sssim值很小，那么可以说明该部分可能存在重绘现象。

3.宗旨和目标

3.1 虚拟修复

       诚然，虚拟修复是对文物保护的一种最佳方式。文物能传达的是美学思想、是历史问题、是人文思考，虚拟修复能做的不止是将文物以最美的方式呈现在世人眼前，它更重要的作用是抵抗人们不能预知的会对文物造成损害的因素，从而将人类的智慧和文明以数据的形式永世留存。

3.2 病害修复

       虚拟修复要做的就是最大程度的将现存的文物还原到它初诞生时的样子，即最大程度的还原它的艺术价值。故虚拟修复工作者要做的就是针对文物上的各种病害进行分析和思考，以期获得最佳的修复方法。

3.3 虚拟与现实相交互

       正如作者在结论中所提的那样，虚拟修复能够带给文物的永远只是方法，它或是在手工修复者的基础上做出分析；或是改进手工修复者的修复方法。故虚拟修复必须和手工修复更加紧密的结合，才能最大程度还原文物本身的价值。

4.案例展示

4.1 裂隙修复结果

图1 书籍裂隙修复结果

       图1为修女手中书籍的裂隙修复结果，可以看到虽然面对的是存在大量裂隙的油画，文章提出的方法拥有较好的修复效果。但是画作中存在的能够反映文物历史价值的文字信息在该法的修复后没有被很好的呈现。

4.2珍珠展示

图2 珍珠展示

从上图可以看出，珍珠确实是该油画中最常见的因素，无论是作为人的配饰还是其他物品的装饰，珍珠元素都在油画中大量可见。本文对珍珠元素进行了系统性的分析，分析结果对探寻根特祭坛画的创作背景以及它经历的历史事件都有很高的参考价值。

5.结论

       本文通过基于多通道数据的BCTF法检测裂隙并通过改进的结构优先修补方法来修复裂隙。在此基础上对修女手中具有较多裂隙的书籍进行了虚拟修复，该文提出了裂隙检测算法充分利用了微距摄影、近红外微距摄影、X射线等等应用于根特祭坛画虚拟修复外业采集中的数据。在提出的裂隙修补方法上，也通过结构优化的方式，使修复结果在此基础上呈现更好的效果。此外，根据根特祭坛画产生的故事背景，该文通过对油画中大量存在的装饰对象“珍珠”进行相似性分析，通过相似性的结果推断油画的相应部分是否存在重绘，以此进一步来探寻油画背后的历史秘密。

相关思考

1、基于数字影像虚拟修复的局限性：该文的裂隙虚拟修复运用到的是三种不同类型的数据，但依然不能完全的将艺术品想传达的文字信息完整的还原，这在裂隙病害的虚拟修复上仍然是一个很大的难题和考验。

2、影像重绘区域究竟该如何确定：对于文物修复和保护的工作在各个历史时期都有或大或小的开展，特别是对于一些艺术价值很高的作品，在他们表面或许已经经历了很多次的重绘和修复。如何确定这些区域？如何将这些区域和其他区域区分开？这些都是现在的文物修复者需要思考的问题。该文所基于的是珍珠这一种元素，但很多文物表面并没有类似于珍珠这类的标志性元素，届时文物的重绘区域该如何确定？这依然是一个很大的难题。

来源期刊：

IEEE Signal Processing Magazine

DOOI:10.1109/msp.2015.2411753