如今，人工智能（AI）不仅越来越多地被应用在科学和商业领域中，而且在艺术领域也开始崭露头角。当人们对层出不穷的 AI 技术感到惊叹时，一项新的 AI 壁画修复技术出现了。

近日，为解决中国古代壁画杰作永乐宫壁画的“修复难”问题，来自山西大同大学、马来西亚理科大学、大理大学的研究团队提出了一个能够修复巨型壁画的 AI 模型——3M-Hybrid。据介绍，与四种代表性卷积神经网络（CNN）模型中的最佳模型相比，该模型在常规尺寸的壁画修复中将 SSIM 和 PSNR 分别提高了 14.61% 和 4.73%。此外，它在巨大壁画的最终修复中也取得了良好的结果。

让永乐宫壁画触手可及

永乐宫始建于元定宗二年(1247年)，距今已有700多年的历史，是中国现存规模最大、保存最为完整的道教宫观。其中面积1000多平方米的壁画是中国现存最完整的道教壁画，素有“东方艺术画廊”之称。搬迁前的永乐宫坐落在芮城县城西15公里的永乐镇。因为修建黄河三门峡水库，1959年永乐宫开始搬迁，工程历时9年。

2014年10月，文物专家对永乐宫壁画情况进行实地调研。2016年6月，敦煌研究院文物保护技术服务中心对永乐宫壁画进行详细勘查，并制订《壁画保护修复设计方案》，发现永乐宫壁画存在颜料层起甲、脱落、粉化等病害问题。2019年1月，经中国国家文物局批准，敦煌研究院文物保护技术服务中心先期开展永乐宫龙虎殿部分壁画试验性修复工作。

2021年，位于山西省运城市芮城县城北龙泉村东侧的永乐宫，开始对壁画出现的颜料层起甲、脱落、粉化等病害问题进行搬迁后的首次大规模修复，仅龙虎殿和重阳殿的壁画修复面积就达548平方米，工期两年。此次修复由敦煌研究院文物保护技术服务中心组织实施。据山西省永乐宫壁画保护研究院院长席九龙介绍，永乐宫的壁画享誉世界，其绘制时间略早于欧洲文艺复兴时期。此次壁画修复，是永乐宫历史上规模最大的一次，仅龙虎殿和重阳殿的壁画修复工程就长达两年时间。

今年1月31日，CCTV10科教频道《时尚科技秀》栏目“聚焦”我国元代壁画艺术的宝库——永乐宫，报道了永乐宫壁画保护工作中的一系列文物保护科技手段。近年来，文物保护工作者运用保护手段，让永乐宫的壁画不再“高冷”，成为触手可及的艺术瑰宝。

该栏目意在让观众了解三个科技点，即“展示科技新创意，新产品，新发明”，让百姓在享受科技之美的同时，了解科技内核，体验科技发展对人类生活的切实改变，向观众展现科技的魅力。通过体验者的讲解和体验演示，以短、频、快的方式，生动、有趣、新奇的画面语言，和最前沿、最有科技感的动画和电视手段，展现科技的功能、科学原理和生活中的实际应用感受。

数字赋能让永乐宫壁画呈现全新姿态

为了将壁画艺术更好地呈现于世人，让公众能身临其境地目睹文物的真面目。自2019年起，山西省永乐宫壁画保护研究院便启动了数字保护工程，采用三维激光扫描和近景摄影测量技术创建数字资产，通过数字赋能，让永乐宫壁画呈现出全新的姿态。山西省永乐宫壁画保护研究院院长席九龙介绍：“我们在本体保护的基础上，运用多种数字化保护手段，比如3D修复、打印，VR、AR等数字影像技术，以及三维动画、全景漫游等，让永乐宫壁画活起来。”

永乐宫壁画中的精华为三清殿《朝元图》，描绘的是群仙朝谒元始天尊的情景，总共绘制了290个人物形象，艺术价值极高，是世界绘画史上少有的巨制。但由于年代久远，壁画中的一些色彩、人物的配饰，早已看不清楚。为了让人们领略永乐宫壁画的神韵，研究人员采用了先进的数字影像技术，将壁画中的人物“复活”，让原本处于静态的壁画，成为动态的影像，从而产生了令人震撼的视觉效果。

山西省永乐宫壁画保护研究院工作人员介绍，采用数字影像技术和裸眼3D动态视频相结合的方式，呈现出三清殿《朝元图》的风采。动起来的永乐宫壁画，还原古代场景，用裸眼3D动态方式展示了永乐宫壁画的新颖、大气、时尚，美轮美奂。不过，要达到这样的效果，并不容易，尤其是原图中所遮盖的部分，又是如何处理的呢？

山西省考古研究院（山西考古博物馆）数字工程师安海介绍：“我们主要采用多维度复原动画演绎形式，对壁画进行专业拍摄和扫描，由经验丰富的抠图师，对图像进行精密处理，将壁画在二维中进行修补，包括颜色、道具、图纹等。为了表现出壁画的层次，我们采用了三维前后层次方式，在三维场景中，按比例将角色和场景道具搭建出来，对每个角色进行单独计算机语言动画编码，达到一个栩栩如生的效果。”

永乐宫以壁画闻名天下，其艺术价值之高，数量之多，可与敦煌壁画相媲美。但由于壁画是国宝级文物，不可移动，这就给壁画的展览，带来了很大的难度。为了便于观瞻，研究人员采用3D打印技术，将东西两铺原高4.2米的壁画，同比例打印出来，使得壁画线条更为明晰，色彩更加鲜亮，还原了永乐宫壁画的神韵。通过3D打印，让藏于三清殿的惊世壁画走出来，并成为让游客可触摸、零距离感受的艺术品。

不仅如此，研究人员还利用数字技术扫描文物，采用传统方法制作建筑模型，复制出三清殿明间藻井、内檐斗拱彩画、三清殿模型等建筑构件。这些复制品，与建筑上的文物构件几乎一致。

利用数字技术，对壁画内容进行修复并制作动画效果，是永乐宫壁画展览中采用的一项新技术。这项技术可以让壁画产生由模糊到清晰，由静态到动态的视觉渐变效果，人们在欣赏画卷时，会惊奇地发现画中的人物竟然在“悄悄”地动，从而增强了观众的体验感。

新型 AI 技术修复大尺寸壁画

与手工修复技术相比，数字修复方法更加高效和可逆，特别是基于深度学习的图像修复技术取得了显著的成就。然而，对基于深度学习的壁画修复文献主要关注敦煌壁画或其他常规尺寸的壁画，缺乏专门针对永乐宫壁画及类似巨大壁画修复的研究。

与其他关于壁画修复的研究相比，巨大的永乐宫壁画的修复工作面临两个主要挑战：1）永乐宫壁画具有稀缺性和独特的风格；2）壁画尺寸巨大，模型在修复不同类型和尺寸缺陷方面的熟练程度有限。此次研究团队提出的 3M-Hybrid 模型能够有效修复永乐宫壁画。其中，“3M”指的是三个关键策略：多频率、多角度和多尺度，而“Hybrid”指的是混合型 CNN-VIT 网络。

首先，研究团队将巨大的壁画分割成常规尺寸的部分进行修复，然后将修复后的部分重新组装成原始尺寸。为了使常规尺寸壁画修复模型能够在有限的图像数据量下有效处理各种类型和尺寸的缺陷，研究考虑了两个方面：优化训练数据和完善模型结构。

为了实现更好的修复效果，该研究采用了专门用于学习和提取这些高频和低频信号的独立网络，从而增强了在这些特定频率范围内的特征学习和修复能力。基于频率的训练方法使模型能够有效处理不同尺度和类型的缺陷。在模型结构方面，该研究将卷积神经网络（CNN）与预训练的视觉变换器（VIT）集成在一起，从而增强模型的特征提取能力。

此外，在修复巨大壁画时，基本的切割方法在修复超大尺寸的缺陷时会导致接缝间隙和结构失真。为了解决这个问题，研究团队采用了多角度策略来减小间隙，并使用了多尺度方法，结合切割和缩小方法。这确保了精确的修复，同时增强了壁画整体结构的提取，解决了多尺度缺陷的问题。

从可视化的表现来看，该模型在自由粉尘状、自由胶状和自由线性掩膜的修复结果方面表现出可观的效果。此外，对自由形状块掩膜的修复结果展现了保留的结构完整性和可信的纹理。3M-Hybrid 模型被证明是恢复这些独特而巨大壁画的可行方法。

然而，该研究也并非完美。首先，研究提出的方法依赖于多次实验以选择三个尺度融合权重的最佳值。然而，考虑到权重设置涵盖了无数的可能性，而实验次数有限，这种方法可能不够精确。因此，基于实验结果确定的权重值只能保证相对有利的最终结果。其次，研究使用的评估指标不够客观。目前使用的四个评估指标没有对图像结构进行全面评估，通常不能准确反映人类对图像的感知和评价。

但是，不可否认的是，该研究探讨了深度学习在巨大壁画修复中的应用，特别关注了利用深度学习技术来修复永乐宫壁画，其代表了首次尝试探索大规模艺术品的深度学习修复方法。另外，在改进常规尺寸图像修复模型方面，该研究从数据和结构两个角度综合改进。这为未来研究提供了对修复独特小数据集的新见解。

AI 技术在文物修复领域的诸多应用令人兴奋。未来，期待 AI 技术在文物保护、修复等方面能够更进一步，帮助人类延续文物生命。

文章来源： 学术头条， 运城晚报，新华社，运城新闻网