本发明涉及一种壁画表面形貌变化的分析方法，尤其涉及一种采用Photoshop与MATLAB软件分析壁画表面形貌变化的方法，属于壁画表面形貌变化的分析技术领域。

背景技术：

壁画是墙壁上的艺术，即直接画在墙面上的画。作为建筑物的附属部分，它的装饰和美化功能使它成为环境艺术的一个重要方面。壁画为人类历史上最早的绘画形式之一，在古代，壁画多作于石窟、墓室或是寺观的墙壁上。壁画不仅具有艺术与观赏价值，还具有历史价值与科学价值。以敦煌莫高窟壁画为例，窟内有2000余身精美生动，造型各异的佛教塑像与精美绝伦的壁画，壁画和塑像的内容主要以佛教为主，还包括一定年代内对都城、出征等历史的写实部分，为人们研究历史提供了重要史实资料，此外洞窟的开凿与壁画的绘制也是古代人类智慧的结晶。1961年，莫高窟成为建国以来第一批国家重点文物保护单位之一，在1987年，被列为世界文化遗产，具有重要的文物保护价值。

莫高窟壁画是典型的多层结构，由砂砾岩支撑体、地仗层(粗泥层与细泥层)、底色层(白粉层)、颜料层组成。多层壁画结构由于组成材料的性质不同，材料间和层间可能有兼容性问题，从而导致壁画的病害；而且制作材料多为多孔材料，由于其孔隙较大，在水分和可溶盐的作用下，很容易导致其结构的破坏。经历了上千年自然环境的作用，虽然受到国家的大力保护，莫高窟壁画上仍然产生了大量病害。其中最典型的为酥碱病害与疱疹病害，酥碱是壁画地仗中的可溶性盐，随着环境湿度变化，不断地溶解和结晶，从而导致地仗膨胀、收缩的反复作用使壁画地仗结构破坏而产生的疏松状态。酥碱是敦煌莫高窟壁画病害中最常见，易反复，难修复的病害，是一种典型的活动性病害，有人称酥碱病害为壁画的“癌症”，此类病害对壁画的危害极大。

为了加深对壁画病害发展的认识，控制并防止莫高窟壁画各类病害的发生，研究者们设计并对莫高窟实施了许多实施监测措施。然而大多数的监测措施只是对室内的温、湿度，二氧化碳，人流量，风速，空气质量等进行监测，缺乏对病害发展趋势的实施监测，目前对壁画病害的观测主要通过肉眼或者相机进行定时观察，从宏观、定性角度进行描述，存在诸多主观性，难以量化和比较各处病害程度及发展速率。对壁画病害程度进行定量监测和评价往往存在一定的难度，但确是非常重要的，需要投入大量人力物力进行钻研。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于壁画表面形貌变化的分析方法，通过该分析方法对壁画表面变化进行实时监测，将得到的壁画表面变化监测结果与壁画的病害发展情况结合起来，阐释壁画表面病害发展趋势与规律，为控制壁画病害发生与发展提供理论依据和数据基础。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括以下步骤：

(1)对壁画表面形貌每隔一定时间进行同一位置跟踪拍照，或不同条件下的壁画进行同一位置跟踪拍照；

(2)用Photoshop和MATLAB软件对数码照片进行分析，提取相关数据并进行计算，得到壁画表面形貌的量化分析结果，由量化数据判断病害发生了明显或微小的变化。

其中对实验室模拟壁画表面形貌拍照时，样品应放置在固定的实验台上，在样品上方同一平面每隔固定角度放置一盏功率为1.1w的实验灯，并保证日光、照明光线不造成样品拍照时光照度差异。对第一次拍照时样品的位置、实验台的位置、灯的位置进行标记，保证后续每次拍摄位置不变。用三脚架将数码相机固定并垂直于样品表面拍照，镜头到样品表面的距离固定为9cm，采用微距拍摄模式，保证每次拍照的参数一致。

其中步骤(2)首先将初始时间或初始条件下拍的数码照片采用Photoshop软件处理得到灰度图像，再用MATLAB处理得到一个在双精度数值范围内的纹理图像、对底部纹理生成粗略遮罩、边缘进行平滑处理、以及使用纹理滤镜等手段后，得到试样表面三维形貌图，并对三维图进行编号并设定标尺，随后对图片垂直轴的数据进行提取，参与后续的量化计算；

采用上述方法对不同时间不同条件下的壁画进行分析；然后与初始时间或初始条件下拍的数码照片进行比较，判断是否发生了变化以及破坏程度。

其中进一步得到的三维图的图片垂直轴的数据反映出试样表面的孔洞、突起等形貌的量化值。每个像素点对应着一个数值。

本发明的有益效果是：采用Photoshop和MATLAB软件对壁画表面形貌的数码照片进行相关处理后，可以将宏观的数码照片转换成微观形貌变化的量化数值，从而获得壁画表面病害的发生与发展信息。

附图说明

图1为实施例1MATLAB软件分析模拟壁画表面形貌流程图；

图2样品的数码照片和表面三维形貌图：

第一行是不同含盐量的样品在35％相对湿度下放置36h，第二行是对应的三维图；第三行是2％的含盐量样品在相对湿度为65％不同时间时的形貌，第四行是对应的三维图。

图3相对湿度为35％(a)，65％(b)和80％(c)环境下试样MCV与含盐量、时间的关系图。

具体实施方案

以下结合实验室模拟酥碱病害壁画表面微观形貌变化量化数值的获取过程对本发明进行进一步解释，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

模拟酥碱病害壁画试样用土取自莫高窟附近的大泉河床(当地称之为澄板土)，将土过筛(＜0.05mm)后在110℃下烘干。麦秸与试样混合前将其剪碎至长度不大于0.8cm，每个模拟试样中纤维增强材料约占样品质量的2.5％左右。实验中用的可溶盐为NaCl+Na2SO4(质量比为1:2)，制作含盐为1％、2％、3％、5％、10％的模拟试样，以含盐量为0％的试样为空白对照。每侵蚀24h，对模拟壁画样品表面形貌跟踪拍照。样品放置在固定的实验台上，在样品上方同一平面每隔110°角度放置一盏实验灯(1.1w)，并保证日光、照明光线不造成样品拍照时光照度差异。对第一次拍照时样品的位置、实验台的位置、灯的位置进行标记，保证后续每次拍摄位置不变。用三脚架将数码相机(Canon 700d，Japan)固定并垂直于样品表面拍照，镜头到样品表面的距离固定为9cm，采用微距拍摄模式，保证每次拍照的参数一致。用Photoshop和MATLAB软件对拍摄的数码照片分析并提取数据进行计算。以含盐量为2％的试样在相对湿度为35％下放置60h为例对处理方法进行解释，分析流程见图1。

首先将原始数码照片(图1a)采用Photoshop软件处理得到灰度图像(图1b)再用MATLAB处理得到一个在双精度数值范围内的纹理图像(图1c)，对底部纹理生成粗略遮罩，边缘进行平滑处理(图1d)，以及使用纹理滤镜(图1e)等手段后，得到试样表面三维形貌图，并对三维图进行编号并设定标尺(图1f)，随后对图片的Z轴的数据进行提取(图1g)后，参与后续的量化计算。

采用上述方法对不同含盐量的带有颜料层的试样在各相对湿度环境下侵蚀不同时间后的形貌进行完整的记录和分析。比较在相同时间内，不同含盐量的样品形貌以及同一个样品在不同时间内的表面形貌(图2)，可以看出样品的表面形貌出现了明显的变化，即样品的破坏程度有了明显的变化。

进一步得到的三维图的Z坐标值(图1g)反映出试样表面的孔洞、突起等形貌的量化值。每张三维形貌图大小为512×480像素，每个像素点对应着一个数值，每张三维图有480行，512列，即245760个数据。在模拟实验及试样形貌图像解析过程中发现，含盐量为0％的试样表面形貌变化不大，所以计算时以相应相对湿度环境下，含盐量为0％的试样第一个实验时间点提取的Z坐标值作为基准，假定参照数据为Group A(表1a)，其余任意时间，任意含盐量的数据为Group B(表1b)。通过计算对应点的变化值来确定样品表面形貌是否发生变化。

表1参照组(group A)数据行列分布示意和任意含盐量数据(group B)行列分布示意

为了用数值表示出三维图中突出及凹进的程度，采用平均绝对值法进行运算，如下公式所示。MCV是形貌变化值(Morphology Change Value)的缩写。

采用上述计算方法，对实验室模拟含盐量0％，1％，2％，3％，5％，10％的试样在35％，65％，80％的相对湿度下，各侵蚀时间点的表面形貌进行量化计算，数值越大说明样品表面变化越明显，计算结果如图3。

从图3可以看出，含盐量为0％的各试样，在最初的一段时间出现一定的变化，变化值MCV在5-10之间，随着相对湿度从35％，65％增加到80％，表面被破坏程度发展趋势基本一致，随着时间延长，均未出现明显变化。初始时表面出现变化的原因可能是试样放入恒温恒湿箱中最初的干燥过程中，土层、白粉层和颜料层一定的收缩所致，颜料层表面未出现明显破坏。含盐试样在各相对湿度下，随着受环境破坏时间延长，相对于不含盐的试样，表面形貌数值几乎均明显增大，所以可溶性盐对表面形貌的影响显著。含盐试样表面形貌变化数值波动明显，可能是由于可溶性盐在一定的相对湿度环境中，离子发生了迁移，不断地沉积、结晶和溶解现象所致。试样在三种相对湿度环境下，含盐试样表面形貌出现明显的破坏均出现在最初的一段时间内，在本实验的时间范围中，相对湿度为35％，65％，80％的环境下，试样表面形貌明显变化分别出现在32h，7h，22h左右。试样在相对湿度为35％的较为干燥的环境下，处于放湿状态，试样中原有的水分，随着试样的干燥过程，携带着可溶性盐迁移到表面使试样破坏。之后随着试样中水分含量降低，与环境交互作用减弱，且试样中水分的减少使得盐分迁移变得困难，所以明显受到破坏所需时间较长，但是由于盐分极难在此环境下发生潮解，盐分的沉积作用对颜料层破坏却具有毁坏性。相对湿度为80％的环境下，试样吸湿效果明显(观察到试样在此环境下变得潮湿)，可溶性离子迁移更加容易，且在此相对湿度下Na2SO4和NaCl会发生潮解，不会导致试样明显的破坏，因此其MCV值远小于另外两个湿度下的。相对湿度为65％的环境下，试样吸湿较为明显，试样中的水分保证了盐离子顺利迁移，并且组合盐分也未达到潮解的浓度，所以产生结晶沉积作用破坏试样的表面，因此其表面形貌变化产生最快并且变化幅度最大。由以上分析可见，采用MATLAB软件对跟踪的数码照片进行处理、分析，采集分析数据，对样品表面形貌变化可以初步有效地进行量化，可以对肉眼无法观察到的微小变化进行检测，对破坏程度大小进行评价，环境对样品的侵蚀强弱得到评估，为采取一定的治理措施奠定基础。