壁画是敦煌石窟文物的核心组成部分，具有重要的历史文化价值。由于地处戈壁荒漠，常年风沙侵蚀，敦煌壁画面临着多种病害的威胁，已变得非常脆弱。因此，敦煌壁画的保护与修复显得非常重要和迫切，它也是研究考古等工作的基础。数字化保护与虚拟复原为濒危壁画的保护与修复开拓了新的方法、提供了有效的研究工具。数字化方法没有损坏文物的危险性，具有效率高、可重复等优点。数字化保护与虚拟修复突破了现有方法的限制，使壁画的保护与修复工作跨上了新的台阶。 本文提出了壁画数字化保护与虚拟修复的一系列方法。根据敦煌保护专家对壁画颜料成分的研究、艺术家积累的经验知识以及保存得比较完好的一些壁画，综合利用色彩学知识、图形图像处理、人工智能等技术，实现壁画虚拟复原与演变模拟。壁画虚拟复原是把一些变色、褪色、脱落的数字化敦煌壁画复原初画成时金碧辉煌的景象；色彩演变模拟则展示在外界环境因素影响下壁画发生病害和破损渐变的过程。 虽然传统的图像处理技术提出了很多经典的图像复原的方法，但是我们也发现这些方法用在壁画虚拟复原领域有一定的局限性，像它们没有考虑到领域内的知识，没有考虑到壁画的物理或化学模型，没有考虑到领域内的约束关系等。因此我们在传统的图像处理的基础上，引入知识类比，根据专家的经验知识和实验统计知识作为图像处理的约束条件，实现了一系列改进的方法，并得到了更加真实的复原和演变的效果。本文的创新之处就在于提出了基于形象的智能模拟技术，将智能技术同传统的图像处理技术相结合。 目前本文提出的基于知识的图像处理方法，已经应用于敦煌壁画虚拟复原与演变模拟领域，成功地开发了原形系统。研究的大部分成果在德国汉诺威2000年世界博览会上展出，研究论文在国内外各种期刊、会议中发表。对于目前研究中的一些不完善的地方，有待以后进一步的探索。