古代繪製壁畫，先要在開鑿好的石窟壁上製作地仗，就是壁畫的底子。地仗製作是在開鑿好的石窟壁面上，先抹一層2-3層釐米厚的黃土加麥草粗泥。粗泥外再抹一兩毫米厚的黃土加碎麻調和的細泥，待半乾用抹刀壓平抹光，使表面平整、細膩光滑，泥完全乾透，地仗就完成了。
窟內壁面地仗的製作完成之後，刷上白色的塗層，接下來即進入繪畫實施階段：起稿、著色與勾線。據敦煌研究院馬德先生研究，古代畫工繪製壁畫一般都是由三五人組成一個班子，五代、宋在莫高窟繪製壁畫的工匠有師徒之別，高手助手之分。以此推測，早期壁畫繪製一個窟應是一個群體作畫，其中有師傅高手統一指揮，多人分工動手。
首先要度量定位起稿。洞窟牆面要畫的面積很大，不同位置畫的內容都有嚴格的要求，不僅要求美觀協調，更要求有章法，在起稿前用幾條橫長線根據所繪內容把壁畫劃分為若干欄。說法圖一般是壁畫的主要內容，主尊畫像尺度比例要求嚴格。先用一條垂直中線畫出佛像全身高度，再分出頭部、手、腳一直到蓮座的具體位置和相應的幾個點，這樣做一是確定與對面壁上說法圖佛像大小比例關係的一致性；一是控制佛像自身的比例關係。研究發現，坐佛一般從髮髻到蓮座之高是六個頭高，立佛從髮髻至蓮座也是六個頭左右，同一窟相對的兩個說法圖佛像高度相差只在毫釐之間，不同洞窟相同佛像也相差極少。而其他一些次要內容，都是畫一個大輪廓，在塗色時進一步塑造。確定了主要內容的位置，畫出基本的線條稿或大概的輪廓，下一步就是設色，又稱賦彩、敷彩、著色等。也就是往畫面上填顏色。
畫史記載，歷史上一些著名的畫家，一般僅作白畫於壁，然後由工人弟子專門設色而成，吳道子、周昉、韓乾等人的作品都有專門工人調色，同時代的敦煌繪畫大概也差不了多少。不同的是敦煌畫匠在作白畫於牆上時，都是依據畫稿進行的，研究者發現，敦煌卷子中保存了100多件粉本畫稿，而壁畫很可能是由師父根據畫稿起稿於壁，確定顏色寫上色標，再由弟子工匠塗色完成。據記載敦煌壁畫中發現各取字形中的局部為代號的布色符號有「夕」（綠）、『工』（紅）等。還有研究者在莫高窟隋代塑像的頭部和上身部位，發現畫面顏色變色現出底層寫有「紫」、「青」、「綠」、「朱」等字，顯然是填色的標記，而且在俄藏敦煌藝術品絹本著色千手千眼觀音經變殘片、布畫菩薩像、紙本畫壇城曼荼羅設計稿長卷上，也發現有顏色的標示。
有了色標的提示，調色工作就顯得簡單多了，實際上在大量的敦煌繪畫中，並不標示色標，而是直接上色，這主要是畫工畫匠們技法熟練，加上大部分人物尊像畫和相應畫面相同或相似，畫工們對所要描繪的對象早已爛熟於心，無須色標提示，仍可熟練完成畫作。
從壁畫現狀觀察，人物膚色至少有肉白色（多變為褐灰）、純白、淡赭、青綠、金色五種。塗膚色是先做平塗，再以同種色深色作暈染。早期特別是北涼到北魏前半期的人物底稿形象大都簡略，塗膚色的過程也是繼續造型的過程，所以塗膚色需要細緻從事，應該都是師傅高手的活計。膚色只塗染裸露的部分，如佛、菩薩的足部只畫到踝骨（腳脖子）部位，腿、臀部或腹部，被衣裙遮蓋的部分是不畫的。膚色平塗好後，即施行暈染。
早期壁畫人物暈染基本是西域法，在敦煌石窟流行了250多年。西域暈染法是在人體肉白色的地色上，用淺朱紅色粗筆沿人物頭面，身體四肢外形勾畫出粗壯的輪廓「線」與肉白底色相交融合，使兩色之間形成一個過渡色（漸變），產生一種立體感。面部同樣用粗「線」沿眼眶上下畫一圓圈，粗線一端沿鼻兩側順勢而下，分繞至顴骨下部再折轉直下，則與嘴角相接，加強立體效果。隨著繪畫的發展，暈染方法在不斷變化，最早的北京人物肌膚暈染特別強調五官、胸、腹、肢各部形體的關係，但是那些粗壯的深色暈染「線」，並不去十分仔細地把它完全暈開，致使每個部位都成為一個個圓環狀，頭是一個大圓環，眼部是兩個小圓環，胸是兩個圓環，腹是一個圓環，四肢各是兩節長桶圓，手掌足背也成一個圓。到北魏時人體暈染技法有新的進步。暈染色粗筆不再是簡單地把開關各異大小不同的圓形組構人體，而是順著人體骨骼肌理落筆去畫，如面部額頭、腮、頰、下頜、眼眶上下都是各自分開，依肌理結構畫出粗壯的深色「線」，仔細暈染開，其他部位也是這樣仔細暈染，使之達到膚色柔和，肌體豐滿並有立體感效果。
中國傳統的色暈法，方法簡單，與印度凹凸相反，只在面部兩頰及上眼瞼渲染一團紅色，既表現紅潤色澤，又有一定的立體感。這種方法起自戰國，西漢已很成熟。
北魏末年到西魏中原暈染方法傳入，西域暈染方法逐漸簡化、異化。到北周時，在中原暈染法影響下，演變為額頭一筆，上眼眶一筆，下頜骨到腮部一筆，兩頰各塗一圓團，淨白色膚色人物面部兩頰各染一團「胭脂」，用筆不經意時，有的染成像「桃」形，有的像個大「逗號」。有的也模仿西域暈染法，在額頭、下巴處抹一筆，但有的完全素麵不暈染。
古代畫家對於佛教繪畫不但要求形象上有主客之分，在顏色上也要分別主次。敦煌壁畫中是大量使用赭色系列顏料，其中深褐色起到壁畫色彩的骨架作用，較淺的赭石、土紅等起到中間色的作用。早期壁畫使用的顏色有土紅、硃砂、鉛丹（丹紅、朱丹）、赭石、石青、石綠、鉛白、白（白堊、高嶺土、石膏）、黑、黃等礦物色，另用一些植物色做輔色。
唐代壁畫大部分是用石綠、赭石、褐色、黃色、白色（蛤粉）、硃砂及少量石青等組成，形成一種比較和諧的暖色調，也形成了敦煌唐代壁畫色彩的藝術風格和樣式。這是當時中原地區審美取向的影響，也是顏料的限制。當時藍色礦石來自現在的阿富法汗，稱「回青」或「群青」，由於價格很高，所以只能很珍貴地用於佛頭，故稱「佛頭青」。我們現在所看到的唐代壁畫上的藍色顏料基本上都是國產的藍銅礦所制，稱「石青」，其色相偏灰藍色。這種灰藍色在壁畫上不會對暖色系列形成強烈對比，進而形成唐代壁畫和諧的色彩效果。
顏色全部填上，還要做最後一道工序就是描線成形。從起稿到塗染顏色，人物大體形象已經具備，但還沒有完全定型，最後用墨線沿著人物面部暈染過的部位勾描出臉龐輪廓、五官及四肢、手足指節、衣裙，這樣才算完成了人物的整體造型，接著再用濃墨線重描一次眉毛、上眼皮、點眼仁、合嘴線，人物神韻頓時顯現。有的定型線特別是在眉、眼、嘴部加描濃墨線條，其實就是「提神線」。這一道工序完成之後，壁畫的繪製工作也就全部完成了。
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