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高光谱成像技术在故宫书画文物保护中的应用

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0引 言

中国是历史悠久的文明古国,在漫长的岁月中,中华民族创造了丰富多彩,弥足珍贵的文化遗产。文化遗产是历史与社会发展的见证,是文化认同的标志,是提高创新能力的源泉,是体现国家文化软实力的不可再生的重要物质资源,同时也是调结构促发展、培育战略性新兴产业,实现经济社会全面、协调、可持续发展的重要战略性资源。故宫博物院拥有180万件(套 )文物,其中13万件书画类文物,是国内珍贵书画文物最集中的博物馆。目前,故宫博物院书画文物保护主要依赖于传统书画装裱修复技艺,缺乏全面科学系统的材质与工艺分析。这是因为书画文物较脆弱,且难以进行取样工作。要对书画文物进行科学分析,既要使用无损的分析方法,又要保证分析方法的效率。因为书画文物尺幅一般较大,如果只对局部点进行分析,可能会错过重要的信息,所以最好的分析方法是对书画文物进行整体分析,因此必须保证分析方法具有足够高的效率。高光谱成像技术是目前最为安全、不易受检测对象和检测环境限制的无损检测新技术之一 。高光谱成像技术能在紫外、可见光、红外的电磁波段获取许多非常窄波段的图像数据,即为每个像元提供数十到数百个波段的光谱信息,组成一条完整且连续的光谱曲线,这些曲线可以用来定量分析观测对象的属性。相较于便携式X射线荧光光谱、拉曼光谱等无损分析方法,高光谱具有更高的效率。因为高光谱成像技术可以同时大幅面获得图像和反射光谱,并且速度很快。对于书画文物,高光谱图像信息有助于彩绘文物的病害调查,可以用来辨别书画文物的隐藏病害、修复痕迹和一些褪色模糊不清的画面内容;高光谱反射光谱可以用来鉴定颜料和胶结剂的成分,将反射光谱和图像结合还可以实现颜料和胶结剂的面分布分析。将此技术用于书画文物的保护,不仅能够深度了解文物病害程度,为绘画工艺研究提供帮助,更重要的是能够为书画文物的保护修复材料选择和修复效果评估提供参考。

1高光谱成像技术在文物保护领域应用现状
高光谱成像系统最近几年来在国际上有了较大程度的发展,在文物保护领域也有了一定的应用。许多高光谱成像系统可以针对各种壁画、纺织品、书法绘画等进行高光谱成像也有的高光谱成像系统已经广泛应用于文字笔迹的分析。这些系统实现了小范围的高光谱成像,但目前还不能够针对大幅面的书画作品进行光谱成像。一些早期的研究利用了光谱技术对文物进行分析,但主要使用不成像的光纤光谱仪。随着高光谱成像系统的发展,高光谱在文物保护方面的应 用逐渐增多,并成为一个研究热点。目前国内外进行了相当多的利用成像光谱技术分析文物的案例。

1998年,Baronti等用成像光谱技术分析了收藏于佛罗伦萨乌菲兹艺术馆的Luca Signorelli的油画。Mansfield等用基于液晶可调滤光片来区别收藏于温尼伯艺术馆的16世纪的一幅画上有机墨和矿物墨,区分了墨及墨分解产物的区域。Casini等用400 ~ 1600nm光谱范围的成像光谱系统来研究Pontormo 的油画们,基于两种黄色颜料的光谱特征的区别,提供了两种颜料的分布图。牛津大学的研究小组使用高光谱系统对鲍尔的植物和动物画进行分析。比利时安特卫普大学团队结合高光谱系统和X射线断层扫描技术对历史画作不同波段信息进行了分析美国国家艺术馆、意大利国家研究委员会等也在不同程度上将高光谱成像技术用于文物研究,也有些研究将高光谱技术与其他成分分析手段相结合。

国内使用高光谱系统对文物进行分析的起步较晚。西北工业大学何明一使用了高光谱设备对历史文化遗迹,出土文物进行了分析,但是给出的结果较少。巩梦婷等利用光谱角填图技术进行了中国画颜料分类与识别;王乐乐、孙美君等应用高光谱成像技术进行壁画研究;西南科技大学的武锋强也使用高光谱系统对壁画中的颜料成分进行了分析,对比了其和朱砂与石青等颜料的相似性。周霄等应用高光谱成像进行中国云冈石窟砂岩风化状况分布研究;马文武等基于地面高光谱遥感进行了石碑特征信息提取;中国科技大学考古系龚德才研究了古代丝绸老化程度与1000波数吸收峰强度的关系;高光谱遥感也应用到了遗址现场考古领域,例如2013年陕西大型遗址区域采用高光谱航空遥感进行考古勘测,谭克龙、田庆久等用高光谱成像设备进行了遗址考古研究。

总体来说国内外利用高光谱成像技术对文物的研究正在蓬勃发展,使用高光谱成像技术开展文物保护研究具有广阔的前景。但目前的研究主要集中在可见光/近红外波段(400 - 1000nm)。本研究所使用的高光谱成像的波段在400-2500nm,特别是在1700 ~2500nm,此范围是部分矿物颜料的特征波段。

2高光谱成像技术在文物保护中的应用

高光谱成像技术分析文物主要有两个关键步骤。

一是数据釆集,高光谱相机可以同时采集图像和光谱信息。在采集过程中,必须保证文物表面光照均匀;二是数据预处理和数据分析,要想得到有用的信息,必须对采集的数据进行有效处理。

目前利用ENVI图像处理软件,进行必要的预处理,包括辐射校正、拼接、使用标准漫反射板作为基准计算反射率等,并在软件中采用假彩色合成、主成分分析和波段运算等数据处理方法。

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1 慈龄佛字匾


可以利用莱森光学的iSpecFiled-WNIR系列便携式地物光谱仪,对故宫博物院馆藏文物《慈禧书佛字匾》和《崇庆皇太后八旬万寿图》进行高光谱扫描成像分析。光谱范围为250 ~ 2500 nm,其中250 ~ 1000 nm波段的光谱分辨率约 1nm,1000 ~ 2500nm波段的光谱分辨率约6nm。数据获取过程中是将书画平铺于桌面上,使用卤素灯作为光源,高光谱成像仪镜头平行于书画,利用扫描镜的摆动,完成对书画文物的扫描。实验过程中使用标准漫反射板作为基准计算反射率,采用自主开发的数据采集程序进行光谱数据采集。

2.1 《慈溪书佛字匾》印章信息提取

故宫博物院馆藏有一幅慈禧皇太后书法作品 《慈禧书佛字匾》(图1),由于时间的流逝,印泥的颜色在红色纸面上变得很不明显,通过肉眼很难将印章信息识别出来。通过可见近红外高光谱成像仪的成像、波段运算、色彩融合等处理技术,可将原本不能分辨的“慈禧皇太后之宝”印章的图案提取出(图2),这项技术将为文物的研究提供重要依据。

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2 《慈禧书佛字匾》印章提取流程


2.2 《崇庆皇太后八旬万寿图》的高光谱分析

故宫博物馆收藏的故6541号文物,原定名“清人画颗琰万寿图”,林姝通过图像对比,结合乾隆朝历史档案,分析论证该图实为《崇庆皇太后八旬万寿图》(图3),作者为姚文瀚。使用高光谱成像 技术对其进行科学分析,不仅发现了一些隐藏信息和修改痕迹,而且对部分颜料的分布进行了有效分析。

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3 故宫馆藏书画《崇庆皇太后八旬万寿图》


2.2.1隐藏信息提取

古书画中的隐藏信息一般有涂改与修复的痕迹、隐藏的文字图案、无法辨认的信息等。采用可见近红外高光谱成像系统对《崇庆皇太后八旬万寿图》的局部进行成像,目的是通过算法提取作画过程中的涂抹部分。对古书画的涂抹信息进行提取,可以进一步地分析画师在绘画过程中的整体布局,用于对局部细节的修复。与常规RGB相机进行比较,高光谱成像系统具有更多的波段,方便使用复杂的处理算法。图4(a) -(c)分别是453nm,980nm, 1302nm三个波长的影像。观察发现,在人像的帽子上方有一圈涂改的痕迹,各个波长影像所揭示的涂改痕迹还不一样。图4(d)为 690nm,514nm以及453nm三个波长影像进行的假彩色合成的影像,此图可以明显突出涂改的痕迹。

4(e), (f)为整个高光谱图像进行主成分变换 (PCA)的第二和第三主成分变量的影像。第二主成分变量(PCA2)可突出如4(d)的涂改痕迹,第三主成分变量(PCA3)的人像帽子上方有较大半圆形,可用于突出如4(c)的涂抹痕迹。

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4 局部涂改痕迹

2.2.2底稿线提取

短波红外可以穿透很多矿物颜料,并且对墨有强烈的吸收效应,所以利用高光谱短波红外可以提取书画文物的底稿线,研究绘制工艺。图5(a)-(d)所示的为提取的短波红外成像光谱数据,1000 ~ 2500nm每隔400nm分别获取各波段的影像。图5(e)是利用1804nm的短波红外影像,利用密度分割的方法,把像元值较低的部分用蓝颜色表示,得出线描提取结果。从图5可以看出短波红外数据对于起稿线等线描特征的提取有着非常好的效果。

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5 不同短波下线描提取图像

在《崇庆皇太后八旬万寿图》的高光谱分析过程中,发现一处修改痕迹(图6红圈内)。从图6中1500nm高光谱图像中可以看出原来的构图是有红 圈内的手和衣袖,但是RGB图片上是没有这些内容的,这说明画师在绘制过程中很可能对内容进行了修改。

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6 修改痕迹


2.2.3颜料分析

通过短波红外高光谱数据的波段运算、光谱匹配等技术提取崇庆皇太后八旬万寿图局部区域的石青颜料。图7(a)(b)依次为RGB影像、利用光谱角匹配技术提取的衣服石青颜料的结果。对光谱数据进行归一化处理后,与颜料标准光谱库(美国USGS标准光谱库)进行比较,可以发现图中藏青色衣服部分、凳子的下摆部分,甚至右上角的彩带的局部,都是石青颜料,分析效果较好。

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7 光谱角匹配技术提取石青效果

3 结论与展望
本研究归纳总结了目前国内外高光谱成像技术在文物保护方面的应用现状,并利用研发的高光谱成像系统,对部分故宫博物院馆藏书画文物进行高光谱扫描成像分析。通过获取文物的高空间分辨率、高光谱分辨率的成像数据,进行文字信息增强、隐藏信息提取、底稿线提取、颜料分析等多方面应用研究。结果表明,高光谱成像技术特别是短波红外波段,不仅可以有效增强印章的文字信息,发现书画作品的涂改与涂抹痕迹,而且对于底稿线等线描特征的提取有着非常好的效果,并能有效地对书画文物所使用的矿物颜料进行识别与分类。

高光谱成像技术为文物科技工作带来新的有效的技术途径,将在文物数字化存档、文物诊断、文物修复等方面发挥重要作用,推动文物科技工作的发展。

 

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