高光譜成像技術(shù)在故宮書畫文物保護中的應(yīng)用

中國是歷史悠久的文明古國，在漫長的歲月中，中華民族創(chuàng)造了豐富多彩，彌足珍貴的文化遺產(chǎn)。文化遺產(chǎn)是歷史與社會發(fā)展的見證，是文化認同的標志，是提高創(chuàng)新能力的源泉，是體現(xiàn)國家文化軟實力的不可再生的重要物質(zhì)資源，同時也是調(diào)結(jié)構(gòu)促發(fā)展、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源。高光譜具有更高的效率。因為高光譜成像技術(shù)可以同時大幅面獲得圖像和反射光譜，并且速度很快。對于書畫文物，高光譜圖像信息有助于彩繪文物的病害調(diào)查，可以用來辨別書畫文物的隱藏病害、修復(fù)痕跡和一些褪色模糊不清的畫面內(nèi)容;高光譜反射光譜可以用來鑒定顏料和膠結(jié)劑的成分，將反射光譜和圖像結(jié)合還可以實現(xiàn)顏料和膠結(jié)劑的面分布分析。將此技術(shù)用于書畫文物的保護，不僅能夠深度了解文物病害程度，為繪畫工藝研究提供幫助，更重要的是能夠為書畫文物的保護修復(fù)材料選擇和修復(fù)效果評估提供參考。

1高光譜成像技術(shù)在文物保護領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

高光譜成像系統(tǒng)最近幾年來在國際上有了較大程度的發(fā)展，在文物保護領(lǐng)域也有了一定的應(yīng)用。許多高光譜成像系統(tǒng)可以針對各種壁畫、紡織品、書法繪畫等進行高光譜成像也有的高光譜成像系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于文字筆跡的分析。這些系統(tǒng)實現(xiàn)了小范圍的高光譜成像，但目前還不能夠針對大幅面的書畫作品進行光譜成像。一些早期的研究利用了光譜技術(shù)對文物進行分析，但主要使用不成像的光纖光譜儀。隨著高光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展，高光譜在文物保護方面的應(yīng)用逐漸增多，并成為一個研究熱點。目前國內(nèi)外進行了相當多的利用成像光譜技術(shù)分析文物的案例。

國內(nèi)使用高光譜系統(tǒng)對文物進行分析的起步較晚。西北工業(yè)大學(xué)何明一使用了高光譜設(shè)備對歷史文化遺跡，出土文物進行了分析，但是給出的結(jié)果較少。鞏夢婷等利用光譜角填圖技術(shù)進行了中國畫顏料分類與識別；王樂樂、孫美君等應(yīng)用高光譜成像技術(shù)進行壁畫研究；西南科技大學(xué)的武鋒強也使用高光譜系統(tǒng)對壁畫中的顏料成分進行了分析，對比了其和朱砂與石青等顏料的相似性。周霄等應(yīng)用高光譜成像進行中國云岡石窟砂巖風(fēng)化狀況分布研究；馬文武等基于地面高光譜遙感進行了石碑特征信息提取；中國科技大學(xué)考古系龔德才研究了古代絲綢老化程度與1000波數(shù)吸收峰強度的關(guān)系；高光譜遙感也應(yīng)用到了遺址現(xiàn)場考古領(lǐng)域，例如2013年陜西大型遺址區(qū)域采用高光譜航空遙感進行考古勘測，譚克龍、田慶久等用高光譜成像設(shè)備進行了遺址考古研究。

總體來說國內(nèi)外利用高光譜成像技術(shù)對文物的研究正在蓬勃發(fā)展，使用高光譜成像技術(shù)開展文物保護研究具有廣闊的前景。但目前的研究主要集中在可見光/近紅外波段(400-1000nm)。本研究所使用的高光譜成像的波段在400-2500nm，特別是在1700~2500nm,此范圍是部分礦物顏料的特征波段。

2高光譜成像技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)分析文物主要有兩個關(guān)鍵步驟。

一是數(shù)據(jù)釆集，高光譜相機可以同時采集圖像和光譜信息。在采集過程中，必須保證文物表面光照均勻;二是數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析，要想得到有用的信息，必須對采集的數(shù)據(jù)進行有效處理。

目前利用ENVI圖像處理軟件，進行必要的預(yù)處理，包括輻射校正、拼接、使用標準漫反射板作為基準計算反射率等,并在軟件中采用假彩色合成、主成分分析和波段運算等數(shù)據(jù)處理方法。

可以利用萊森光學(xué)的iSpecFiled-WNIR系列便攜式地物光譜儀，對故宮博物院館藏文物《慈禧書佛字匾》和《崇慶皇太后八旬萬壽圖》進行高光譜掃描成像分析。光譜范圍為250~2500nm,其中250~1000nm波段的光譜分辨率約1nm，1000~2500nm波段的光譜分辨率約6nm。數(shù)據(jù)獲取過程中是將書畫平鋪于桌面上,使用鹵素燈作為光源，高光譜成像儀鏡頭平行于書畫，利用掃描鏡的擺動，完成對書畫文物的掃描。實驗過程中使用標準漫反射板作為基準計算反射率，采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序進行光譜數(shù)據(jù)采集。

2.1《慈溪書佛字匾》印章信息提取

故宮博物院館藏有一幅慈禧皇太后書法作品《慈禧書佛字匾》(圖1),由于時間的流逝，印泥的顏色在紅色紙面上變得很不明顯，通過肉眼很難將印章信息識別出來。通過可見近紅外高光譜成像儀的成像、波段運算、色彩融合等處理技術(shù)，可將原本不能分辨的“慈禧皇太后之寶”印章的圖案提取出（圖2），這項技術(shù)將為文物的研究提供重要依據(jù)。

圖2《慈禧書佛字匾》印章提取流程

2.2《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析

故宮博物館收藏的故6541號文物，原定名“清人畫顆琰萬壽圖”，林姝通過圖像對比，結(jié)合乾隆朝歷史檔案，分析論證該圖實為《崇慶皇太后八旬萬壽圖》(圖3),作者為姚文瀚。使用高光譜成像技術(shù)對其進行科學(xué)分析,不僅發(fā)現(xiàn)了一些隱藏信息和修改痕跡，而且對部分顏料的分布進行了有效分析。

2.2.1隱藏信息提取

古書畫中的隱藏信息一般有涂改與修復(fù)的痕跡、隱藏的文字圖案、無法辨認的信息等。采用可見近紅外高光譜成像系統(tǒng)對《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的局部進行成像，目的是通過算法提取作畫過程中的涂抹部分。對古書畫的涂抹信息進行提取，可以進一步地分析畫師在繪畫過程中的整體布局，用于對局部細節(jié)的修復(fù)。與常規(guī)RGB相機進行比較，高光譜成像系統(tǒng)具有更多的波段,方便使用復(fù)雜的處理算法。圖4(a)-(c)分別是453nm,980nm,1302nm三個波長的影像。觀察發(fā)現(xiàn)，在人像的帽子上方有一圈涂改的痕跡，各個波長影像所揭示的涂改痕跡還不一樣。圖4(d)為690nm,514nm以及453nm三個波長影像進行的假彩色合成的影像，此圖可以明顯突出涂改的痕跡。

圖4(e),(f)為整個高光譜圖像進行主成分變換(PCA)的第二和第三主成分變量的影像。第二主成分變量(PCA2)可突出如4(d)的涂改痕跡,第三主成分變量(PCA3)的人像帽子上方有較大半圓形，可用于突出如4(c)的涂抹痕跡。

圖4局部涂改痕跡

2.2.2底稿線提取

短波紅外可以穿透很多礦物顏料,并且對墨有強烈的吸收效應(yīng)，所以利用高光譜短波紅外可以提取書畫文物的底稿線，研究繪制工藝。圖5(a)-(d)所示的為提取的短波紅外成像光譜數(shù)據(jù),1000~2500nm每隔400nm分別獲取各波段的影像。圖5(e)是利用1804nm的短波紅外影像,利用密度分割的方法,把像元值較低的部分用藍顏色表示,得出線描提取結(jié)果。從圖5可以看出短波紅外數(shù)據(jù)對于起稿線等線描特征的提取有著非常好的效果。

圖5不同短波下線描提取圖像

在《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析過程中，發(fā)現(xiàn)一處修改痕跡(圖6紅圈內(nèi))。從圖6中1500nm高光譜圖像中可以看出原來的構(gòu)圖是有紅圈內(nèi)的手和衣袖，但是RGB圖片上是沒有這些內(nèi)容的，這說明畫師在繪制過程中很可能對內(nèi)容進行了修改。

圖6修改痕跡

2.2.3顏料分析

通過短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的波段運算、光譜匹配等技術(shù)提取崇慶皇太后八旬萬壽圖局部區(qū)域的石青顏料。圖7(a)(b)依次為RGB影像、利用光譜角匹配技術(shù)提取的衣服石青顏料的結(jié)果。對光譜數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，與顏料標準光譜庫(美國USGS標準光譜庫)進行比較,可以發(fā)現(xiàn)圖中藏青色衣服部分、凳子的下擺部分,甚至右上角的彩帶的局部，都是石青顏料,分析效果較好。

圖7光譜角匹配技術(shù)提取石青效果

3 結(jié)論與展望

本研究歸納總結(jié)了目前國內(nèi)外高光譜成像技術(shù)在文物保護方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，并利用研發(fā)的高光譜成像系統(tǒng)，對部分故宮博物院館藏書畫文物進行高光譜掃描成像分析。通過獲取文物的高空間分辨率、高光譜分辨率的成像數(shù)據(jù)，進行文字信息增強、隱藏信息提取、底稿線提取、顏料分析等多方面應(yīng)用研究。結(jié)果表明，高光譜成像技術(shù)特別是短波紅外波段,不僅可以有效增強印章的文字信息，發(fā)現(xiàn)書畫作品的涂改與涂抹痕跡，而且對于底稿線等線描特征的提取有著非常好的效果，并能有效地對書畫文物所使用的礦物顏料進行識別與分類。

高光譜成像技術(shù)為文物科技工作帶來新的有效的技術(shù)途徑,將在文物數(shù)字化存檔、文物診斷、文物修復(fù)等方面發(fā)揮重要作用，推動文物科技工作的發(fā)展。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯：符乾江