恒光講堂｜古代繪畫分析——近紅外二區(qū)NIR-II的應(yīng)用

本文要點(diǎn)：目前，古畫的無損檢測(cè)主要依賴于光譜分析技術(shù)。在短波紅外（Shortwave Infrared，SWIR），即近紅外二區(qū)（NIR-II）頻段上的高光譜成像技術(shù)可以準(zhǔn)確地提取畫作的顏料成分、修改痕跡及繪畫方式等深層信息。這些信息在研究古代繪畫和其他文物保護(hù)及修復(fù)方面具有重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。本文利用SWIR地面成像光譜儀提取了一幅清朝畫作的工筆線條，鑒定出畫作使用的礦物顏料種類以及涂改覆蓋痕跡。

過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，多光譜和高光譜分析技術(shù)（Multispectral and hyperspectral analysis technology）主要用于遙感領(lǐng)域的研究，但近來學(xué)者意識(shí)到了它在文物研究中的應(yīng)用價(jià)值。本文以清朝的《崇慶皇太后八旬萬壽圖》（圖1）為例，展示了短波紅外（1000-2500 nm）光譜的文物分析價(jià)值。

圖 1 《崇慶皇太后八旬萬壽圖》（No. Gu-6541）

作者在研究中使用了短波紅外地面成像光譜系統(tǒng)（圖2）。掃描得到的高光譜成像數(shù)據(jù)是一幅原始數(shù)字(digital number，DN)圖像，可以轉(zhuǎn)換成輻射圖像。但是因?yàn)楣庹杖Q于一天中的時(shí)間和天氣，該圖像不能直接用于光譜分析，需要進(jìn)行反射率校正。對(duì)于朗伯曲面，作為近似值的輻射L(λ)是物體反射率R(λ)和圖像采集期間光照E(λ)的乘積。

圖 2 （a）SWIR成像光譜系統(tǒng)照片（b）成像原理示意圖

反射率R通過在成像光譜儀的視場(chǎng)內(nèi)放置了一個(gè)校準(zhǔn)的朗伯?dāng)U散器白板獲得。在固定光照（E）條件下：

光譜角制圖(Spectral angle mapper，SAM)是一種基于光譜曲線整體相似性的算法，常用于高光譜數(shù)據(jù)處理。通過計(jì)算光譜和參考光譜之間的角度θ確定二者關(guān)系。兩個(gè)光譜之間的角度越小，相似度越高。

首先，作者每間隔200 nm提取了8組SWIR成像光譜數(shù)據(jù)（圖3）。從各波段圖像中可以看出，隨著波長(zhǎng)的增加，人物衣服的顏色由暗向亮過渡。在1600 - 2400nm波長(zhǎng)處，衣服的顏色的變化不再明顯，但男子胸前的圖案、帽子的頂部和凳子的下緣顯現(xiàn)出來。這說明SWIR成像光譜數(shù)據(jù)可以很好地提取工筆畫線稿。

圖 3 不同波長(zhǎng)的短波紅外成像數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)越長(zhǎng)線繪制越明顯)。(a)1002 nm;(b) 1202 nm;(c) 1403 nm;(d) 1604 nm;(e) 1804 nm;(f) 2005 nm;(g) 2205 nm;(h) 2406 nm。

然后，作者鑒定了畫作的顏料成分。這里將便攜式地物光譜儀(型號(hào)PSR-3500, Spectral Evolution, Lawrence, MA)測(cè)定的藍(lán)銅礦與孔雀石綠顏料的SWIR曲線作為參考標(biāo)準(zhǔn)，與SWIR成像譜圖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖4）。圖4a顯示在藍(lán)銅礦的特征吸收峰2282 nm和2351 nm位置，兩條曲線擬合得很好。因此，畫作中衣服的藍(lán)色顏料可以鑒別為藍(lán)銅礦。同理，在孔雀石綠特征吸收位置2270 nm和2362 nm處，SWIR成像譜圖與參考譜圖相吻合。

圖 4 SWIR成像光譜(實(shí)線)與PSR-3500(虛線)光譜比較。(一)藍(lán)銅礦;(b)孔雀石綠。

接下來，作者根據(jù)圖4中確定的顏料，采用SAM與監(jiān)督分類對(duì)畫中使用的顏料進(jìn)行批量提取。圖5d顯示藍(lán)銅礦繪制得到衣服深藍(lán)色部分、凳子的底部、右上角的色帶部分都被準(zhǔn)確提取。同時(shí)，畫的背景（圖5f）也用SAM提取出來。結(jié)果顯示，人物的墻壁和臉都是用同樣的顏料上色的。

圖 6 提取修改痕跡。(a) 453 nm圖像;(b) 980 nm圖像;(c) 1302 nm圖像;(d) 690 nm、514 nm和453 nm圖像對(duì)應(yīng)的偽彩色合成圖像，修正標(biāo)記明顯;(e) PCA2形象;(f) PCA3的形象。(e)和(f)是第二和第三主分量的圖像。

綜上所述，SWIR成像光譜數(shù)據(jù)可以很容易地識(shí)別難以識(shí)別的信息。該研究將擴(kuò)大SWIR成像光譜技術(shù)在文物研究中的應(yīng)用范圍（如：文物數(shù)字歸檔、文物診斷和文物修復(fù)），促進(jìn)我國文物檢測(cè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

Taixia Wu, Guanghua Li, Yang Z, etal. Shortwave Infrared Imaging Spectroscopy for Analysis of Ancient Paintings[J]. Applied Spectroscopy, 2016, 71(5):977-987.

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