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摘要：多光谱检测技术，作为一种新型的壁画及文物保护前期调查手段，已经在字画等文物保护方面得到广泛的应用。光谱技术是通过采集文物表面的红外与可见光反射光谱进行颜料鉴定的，可以同时获得文物表面颜料的光谱曲线以及文物的图像信息，实现了“图谱合一”。可以同时获得文物颜料的位置信息和光谱信息，这是它的优势，与常见的光纤光谱仪相比，光谱技术可以获得图像拍摄范围内所有点的光谱信息，结合相关处理软件（遥感处理软件ENVI）使得数据的处理更加便捷。因为可见光下同一种颜色的颜料并不一定是同一种物质，如果用光纤光谱仪一个一个点的人为获取，显得费时又费力，而且精度也不能得到保证。与其他技术相比，反射光谱法对文物的损害降到最小，可以避免在保护过程中,对壁画及文物隐匿信息的破坏和因修复材料的差异而导致的不可预知的修复性损伤。

关键词：光谱技术；无损分析；壁画

 

目录

1.前言 3

1.1研究背景及意义 3

1.2研究现状 4

2.壁画的信息采集技术及分析 5

2.1 常见采集技术 5

2.2 多光谱技术 6

3.文物颜料光谱匹配分析研究 6

3.1二值编码匹配 7

3.2光谱角匹配 7

3.3交叉相关光谱匹配 7

4.总结 8

 

1.前言

中国壁画是珍贵的文化遗产，有着上千年的文化历史积淀，其中的颜料作为壁画的物质载体，它的发展变化也流动在五千年文明当中，所以对颜料的研究也可以让我们更好的追溯中国历史文明的变迁，由此可知，对颜料的研究与鉴定甚至可以联系整个世界文明文化的发展与变化，因为在古代，作为物质的颜料当做商品被广泛的交易到国内国外市场，这间接使得国内外的颜料市场成了连接了中西方文明文化的纽带。所以对颜料的研究可以为不同时期不同地区的经济文化发展提供参考信息，甚至还可以还原一些不为人知的历史真相。最直接了当的说，颜料鉴定的价值，就是它可以作为文物的年代、产地的参考与佐证，可以为已经褪色的文物提供修复的可靠信息。

 从上世纪末开始，伴随光谱成像技术的兴起，光谱遥感技术逐渐渗透至社会经济发展的各个领域，并取得了迅速的发展。高光谱遥感技术波谱范围广泛，其光谱分辨率可达纳米级，在获取目标影像的过程中，利用几十甚至上百个波段对目标进行成像，它除了可获取普通影像所包含的空间域信息外，还可为影像中每个像元提供光谱域信息，即所谓的“谱像合一”，为每个独立的像元提供一条连续的光谱响应曲线，实现了目标特征的精细表达，因而在资源、城市、生态、考古等领域都具有广泛的应用[1]。

1.1研究背景及意义

由于自然灾害的威胁及人为因素的影响，壁画表面存有大量褪色、变色情况，很多严重变色部位的画面在可见光下已经分辨不清，如果任其发展，该壁画就会逐渐消失。由于文物的不可再生性，如何在不接触壁画的基础上，快速、准确、科学地提取和分析壁画信息的现存状况，及对壁画的绘画技法的研究、对壁画绘制颜料及重要病害的定性和定量分析研究是保护科学中的一项新兴领域，对辅助壁画保护和修复工作都具有重要意义，已成为考古领域、遥感领域及其他相关应用学科的一个研究热点。长久以来，壁画信息调查和分析工作主要利用人工进行采集处理，伴随计算机自动化技术的发展和普及，开始逐渐综合人工与计算机技术进行全面分析。传统的人工临摹方法由于参与者的知识认知水平不同以及技艺水平不同而造成“再创造”的偏差，具有较强的主观性；利用透明方格法和AutoCAD绘图软件的病害调查方法则由于病害信息复杂多样的缘故，数据的处理量较大，并且处理结果根据操作人员的不同也会有所差异，除此之外也无法进行自动统计分析；而通过对壁画的剖面、颜料、污染物以及后期修复材料进行取样分析的方法则会对壁画本身造成不可逆转的损失。而且，这些方法大都建立在传统的人工壁画信息调查方法的基础之上，无法客观真实的描绘和分析壁画信息的现存状况[2]。

多光谱无损影像调查技术可以很好的解决这一问题，该技术主要是利用光谱成像原理，在不同的光谱范围内获取并记录壁画的信息，实现壁画色彩信息、颜料信息及绘画技法等多方面内容的科学详实的无损存档，首次运用近红外技术成功探测到壁画的深层信息[3]。近年来，国内外学者相继采用多光谱技术深入探测壁画信息，均获得了一定的研究成果。

1.2研究现状

多光谱影像是一种将常规的我们所能感知的光谱范围扩展后获取图像的一种方法。多光谱成像技术到目前为止已经成熟的应用在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定、工业过程控制、军事等多个方面[4]。从上世纪九十年代开始,该技术尝试性应用在文物的保护和研究方面。最初的工作主要针对文物中褪色、变色及模糊的文字和图案的识别，利用不同物质对光谱具有不同的反射特性原理对壁画无机颜料进行分析，利用反射式荧光光谱对壁画中可能存在的有机成分进行研究。

在国外从本世纪初开始，学者们综合利用可见光、紫外光和红外光谱分析技术，对无机颜料和有机染料的无损分析有了进一步的研究。其中日本三浦定俊是最早开展无机颜料可见光范围无损分析的学者，近两年日本学者又利用紫外-可见光谱无损分析技术对有机染料进行了研究，还利用反射式荧光光谱技术对丝绢和纸画等文物中的有机染料进行了无损的分析。而欧洲学者也将多光谱成像技术应用在古代壁画及馆藏文物、文献的研究中。

敦煌研究院与国外科研机构的合作，在国内最早引进了壁画多光谱分析技术。从2001年起，这项工作主要包括壁画的红外热成像、近红外摄影、紫外光激发荧光摄影、偏光摄影、可见光激发的荧光摄影和可见光反射光谱检测等。在对这些壁画的绘画技法、原始绘画信息的提取、题记的研究等方面获得了良好的效果。并以国家科技支撑计划课题-文物出土现场保护移动实验室为平台，将多光谱技术应用到出土文物现场勘查及出土文物表象检测中。

多光谱成像技术也被应用到了北五省紫阳会馆的壁画现场勘查中，北五省会馆地处陕西省安康市紫阳县向阳镇瓦房店，其过殿、正殿建筑内部墙面均绘有壁画，为清道光年间名家工匠所作，是陕西境内目前发现的最大的建筑壁画，具有极高的历史、艺术及科学价值。利用多光谱成像技术与传统壁画制作工艺和材质分析的方法相结合，首次对紫阳北五省会馆壁画的制作工艺及材料进行了系统的科学分析。

光谱成像技术在西藏拉萨大昭寺也有实际的应用。光谱技术鉴定出的西藏拉萨大昭寺转经廊壁画中蓝铜矿、孔雀石、铅丹和朱砂颜料，与便携式X射线荧光元素成分结果一致，本研究结果表明高光谱技术可无损与准确地鉴定中国古代颜料，与便携式X射线荧光元素成分分析相结合，是壁画现场无损快速分析的重要手段。

2.壁画的信息采集技术及分析

在研究壁画颜料物质之前需要对壁画颜料进行采集，壁画的采集提取方式多种多样，目前大部分的文物颜料鉴定的方法有紫外荧光射线技术、X射线衍射（XRD）、光学相干断层扫描成像技术、红外光谱法等。

2.1 常见采集技术

（1）紫外荧光成像技术:是指利用紫外线照射被拍物体，接受记录物体辐射的可见荧光亮度，再现为不同程度的影调或色调分布的照相方法。系统主要由紫外光源和相机组成。

（2）光学相干断层扫描成像技术：将半导体和超快激光技术、超灵敏探测、精密自动控制和计算机图像处理等多项技术结合为一体，是一种新的断层成像技术，拥有微米量级的高分辨率、高检测率及可选择扫描深度等优点。

（3）X照相技术：当一束X光照射在物体上，衰减后所透过的X光强度取决于物体的衰减技术和厚度。利用X光照相技术，可得到文物相关的历史和艺术信息以及文物损坏和修复痕迹等信息，为文物研究和修复保护提供科学依据。

（4）红外光谱技术：将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

严格的说以上几种方法均是不接触文物但却是微损的颜料鉴定方法，不接触并不代表无损害，对壁画，瓷器等有一定厚度的文物可能影响并不直接，如果对字画等稀薄的文物进行鉴定，稍加不注意就有可能造成不可逆转的损害，所以说这些的方法都是微损的。

2.2 多光谱技术

多光谱摄影主要指在不同波段光源下的一种拍摄方式。光源大体可分为可见光、紫外光和红外光，不同物质对光的反射光谱存在着差异，壁画矿物颜料的反射光谱基本上的由其结晶体结构所决定的，利用不同波段的光源照射壁画表面，可以捕捉到不同的壁画信息。因此，光源外滤波器在多光谱摄影中起到非常关键的作用， 它可以保留工作所需光波范围而滤去不需要的光波波段，按工作范围所需光波范围的不同，滤波器可分为长波通滤波器、短波通滤波器、带通滤波器。

数字相机的CCD感光原件对红外光和紫外光的感应都非常明显，因此是多光谱摄影中比较理想的工具。光源、滤波器及相机组成了多光谱的摄影系统。在壁画研究中主要使用可见光、紫外光、红外光。利用可见光紫外光、红外光的光谱成像原理，用相机记录多波段光谱下壁画的成像，从而对壁画的现存色彩，壁画病害表现特征，颜料组成，绘画技法做详实的调查记录。

与其他技术相比，反射光谱法对文物的损害降到最小，可以对古字画等较稀薄的文物进行颜料的鉴定，在获取普通影像所包含的空间域信息外，还可为影像中每个像元提供光谱域信息，所以我们采用了多光谱技术对壁画进行采集的工作。

3.文物颜料光谱匹配分析研究

在我们得到各种颜料的光谱信息后，需要对光谱信息进行匹配，判断颜料的种类。光谱匹配是在遥感影像中识别物质的一种算法，将未知目标光谱与参考光谱进行对比，通过研究两个物质的光谱曲线的相似度来判断物质归属与哪一类。通过颜料的反射光谱来对颜料进行鉴定是一种无损伤文物的颜料鉴定方法，根据相似度的定义主要归类为两种，一种是基于反射率数值的相似度匹配方法，如欧式距离、兰式距离、明式距离，一种是基于形状的相似度匹配方法，如交叉光谱匹配。在这里，我们对几种比较经典的光谱匹配方法进行分析。

3.1二值编码匹配

二值编码匹配是将一条光谱曲线先进行编码，波段的反射率数值大于设定阈值则为1，小于设定阈值则为0。公式如下所示：

           （3-1）

式中 ——初始波段反射率数值；

     ——编码后的波段反射率数值。

二值编码的优点是简单高效，但是由于处理方式过于简单，使得一些光谱的特征不能很好的被编码后的光谱曲线表达，有些方法通过多阈值编码来改善二值编码的缺点。使用二值编码匹配的精度不是很高，对于颜料光谱的鉴定尤其是，因为很多颜料光谱有很多特征峰和吸收谷，而二值编码后很容易将这些特征去除，不利于颜料的光谱匹配。

3.2光谱角匹配

光谱角算法在实际应用过程中的匹配效果很好，因为是计算光谱曲线的空间夹角，该算法对只有增益影响的光谱曲线匹配效果还是很好的，如不同颗粒大小的颜料使用光谱角算法来匹配，匹配的精度很高；但是光谱角匹配并不考虑交叉的情况因为它只计算两条空间向量的夹角，故在参考光谱与目标光谱走向大致相同，但是存在多处明显交叉的情况下，这种匹配结果与真实结果很不符。

3.3交叉相关光谱匹配

交叉相关光谱匹配（cross correlation spectral matching，CCSM）技术考虑了目标光谱曲线之间的相关系数、偏度、峰值以及相关显著性标准，通过计算测试光谱和参考光谱在不同的匹配位置的交叉相关系数，然后绘制交叉相关曲线图，最后用新的交叉相关曲线图所包含的信息来判断两光谱之间的相似程度。

测试光谱和参考光谱在每个匹配位置处的交叉相关系数等于两光谱之间的协方差除以它们各自方差的积：

           （3-2）

 

式中、——参考光谱和测试光谱；

    ——测试光谱与参考光谱重合的波段数量；

    ——光谱匹配的位置。

光谱匹配算法侧重点各不相同，在实际的应用中我们需要根据得到的光谱曲线进行判断应该使用的匹配算法，例如对只有增益影响的简单光谱曲线，我们可以使用光谱角匹配算法进行匹配，对比较复杂的光谱曲线，我们可以使用交叉相关匹配算法进行匹配。

4.总结

本文综述了基于多光谱成像分析的研究意义及国内外多光谱技术的研究现状，相比于传统的有损或微损检测方法，基于多光谱成像分析的检测方法更适合于解决壁画等文物保护及修复问题。研究了壁画的信息采集技术，分析了各种光谱匹配算法的判别局限性。由于壁画表面存有大量褪色、变色情况，很多严重变色部位的画面在可见光下已经分辨不清，所以我们需要采用多光谱技术对壁画进行采集的工作，这一技术将会在更多的领域中得到实际的应用。

 

参考文献

[1]芦鑫.基于高光谱数据的壁画信息提取与分析[D].北京建筑工程学院，2012年：1-4

[2]丁新峰.基于高光谱成像技术的文物颜料研究[D].北京建筑大学，2015年：39-41  

[3]柴勃隆.多光谱影像调查在莫高窟壁画保护中的应用研究[D].兰州大学，2013年：19-22

[4]范宇权，李燕飞，于宗仁等.莫高窟第285窟南壁多光谱无损分析初步报告[J].敦煌研究.第5期，2007年.

[5]王宽振.多光谱成像技术分析彩色艺术品的相关基础研究.城市建设理论研究（电子版）[J]，第16期，2012年：1-6

[6]荆海燕.无损光谱技术在壁画分析中的应用进展[J].山西青年，710061期.

[7]Antonino Cosentino. Multispectral imaging system using 12 interference filters for mapping pigments[J]. Cultural Heritage Science Open Source, Piazza Cantarella 11, Aci Sant’Antonio, 95025

[8]红外月刊．多光谱、高光谱和超光谱成像技术与算法[J]．SPIE Vol.5093[9]广州市固润广电科技有限公司．多光谱相机介绍．www.guruntech.com

[11]Zhaoyang Jia,Guangxue Chen,Jing Zhang.Spectral Reconstruction of Multi-spectral Imaging Based on Optimized Sample[J].IState Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology Guangzhou 510640, China 

[12]杨卫平，徐楠，段剑金等．多光谱成像技术在颜色复制方面的应用及发展[J]．云南民族大学学报,第18卷（第3期），2009年

 

附录

Multispectral imaging systems are used in art examination in order to map pigments and binders as well as retouches. This work presents a simple system composed of a monochromatic CCD camera and a set of only 12 interference filters characterized by different bandwidths and spacing throughout the covered electromagnetic spectrum (400-805 nm). The reasoning supporting the selection of these specific filters is discussed, as well as the results obtained on a collection of 54 historical pigments and on a series of 18th century frescoes in Sicily. Generally, the filters set for similar systems are chosen equally spaced across the recorded spectrum. For this study the centre wavelength and the bandwidth of these filters have been chosen accordingly to the spectral features of historical pigments. This system allows only for a qualitative reconstruction of pigments reflectance spectra. It must be considered a valuable tool for segmenting the images of polychrome artworks and to identify areas of interest for further analytical examinations if more conclusive results are necessary.

Reflectance imaging spectroscopy is used to remotely map and identify materials in a number of industry applications. It is generally performed with monochromatic cameras: a CCD sensor for the UV-VISNIR (near infrared) (about 360-1100 nm) range, and a much more expensive InGaAs camera for the SWIR (short wave infrared) (900-1700 nm) range. The CCD camera allows to observe the electronic transitions responsible in part for the colour of the pigments, while the SWIR camera permits to study their vibrational overtones, which are also characteristic. Both of these cameras must be equipped with an appropriate wavelength selection system, the simplest being a series of bandpass interference filters. Such a system captures images of an object in a series of spectral bands, which can then be used to reconstruct a reflectance spectrum for each pixel of the scene. Once the images are registered and calibrated, they are uploaded in the reflectance image cube, where the images are represented by the X and Y axes and the Z dimension denotes the wavelength of the image. From the cube, it is then possible to reconstruct the reflectance spectrum of each pixel. These systems are called multispectral or hyperspectral imagers, the difference relies on the number of spectral images produced; less than a dozen for the first, and much more for the hyperspectral systems which can use tunable filters (liquid-crystal tunable filters (LCTF), acousto-optical tunable filter (AOTF) or grating spectrometers to provide hundreds of spectral images. The possibility of using an RGB digital camera rather than a monochromatic one was also tested. It is necessary to point out that multispectral imaging has been also referred to in the art conservation sector as the method consisting in acquiring a collection of broad spectral band images (multimodal images) realized with different sensors and lighting sources, such as ultraviolet fluorescence photos, infrared reflectograms and x-ray radiographs.

Multispectral and Hyperspectral imaging systems have been applied for art examination in order to map and identify artists’materials in paintings and to detect damages and retouches. They are also used to visually enhance old documents. It has been shown that even when pigments are mixed or glazed, the method can provide conclusive identification, though usually micro-invasive and non-invasive analytical examinations are recommended to confirm the results and to provide more detailed information. Nonetheless, reflectance imaging-spectroscopy can successfully assist with making conservation decisions and it provides important information on the materials present. 

There is the need in the art conservation field of an affordable multispectral imaging system for the mapping and tentative identification of historical pigments on artworks. At first, in the last decade, systems using few and large spectral bands were commercialized, such as Artist . These systems do not allow to reconstruct spectral reflectance and they are used only for qualitative inspection of the images. Later on, costly systems achieving much more narrow resolution using a tunable optical filter were introduced, such as Sepia  and Musis , providing 70 and 34 spectral bands, respectively. Another solution is represented by a scanner mounting a filtered photomultiplier array . All those instruments as well as many others  reconstruct the reflectance spectra by measuring the spectral reflectance directly on every filter point. Another method consists in a complex computational reconstruction of the reflectance spectra from few large bandpass and long pass filters . This approach was developed in order to minimize the radiation on the target since the acquisition is faster but it requires advanced computational skills.

使用多光谱成像系统是为了检测艺术中的颜料和粘合剂以及图片。这项工作提出了一个简单的系统，由一个单色CCD相机和一套只有12个的具有不同带宽和覆盖在电磁波谱（400-805 nm）的不同间距的干涉滤光片。对这些特定的过滤器的选择，以及对收集的54个历史的颜料和在西西里岛的十八个世纪的一系列壁画所得的结果进行了讨论。一般情况下，对类似系统的过滤器选择间距相等的频谱进行记录。这些已被选择的历史颜料的光谱特征研究了过滤器的中心波长和带宽。本系统仅允许一个定性的颜料反射光谱的重建。它对彩绘文物的图像分割和识别而言是一个非常有价值的工具，为进一步分析、检查、确定具有决定性的意义。

光谱反射成像仪在许多行业中用于远程地图和识别材料。它通常与单色相机：CCD传感器UV-VISNIR（近红外）（约360-1100 nm）范围，和更昂贵的InGaAs短波红外摄像机（短波红外）（900-1700 nm）范围一块进行。CCD相机可以负责观察电子转换部分的颜料颜色，而短波红外相机则可以研究其振动的泛频。这两摄像机在选择系统时必须配备一个合适的波长，最简单的是带通滤光片。这样的系统在一系列的光谱带中捕捉图像对象，然后可以被用来重建场景的每个像素的光谱反射率。一旦图像被登记和校准，他们的反射率图像数据集将会被上传，其中图像是由X、Y轴和Z维度表示图像的波长。从立方体来看，它可以重建每个像素的反射光谱。这些系统被称为多光谱或高光谱成像仪，差异取决于光谱图像产生的数量和更多的高光谱系统可调谐滤波器（液晶可调谐滤波器（LCTF）、声光可调谐滤波器（AOTF）和光栅光谱仪所提供的光谱图像上。使用RGB数码相机而不是单色相机进行测试。有必要指出的是，多光谱成像也被作为一种图像保存方法，包括获取收集的光谱带图像（多通道图像）和不同的传感器光源，如紫外荧光照片，红外反射图及X光射线照片。

多光谱和高光谱成像系统已被应用于检测和修复艺术中，映射和识别艺术家的绘画材料和损伤，他们还用视觉增强旧文献。研究表明，使用颜料混合或上釉的方法，以微创和非侵入性的分析检查以确认结果，并提供更详细的信息，可以提供确凿的识别。尽管如此，光谱反射成像技术可以成功地协助保护其提供的重要信息材料。

在艺术保护领域中需要一个能承受多光谱成像系统的映射和初步鉴定的历史颜料的底片。起初，在过去的十年中，艺术家使用几个大波段的商业化的系统。这些系统不允许重建光谱反射率，它们仅用于图像的定性检查。后来，昂贵的系统实现了分辨率更窄的可调谐光滤波器，例如Sepia和 Musis 分别提供70和34个波段。一个解决方案是由一个扫描仪安装一个过滤阵列为代表的光电倍增管，这些工具以及其他许多重建反射光谱直接通过每个过滤器测量光谱反射率。另一个方法是利用几大带通和长通滤波器的反射光谱进行复杂计算重建，这种方法是为了减少辐射以及对目标的自收购更快，但它需要先进的计算能力。