高光譜成像技術(shù)在故宮書畫文物保護(hù)中的應(yīng)用

史寧昌，李廣華，雷 勇，吳太夏

(1. 故宮博物院，北京 100009； 2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100)

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高光譜成像技術(shù)在故宮書畫文物保護(hù)中的應(yīng)用

史寧昌1，李廣華1，雷 勇1，吳太夏2

(1. 故宮博物院，北京 100009； 2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211100)

為探討對(duì)故宮書畫文物進(jìn)行整體分析、保護(hù)的方法，本研究利用研發(fā)的高光譜成像系統(tǒng)，對(duì)故宮博物院的部分館藏書畫文物進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)，高光譜成像技術(shù)在文字信息增強(qiáng)、隱藏信息提取、底稿線提取、顏料分析等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。將高光譜成像技術(shù)用于書畫文物的保護(hù)，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?yàn)闀嬑奈锏谋Ｗo(hù)修復(fù)材料選擇和修復(fù)效果評(píng)估提供參考，使保護(hù)修復(fù)更加全面和科學(xué)化，同時(shí)能縮短病害調(diào)查和科學(xué)分析的時(shí)間，加快保護(hù)修復(fù)工作的進(jìn)度。

高光譜成像；無損檢測；書畫；文物保護(hù)

0 引 言

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(huì)發(fā)展的見證，是文化認(rèn)同的標(biāo)志，是提高創(chuàng)新能力的源泉，是體現(xiàn)國家文化軟實(shí)力的不可再生的重要物質(zhì)資源，同時(shí)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源。故宮博物院擁有180萬件(套)文物，其中13萬件書畫類文物，是國內(nèi)珍貴書畫文物最集中的博物館。目前，故宮博物院書畫文物保護(hù)主要依賴于傳統(tǒng)書畫裝裱修復(fù)技藝，缺乏全面科學(xué)系統(tǒng)的材質(zhì)與工藝分析。這是因?yàn)闀嬑奈镙^脆弱，且難以進(jìn)行取樣工作。要對(duì)書畫文物進(jìn)行科學(xué)分析，既要使用無損的分析方法，又要保證分析方法的效率。因?yàn)闀嬑奈锍叻话爿^大，如果只對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行分析，可能會(huì)錯(cuò)過重要的信息，所以最好的分析方法是對(duì)書畫文物進(jìn)行整體分析，因此必須保證分析方法具有足夠高的效率。

高光譜成像技術(shù)是目前最為安全、不易受檢測對(duì)象和檢測環(huán)境限制的無損檢測新技術(shù)之一[1-5]。高光譜成像技術(shù)能在紫外、可見光、紅外的電磁波段獲取許多非常窄波段的圖像數(shù)據(jù)，即為每個(gè)像元提供數(shù)十到數(shù)百個(gè)波段的光譜信息，組成一條完整且連續(xù)的光譜曲線，這些曲線可以用來定量分析觀測對(duì)象的屬性。相較于便攜式X射線熒光光譜、拉曼光譜等無損分析方法，高光譜具有更高的效率。因?yàn)楦吖庾V成像技術(shù)可以同時(shí)大幅面獲得圖像和反射光譜，并且速度很快。對(duì)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(shí)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(hù)，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?yàn)闀嬑奈锏谋Ｗo(hù)修復(fù)材料選擇和修復(fù)效果評(píng)估提供參考。

1 高光譜成像技術(shù)在文物保護(hù)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(hù)領(lǐng)域也有了一定的應(yīng)用。意大利Dvoptic開發(fā)了不同類型的高光譜掃描儀[1]，可以針對(duì)各種壁畫，紡織品，書法繪畫等進(jìn)行高光譜成像。英國Foster+Freeman公司開發(fā)的VSC 6000系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于文字筆跡的分析[2]。美國Headwall公司[3]結(jié)合可見近紅外光譜系統(tǒng)也開發(fā)了整套的高光譜掃描系統(tǒng)可以對(duì)書畫、紡織品等進(jìn)行高光譜成像。德國的XIMEA公司[4]開發(fā)了基于法布里—帕羅濾光片的高光譜系統(tǒng)，并可以提供一整套高光譜分析方案對(duì)字畫等樣品實(shí)現(xiàn)高光譜成像。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小范圍的高光譜成像，但目前還不能夠針對(duì)大幅面的書畫作品進(jìn)行光譜成像。

一些早期的研究利用了光譜技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行分析，但主要使用不成像的光纖光譜儀[5-7]。隨著高光譜成像系統(tǒng)的發(fā)展，高光譜在文物保護(hù)方面的應(yīng)用逐漸增多，并成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外進(jìn)行了相當(dāng)多的利用成像光譜技術(shù)分析文物的案例。1998年，Baronti等用成像光譜技術(shù)分析了收藏于佛羅倫薩烏菲茲藝術(shù)館的Luca Signorelli的油畫[8]。Mansfield等用基于液晶可調(diào)濾光片來區(qū)別收藏于溫尼伯藝術(shù)館的16世紀(jì)的一幅畫上有機(jī)墨和礦物墨，區(qū)分了墨及墨分解產(chǎn)物的區(qū)域[9]。Casini等用400～1600nm光譜范圍的成像光譜系統(tǒng)來研究Pontormo的油畫[10]，基于兩種黃色顏料的光譜特征的區(qū)別，提供了兩種顏料的分布圖。牛津大學(xué)的Bodleian研究小組使用高光譜系統(tǒng)對(duì)鮑爾的植物和動(dòng)物畫進(jìn)行分析。比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)Stijn Legrand團(tuán)隊(duì)結(jié)合高光譜系統(tǒng)和X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)歷史畫作不同波段信息進(jìn)行了分析[11]。美國國家藝術(shù)館[12,13]、意大利國家研究委員會(huì)[14]等也在不同程度上將高光譜成像技術(shù)用于文物研究[15,16]，也有些研究將高光譜技術(shù)與其他成分分析手段相結(jié)合[5,17]。

國內(nèi)使用高光譜系統(tǒng)對(duì)文物進(jìn)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(duì)歷史文化遺跡，出土文物進(jìn)行了分析，但是給出的結(jié)果較少。鞏夢婷等[18]利用光譜角填圖技術(shù)進(jìn)行了中國畫顏料分類與識(shí)別；王樂樂[19]、孫美君[20]等應(yīng)用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行壁畫研究；西南科技大學(xué)的武鋒強(qiáng)也使用高光譜系統(tǒng)對(duì)壁畫中的顏料成分進(jìn)行了分析，對(duì)比了其和朱砂與石青等顏料的相似性[21]。周霄等應(yīng)用高光譜成像進(jìn)行中國云岡石窟砂巖風(fēng)化狀況分布研究[22]；馬文武等基于地面高光譜遙感進(jìn)行了石碑特征信息提取[23]；中國科技大學(xué)考古系龔德才[24]研究了古代絲綢老化程度與1000波數(shù)吸收峰強(qiáng)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(jìn)行考古勘測，譚克龍、田慶久等[25-27]利用高光譜成像設(shè)備進(jìn)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(duì)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(hù)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)，近年來也有一些研究的波段擴(kuò)展到1000～1700nm[11,13,28-30]。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)在書畫保護(hù)中的應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)分析文物主要有兩個(gè)關(guān)鍵步驟。一是數(shù)據(jù)采集，高光譜相機(jī)可以同時(shí)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。目前利用ENVI圖像處理軟件，進(jìn)行必要的預(yù)處理，包括輻射校正、拼接、使用標(biāo)準(zhǔn)漫反射板作為基準(zhǔn)計(jì)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(yùn)算等數(shù)據(jù)處理方法。

利用美國Headwall公司的成像光譜儀[8]，對(duì)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(jìn)行高光譜掃描成像分析。光譜范圍為400～2500nm，其中400～1000nm波段的光譜分辨率約5nm，1000～2500nm波段的光譜分辨率約10nm，地面分辨率為1mrad。數(shù)據(jù)獲取過程中是將書畫平鋪于桌面上，使用鹵素?zé)糇鳛楣庠?，高光譜成像儀鏡頭平行于書畫，利用掃描鏡的擺動(dòng)，完成對(duì)書畫文物的掃描。實(shí)驗(yàn)過程中使用標(biāo)準(zhǔn)漫反射板作為基準(zhǔn)計(jì)算反射率，采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集。

2.1 《慈禧書佛字匾》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(shí)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(shí)別出來。通過可見近紅外高光譜成像儀的成像、波段運(yùn)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”印章的圖案提取出來(圖2)，這項(xiàng)技術(shù)將為文物的研究提供重要依據(jù)。

圖1 慈禧書佛字匾

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(hào)文物，原定名“清人畫颙琰萬壽圖”，林姝[31]通過圖像對(duì)比，結(jié)合乾隆朝歷史檔案，分析論證該圖實(shí)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(duì)其進(jìn)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(duì)部分顏料的分布進(jìn)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(rèn)的信息等。采用可見近紅外高光譜成像系統(tǒng)對(duì)《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的局部進(jìn)行成像，目的是通過算法提取作畫過程中的涂抹部分。對(duì)古書畫的涂抹信息進(jìn)行提取，可以進(jìn)一步地分析畫師在繪畫過程中的整體布局，用于對(duì)局部細(xì)節(jié)的修復(fù)。與常規(guī)RGB相機(jī)進(jìn)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(gè)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(gè)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(gè)波長影像進(jìn)行的假彩色合成的影像， 此圖可以明顯突出涂改的痕跡。

圖3 故宮館藏書畫《崇慶皇太后八旬萬壽圖》

圖4(e),(f)為整個(gè)高光譜圖像進(jìn)行主成分變換(Principal Component Analysis，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(duì)墨有強(qiáng)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(lán)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(duì)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(duì)內(nèi)容進(jìn)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(yùn)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(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，與顏料標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(美國USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜庫)進(jìn)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。

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(hù)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(duì)部分故宮博物院館藏書畫文物進(jìn)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(jìn)行文字信息增強(qiáng)、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(qiáng)印章的文字信息，發(fā)現(xiàn)書畫作品的涂改與涂沫痕跡，而且對(duì)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(duì)書畫文物所使用的礦物顏料進(jìn)行識(shí)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(dòng)文物科技工作的發(fā)展。

鑒于目前國內(nèi)使用高光譜成像技術(shù)分析文物的效率較低，每次成像面積較小只能分析文物的局部，為了提高高光譜成像技術(shù)分析書畫文物的效率，故宮博物院與中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所合作開發(fā)了一套專門用于書畫文物的高光譜成像自動(dòng)掃描拼接系統(tǒng)，包括400～2500nm波段范圍的成像光譜系統(tǒng)、全自動(dòng)光機(jī)掃描平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制和掃描平臺(tái)控制軟件，以及數(shù)據(jù)分析軟件。高光譜成像自動(dòng)掃描拼接系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和拼接，特別適用于書畫的整體分析。

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(責(zé)任編輯 馬江麗)

Hyperspectral imaging to Chinese paintings at the Palace Museum

SHI Ning-chang1, LI Guang-hua1, LEI Yong1, WU Tai-xia2

(1.ThePalaceMuseum,Beijing100009,China; 2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HehaiUniversity,Nanjing211100,China)

Hyperspectral imaging technology is an efficient and non-destructive technique to study ancient Chinese paintings. The method is not affected by test objects and environment. A hyperspectral imaging system to scan and analyze some paintings in the Palace Museum was developed. It is found that this method has unique advantages in studies of text information enhancement, extraction of hidden information,extraction of line features from drawings, and that it benefits identification of colors and classification of paintings. The number of ancient paintings is very large in the Palace Museum.These paintings need to be well conserved and restored. Hyperspectral imaging technology can be applied in Chinese paintings conservation. It provides a safe and effective approach for scientific analysis and conservation.

Hyperspectral imaging; Non-destructive analysis; Chinese paintings;Conservation

2017-02-19；

2017-04-09 作者簡介：史寧昌(1962—)，男，1984年本科畢業(yè)于西北電訊工程學(xué)院(現(xiàn)西安電子科技大學(xué))無線電通信專業(yè)，副研究館員，研究方向?yàn)槲奈锟萍急Ｗo(hù)，E-mail： shinc-t@hotmail.com

1005-1538(2017)03-0023-07

K879.4；TP75

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