莫高窟壁畫(huà)顏料多光譜數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

柴勃隆 肖冬瑞 蘇伯民 馮偉 于宗仁

內(nèi)容摘要：多光譜攝影無(wú)損調(diào)查技術(shù)已成熟應(yīng)用于對(duì)漫漶壁畫(huà)內(nèi)容的再現(xiàn)提取，調(diào)查壁畫(huà)中顏料類(lèi)別的使用及分布。在以往的研究中對(duì)已知的24種莫高窟壁畫(huà)繪畫(huà)材料做了多光譜圖像獲取，并經(jīng)過(guò)科學(xué)篩選、驗(yàn)證，建立了“莫高窟壁畫(huà)顏料多光譜圖像色彩標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)”，專(zhuān)業(yè)人員可通過(guò)相同光譜條件下對(duì)現(xiàn)實(shí)壁畫(huà)獲取光譜圖像，并與顏料多光譜圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比分析，可初步獲悉莫高窟壁畫(huà)中顏料的類(lèi)別及應(yīng)用分布狀態(tài)。但是人眼對(duì)色彩的認(rèn)知存在個(gè)體差異，導(dǎo)致人工比對(duì)存在主觀不一致、識(shí)別難、精度低等問(wèn)題，且不利于非專(zhuān)業(yè)人員分析研究。本研究采用多光譜攝影系統(tǒng)，以“顏料多光譜圖像色彩標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)”[1]為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)顏料多光譜圖像數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)。目的利用軟件算法對(duì)壁畫(huà)多光譜圖像中的目標(biāo)顏料通過(guò)RGB色彩空間模型向HSV色彩空間模型數(shù)值的轉(zhuǎn)換，自動(dòng)查詢(xún)、匹配顏料多光譜圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中不同顏料HSV色彩數(shù)值的最近相似度[2]，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別顏料類(lèi)別的目標(biāo)，解決人工比對(duì)中存在的不足，提高鑒別的精度和效率，從而提升分析的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：多光譜；壁畫(huà)顏料檢測(cè)；色彩空間；色彩相似度

中圖分類(lèi)號(hào)：O433.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2018）03-0123-08

Abstract： Multispectral photography investigation technology has previously been used to reproduce the contents of obscure murals and to analyze the use and distribution of the pigments in these murals. As for the Mogao cave murals， a Database of the Mogao Cave Mural Pigments Multispectral Photography Image Standards has been established by a rigorous system of selection and verification from the captured multispectral images of the 24 known types of painting materials established by previous research results. Based on comparative terms， one can obtain the class and distribution status of pigments of Maogao grotto murals through analysis conducted by trained professionals comparing and analyzing the images of the murals captured under spectral conditions aligned with the pigment spectrum from the database. Individual differences in the perception of colors， however， is likely to lead to subjective inconsistencies， recognition difficulty， low precision etc.， and is not a process untrained individuals can complete to satisfaction. This study adopts the multispectral photography system to develop a multispectral digital image identification system for mural pigments based on the color data obtained from multispectral images. The process begins by selecting RGB values of the target pigment from obtained multispectral images of wall paintings and converting them to HSV color space. By automatic querying， the most numerically similar HSV color values are then matched with pigment values from the multispectral image database， thus providing a scientific identification of pigment category to a high degree of accuracy and efficiency that avoids the problems related to subjective manual comparison.

Keywords： Multispectral； mural pigment detection； color space； color similarity

1 多光譜圖像在壁畫(huà)保護(hù)研究中的

應(yīng)用背景

多光譜攝影作為一種新型非接觸無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在對(duì)古代壁畫(huà)的顏料分析和漫漶圖像內(nèi)容鑒別方面已經(jīng)在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用[3-7]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)墓葬壁畫(huà)及莫高窟壁畫(huà)顏料的分析中，運(yùn)用多光譜攝影方法發(fā)現(xiàn)了許多在可見(jiàn)光條件下無(wú)法識(shí)別的有機(jī)顏料、無(wú)機(jī)染料和畫(huà)面內(nèi)容[8-13]。但通過(guò)計(jì)算機(jī)算法對(duì)光譜圖像進(jìn)行分析，從而達(dá)到顏料鑒別目的的相關(guān)研究報(bào)道較少，僅限于肉眼對(duì)不同光譜條件下所獲取圖像的對(duì)比。這種工作盡管也能發(fā)現(xiàn)大量壁畫(huà)圖像內(nèi)容信息，但無(wú)法做到對(duì)各部分顏料進(jìn)行準(zhǔn)確分析和鑒別。為達(dá)到利用多光譜圖像對(duì)壁畫(huà)顏料類(lèi)別及分布做非接觸鑒別的功能，近年來(lái)以敦煌壁畫(huà)為研究對(duì)象，對(duì)已知壁畫(huà)中常用的24種繪畫(huà)材料通過(guò)多光譜拍攝、科學(xué)篩選、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，建立了“莫高窟壁畫(huà)顏料多光譜圖像色彩標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)”。以此為基礎(chǔ)可對(duì)比相同拍攝環(huán)境下現(xiàn)實(shí)壁畫(huà)與顏料多光譜色彩標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到鑒別壁畫(huà)顏料的目的。

本文在莫高窟繪畫(huà)材料多光譜圖像色彩標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)“莫高窟壁畫(huà)繪畫(huà)材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”。以可見(jiàn)光譜下標(biāo)準(zhǔn)顏料的色值和紅外、紫外光譜下顏料的反射偽彩色圖像色值為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分析相同拍攝條件下獲得的現(xiàn)實(shí)壁畫(huà)多光譜圖像，對(duì)需要檢測(cè)的范圍通過(guò)軟件拾色、后臺(tái)計(jì)算其與繪畫(huà)材料多光譜圖像標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中各顏料光譜圖像色值之間的最近相似度交叉比較、自動(dòng)匹配，達(dá)到快速鑒別古代壁畫(huà)顏料種類(lèi)的目的，克服以往因人眼識(shí)別色彩的差異而導(dǎo)致對(duì)結(jié)果的誤判，提高后期分析的效率與準(zhǔn)確性。

2 多光譜圖像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

多光譜圖像獲取系統(tǒng)由經(jīng)改裝的商業(yè)數(shù)字相機(jī)、光源、濾鏡系統(tǒng)三部分組成。隨著數(shù)碼相機(jī)和CCD或COMS感光元件的進(jìn)一步提升，對(duì)感應(yīng)范圍較廣的紅外線光譜具有了更寬泛的記錄能力，經(jīng)過(guò)改裝的商業(yè)相機(jī)配砷化傳感器，其敏感范圍擴(kuò)展到可記錄300—1100nm的光譜范圍。再加上高像素、高畫(huà)質(zhì)、高感光度，以及便捷的實(shí)時(shí)取景和LCD對(duì)焦功能，更有利于進(jìn)行大面積的壁畫(huà)多光譜檢測(cè)。利用濾鏡系統(tǒng)對(duì)光源輻射波長(zhǎng)及相機(jī)入射波長(zhǎng)組合運(yùn)用；后期圖像處理的輔助；偽彩色強(qiáng)化紫外或紅外反射譜段下各檢測(cè)材料的特征光譜圖像信息，配合熒光圖像可達(dá)到更明顯的觀察效果和直觀的比對(duì)分析目的（表1）。

3 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 色彩空間模型的選取與轉(zhuǎn)換

壁畫(huà)顏料多光譜標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)字化識(shí)別的前提，是在特定色彩空間提取各繪畫(huà)材料在不同光譜圖像中的色彩空間數(shù)值[14]，作為實(shí)現(xiàn)壁畫(huà)與標(biāo)準(zhǔn)圖集之間計(jì)算比對(duì)的依據(jù)。目前，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域存在著較多類(lèi)型的顏色空間，如RGB、LAB、HSL和HSV。RGB是最常使用的計(jì)算機(jī)色彩空間，是通過(guò)紅黃藍(lán)三原色數(shù)值描述各種“光”，以特定比例來(lái)表征顏色。然而這種色彩空間并不適合對(duì)壁畫(huà)顏料色彩的描述，因?yàn)楸诋?huà)自身顏料層退化、病害、污染等因素，區(qū)分同類(lèi)色彩變化的不同便取決于色彩亮度和飽和度差異[15]。

HSV是其中最常見(jiàn)的圓柱坐標(biāo)表示的顏色模型[16，17]，它重新映射了RGB模型，從而能夠比RGB模型更具視覺(jué)直觀性。其色彩空間用圓錐表示，圓錐上角度代表色調(diào)H，S距離變化代表色彩到中心豎線的飽和度，亮度V用中心豎線表示。紅色的角度為0度，依次為黃色、綠色、青色、藍(lán)色、紫色。連續(xù)兩種顏色的角度相差60度（圖1）。這種色彩模型從色調(diào)、飽和度、亮度三個(gè)方面定義顏色特征，符合對(duì)壁畫(huà)同類(lèi)顏料褪色衰變的描述。

通過(guò)科學(xué)校準(zhǔn)的顏料多光譜圖像集，反映出不同類(lèi)別顏料在不同光譜下的色彩空間，其數(shù)值可以通過(guò)計(jì)算獲得。取其平均值形成一套有關(guān)顏料光譜圖像標(biāo)準(zhǔn)的色彩模型的數(shù)值表，為之后數(shù)字統(tǒng)計(jì)計(jì)算色彩相似度[2]、建立色彩評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做前期的數(shù)據(jù)支持（圖2、3）。

3.2 軟件算法及代碼實(shí)現(xiàn)

軟件的編寫(xiě)基于Matlab實(shí)現(xiàn)壁畫(huà)顏料多光譜圖像數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字化識(shí)別，通過(guò)計(jì)算被檢測(cè)壁畫(huà)顏料的三種光譜范圍（可見(jiàn)光反射圖像、紅外反射偽彩圖像、紫外反射偽彩圖像），利用色彩歐氏距離原理，計(jì)算檢測(cè)目標(biāo)的多光譜圖像與“顏料多光譜標(biāo)準(zhǔn)色彩數(shù)據(jù)庫(kù)”中各顏料在不同光譜圖像下的RGB和HSV兩種色彩模型之間的近似值，階梯式進(jìn)行排序，得到最優(yōu)解，即顏料最近色彩相似度[19]，從而判斷壁畫(huà)真實(shí)顏料類(lèi)別。

3.3 軟件運(yùn)行流程

3.4 算法實(shí)現(xiàn)：

算法通過(guò)計(jì)算壁畫(huà)多光譜圖像色彩數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)顏料色彩數(shù)值的歐式距離[20]進(jìn)行篩選。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

1）在顏料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，針對(duì)24種顏料在不同光譜下真實(shí)色彩和偽彩的HSV值和RGB值。設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)色彩參數(shù)為：H，S，V，R，G，B；圖片中某點(diǎn)色彩參數(shù)為HH，SS，VV，RR，GG，BB。

2）計(jì)算現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù)的HSV方面的歐式距離：

在三種不同的環(huán)境（可見(jiàn)光、紅外反射、紫外反射）下，各自取D值最小的三個(gè)顏色的下標(biāo)。

3）計(jì)算現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中九個(gè)色彩標(biāo)定數(shù)據(jù)的RGB方面的歐式距離

得到D值最小的色彩值，并返回該色彩的名稱(chēng)。

4 軟件功能描述與效果測(cè)試

4.1 模擬測(cè)試

為驗(yàn)證軟件系統(tǒng)的可靠性，依據(jù)莫高窟原始壁畫(huà)制作工藝，以莫高窟第257窟壁畫(huà)為原型制作模擬壁畫(huà)，在壁畫(huà)模擬中利用已知的土紅、石青、石綠、高嶺土為主要繪畫(huà)顏料。對(duì)已知顏料檢測(cè)可驗(yàn)證后期通過(guò)軟件識(shí)別壁畫(huà)顏料的準(zhǔn)確性。

軟件界面主要有可見(jiàn)光圖片區(qū)、紅外反射偽彩色圖片區(qū)、紫外反射偽彩色圖片區(qū)三個(gè)數(shù)據(jù)框組成（圖4）。

在界面中分別導(dǎo)入已拍攝的壁畫(huà)可見(jiàn)光、紅外反射偽彩色、紫外反射偽彩色圖像，在檢測(cè)某種顏料時(shí)，分別在三種圖像中拾取相同坐標(biāo)位置的目標(biāo)顏色。顯示結(jié)果中，“畫(huà)面色彩”顯示當(dāng)前畫(huà)面中可見(jiàn)光顏色色相。“識(shí)別色彩”顯示經(jīng)對(duì)各光譜圖像相同坐標(biāo)位置拾色后，再經(jīng)過(guò)軟件后臺(tái)計(jì)算，自動(dòng)掛接顏料多光譜圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，并分別與不同顏料各光譜圖像色彩模型數(shù)值做近似度計(jì)算，最終匹配到的相應(yīng)的顏料。如果三種光譜圖像中相同位置的“識(shí)別色彩”結(jié)果統(tǒng)一，可得出此種顏料類(lèi)別（圖5）。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，分別選取畫(huà)面中4種不同色相顏料，軟件計(jì)算得出結(jié)果與已知顏料類(lèi)別相同，驗(yàn)證了軟件對(duì)不同顏料在不同光譜圖像中拾取色彩模型數(shù)值、后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)算匹配的準(zhǔn)確性（表2）。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)壁畫(huà)多光譜圖像識(shí)別測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證軟件識(shí)別的可靠性，選取畫(huà)面較為復(fù)雜的真實(shí)壁畫(huà)進(jìn)行分析。選取莫高窟第254窟北壁“尸毗王割肉貿(mào)鴿”為實(shí)驗(yàn)區(qū)（圖6）。真實(shí)壁畫(huà)區(qū)別于模擬實(shí)驗(yàn)的最主要特征是壁畫(huà)本身遭受了自然及人為因素的損害，顏料色相變化更為復(fù)雜。

利用多光譜圖像獲取此區(qū)域的可見(jiàn)光反射圖像、紅外反射偽彩色圖像、紫外反射偽彩色圖像（圖7），并將其分別導(dǎo)入壁畫(huà)顏料識(shí)別軟件系統(tǒng)分析得知此區(qū)域主要使用了4種礦物質(zhì)顏料，1種有機(jī)染料。分別為：氯銅礦、孔雀石綠、墨、土紅及有機(jī)染料靛藍(lán)（表3）。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證壁畫(huà)顏料多光譜數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，利用X熒光光譜儀及近紅外光譜儀對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域各顏料點(diǎn)做進(jìn)一步的分析：X射線熒光光譜儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2-1號(hào)綠色區(qū)域主要含Cu和As，3-1號(hào)綠色區(qū)域主要含Cu和Pb（圖8）。近紅外光譜儀檢測(cè)，對(duì)比現(xiàn)實(shí)壁畫(huà)光譜曲線和顏料標(biāo)準(zhǔn)色板光譜曲線得出：2-1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)在400—700nm可見(jiàn)光譜范圍反射峰、1900nm處吸附收峰、2200—2450nm近紅外光譜之間特征吸收峰位置與標(biāo)準(zhǔn)色板氯銅礦相同。3-1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)在400—700nm可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)反射峰、2300—2350nm之間特征吸收峰位置與標(biāo)準(zhǔn)色板石綠相同，但壁畫(huà)中石綠在1500nm開(kāi)始走勢(shì)下滑，推斷為雜質(zhì)或顏料的退化和衰變引起（圖9）。分析結(jié)果和軟件系統(tǒng)識(shí)別基本一致，充分驗(yàn)證了通過(guò)軟件色彩模型轉(zhuǎn)換數(shù)字化識(shí)別顏料的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

通過(guò)技術(shù)研發(fā)、模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：

1.顏料多光譜數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)的研發(fā)以24種莫高窟繪畫(huà)材料多光譜色彩標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)色彩歐氏距離換算及算法實(shí)現(xiàn)，初步實(shí)現(xiàn)了通過(guò)軟件自動(dòng)識(shí)別多光譜圖像中單一顏料類(lèi)別的目的，解決了以往靠肉眼識(shí)別分析過(guò)程中的誤差，弱化了識(shí)別難度，提高了分析效率及準(zhǔn)確性。

2.通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了研究思路及算法的正確性。在以后的研究中，將會(huì)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展顏料數(shù)據(jù)庫(kù)，并提高顏料多光譜數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)的易用性和可移植性，對(duì)軟件操作進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，著重解決對(duì)壁畫(huà)中重疊顏料多光譜識(shí)別的可行性研究。

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