數(shù)字X光照相技術(shù)在木雕造像上的應(yīng)用

相建凱，張 剛，董少華，柏 柯

(陜西省文物保護(hù)研究院，陜西西安 710075)

0 引 言

X光照相作為一種無損檢測技術(shù)，20世紀(jì)20～30年代就開始應(yīng)用于文物的檢測分析中，隨著能量范圍的擴(kuò)大，現(xiàn)已適用于青銅器、鐵器、陶瓷器、泥塑、石刻、漆木器等多種材質(zhì)的文物[1-4]。該檢測方法能夠揭示文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝、保存狀況以及修復(fù)歷史等信息[4-7]，可應(yīng)用在文物修復(fù)、文物鑒定以及科技考古等方面[7-11]。傳統(tǒng)的X光照相技術(shù)是以涂有鹵化銀乳劑層的膠片作為成像載體，需通過暗室處理，才能將曝光過程中留在膠片上的潛影顯現(xiàn)出來，完成整個成像過程。由于暗室處理條件要求苛刻、影響因素多且處理時間長，所以其可操作性不高，特別是在現(xiàn)場情況下更是很難實現(xiàn)。

近年來，隨著數(shù)字成像技術(shù)的興起，涌現(xiàn)出了諸如計算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)、線陣列掃描成像技術(shù)(LDA)、數(shù)字平板直接成像技術(shù)(DR)以及X射線層析照相(X-CT)等多種技術(shù)方法[3，4，11-13]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，數(shù)字成像技術(shù)不需要暗室處理，大大簡化了X光照相的成像過程，縮短了檢測時間，得到的數(shù)字圖像容易觀察、使用和保存，檢測圖像的編輯處理也成為可能[11]，因此數(shù)字成像技術(shù)使X光照相變得更加方便高效。2017年3月，筆者受陜西省文物保護(hù)研究院文物保護(hù)研究二部的委托，對一尊木雕造像進(jìn)行了X光照相檢測，下面是檢測的整個過程和結(jié)果。

1 檢測設(shè)備和方法

1.1 檢測對象和設(shè)備

本次檢測對象是山陽縣博物館的一尊金漆彩繪木雕靈宮造像，尺寸為309mm×215mm×517mm，重量為550g，造像有裂隙現(xiàn)象，其照片如圖1所示。

X光照相使用意大利GILARDONI公司的ART-GIL 350/6型固定式X光機(jī)，電壓范圍為110～350kV，最大管電流為6mA。檢測使用的數(shù)字成像系統(tǒng)是德國DUERR公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型數(shù)字成像系統(tǒng)，成像板(imaging plate簡稱IP板)的型號是HD-IP Plus 35×43cm，得到的檢測圖像像素大小為50μm。該成像系統(tǒng)采用了CR技術(shù)，該技術(shù)將暗室處理簡化為普通光照條件下的掃描過程，優(yōu)化了使用條件，縮短了檢測時間。同時，作為成像載體的IP板類似于傳統(tǒng)膠片，能夠裁剪和彎曲，可將其放入檢測對象空腔內(nèi)進(jìn)行單壁透照，因此與其它數(shù)字成像技術(shù)相比，更適合于在文物的X光照相中使用。X光機(jī)和數(shù)字成像系統(tǒng)的實物如圖2所示。

1.2 檢測方法

本次X光照相的檢測目的包括兩方面：一是檢測木雕的結(jié)構(gòu)，確定此木雕是否為整木雕，是否存在泥塑部分；二是檢測木雕的裂隙情況，判斷其數(shù)量和發(fā)育情況。為了達(dá)到以上檢測目的，制定如下檢測方案。

圖1 木雕造像照片

圖2 設(shè)備照片

1.2.1多角度拍攝 經(jīng)觀察，此木雕上的幾條裂隙從不同方向深入造像內(nèi)部，如果要使拍攝過程中X射線方向與裂隙深入方向相同，則需要從多個方向反復(fù)曝光，而且也需要傾斜擺放木雕造像，不利于文物安全。為了兼顧文物安全和裂隙檢出率，此次X光照相從三個相互垂直的方向?qū)δ镜裨煜襁M(jìn)行拍攝，得到檢測圖像類似于機(jī)械制圖中的三視圖。

1.2.2分段連續(xù)拍攝 由于木雕的尺寸較大，且X光照相過程中X光是呈40°圓錐角散射[12]，得到的圖像有放大效應(yīng)，因此為了得到完整的檢測結(jié)果需進(jìn)行分段連續(xù)拍攝。具體是在拍攝正視圖時，將35mm×43cm的IP板橫向放置，從頭部到底座分段連續(xù)拍攝三次；拍攝左視圖時，將IP板豎向放置，從頭部到底座分段連續(xù)拍攝兩次。

1.2.3編輯處理圖像 為使得檢測圖像中的結(jié)構(gòu)信息更加清晰，使用數(shù)字成像系統(tǒng)軟件中的高細(xì)節(jié)濾鏡(high details)對得到的X光片進(jìn)行了處理，細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果明顯，如圖3所示。同時，為了對木雕造像進(jìn)行整體分析，對正視圖的三張X光片和左視圖的兩張X光使用Photoshop軟件分別進(jìn)行拼接合成處理，拼接界限如圖4所示。俯視圖包含在一張X光片中，無需拼接合成。通過以上操作，就得到了木雕造像清晰完整的X光照相三視圖，如圖5所示。

2 結(jié)果和討論

從X光照相三視圖可以看出，木雕造像的結(jié)構(gòu)清晰，拼接合成得到的正視圖、左視圖亮度、對比度協(xié)調(diào)統(tǒng)一且無明顯接縫，可用于木雕造像的整體分析。結(jié)合檢測目的，對X光照相三視圖分析討論。

圖3 高細(xì)節(jié)濾鏡效果

圖4 三視圖拼接及裂隙示意圖

拍攝電壓120kV，電流4.25mA，時間120s，焦距80cm

2.1 木雕造像是整木雕

2.1.1從木雕造像的木紋分析 正視圖顯示，木雕造像從頭部、胸腹部、右手臂、底座部分的縱向木紋連貫平行，左手臂部分由于與身體重疊以及彩繪層的影響，圖像亮度過高，木紋結(jié)構(gòu)不明顯；左視圖顯示，左手臂與身體的縱向木紋連貫平行；俯視圖顯示，底座和身體的橫向木紋自然平行。綜上，木雕造像的縱向木紋連貫平行，橫向木紋自然平行。

2.1.2從木質(zhì)拼接和泥塑的表現(xiàn)分析 如果木雕造像有木質(zhì)拼接，則有規(guī)整的接縫，表現(xiàn)在X光片上就是規(guī)整的亮度較暗的幾何線條，X光照相三視圖均未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，可以排除木質(zhì)拼接的存在。如果木雕造像局部有泥塑，則會由于泥質(zhì)對X光的吸收比木質(zhì)強(qiáng)，表現(xiàn)在X光片上就是泥塑部分的亮度增加。筆者之前在對另一組木雕造像檢測時曾遇到過這樣的情況，如圖6所示。在此尊木雕造像的X光片上沒有這種現(xiàn)象，因此可以排除泥塑的存在。

圖6 帶泥塑的木雕造像的X光片

2.1.3從木雕造像的裂隙分析 從X光檢測圖像和實物照片上可以看到，木雕造像上裂隙幾條都很長。一般來講，裂隙發(fā)育到拼接接縫和泥塑的地方則會停止。換句話講，裂隙經(jīng)過的地方都不會存在拼接和泥塑現(xiàn)象，都是一個整體。

綜合以上三方面分析，木雕造像縱向木紋平行連貫、橫向木紋自然平行，未發(fā)現(xiàn)木質(zhì)拼接和泥塑的痕跡，且裂隙發(fā)育較長，此尊木雕造像應(yīng)是整木雕。這里需要說明的是，木雕造像的左手小拇指殘缺，在斷面上有一方形空洞，說明右手小拇指可能經(jīng)過修復(fù)，或者此處原來就是拼接或者泥塑。

2.2 木雕造像的裂隙發(fā)育情況

從木雕造像的照片和X光照相三視圖看到，該造像存在三條裂隙，在正視圖和俯視圖中的位置如圖4所示。第一條裂縫從頭部右側(cè)向下延伸至下腹右側(cè)，長度長。俯視圖顯示裂縫的亮度變暗較大，照片顯示裂隙的寬度較寬，說明這條裂隙深度深；第二條裂縫主要在造像底座上，長度較短，但是它的寬度最大，深度很深；第三條裂隙從胸部曲折向下延伸至造像前裙乃至龍身，長度長，但是除了最下端的寬度較寬深度較深外。X光照相正視圖和俯視圖顯示亮度變暗不大，因此深度不深。綜上所述，第一條裂隙長度長，深度深；第二條裂隙長度短，深度最深；第三條裂隙長度長，深度淺。

2.3 彩繪在X光片上的表現(xiàn)

從X光片的正視圖發(fā)現(xiàn)，木雕造像的黃色和白色彩繪在X光片上有顯示，表現(xiàn)為亮度增加，如面部、胸部、左上臂、右上臂的黃色紋飾，又如頭部、左上臂、右上臂，前胸白色線條。這些彩繪有的在木雕造像的正面，有的在背面，但在正視圖上均表現(xiàn)出來。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是黃色和白色彩繪內(nèi)含有重金屬元素，它們的原子序數(shù)很大，對X光的吸收和散射作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于組成木質(zhì)的輕元素，所以雖然黃色和白色的彩繪層比木質(zhì)本體薄得多，但它們對X光的吸收散射作用依然能夠顯示出來，表現(xiàn)為黑度減小，亮度增加。經(jīng)掃描電鏡能譜無標(biāo)樣定量分析(結(jié)果如表1所示)，黃色和白色彩繪中分別含有Au和Pb兩種元素，證實了分析。至于其它顏色的彩繪沒有在X光片上顯示出來，則是由于它們含有的元素對X光的吸收散射還不夠強(qiáng)。

表1 黃色和白色顏料成分

2.4 木雕造像結(jié)構(gòu)尺寸的測量

本研究使用的數(shù)字成像系統(tǒng)軟件中有測量功能，可測量X光片上兩點間的距離，進(jìn)而可推算出檢測對象的結(jié)構(gòu)尺寸。這里測量了正視圖和側(cè)視圖上三條木紋的寬度和俯視圖中的第二條裂隙的寬度，對第二條裂縫還用游標(biāo)卡尺進(jìn)行了實際測量。上面已經(jīng)提到，X光照相得到的圖像對檢測對象有放大作用。如果X射線管的焦點很小，將焦點簡化為點，則檢測對象的結(jié)構(gòu)尺寸和它在X光片上的尺寸有如下關(guān)系[12]：

(1)

式中，L為結(jié)構(gòu)尺寸；F為焦距，焦點距膠片的距離；

b為物距，結(jié)構(gòu)距膠片的距離；L′為結(jié)構(gòu)在X光片上的尺寸。

假設(shè)正視圖和左視圖上木紋結(jié)構(gòu)的物距為木雕造像的寬和長的一半左右，俯視圖裂隙的物距為底座高。根據(jù)公式(1)，對圖像尺寸進(jìn)行校正就得到了表2中的結(jié)構(gòu)尺寸。估算的裂隙寬度和實際測量值很接近。它們之間的偏差是由于射線管的焦點簡化造成誤差，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物距在某些情況下需要估算造成的。

表2 木雕造像結(jié)構(gòu)尺寸

3 總 結(jié)

本工作對檢測對象進(jìn)行了多角度、分段連續(xù)式拍攝， 得到的X光片圖像經(jīng)過高細(xì)節(jié)濾鏡處理和拼接合成，最終獲得了木雕造像的X光照相三視圖。搞清楚了木雕造像的結(jié)構(gòu)和裂隙發(fā)育情況，對黃色和白色彩繪成分進(jìn)行了預(yù)測并得到了掃描電鏡能譜檢測的應(yīng)征，嘗試測量了木雕造像的結(jié)構(gòu)尺寸，完成了本次檢測任務(wù)。最后，對本次數(shù)字X光照相總結(jié)如下：

1) 多角度拍攝分析。 X光照相是一種透射檢測方法，它是將檢測對象的三維結(jié)構(gòu)信息沿著X光方向投射到二維成像載體上，用圖像的亮度變化表示檢測對象的三維結(jié)構(gòu)信息。如果檢測對象的某一結(jié)構(gòu)(無論是表面結(jié)構(gòu)還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無論是本體結(jié)構(gòu)還是某種缺陷)在X光方向上的分量太小，則其對X光的吸收和散射作用將會很小，圖像上的亮度變化將會分辨不出，最終該結(jié)構(gòu)在此次X光照相檢測中漏檢。因此，對于一個三維檢測對象進(jìn)行單一角度的X光照相是不可能將所有結(jié)構(gòu)反映出來，多角度X光照相在一般情況下是必要的。另外，對于X光的分析應(yīng)結(jié)合檢測對象實物或者照片進(jìn)行，要分清楚圖像上的亮度變化是由于表面結(jié)構(gòu)引起還是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成，表面結(jié)構(gòu)是在檢測對象的正面還是背面。而要確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置則要分析多個角度的檢測圖像才能得出確切的結(jié)論。

2) X光片濾鏡處理。 上面提到的高細(xì)節(jié)濾鏡，本質(zhì)上就是調(diào)整圖像的亮度、對比度，使圖像中的結(jié)構(gòu)更加清晰易于觀察。但是這種圖像編輯處理方法并非所有情況都適用。如果檢測只是為了確定某種結(jié)構(gòu)是否存在或者在哪些位置存在，這種處理一般沒有問題；如果檢測還要評價某種結(jié)構(gòu)與臨近區(qū)域的對比關(guān)系，則這種處理就可能導(dǎo)致誤判。第一種情況類似于本次檢測，檢測木雕造像有沒有木質(zhì)拼接和泥塑存在，以及裂隙在哪些位置存在，所以濾鏡處理是有益的；第二種情況如同判斷青銅器的腐蝕狀況，如果改變了X光片的亮度、對比度，則可能認(rèn)為腐蝕狀況比實際更嚴(yán)重，導(dǎo)致誤判。

3) X光片的拼接合成。對于較大的檢測對象，進(jìn)行分段連續(xù)拍攝，再拼接合成完整檢測圖像無疑是有用的，有利于對檢測對象進(jìn)行整體評估。按照筆者的經(jīng)驗，如果要達(dá)到較好的拼接合成效果，首先在分段拍攝時應(yīng)注意拍攝角度的一致，其次是預(yù)拼接的兩張圖片之間的重合度要達(dá)到20%以上。

4) 結(jié)構(gòu)尺寸的測量方法。利用數(shù)字成像系統(tǒng)軟件中的測量工具，對X光片上的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量，再根據(jù)公式(1)進(jìn)行校正就可得到結(jié)構(gòu)尺寸的估算值，這是一種測量檢測對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的無損方法。

數(shù)字成像技術(shù)的應(yīng)用使X光照相變得簡單易行，同時數(shù)字化使圖像編輯處理成為可能?，F(xiàn)在使用的圖像編輯技術(shù)很多，而這些技術(shù)能否在X光照相中使用以及怎么使用，是一個值得探討的問題。另外，數(shù)字成像技術(shù)能否拓展X光照相的應(yīng)用范圍，也是一個值得研究的方向。