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(wú)損檢測(cè)技術(shù)，20世紀(jì)20～30年代就開(kāi)始應(yīng)用于文物的檢測(cè)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(cè)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(guò)暗室處理，才能將曝光過(guò)程中留在膠片上的潛影顯現(xiàn)出來(lái)，完成整個(gè)成像過(guò)程。由于暗室處理?xiàng)l件要求苛刻、影響因素多且處理時(shí)間長(zhǎng)，所以其可操作性不高，特別是在現(xiàn)場(chǎng)情況下更是很難實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，隨著數(shù)字成像技術(shù)的興起，涌現(xiàn)出了諸如計(jì)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(jiǎn)化了X光照相的成像過(guò)程，縮短了檢測(cè)時(shí)間，得到的數(shù)字圖像容易觀察、使用和保存，檢測(cè)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(duì)一尊木雕造像進(jìn)行了X光照相檢測(cè)，下面是檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程和結(jié)果。

1 檢測(cè)設(shè)備和方法

1.1 檢測(cè)對(duì)象和設(shè)備

本次檢測(cè)對(duì)象是山陽(yáng)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(cè)使用的數(shù)字成像系統(tǒng)是德國(guó)DUERR公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型數(shù)字成像系統(tǒng)，成像板(imaging plate簡(jiǎn)稱IP板)的型號(hào)是HD-IP Plus 35×43cm，得到的檢測(cè)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(jiǎn)化為普通光照條件下的掃描過(guò)程，優(yōu)化了使用條件，縮短了檢測(cè)時(shí)間。同時(shí)，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(cè)對(duì)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(shí)物如圖2所示。

1.2 檢測(cè)方法

本次X光照相的檢測(cè)目的包括兩方面：一是檢測(cè)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(cè)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(cè)目的，制定如下檢測(cè)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(guò)程中X射線方向與裂隙深入方向相同，則需要從多個(gè)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(gè)相互垂直的方向?qū)δ镜裨煜襁M(jìn)行拍攝，得到檢測(cè)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(guò)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(cè)結(jié)果需進(jìn)行分段連續(xù)拍攝。具體是在拍攝正視圖時(shí)，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(shí)，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(cè)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(duì)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(shí)，為了對(duì)木雕造像進(jìn)行整體分析，對(duì)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(wú)需拼接合成。通過(guò)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(duì)比度協(xié)調(diào)統(tǒng)一且無(wú)明顯接縫，可用于木雕造像的整體分析。結(jié)合檢測(cè)目的，對(duì)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(shí)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(guò)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(huì)由于泥質(zhì)對(duì)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(duì)另一組木雕造像檢測(cè)時(shí)曾遇到過(guò)這樣的情況，如圖6所示。在此尊木雕造像的X光片上沒(méi)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(cè)圖像和實(shí)物照片上可以看到，木雕造像上裂隙幾條都很長(zhǎng)。一般來(lái)講，裂隙發(fā)育到拼接接縫和泥塑的地方則會(huì)停止。換句話講，裂隙經(jīng)過(guò)的地方都不會(huì)存在拼接和泥塑現(xiàn)象，都是一個(gè)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(zhǎng)，此尊木雕造像應(yīng)是整木雕。這里需要說(shuō)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(shuō)明右手小拇指可能經(jīng)過(guò)修復(fù)，或者此處原來(lái)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(zhǎng)度長(zhǎng)。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(shuō)明這條裂隙深度深；第二條裂縫主要在造像底座上，長(zhǎng)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(zhǎng)度長(zhǎng)，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(zhǎng)度長(zhǎng)，深度深；第二條裂隙長(zhǎng)度短，深度最深；第三條裂隙長(zhǎng)度長(zhǎng)，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(lái)。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(duì)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(duì)X光的吸收散射作用依然能夠顯示出來(lái)，表現(xiàn)為黑度減小，亮度增加。經(jīng)掃描電鏡能譜無(wú)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(shí)了分析。至于其它顏色的彩繪沒(méi)有在X光片上顯示出來(lái)，則是由于它們含有的元素對(duì)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(cè)量

本研究使用的數(shù)字成像系統(tǒng)軟件中有測(cè)量功能，可測(cè)量X光片上兩點(diǎn)間的距離，進(jìn)而可推算出檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸。這里測(cè)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(duì)第二條裂縫還用游標(biāo)卡尺進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。上面已經(jīng)提到，X光照相得到的圖像對(duì)檢測(cè)對(duì)象有放大作用。如果X射線管的焦點(diǎn)很小，將焦點(diǎn)簡(jiǎn)化為點(diǎn)，則檢測(cè)對(duì)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(diǎn)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(zhǎng)的一半左右，俯視圖裂隙的物距為底座高。根據(jù)公式(1)，對(duì)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(shí)際測(cè)量值很接近。它們之間的偏差是由于射線管的焦點(diǎn)簡(jiǎn)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(duì)檢測(cè)對(duì)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(guò)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(duì)黃色和白色彩繪成分進(jìn)行了預(yù)測(cè)并得到了掃描電鏡能譜檢測(cè)的應(yīng)征，嘗試測(cè)量了木雕造像的結(jié)構(gòu)尺寸，完成了本次檢測(cè)任務(wù)。最后，對(duì)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(cè)方法，它是將檢測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)象的三維結(jié)構(gòu)信息。如果檢測(cè)對(duì)象的某一結(jié)構(gòu)(無(wú)論是表面結(jié)構(gòu)還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無(wú)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(duì)X光的吸收和散射作用將會(huì)很小，圖像上的亮度變化將會(huì)分辨不出，最終該結(jié)構(gòu)在此次X光照相檢測(cè)中漏檢。因此，對(duì)于一個(gè)三維檢測(cè)對(duì)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(lái)，多角度X光照相在一般情況下是必要的。另外，對(duì)于X光的分析應(yīng)結(jié)合檢測(cè)對(duì)象實(shí)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(cè)對(duì)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(gè)角度的檢測(cè)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(duì)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(cè)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(méi)有問(wèn)題；如果檢測(cè)還要評(píng)價(jià)某種結(jié)構(gòu)與臨近區(qū)域的對(duì)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(cè)，檢測(cè)木雕造像有沒(méi)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(duì)比度，則可能認(rèn)為腐蝕狀況比實(shí)際更嚴(yán)重，導(dǎo)致誤判。

3) X光片的拼接合成。對(duì)于較大的檢測(cè)對(duì)象，進(jìn)行分段連續(xù)拍攝，再拼接合成完整檢測(cè)圖像無(wú)疑是有用的，有利于對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行整體評(píng)估。按照筆者的經(jīng)驗(yàn)，如果要達(dá)到較好的拼接合成效果，首先在分段拍攝時(shí)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(cè)量方法。利用數(shù)字成像系統(tǒng)軟件中的測(cè)量工具，對(duì)X光片上的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)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(cè)量檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的無(wú)損方法。

數(shù)字成像技術(shù)的應(yīng)用使X光照相變得簡(jiǎn)單易行，同時(shí)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(gè)值得探討的問(wèn)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(gè)值得研究的方向。