天水仙人崖石窟壁畫顏料層原位-無損分析研究

張 遙, 郭 宏, 楊健都, 李 博, 田進鋒, 葉榮波

1. 北京科技大學(xué)科技史與文化遺產(chǎn)研究院，北京 100083 2. 北京國文琰文物保護發(fā)展有限公司，北京 100029 3. 天水市麥積區(qū)文體廣電和旅游局，甘肅 天水 741300 4. 云南大學(xué)，云南 昆明 650091

引 言

無損檢測(non-destructive testing, NDT)是指對材料或工件實施一種不損害或不影響其未來使用性能或用途的分析檢測手段[1]。文物具有不可再生性，對于這種珍貴、 脆弱的研究對象，必須選用安全、 可靠的技術(shù)進行研究。無損檢測憑借不改變宏觀物理性質(zhì)、 不造成潛在危害的優(yōu)勢，被引入文化遺產(chǎn)的研究與保護領(lǐng)域[2]。通常情況下，為了全面研究文化遺產(chǎn)的性質(zhì)，采用多種不同分析方法來進行綜合檢測，充分發(fā)揮不同儀器的特點和優(yōu)勢，并相互印證和補充，從而獲取更為準(zhǔn)確地研究文物產(chǎn)地來源、 制作年代、 制作工藝與材料、 病害發(fā)生發(fā)展原因等物理信息和化學(xué)特性[3]。

作為我國文化遺產(chǎn)重要組成的古代壁畫，不僅表現(xiàn)著藝術(shù)美感，同時也承載著不同時期政治、 經(jīng)濟、 文化、 宗教、 歷史、 建筑、 風(fēng)俗、 科技等多方面信息。對于規(guī)模宏大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 制作精細的壁畫而言，最大程度的保留其畫面信息是文物研究的前提。這不僅需要檢測手段是無損的，通常還需要在文物原址進行。光學(xué)調(diào)查法因無需采樣，以非接觸、 不介入、 快速性、 面積大等優(yōu)點越來越受到文物工作者的重視[4]。近年來，原位-無損檢測技術(shù)，尤其是光譜分析技術(shù)，已成功在國內(nèi)外文物調(diào)查、 研究和保護中應(yīng)用。在壁畫等不可移動文物研究中，便攜式X射線熒光光譜儀、 數(shù)碼顯微鏡已成為最基本操作[5-6]。近幾年，又增加了多光譜成像技術(shù)，即在不同波段光源下的一種拍攝方式，光源大體分為紫外光、 可見光和紅外光。多光譜成像技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到航天、 天文、 遙感、 醫(yī)療、 軍事、 刑偵等領(lǐng)域[7]。隨著波段寬度變窄、 分辨率變高，在繪畫作品的調(diào)查、 文物保護檔案的記錄、 前人修復(fù)工作的評估、 文物最初狀態(tài)的還原、 藝術(shù)品真?zhèn)蔚谋鎰e、 畫家創(chuàng)作技法演變等文物形貌信息研究實例不斷增加，甚至是礦物顏料的識別方面均發(fā)揮著重要作用。綜合運用各類無損檢測儀器記錄壁畫畫面特征、 微觀結(jié)構(gòu)，解析壁畫創(chuàng)作過程中所使用顏料的化學(xué)組成以及光譜和顏色等多方面信息。

仙人崖石窟位于天水市麥積區(qū)后川村，由三崖、 六寺、 五峰組成，包括西崖、 東崖、 南崖，木蓮寺、 水蓮寺、 花蓮寺、 石蓮寺、 靈應(yīng)寺、 鐵蓮寺，玉皇峰、 獻珠峰、 東崖峰、 西崖峰、 寶蓋峰?，F(xiàn)保存有明清殿宇27座，房屋54間，以及南北朝、 宋、 明、 清各類塑像197尊，壁畫460 m2。此處石窟是佛、 道、 儒三教合一的宗教“圣地”。

仙人崖初建于北魏中晚期，與相距7公里的麥積山石窟屬同一時期。但由于歷史、 地理和生產(chǎn)水平等原因，仙人崖石窟并未像麥積山石窟一樣有連續(xù)的宗教藝術(shù)創(chuàng)作。目前，仙人崖石窟中未發(fā)現(xiàn)西魏、 北周、 隋、 唐時期造像，停滯400年左右，直至宋、 元時期，才繼續(xù)有所創(chuàng)造[8]。

以仙人崖石窟壁畫數(shù)字化勘察測繪項目為契機，對該處石窟壁畫進行全面調(diào)查。利用高清影像拍攝獲取壁畫的形貌特征信息和圖案色彩信息，使用色度儀量化壁畫顏料層色彩信息；運用物質(zhì)對紅紫外光吸收差異性，提取壁畫繪制底稿和修改信息；高倍數(shù)碼顯微鏡觀察壁畫繪制工藝細節(jié)，進一步研究礦物顏料形態(tài)特征；使用便攜式X射線熒光光譜儀檢測顏料化學(xué)元素組成，初步判定顏料種類，再使用高光譜分析藍色、 綠色、 紅色等顏料的礦物種類。在此基礎(chǔ)上，探索原位-無損分析流程，嘗試建立壁畫顏料層調(diào)查研究的普遍流程與工序。

1 實驗部分

1.1 數(shù)字成像系統(tǒng)

尼康D800E，傳感器尺寸35.9 mm×24 mm，最大像素數(shù)3 677萬，圖像最高分辨率7 360×4 912，對焦點數(shù)51點。

保富圖D4系列電源箱，以1/10檔光圈微調(diào)，1/1檔光圈粗調(diào)，輸出能量穩(wěn)定性±1/100級光圈(f-stop)，色溫浮動優(yōu)于±150 K。燈頭帶有UV-coated磨砂玻璃罩，穩(wěn)定輸出4 800 Ws最大閃光。

Z+F IMAGER5010C三維掃描儀，掃描范圍：1～187 m，掃描速度為10.167萬點·s-1，最高分辨率25 m處點間隔1 mm。

1.2 色度儀

Konica Minolta CM-700d，脈沖氙燈(含UV濾鏡)，測量時間2 s，口徑8 mm，測量波長范圍為400～690 nm，測量波長間隔為10 nm。

1.3 紅紫外照相機

EOS 60D的佳能數(shù)碼照相機，配備定焦78 mm F3.8鏡頭；獵蹤專業(yè)紅紫外光源，發(fā)光波長為400～1 100 nm；成像窄帶850和254 nm濾光片。

1.4 數(shù)碼顯微鏡

日本KEYENCE 公司VHX-5000型，鏡頭型號：VH-Z20R，倍率：20～200×，自帶照明燈。

1.5 X射線熒光光譜(XRF)

美國Thermo Fisher Scientific公司NitonXL3t800，激發(fā)源：銀靶，管電壓6～50 kV，管電流0～200 μA；探測器：Si-PIN(硅半導(dǎo)體探測器)。分辨率<190 eV；測試模式：土壤模式；檢測時間：90 s。

1.6 高光譜相機

美國Themis Vision Systems公司VNIR400H型高光譜相機，光譜范圍：400～1 000 nm，光譜寬度：0.6 nm，光譜分辨率：2.6 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀信息

(1)形貌信息

按照《古建筑壁畫數(shù)字化測繪技術(shù)規(guī)程》(WW/T 0082—2017)對仙人崖石窟壁畫進行建筑掃描及泛光正射影像采集。

對壁畫所在建筑本體進行入射角大于30°、 點間距優(yōu)于3 mm的三維掃描，臺明、 墻體、 柱網(wǎng)、 梁架等結(jié)構(gòu)均在記錄范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1 建筑點云圖 (a)：剖面圖；(b)：立面圖Fig.1 Cloud map of construction points (a): Section diagram; (b): Elevation diagram

數(shù)字成像現(xiàn)場工作是通過矩陣式高清晰數(shù)字攝影法，即正直多基線高清晰數(shù)字攝影法，獲取文物和環(huán)境的影像信息。拍攝泛射光影像時，被攝區(qū)域布光均勻，色溫在(5 500±550) K，區(qū)塊各點照度差小于10%，數(shù)碼相機影像傳感器側(cè)傾角與水平面成0°。使用色彩校準(zhǔn)管理系統(tǒng)進行色彩管理，按照采集順序進行拼接，通過透視校正和點云模型校準(zhǔn)，最終生成高清晰影像圖。本次仙人崖石窟壁畫正射影像圖采集分辨率300DPI，真實記錄當(dāng)時色溫下壁畫的保存狀態(tài)和病害分布情況。以三圣殿北壁壁畫為例，如圖2所示。

該幅壁畫以工筆手法描繪說法與朝拜故事，筆觸細膩，場景豐富，人物造型精致，人物表情傳神，栩栩如生。此幅壁畫存在嚴重的顏料層脫落、 刻劃、 皰疹等病害。

(2)繪制工藝

仙人崖石窟壁畫山石和樹木等部位采用皴、 擦技法；人物主要用工筆重彩的技法，其頭、 手、 顏面及裸露肌膚則工筆細描，人物微妙情感表達出神入化，構(gòu)圖、 設(shè)色凝練，雖繁多而不蕪雜。貼金的裝飾使壁畫人物服飾更為精美，典雅富麗，活靈活現(xiàn)，同時使畫面更為莊嚴、 肅穆，提升了壁畫整體的藝術(shù)感。

對不同殿宇顏料進行觀察，表觀其制作工藝的微觀特征。如圖4所示，分別為仙人崖石窟壁畫紅色、 藍色、 綠色、 白色顏料放大200倍的顯微狀態(tài)，顏顆粒呈團狀，色彩濃郁。

圖2 三圣殿北壁壁畫泛射光正射影像圖及局部圖Fig.2 Orthographic image and local maps of the northern wallpaintings of the Three Sages Temple in diffused lighting

圖3 繪制工藝 (a)：先勾線后填色的繪制順序；(b)：先填色后勾線的繪制順序； (c)：瀝粉貼金；(d)：顏料層疊壓Fig.3 Drawing process (a): Checking the thread first and filling in the color; (b): Filling in the color first and checking the thread; (c): Gilding with leach powder; (d): Pigment layer superimposed

(3)顏色信息

數(shù)字成像中的泛光正射影像圖是基于色度學(xué)三原色顏色科學(xué)理論基礎(chǔ)，通過高分辨率CCD或成像系統(tǒng)以RGB信息表征方式所得[9]。雖具有極高精度，但它只能表征物質(zhì)表面在特定環(huán)境與設(shè)備條件下的色彩信息，并非壁畫真實顏色信息。

Lab是一種與設(shè)備無關(guān)的顏色顯示方式，可將顏色從一個色彩空間轉(zhuǎn)換到另一個色彩空間，加強對顏色的理性認識。測量壁畫的Lab值，并在高清圖上詳細標(biāo)注色度測試點位置，記錄當(dāng)前顏色信息。測量時，選取長度大于8 mm的純色區(qū)域進行，避開壁畫龜裂、 起甲等區(qū)域，防止顏料層脫落；同時避開嚴重積塵、 泥漬、 水漬等表面覆蓋區(qū)域。

受顏料和膠結(jié)材料成分，光照、 滲水、 積塵等環(huán)境因素影響，顏料層的色彩出現(xiàn)變化。后期可在同一區(qū)域進行多次采集，比對壁畫顏料層色度變化，實現(xiàn)壁畫顏色的長期監(jiān)測。

數(shù)字圖像在可見光范圍內(nèi)獲取壁畫顏料層整體形貌，更深層次的研究細節(jié)需要借助其他技術(shù)[4，7]，從而實現(xiàn)底稿墨線、 紋飾修改、 膠料分布等研究，深入分析細節(jié)和表征文物整體表觀特征。

(4)隱含信息

在可見光下，字跡或線條與周邊物質(zhì)具有相同的反射或透射率，人眼無法區(qū)分。有些繪畫顏料對紅外光有較高的吸收性，例如普魯士蘭、 石青、 炭黑、 墨汁等，它們在紅外光源的照射下，與具有較強紅外反射性的物質(zhì)形成反差，從而與周圍物質(zhì)區(qū)分出來[4]。利用紅外光的這一特性，可對壁畫輪廓信息、 底稿信息、 修補痕跡、 擦除或污損筆記等進行研究。選取位于南崖的華嚴殿南壁壁畫進行隱含信息調(diào)查。

圖4 各色顏料數(shù)碼顯微鏡放大圖 (a)：紅色顏料測試點；(b)：藍色顏料測試點； (c)：綠色顏料測試點；(d)：白色顏料測試點Fig.4 Digital microscope magnification of pigments by color (a): Red pigment test site; (b): Blue pigment test site; (c): Green pigment test site; (d): White pigment test site

該幅壁畫創(chuàng)作于清代，圖5為手持寶劍的南方增長天王。對比可見光和紅外光照片可知，壁畫天王腹部藍色衣襯下面有被覆蓋的鎧甲鱗紋，這和頭盔處的紋飾十分相似。推測，畫匠在上色時沒有按照底稿進行，而是用顏色較深的藍色覆蓋住了原有墨線。壁畫底層墨線和顏料繪制有所出入。

紫外光對有機物質(zhì)具有熒光效應(yīng)[7]，可以幫助調(diào)查繪畫中有機膠結(jié)質(zhì)或歷史修復(fù)的分布情況。

圖6為東崖羅漢堂西側(cè)壁畫，圖6(a)為可見光照片，圖6(b)為紫外光照片。3人的面部、 紅衣袖口、 白衣長袍均為白色，但在紫外光照片中均呈現(xiàn)黑色；而3人頭飾、 扇子邊緣，白衣長袍袖口處呈現(xiàn)亮色，有明顯的熒光反應(yīng)，此處有機膠結(jié)物質(zhì)較其他區(qū)域更多。

圖5 華嚴殿壁畫底稿信息Fig.5 Information about the background of Huayan murals

圖6 可見光與紫外光照片 (a)：可見光照片；(b)：紫外光照片F(xiàn)ig.6 Visible image and ultraviolet image (a): Visible image; (b): Ultraviolet image

2.2 元素組成

以大雄寶殿西壁壁畫為例，使用便攜式X射線熒光光譜儀對壁畫中紅色、 橙色、 藍色、 綠色和白色進行原位測試，測定各類元素色含量，將數(shù)據(jù)歸一化處理，根據(jù)顯色元素推斷顏料種類。由于儀器的激發(fā)能量具有一定的穿透力，在檢測時會顯示底層材料元素，故而各色顏料中均含有地仗層常見的Ca，S，K，F(xiàn)e等元素。紅色顏料測試點檢測出Hg和Fe，推測紅色調(diào)色時可能使用了朱砂，無法確定鐵紅的使用情況。橙色顏料測試點檢測出大量的Pb和Fe，推測其為鉛丹，無法確定鐵紅的使用情況。藍色、 綠色顏料測試點中全部含有Cu，和極為少量Fe，其中Fe元素可能來自地仗層。白色顏料中含有大量的S和Ca，不能確定白堊或石膏的使用情況。

對于化學(xué)組成相對簡單的礦物顏料，例如紅色、 橙色，X射線熒光光譜可初步判定物相，但對于元素種類相近的藍色、 綠色，僅通過Cu和Fe等元素進行判定，證據(jù)不充分。此時，需要引入其他無損檢測方法確定顏料結(jié)構(gòu)。

2.3 礦物種類

高光譜成像是將光譜技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合，具有非接觸性、 無損性、 成像快、 測量區(qū)域廣、 “圖譜合一”的特點[10]，利用每種物質(zhì)具有特定光譜曲線這一現(xiàn)象進行分析，描繪壁畫的顏料組成與分布情況，為考古、 藝術(shù)研究和科學(xué)保護修復(fù)提供依據(jù)。對大雄寶殿西壁壁畫進行高光譜數(shù)據(jù)采集，所用光譜波段為400～1 000 nm。

采用ENVI軟件對所采集的數(shù)據(jù)進行最小噪聲分離(minimun noises fraction，MNF)、 純凈像元指數(shù)(pixelpurity index, PPI)、n維可視化(n-Dvisualizer)流程處理，提取圖像區(qū)域純凈端元光譜曲線。將已提取的顏料光譜曲線與數(shù)據(jù)庫光譜曲線進行比對、 分析。本文所用的數(shù)據(jù)庫為中央美術(shù)學(xué)院顏料廠生產(chǎn)顏料所測光譜曲線，包括石綠、 石青、 群青、 朱砂、 鉛丹、 鐵紅、 雌黃、 雄黃等標(biāo)準(zhǔn)物。由于壁畫顏料層受環(huán)境影響，膠料發(fā)生老化，故測量樣品的特征峰發(fā)生部分位移，屬于正?，F(xiàn)象。

圖7 高光譜顏料采集圖 (a)：采集區(qū)域；(b)：紅色；(c)：橙色； (d)：綠色；(e)：藍色；(f)：白色Fig.7 Pigment collection area by hyperspectral imaging (a): Collection area; (b): Red; (c): Orange; (d): Green; (e): Blue; (f): White

高光譜通過計算光譜匹配度和比較光譜曲線及其一階導(dǎo)數(shù)鑒定顏料種類，光譜反射率曲線與數(shù)據(jù)庫匹配所得結(jié)果見表1。表中所示光譜角填圖(SAM)、 光譜特征擬合(SFF)、 二進制編碼(BE)的數(shù)字分別為3種波譜曲線擬合算法計算得到的該光譜曲線與數(shù)據(jù)庫中光譜曲線的擬合值。擬合值越高，擬合算法計算的匹配度越高，所鑒定的曲線為此種物質(zhì)的可能性越高[11]。

表1 顏料物質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of pigment substances

圖8 紅色、 橙色區(qū)域平均光譜曲線Fig.8 Mean spectrum of red and orange pigment

朱砂和鉛丹的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線特征相一致，均為585 nm附近區(qū)域內(nèi)反射率呈現(xiàn)陡增趨勢，650 nm后呈直線走勢，但二者的一階導(dǎo)數(shù)特征峰不同。朱砂的一階導(dǎo)數(shù)特征峰在610 nm，鉛丹的一階導(dǎo)數(shù)峰在580 nm左右。此處的紅色顏料光譜曲線在605 nm處反射率呈現(xiàn)陡增趨勢，在645 nm后呈現(xiàn)直線走勢，一階導(dǎo)數(shù)峰在600 nm，判定紅色顏料為朱砂。橙色顏料的光譜曲線在595 nm處出現(xiàn)反射率陡增，在650 nm開始呈現(xiàn)直線趨勢，一階導(dǎo)數(shù)峰在570 nm，判定橙色顏料為鉛丹。

藍色顏料光譜曲線在460 nm處有一明顯波峰，在600～875 nm區(qū)域呈現(xiàn)低反射率且反射率緩慢增加的趨勢，900 nm處反射率陡然增大，與石青的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線形狀(特征峰457 nm)基本一致，參照表1中的擬合值，此處藍色顏料應(yīng)為石青。綠色顏料經(jīng)光譜分析鑒定后與石綠光譜的相似度最高。此處綠色顏料的峰值為540 nm，石綠特征峰為532 nm，兩者相匹配，參考擬合值，此處使用石綠作為綠色顏料。

白色顏料的光譜曲線在400～1 000 nm波段中走勢相近，呈一條平緩的近似直線，無特征峰，這與光譜庫中標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果一致，也與相關(guān)研究[12]結(jié)果相一致，故而無法判定其礦物組成。

同種顏色顏料在進行比對時會出現(xiàn)光譜曲線形狀基本相同，但反射率存在差異的現(xiàn)象。顏料層厚度在0.2～1.6 mm范圍內(nèi)，顏料的高光譜反射率曲線與厚度無關(guān)；顏料顆粒度在一定范圍減小，其光譜反射率增大，但光譜反射率曲線的形狀等關(guān)鍵信息沒有明顯改變[13]。在后續(xù)的研究中可將顏料顆粒度差異性納入探究范圍。

圖9 紅色、 橙色顏料一階導(dǎo)數(shù)曲線Fig.9 First derivative curve of red and orange pigment

圖10 綠色、 藍色區(qū)域平均光譜曲線Fig.10 Mean spectrum of green and blue pigment

2.4 原位-無損分析流程

以仙人崖石窟壁畫顏料層為對象，進行了原位-無損數(shù)據(jù)采集及分析研究工作，基本確定了顏料層工藝及制作材料研究的工作流程，如圖11所示。

首先使用三維激光掃描儀獲取壁畫載體的結(jié)構(gòu)和尺寸；通過數(shù)碼攝影方法獲取圖像、 病害、 繪制技法等信息；色度儀記錄畫面色彩，并可以此開展色彩監(jiān)測工作。顯微鏡通過放大畫面獲取繪制技法和顏料形貌；紅外照相透過表層明確底稿墨線，紫外照相獲取有機膠結(jié)質(zhì)的分布情況；X射線熒光光譜測定顏料元素后，可初步判定礦物種類，對于不確定的顏料可進一步使用高光譜判定礦物種類。以此完成顏料的工藝與制作材料分析，為后續(xù)文物研究、 文物保護提供科學(xué)依據(jù)。

圖11 顏料層原位-無損分析流程圖Fig.11 Flow chart of pigment layers bynondestructive in-situ analysis

3 結(jié) 論

將多種原位-無損分析技術(shù)，正射光影像拍攝、 色度測量、 紅紫外攝影、 數(shù)碼顯微鏡、 X射線熒光光譜、 高光譜等技術(shù)應(yīng)用于壁畫顏料層的研究中，獲得壁畫形貌信息、 顏料顯微形態(tài)、 元素組成和礦物種類等分析結(jié)果。多種技術(shù)的綜合運用可相互印證、 補充，全面揭示壁畫顏料層所蘊含的時代特點、 工藝技法、 宗教信仰、 藝術(shù)審美等內(nèi)容，充分認識壁畫所承載的價值，為考古提供實物依據(jù)，實現(xiàn)文物保護的科學(xué)修復(fù)。

(1)仙人崖石窟壁畫繪制精美，筆觸細膩，皴、 擦技法豐富故事場景，暈染、 勾線等工筆手法細描人物頭部、 手部、 面部、 肌膚等處。

(2)提取壁畫底稿以及繪制時修改的痕跡，探討變更意圖。此類隱藏信息有助于研究壁畫的繪畫風(fēng)格、 創(chuàng)作目的，也可為繪畫時代判定提供依據(jù)。

(3)畫匠在壁畫創(chuàng)作中使用礦物顏料混合膠黏劑進行填色。其中，大雄寶殿西墻壁畫紅色顏料為朱砂、 橙色顏料為鉛丹、 藍色顏料為石青、 綠色顏料為石綠，白色顏料暫未檢出。

(4)各類原位-無損檢測技術(shù)均存在自身的局限性，需多種技術(shù)的綜合運用，提高研究精度，通過相互補充和印證才能實現(xiàn)壁畫顏料層信息的準(zhǔn)確分析。其中，高光譜成像技術(shù)在礦物種類的判定上具有較大優(yōu)勢，但由于文物的多樣性以及已有研究的局限性，目前仍存在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫種類不完全的問題，有待完善。同時，混合顏料配比的分析方法也應(yīng)盡快開展。

(5)將壁畫顏料層原位-無損分析過程進行系統(tǒng)化、 規(guī)范化、 程序化，建立壁畫顏料層調(diào)查研究的普遍流程與工序。借助多種原位檢測技術(shù)的安全性、 可靠性、 快速性，實現(xiàn)壁畫顏料層的無損檢測和全面信息解讀。原位-無損光譜技術(shù)作為理想的壁畫顏料層分析技術(shù)，工作流程簡便，可廣泛使用，推動我國古代壁畫及文化傳播研究。

致謝：在使用原位-無損光譜技術(shù)手段研究仙人崖石窟古代壁畫顏料層時，得到了天水市麥積區(qū)文體廣電和旅游局、 仙人崖石窟保護管理所的大力支持與指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。