制器為先，科研創(chuàng)新為文物保護(hù)帶來技術(shù)新突破

近年來，越來越多的科學(xué)技術(shù)手段被應(yīng)用到文物保護(hù)中來。中國(guó)—希臘文物保護(hù)技術(shù)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”）堅(jiān)持技術(shù)引進(jìn)與自主創(chuàng)新相結(jié)合，研發(fā)出一批先進(jìn)文物保護(hù)技術(shù)和設(shè)備，為文物保護(hù)工作帶來技術(shù)新突破。

激光清洗守護(hù)漢白玉的美

漢白玉是一種白色的大理石，在我國(guó)古建筑中廣泛用于地面、臺(tái)基、樓梯、欄桿等處。經(jīng)年累月，漢白玉很容易附著包括黑色結(jié)殼在內(nèi)的各種污染物，不僅影響美觀，還會(huì)造成石材粉末化和表面脫落等不可逆轉(zhuǎn)的損傷，影響基材的壽命。

歐洲的文保工作者已開始廣泛使用激光清洗技術(shù)，清洗如希臘帕特農(nóng)神廟石雕、法國(guó)亞眠大教堂石刻等石質(zhì)文物表面的污染物，取得了良好效果。在國(guó)內(nèi)，也有研究人員試驗(yàn)用激光清洗云岡石窟砂巖文物表面污染物。然而，這一技術(shù)在清洗漢白玉時(shí)卻遇到了問題。

“目前，國(guó)際上通常使用1064nm波長(zhǎng)激光清洗石材表面的黑色結(jié)殼。然而，在使用1064nm波長(zhǎng)激光清洗白色大理石時(shí)，其表面可能會(huì)發(fā)生顏色變黃的現(xiàn)象，這樣的處理結(jié)果是與文物保護(hù)的基本原則相違背的?！惫蕦m博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部副主任、研究館員劉建宇告訴《中國(guó)報(bào)道》記者。

針對(duì)這一問題，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室結(jié)合國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，展開多次實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)同時(shí)輸出1064nm和355nm波長(zhǎng)的激光可以在一定程度上抑制激光清洗石質(zhì)文物時(shí)的變色效應(yīng)，對(duì)其他多種類型污漬也有較好清洗效果，開創(chuàng)性提出了多參量調(diào)控文物激光清洗的方法。

2020年，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室籌建之初，便全力投入相關(guān)裝置的研發(fā)任務(wù)。故宮博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部副研究館員李晨毓告訴《中國(guó)報(bào)道》記者，相關(guān)裝置研發(fā)的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光波長(zhǎng)的單一或混合輸出。故宮博物院、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院和希臘電子結(jié)構(gòu)與激光研究所（IESL）在內(nèi)的中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，最終在2021年底基本完成了多參量調(diào)控文物激光清洗裝置的研發(fā)。

據(jù)介紹，經(jīng)過巧妙的搭建，這一裝置實(shí)現(xiàn)了1064nm、532nm和355nm三個(gè)波長(zhǎng)激光的可控組合輸出，可以針對(duì)所要清洗的文物類型定制輸出多波長(zhǎng)多參量的復(fù)合激光，并于2022年4月開始在故宮博物院調(diào)試。

中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)石質(zhì)、金屬和陶瓷等材質(zhì)的模擬樣品和文物本體殘塊進(jìn)行了激光清洗實(shí)驗(yàn)，測(cè)定損傷閾值，開展文物的適用性研究，均取得了不錯(cuò)的效果。其中，對(duì)石質(zhì)樣品的清洗尤其成功，在清洗石質(zhì)文物表面黑色結(jié)殼污染物、暗黃色污染物和油漆點(diǎn)時(shí)幾乎不會(huì)損傷基體。

目前，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室已分別在故宮博物院和中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院搭建了一套納秒脈寬和一套皮秒脈寬范圍的多參量調(diào)控激光清洗設(shè)備，未來將研發(fā)更為先進(jìn)的第二代裝置，屆時(shí)有可能在更大范圍示范應(yīng)用，或?qū)?duì)我國(guó)古建筑保護(hù)產(chǎn)生革命性影響。

高光譜成像為文保工作者添加“透視眼”

我國(guó)擁有極為豐富的書法繪畫類文物資源，承載著中華悠久的文明史與深厚的文化內(nèi)涵。分析顏料成分和用法是古書畫文物的重要研究?jī)?nèi)容，但以往的技術(shù)手段少則要測(cè)幾十個(gè)點(diǎn)位，多則要測(cè)上百個(gè)點(diǎn)位，而且效果不是很好，無法準(zhǔn)確識(shí)別混合顏料的成分。

“目前，將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的高光譜成像技術(shù)已成為古書畫文物保護(hù)的最新研究方向?！惫蕦m博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)組組長(zhǎng)、副研究館員李廣華告訴《中國(guó)報(bào)道》記者。

據(jù)了解，高光譜成像技術(shù)有三大優(yōu)點(diǎn)。一是使用可見光和近紅外光譜，相較于拉曼光譜、紅外光譜等過去常用的光波，可以實(shí)現(xiàn)完全無損檢測(cè)；二是具有圖譜合一的特點(diǎn)，能極大提高文物分析的效率，在鑒別顏料成分的同時(shí)，還可以結(jié)合圖像信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到顏料成分的濃度分布圖，對(duì)于混合顏料的分析以及調(diào)色工藝的研究具有重要價(jià)值；三是近紅外波段能穿透大部分礦物顏料，探測(cè)到被顏料覆蓋的底層墨線，發(fā)現(xiàn)畫作中不易察覺的隱藏信息。

該技術(shù)不僅適用于古書畫，也適用于壁畫、油畫等彩繪類文物。此外，在高光譜成像技術(shù)基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理，原本模糊不清的信息可以轉(zhuǎn)化為更清晰的圖像，包括作畫時(shí)的涂抹痕跡、隱藏的文字、底稿以及后期修復(fù)的痕跡等。

基于高光譜成像技術(shù)，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院共同研制了一款大幅面文物專用高光譜自動(dòng)掃描系統(tǒng)。據(jù)了解，該系統(tǒng)可對(duì)文物進(jìn)行全面掃描成像，最大掃描范圍為2m×2m，可滿足大部分大尺寸畫作的分析需求。

中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室使用該系統(tǒng)對(duì)紙本書畫《丁觀鵬畫不二尊者圖軸》、唐卡《吉祥天母畫佛像》等文物進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)處理，得到許多新發(fā)現(xiàn)。如在《丁觀鵬畫不二尊者圖軸》用紙背面發(fā)現(xiàn)了一篇墨跡模糊的經(jīng)文；在《吉祥天母畫佛像》某處并沒有畫馬蹄的地方，透過顏料涂層，發(fā)現(xiàn)了馬蹄輪廓的底稿線。

李廣華表示，該系統(tǒng)所帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將文物的保護(hù)和研究提升到一個(gè)新的高度。目前，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室基于這一系統(tǒng)正在開發(fā)用于書畫、青銅器等類文物病害識(shí)別與劣化程度評(píng)估的無損檢測(cè)方法及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，未來將在文物數(shù)字化存檔、文物診斷、文物修復(fù)等方面發(fā)揮重要作用。

激光全息散斑干涉診斷文物病害

從墻上的壁畫到繪于帆布的油畫，甚至是陶瓷等制品，在各種環(huán)境因素的作用下，其表面或內(nèi)部都難以避免出現(xiàn)裂紋等病害，若放任其生長(zhǎng)，將對(duì)文物保存帶來風(fēng)險(xiǎn)。如何監(jiān)測(cè)病害并評(píng)估其對(duì)文物保存現(xiàn)狀的影響，是文物保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)重要且經(jīng)久不衰的課題。

李廣華告訴《中國(guó)報(bào)道》記者，文物上常見的裂縫、空鼓等結(jié)構(gòu)性病害往往由微裂縫發(fā)展而來，肉眼觀察不到微裂縫的位置和形態(tài)。為此，研究者們想到了激光全息散斑干涉技術(shù)。

激光全息散斑干涉技術(shù)基于激光干涉原理，可記錄和重建三維物體的相位信息，不僅能實(shí)現(xiàn)三維形貌檢測(cè)，同時(shí)也能結(jié)合外部激勵(lì)方式，通過干涉條紋的異常特征檢測(cè)出被測(cè)物體表面或亞表面的微觀形變。

早在20世紀(jì)70年代，激光全息散斑干涉技術(shù)就被用在對(duì)壁畫文物的病害成像研究，但由于當(dāng)時(shí)缺乏數(shù)字記錄設(shè)備，并未得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，希臘電子結(jié)構(gòu)與激光研究所（IESL）的研究人員利用激光全息散斑干涉方法，在檢測(cè)文物病害方面獲得顯著成效。

據(jù)上海大學(xué)教授周文靜介紹，該方法在應(yīng)用上存在一個(gè)難點(diǎn)，即干涉條紋圖案中也包含了被測(cè)物體在激勵(lì)作用下發(fā)生整體形變形成的背景干涉條紋，需要擁有豐富的相關(guān)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)才能分辨，不利于技術(shù)的推廣。對(duì)此，上海大學(xué)于瀛潔、周文靜團(tuán)隊(duì)研究出一種可以簡(jiǎn)便有效地分離復(fù)雜背景干涉條紋的新方法，并基于此方法與中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了一套文物專用激光全息散斑干涉設(shè)備。

中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室首先使用該設(shè)備對(duì)依據(jù)文獻(xiàn)記載工藝制作的仿真壁畫進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)量病害的可行性，進(jìn)而對(duì)故宮博物院內(nèi)如亭壁畫進(jìn)行了無損檢測(cè)和分析，獲取并評(píng)價(jià)了壁畫表面及亞表面病害關(guān)鍵特征的量化信息。

實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備具有高精度和高可靠性，可用于壁畫文物表面微裂縫或亞表面空鼓、異常結(jié)構(gòu)的位置和輪廓特征的檢測(cè)與分析，為古代文物的健康診斷、修復(fù)和保護(hù)提供可量化的參考依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

超高清三維數(shù)字化技術(shù)讓靈沼軒“重生”

文物三維數(shù)字化是通過數(shù)字技術(shù)將文物實(shí)體生成具有三維空間特征的虛擬可視化數(shù)據(jù)形態(tài)。該技術(shù)在文物保護(hù)、研究、展示等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也對(duì)此展開了相關(guān)研究。

故宮博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部標(biāo)準(zhǔn)體系組組長(zhǎng)、館員黃婧告訴《中國(guó)報(bào)道》記者，文物難免會(huì)因時(shí)間而發(fā)生各種變化，三維數(shù)字化可以留住其原來的樣態(tài)。對(duì)已經(jīng)有缺損的文物，可以逆向推出破損部位的數(shù)據(jù)，建模出文物原貌。有需要時(shí)，還可以3D打印出缺損部位用于修補(bǔ)。

“中希兩國(guó)都擁有大量古建筑遺跡以及青銅文物，因此中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)將這兩大類文物作為三維數(shù)字化研究的實(shí)體對(duì)象?！惫蕦m博物院數(shù)字與信息部副主任、中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任、副研究館員黃墨樵介紹道。

為更好實(shí)現(xiàn)對(duì)文物的科學(xué)精細(xì)化保護(hù)，也為匹配新一代超高清顯示終端，需要采集兼具高精度幾何信息和高還原度顏色信息的文物超高清三維模型數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法是用三維掃描和攝影測(cè)量，但這兩種方法各有不足。

故宮博物院數(shù)字與信息部應(yīng)用研究組副組長(zhǎng)、高級(jí)工程師張沛沛告訴記者，三維掃描不能很好獲取文物顏色信息，而攝影測(cè)量雖然能較好獲取文物顏色信息，但在幾何精度方面又不及三維掃描。對(duì)此，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室自主研究出一種將三維掃描和攝影測(cè)量相結(jié)合的新方法。

據(jù)了解，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種帶二維碼的“一體化裝置”，掃描時(shí)“一體化裝置”和文物一起被掃描，形成空間坐標(biāo)；攝影時(shí)二維碼又被相機(jī)識(shí)別，自動(dòng)關(guān)聯(lián)到掃描數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二者“對(duì)齊”，在提升效率和精度的同時(shí)，獲得高還原度的顏色信息。

張沛沛告訴記者，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)以故宮博物院延禧宮靈沼軒作為石質(zhì)古建筑采集對(duì)象，傳統(tǒng)方法建模需要一個(gè)月的時(shí)間，新方法只用了一周，而且模型97%的點(diǎn)位偏差小于1毫米，石雕上深度0.3毫米的刻痕都能清晰還原，為未來文物修復(fù)提供毫米級(jí)數(shù)據(jù)支撐。此外，新的超高清三維數(shù)字化技術(shù)也為三星堆青銅器碎片修復(fù)工作提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐與方案制定。

故宮博物院數(shù)字與信息部數(shù)字展示組組長(zhǎng)、工程師張雨辰告訴記者，中希文保聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)覽程序，游客通過手機(jī)可以看到靈沼軒的虛擬復(fù)原樣貌，讓這座未能完工的西洋式建筑實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化“重生”。

據(jù)介紹，在研發(fā)過程中，故宮博物院與希臘德謨克利特國(guó)家科學(xué)研究中心、希臘研究和技術(shù)基金會(huì)（FORTH）計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所（ICS）、雅典衛(wèi)城博物館，以及伊瑞克提翁考古博物館等希臘科研機(jī)構(gòu)和博物館建立了聯(lián)系，就加強(qiáng)文化遺產(chǎn)數(shù)字化領(lǐng)域合作達(dá)成共識(shí)。兩國(guó)專家還開展了面向文博從業(yè)人員的系列授課，為加強(qiáng)三維技術(shù)在文物保護(hù)工作中的運(yùn)用提供助力。