一、高光譜相機技術(shù)簡介

高光譜相機是近年來發(fā)展起來的一種新型圖像采集設(shè)備，它通過捕獲不同波長范圍的光線來獲取目標的詳細信息。與傳統(tǒng)的彩色相機相比，高光譜相機具有更高的分辨率和更廣泛的光譜范圍，能夠提供更加豐富的圖像數(shù)據(jù)。

二、在故宮書畫文物保護中，高光譜相機發(fā)揮了重要的作用。以下是其主要的應(yīng)用方面：

1. 病害調(diào)查與識別：高光譜圖像技術(shù)能夠幫助識別書畫文物中的隱藏病害、修復(fù)痕跡以及褪色模糊不清的畫面內(nèi)容。通過對這些信息的分析，保護人員可以深入了解文物的病害程度，為后續(xù)的保護修復(fù)工作提供重要依據(jù)。

2. 顏料與膠結(jié)劑分析：高光譜反射光譜可以用于鑒定書畫文物中顏料和膠結(jié)劑的成分。此外，將反射光譜和圖像結(jié)合，還能實現(xiàn)顏料和膠結(jié)劑的面分布分析，有助于了解文物的制作工藝和材料使用。

3. 文字與圖像增強：通過高光譜成像技術(shù)，可以有效地增強書畫作品中的文字信息，并發(fā)現(xiàn)涂改與涂沫痕跡。這對于文物鑒定和修復(fù)具有極高的價值。

4. 底稿線提取：高光譜成像技術(shù)對于書畫文物中的底稿線等線描特征的提取有著非常好的效果，能夠提供更多關(guān)于文物原始創(chuàng)作過程的信息。

5. 礦物顏料識別與分類：高光譜成像技術(shù)可以有效地對書畫文物所使用的礦物顏料進行識別與分類，為顏料的研究和使用提供重要參考。

6. 高效率掃描與拼接：為了提高分析效率，故宮博物院與中國科學院合作開發(fā)了高光譜成像自動掃描拼接系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以實現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的自動采集和拼接，特別適用于書畫的整體分析，大大提高了分析效率和準確性。

三、高光譜相機在故宮書畫文物保護中的案例

圖1 慈齡佛字匾

可以利用賽斯拜克的SP150M高光譜相機，對故宮博物院館藏文物《慈禧書佛字匾》和《崇慶皇太后八旬萬壽圖》進行高光譜掃描成像分析。光譜范圍為250 ~ 2500 nm,其中250 ~ 1000 nm波段的光譜分辨率約 1nm，1000 ~ 2500nm波段的光譜分辨率約6nm。數(shù)據(jù)獲取過程中是將書畫平鋪于桌面上,使用鹵素燈作為光源，高光譜成像儀鏡頭平行于書畫，利用掃描鏡的擺動，完成對書畫文物的掃描。實驗過程中使用標準漫反射板作為基準計算反射率，采用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序進行光譜數(shù)據(jù)采集。

2.1 《慈溪書佛字匾》印章信息提取

故宮博物院館藏有一幅慈禧皇太后書法作品 《慈禧書佛字匾》(圖1),由于時間的流逝，印泥的顏色在紅色紙面上變得很不明顯，通過肉眼很難將印章信息識別出來。通過可見近紅外高光譜成像儀的成像、波段運算、色彩融合等處理技術(shù)，可將原本不能分辨的“慈禧皇太后之寶”印章的圖案提取出（圖2），這項技術(shù)將為文物的研究提供重要依據(jù)。

圖2 《慈禧書佛字匾》印章提取流程

2.2 《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析

故宮博物館收藏的故6541號文物，原定名“清人畫顆琰萬壽圖”，林姝通過圖像對比，結(jié)合乾隆朝歷史檔案，分析論證該圖實為《崇慶皇太后八旬萬壽圖》(圖3),作者為姚文瀚。使用高光譜成像 技術(shù)對其進行科學分析,不僅發(fā)現(xiàn)了一些隱藏信息和修改痕跡，而且對部分顏料的分布進行了有效分析。

圖3 故宮館藏書畫《崇慶皇太后八旬萬壽圖》

2.2.1隱藏信息提取

古書畫中的隱藏信息一般有涂改與修復(fù)的痕跡、隱藏的文字圖案、無法辨認的信息等。采用可見近紅外高光譜成像系統(tǒng)對《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的局部進行成像，目的是通過算法提取作畫過程中的涂抹部分。對古書畫的涂抹信息進行提取，可以進一步地分析畫師在繪畫過程中的整體布局，用于對局部細節(jié)的修復(fù)。與常規(guī)RGB相機進行比較，高光譜成像系統(tǒng)具有更多的波段,方便使用復(fù)雜的處理算法。圖4(a) -(c)分別是453nm,980nm, 1302nm三個波長的影像。觀察發(fā)現(xiàn)，在人像的帽子上方有一圈涂改的痕跡，各個波長影像所揭示的涂改痕跡還不一樣。圖4(d)為 690nm,514nm以及453nm三個波長影像進行的假彩色合成的影像，此圖可以明顯突出涂改的痕跡。

圖4(e), (f)為整個高光譜圖像進行主成分變換 (PCA)的第二和第三主成分變量的影像。第二主成分變量(PCA2)可突出如4(d)的涂改痕跡,第三主成分變量(PCA3)的人像帽子上方有較大半圓形，可用于突出如4(c)的涂抹痕跡。

圖4 局部涂改痕跡

2.2.2底稿線提取

短波紅外可以穿透很多礦物顏料,并且對墨有強烈的吸收效應(yīng)，所以利用高光譜短波紅外可以提取書畫文物的底稿線，研究繪制工藝。圖5(a)-(d)所示的為提取的短波紅外成像光譜數(shù)據(jù),1000 ~ 2500nm每隔400nm分別獲取各波段的影像。圖5(e)是利用1804nm的短波紅外影像,利用密度分割的方法,把像元值較低的部分用藍顏色表示,得出線描提取結(jié)果。從圖5可以看出短波紅外數(shù)據(jù)對于起稿線等線描特征的提取有著非常好的效果。

圖5 不同短波下線描提取圖像

在《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析過程中，發(fā)現(xiàn)一處修改痕跡(圖6紅圈內(nèi))。從圖6中1500nm高光譜圖像中可以看出原來的構(gòu)圖是有紅 圈內(nèi)的手和衣袖，但是RGB圖片上是沒有這些內(nèi)容的，這說明畫師在繪制過程中很可能對內(nèi)容進行了修改。

圖6 修改痕跡

2.2.3顏料分析

通過短波紅外高光譜數(shù)據(jù)的波段運算、光譜匹配等技術(shù)提取崇慶皇太后八旬萬壽圖局部區(qū)域的石青顏料。圖7(a)(b)依次為RGB影像、利用光譜角匹配技術(shù)提取的衣服石青顏料的結(jié)果。對光譜數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，與顏料標準光譜庫(美國USGS標準光譜庫)進行比較,可以發(fā)現(xiàn)圖中藏青色衣服部分、凳子的下擺部分,甚至右上角的彩帶的局部，都是石青顏料,分析效果較好。

圖7 光譜角匹配技術(shù)提取石青效果

高光譜相機在故宮書畫文物保護中的應(yīng)用，不僅提高了文物保護的效率和準確性，還為文物的深入研究提供了更多可能性，對于推動文物科技工作的發(fā)展具有重要意義。