一、高光譜相機技術簡介

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。以下是其主要的應用方面：

1. 病害調(diào)查與識別：高光譜圖像技術能夠幫助識別書畫文物中的隱藏病害、修復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)的保護修復工作提供重要依據(jù)。

2. 顏料與膠結劑分析：高光譜反射光譜可以用于鑒定書畫文物中顏料和膠結劑的成分。此外，將反射光譜和圖像結合，還能實現(xiàn)顏料和膠結劑的面分布分析，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，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具有極高的價值。

4. 底稿線提取：高光譜成像技術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，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。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，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提取的衣服石青顏料的結果。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 光譜角匹配技術提取石青效果

高光譜相機在故宮書畫文物保護中的應用，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。