高光谱相机在故宫书画文物保护的应用

一、高光谱相机技术简介

高光谱相机是近年来发展起来的一种新型图像采集设备，它通过捕获不同波长范围的光线来获取目标的详细信息。与传统的彩色相机相比，高光谱相机具有更高的分辨率和更广泛的光谱范围，能够提供更加丰富的图像数据。

二、在故宫书画文物保护中，高光谱相机发挥了重要的作用。以下是其主要的应用方面：

1. 病害调查与识别：高光谱图像技术能够帮助识别书画文物中的隐藏病害、修复痕迹以及褪色模糊不清的画面内容。通过对这些信息的分析，保护人员可以深入了解文物的病害程度，为后续的保护修复工作提供重要依据。

2. 颜料与胶结剂分析：高光谱反射光谱可以用于鉴定书画文物中颜料和胶结剂的成分。此外，将反射光谱和图像结合，还能实现颜料和胶结剂的面分布分析，有助于了解文物的制作工艺和材料使用。

3. 文字与图像增强：通过高光谱成像技术，可以有效地增强书画作品中的文字信息，并发现涂改与涂沫痕迹。这对于文物鉴定和修复具有极高的价值。

4. 底稿线提取：高光谱成像技术对于书画文物中的底稿线等线描特征的提取有着非常好的效果，能够提供更多关于文物原始创作过程的信息。

5. 矿物颜料识别与分类：高光谱成像技术可以有效地对书画文物所使用的矿物颜料进行识别与分类，为颜料的研究和使用提供重要参考。

6. 高效率扫描与拼接：为了提高分析效率，故宫博物院与中国科学院合作开发了高光谱成像自动扫描拼接系统。这一系统可以实现高光谱数据的自动采集和拼接，特别适用于书画的整体分析，大大提高了分析效率和准确性。

三、高光谱相机在故宫书画文物保护中的案例

图1 慈龄佛字匾

可以利用赛斯拜克的SP150M高光谱相机，对故宫博物院馆藏文物《慈禧书佛字匾》和《崇庆皇太后八旬万寿图》进行高光谱扫描成像分析。光谱范围为250 ~ 2500 nm,其中250 ~ 1000 nm波段的光谱分辨率约 1nm，1000 ~ 2500nm波段的光谱分辨率约6nm。数据获取过程中是将书画平铺于桌面上,使用卤素灯作为光源，高光谱成像仪镜头平行于书画，利用扫描镜的摆动，完成对书画文物的扫描。实验过程中使用标准漫反射板作为基准计算反射率，采用自主开发的数据采集程序进行光谱数据采集。

2.1 《慈溪书佛字匾》印章信息提取

故宫博物院馆藏有一幅慈禧皇太后书法作品 《慈禧书佛字匾》(图1),由于时间的流逝，印泥的颜色在红色纸面上变得很不明显，通过肉眼很难将印章信息识别出来。通过可见近红外高光谱成像仪的成像、波段运算、色彩融合等处理技术，可将原本不能分辨的“慈禧皇太后之宝”印章的图案提取出（图2），这项技术将为文物的研究提供重要依据。

图2 《慈禧书佛字匾》印章提取流程

2.2 《崇庆皇太后八旬万寿图》的高光谱分析

故宫博物馆收藏的故6541号文物，原定名“清人画颗琰万寿图”，林姝通过图像对比，结合乾隆朝历史档案，分析论证该图实为《崇庆皇太后八旬万寿图》(图3),作者为姚文瀚。使用高光谱成像 技术对其进行科学分析,不仅发现了一些隐藏信息和修改痕迹，而且对部分颜料的分布进行了有效分析。

图3 故宫馆藏书画《崇庆皇太后八旬万寿图》

2.2.1隐藏信息提取

古书画中的隐藏信息一般有涂改与修复的痕迹、隐藏的文字图案、无法辨认的信息等。采用可见近红外高光谱成像系统对《崇庆皇太后八旬万寿图》的局部进行成像，目的是通过算法提取作画过程中的涂抹部分。对古书画的涂抹信息进行提取，可以进一步地分析画师在绘画过程中的整体布局，用于对局部细节的修复。与常规RGB相机进行比较，高光谱成像系统具有更多的波段,方便使用复杂的处理算法。图4(a) -(c)分别是453nm,980nm, 1302nm三个波长的影像。观察发现，在人像的帽子上方有一圈涂改的痕迹，各个波长影像所揭示的涂改痕迹还不一样。图4(d)为 690nm,514nm以及453nm三个波长影像进行的假彩色合成的影像，此图可以明显突出涂改的痕迹。

图4(e), (f)为整个高光谱图像进行主成分变换 (PCA)的第二和第三主成分变量的影像。第二主成分变量(PCA2)可突出如4(d)的涂改痕迹,第三主成分变量(PCA3)的人像帽子上方有较大半圆形，可用于突出如4(c)的涂抹痕迹。

图4 局部涂改痕迹

2.2.2底稿线提取

短波红外可以穿透很多矿物颜料,并且对墨有强烈的吸收效应，所以利用高光谱短波红外可以提取书画文物的底稿线，研究绘制工艺。图5(a)-(d)所示的为提取的短波红外成像光谱数据,1000 ~ 2500nm每隔400nm分别获取各波段的影像。图5(e)是利用1804nm的短波红外影像,利用密度分割的方法,把像元值较低的部分用蓝颜色表示,得出线描提取结果。从图5可以看出短波红外数据对于起稿线等线描特征的提取有着非常好的效果。

图5 不同短波下线描提取图像

在《崇庆皇太后八旬万寿图》的高光谱分析过程中，发现一处修改痕迹(图6红圈内)。从图6中1500nm高光谱图像中可以看出原来的构图是有红 圈内的手和衣袖，但是RGB图片上是没有这些内容的，这说明画师在绘制过程中很可能对内容进行了修改。

图6 修改痕迹

2.2.3颜料分析

通过短波红外高光谱数据的波段运算、光谱匹配等技术提取崇庆皇太后八旬万寿图局部区域的石青颜料。图7(a)(b)依次为RGB影像、利用光谱角匹配技术提取的衣服石青颜料的结果。对光谱数据进行归一化处理后，与颜料标准光谱库(美国USGS标准光谱库)进行比较,可以发现图中藏青色衣服部分、凳子的下摆部分,甚至右上角的彩带的局部，都是石青颜料,分析效果较好。

图7 光谱角匹配技术提取石青效果

高光谱相机在故宫书画文物保护中的应用，不仅提高了文物保护的效率和准确性，还为文物的深入研究提供了更多可能性，对于推动文物科技工作的发展具有重要意义。