浅谈高光谱成像技术在世界名画赏析领域的应用

高光谱图像是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息检测技术，它能够同时探测目标的二维几何空间与一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。我们可以根据获得的高光谱数据，分析得到具有诊断性意义的物质光谱特征，建立代表物质特性的“指纹光谱”（每种物质都有的自己独特的光谱特征），接着便可以针对高光谱图像中每个像元的光谱反射率曲线，基于光谱匹配与特征分析，利用光谱信息直接识别目标物质。

文物中，消失的文字、脱落的颜料，由于他们拥有自己独特的光谱特征，而高光谱图像的特点在于极高的光谱分辨率和空间分辨率，只要其留有微弱的信号，我们就可以根据光谱特征将其探测出来、并标明在什么位置；在政策的推动下，我国文物修复工作取得了明显突破，一批质量上乘的科学分析仪器被运用到了修复工作中。高光谱拥有着可捕获物质的“指纹光谱”这一特性，在文物修复过程中发挥着越来越重要的作用。本文将介绍一些美国SOC系列文物高光谱成像系统在国外文物保护领域的一些典型应用范例。

一、毕加索名画“Blue Room”涂料成分分析

英文名称：Reflectance imaging spectroscopy and synchrotron radiation X?ray fluorescence mapping used in a technical study of The Blue Room by Pablo Picasso

美国菲利普斯收藏馆 / 美国阿姆斯特丹国立博物馆自然保护部

图1 毕加索名画“Blue Room”平面图

图2 毕加索名画“Blue Room”斜面纹理图

图3  a为1500-1650nm处显示的隐藏图像；b为2100-2400nm处纹理特性

图4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度图像

图4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度图像

二、梵高名画鸢尾花与玫瑰”(Van Gogh: Irises and Roses) 材料分析研究

英文名称：Van Gogh’s Irises and Roses: the contribution of chemical analyses and imaging to the assessment of color changes in the red lake pigments

美国纽约大都会艺术博物馆

画作简介：

文森特·梵高：《鸢尾花》(Irises)(1890)；尺寸：73.7x92.1 cm，纽约大都会艺术博物馆馆藏；

文森特·梵高：《玫瑰》(Roses)(1890)；尺寸：93 x 74 cm，纽约大都会艺术博物馆馆藏。

图1 《鸢尾花》 

图2 《玫瑰》

图3  《鸢尾花》平面图(a)；基于荧光光谱的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的图像分割

图4  《玫瑰》平面图(a)；基于荧光光谱的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的图像分割

图5  a、b、c、d分别展示不同区域的细节成分与对应漫反射光谱

三、毕加索名画“Harlequin Musician”《丑角音乐家》与The Tragedy《悲剧》材料鉴别分析

英文名称：Visible and Infrared Reflectance Imaging Spectroscopy of Paintings: Pigment Mapping

and Improved Infrared Reflectography

美国华盛顿区国家画廊 / 美国陆军夜视和电子传感器理事会

画作简介：

Harlequin Musician《丑角音乐集》   作者：（西班牙）巴勃罗·鲁伊斯·毕加索

创作年代：1924年

The Tragedy《悲剧》         作者：（西班牙）巴勃罗·鲁伊斯·毕加索

创作年代：1903年          布面油画 【规格】105.4 ×69cm                                               收藏地：美国华盛顿区国家画廊

    画作《悲剧》创作于1903年，是毕加索忧郁时期的作品。当时，毕加索的画卖不出去，生活异常艰苦。生活的不顺使毕加索心情低落，也表现在他的画作之中。《悲剧》一画描绘的是一家三口的生活困苦、无家可归的悲剧。这是西班牙乃至整个欧洲社会动荡生活贫穷落后的悲剧，是世纪交替时期一代人痛苦沉沦的象征。

图1  Harlequin Musician《丑角音乐家》                 The Tragedy《悲剧》

图2  Harlequin Musician《丑角音乐家》可见光到短波红外高光谱立方体3D显示 

图3  Harlequin Musician《丑角音乐家》高光谱成像数据与光纤光谱仪数据对比

图4  The Tragedy《悲剧》三个不同部位基于特征波段的假彩色合成图 左侧 人体：1000, 1150, 1200 nm; 中部 马: 1300, 1350, 1400 nm; 右侧 草图：1600, 1625, 1660 nm

四、毕加索名画“Harlequin Musician”《丑角音乐家》材料鉴别分析

英文名称：Visible and Infrared Imaging Spectroscopy of Picasso’s Harlequin Musician:

Mapping and Identification of Artist Materials in Situ

美国国家美术馆科学研究部

画作简介：

Harlequin Musician《丑角音乐集》   作者：（西班牙）巴勃罗·鲁伊斯·毕加索

创作年代：1924年

图1  Harlequin Musician《丑角音乐家》RGB图像、高光谱3D图像显示、光谱曲线、分类结果图

图2 Harlequin Musician《丑角音乐家》 A：假彩色700, 750, 800 nm； B：基于中值滤波的影像提取；C：可见光参考图像；D：基于SAM的影像提取

表1 不同涂料的成分配置图

图3  白色涂料的不同种类分类提取结果

图4 基于高光谱与荧光光谱的微弱差异涂料成分的鉴别分析

五、毕加索名画“Picasso’s Peonies”《牡丹》材料鉴别分析

英文名称：Visible and infrared imaging spectroscopy of paintings and improved reflectography

美国国家美术馆科学研究部

画作简介：

Picasso’ s Peonies《牡丹》  作者：（西班牙）巴勃罗·鲁伊斯·毕加索  创作年代：1901年

图1 a：Picasso’ s Peonies《牡丹》彩色图；b：不同涂料的分类提取图；c：不同涂料的反射光谱图

图2 a：Picasso’ s Peonies《牡丹》彩色图；b：800, 750, and 700 nm 假彩色图像；c：不同标记点的光谱

图3：Madonna and Child with Four Angels 画像处理

目前文物鉴定的传统方法中很多是有损或微损的，需取样才能分析；而且，有损测试的分析结果只局限于测试点或取样点，而不能完全代表未测试部位的信息。高光谱成像技术能同时提供待测物整体的图像和光谱信息，可以对目标物进行高光谱识别和分类；其具有快速测量、能进行精细分类与识别等优点，且对文物无损伤，在文物分析领域具有广阔的应用前景。

SOC710CR高光谱文物成像系统具有独特的内置推扫技术、双CCD可预览、一键式测量等特点，可提供实验室暗箱、实验室平台及显微测量等多种操作模式。后期光谱提取与特征提取等技术可最大程度上满足用户的需求，在文物保护、修复、真伪识别等方面具有重要作用。