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TheTragedy《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。