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高光谱成像可用于艺术品保护

发布时间:2023-06-16
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高光谱成像,有时也称为“反射成像光谱学”,使广泛波长范围内的数据收集变得实用,为详细分析提供足够的数据。

保护艺术品的需要由来已久,可以追溯到人们第一次意识到他们珍爱的艺术品已经开始腐烂的时候。在 19 世纪,科学与艺术首次相遇,当时的科学家们正在寻找保存有价值的艺术作品的方法。

当然,今天他们的许多方法,例如清漆,已被视为实际上有助于而不是防止绘画的退化,但艺术与科学的早期融合一直持续到今天,艺术保护在很大程度上依赖于科学分析绘画、识别保护问题以及检测添加和伪造的方法。


高光谱成像应用


颜料鉴定和映射

底图审查

3-D 对象的分析

有机材料的识别

伪造检测


传统的科学方法包括对油漆样品进行化学分析,以确定所用颜料和清漆的分子性质。X 射线技术也经常被用来观察表层之下并发现艺术家的意图和过程。

尽管这些方法已经成功应用了一段时间,但所使用的许多技术要么提供的信息有限,要么在某种程度上具有侵入性,要么两者兼而有之。

仍然需要一种技术来产生有价值的信息,而不会直接损坏作品或将其暴露在可能加速退化的极端光线下。高光谱成像已经取得了可喜的成果,扩大了艺术保护专家可用的工具范围。

反射光谱已成功用于多种场合,以收集艺术品保护活动的信息。反射分光光度计已与数字成像结合使用以产生有价值的结果。这些方法允许进行非破坏性研究,但受到笨重设备和可用波段的限制。此外,它们的使用仅限于现场测试。由于绘画的表面极其不均匀,这是一个严重的限制,现在可以通过高光谱成像来克服,高光谱成像更便宜,提供全方位的光谱结果,并可用于从完整的艺术品中捕获数据。


颜料鉴定和映射


艺术品分析的一个关键领域是颜料的鉴定。这种鉴定提供了关于绘画年代的宝贵信息,改善了年代和归因。它还允许修复者使用正确的颜料来匹配正在修复的作品中使用的颜料。


多年来,光谱学一直被用来识别艺术品中使用的颜料。然而,许多颜料仅在光谱的紫外线区域才开始显示出吸收和反射率的差异,因此可见光的使用具有很大的局限性。多光谱成像已被用于识别传统日本绘画中使用的颜料。对所使用的颜料进行了估算,这些被证明与参考样品非常匹配,但遇到了信号噪声的重大问题,这些问题将通过高光谱成像设备消除。


高光谱成像,有时也称为“反射成像光谱学”,使广泛波长范围内的数据收集变得实用,为详细分析提供足够的数据。已经表明,即使在有限的波长范围 (650 – 1040nm) 和相对粗糙的分辨率 (10 nm) 下,也可以收集到宝贵的数据。该设备是便携式的,所以它可以来到艺术品上,而不是冒着将易碎作品运送到实验室的风险。它只需要良好的光照水平,而且设备相对便宜。


然而,在进行分析之前,需要有一组可靠的来自相关时期的颜料、油墨、树脂、粘合剂等参考样本,然后可以将其用于分析数据集的解释。在温尼伯大学、温尼伯美术馆和加拿大国家研究委员会的合作下,建立了绘画元素科学和策展分析中心 (C-SCAPE),以收集和编目有关历史颜料和艺术材料的数据。


使用这些参考图进行比较,可以识别艺术品中使用的颜料,而无需侵入性技术来获取样品进行化学分析。这为真实性和出处调查以及艺术家所用颜料的知识提供了宝贵的数据。

,来自国家美术馆和美国陆军夜视与电子传感器局的研究人员将使用两个表面光学高光谱相机收集的光谱与光纤反射光谱仪 (FORS) 收集的光谱进行了比较。研究人员发现,在可见光到短波红外线(400 – 1650 纳米)范围内获取的高光谱数据可以为绘画的整个表面生成 FORS 质量光谱,并可用于分离、识别和映射颜料。


从组合的 VNIR 和 SWIR 图像立方体中获得的 Harlequin Musician 中使用的主要蓝色颜料的识别和映射,并与 Vis-SWIR FORS 测量值进行比较


图纸检查


关于艺术品创作者意图的大量有价值的信息,例如在创作过程中所做的改变、艺术家工作的改变和方式,可以通过检查底层图纸、草图线和作品来确定最终被涂掉了。

X 射线技术已用于此目的[6],但有局限性——例如无法区分深色背景上的木炭素描线。高光谱成像提供了透过表面层看得更清楚的可能性。


透光度是波长的函数。比尔-朗伯定律表明了这一点,表明穿透力与波长成反比。这意味着由于紫外线的波长较短,它会更深入地穿透油漆层以显示下面的内容。1000-2000nm 范围内的波长可提供最佳效果。然后,高光谱成像可以捕获信息,揭示底图、基础材料和其他对艺术保护主义者具有重要价值的信息。虽然单波长数据可能具有一定的价值,但高光谱成像允许信息显着增加,因为数据来自整个波段可以同时显示。使用图像可视化软件处理数据立方体,每个点和波长的反射率可以用其主成分(PC)表示。这些可以转换成灰度图像。通过移除主 PC,可以显示较小的值,例如草图线,甚至可以区分木炭线和墨水线。


在加拿大温尼伯美术馆的一项研究中,使用高光谱成像设备对15 世纪绘画《无题(圣三位一体)》进行了分析,不仅揭示了素描中使用的铅笔轮廓,但是用于创建实际绘图基础的几种不同墨水。众所周知,巴勃罗·毕加索 (Pablo Picasso) 的《悲剧》(The Tragedy)在完成的画作下方有多个构图,这些构图可通过宽带红外反射成像和 X 射线成像进行识别。国家美术馆和美国陆军夜视与电子传感器理事会的研究人员使用波段表面光学 SWIR 成像仪拍摄了高光谱图像,并找到了下图最佳可视化发生的光谱波段。



伪彩色红外反射图显示了《悲剧》的三个详细部分。每张图片都显示了一系列光谱带,最能显示面板上的各种底图和漫画。左图:1000、1150、1200 nm 的人体图;中间:马1300、1350、1400纳米;右图:草图 1600、1625、1660 nm。

3-D 对象的分析


高光谱成像的多功能性意味着还可以分析三维物体。在对米开朗基罗的大卫的研究中,从作品的各个部分获取了光谱“签名”。这些签名是通过测量照射在雕塑上的氮激光在不同波长下的反射率变化而创建的。然后可以将这些结果与用于创作该作品的原始卡拉拉大理石样本的结果进行比较。一些区域显示出与卡拉拉签名的差异,表明进行了维修的地方。


有机材料的识别


文艺复兴时期的艺术家使用多种材料来结合他们的颜料,并且经常在同一幅画中使用不同的材料和不同的颜料。在对科西莫·图拉 (Cosimo Tura) 的《与图卢兹的圣弗朗西斯和圣路易斯的报喜》(约 1475 年)的研究中,可以确定使用了哪些活页夹。最常见材料、动物皮胶和蛋黄的参考样本可以使用近红外高光谱成像与绘画的特定区域和特定颜料进行匹配。研究人员使用了表面光学高光谱成像仪,工作范围为 950 至 2500 nm,光谱分辨率为 4.4 nm。


面板的可见图像与颜料粘合剂的假色映射相邻。红色对应蛋黄粘合剂,蓝色对应粘合剂,绿色映射粘合剂中蓝铜矿的区域

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