高光谱成像技术在古书画保护中的应用

古书画是历史与社会发展的见证，对它们的保护和修复具有重要意义。要对书画文物进行科学分析既要使用无损的分析方法，又要保证分析方法的效率。高光谱成像技术是目前最为安全、不易受检测对象和检测环境限制的无损检测新技术之一。本文主要介绍了高光谱成像技术在古书画保护中的应用。

使用高光谱成像技术可以获取文物的高空间分辨率、高光谱分辨率的成像数据，进行文字信息增强、隐藏信息提取、底稿线提取、颜料分析等多方面应用研究。结果表明高光谱成像技术特别是短波红外波段不仅可以有效增强印章的文字信息发现书画作品的涂改与涂沫痕迹，而且对于底稿线等线描特征的提取有着非常好的效果，并能有效地对书画文物所使用的矿物颜料进行识别与分类。

以下内容结合具体示例进行说明：

1.《慈禧书佛字匾》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”印章的图案提取出来（图2），这项技术将为文物的研究提供重要依据。

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“清人画颙琰万寿图”，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。

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690nm514nm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（PrincipalComponentAnalysis、 PCA）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。

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。

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。

③颜料分析

通过短波红外高光谱的运算、光谱匹配等技术提取崇庆皇太后八旬万寿图局部区域的青石颜料，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。