基于高光譜成像技術的文物行業應用

隨著2021年底國家發展和改革委員會在發布的《“十四五”文物保護和科技創新規劃》中提出：全面加強文物科技創新，堅持在科技創新引領下，提升文物領域科技應用水平，深化基礎研究，為文物保護實踐提供理論指導和科學依據。

文物的科技檢測現今已逐漸開始使用不破壞文物本體的無損檢測方法或微損檢測方法。其中，最常見的方式是通過數碼相機采集紅、綠、藍3個波段的信息，獲取RGB三通道圖像，記錄現有文物的形貌特點。而隨著光學技術的不斷發展，科學的檢測手段已經可以對文物內部結構、物質組成元素以及組成成分等逐一分析。

高光譜成像技術是目前較為安全、不易受檢測對象和檢測環境限制的無損檢測技術之一。相較于便攜式X射線熒光光譜、拉曼光譜等無損分析方法，高光譜具有更高的檢測效率，并且光譜分辨率高，可同時獲取數百個連續波段的空間與光譜信息，形成文物的光譜指紋，現已廣泛應用于文物鑒定、成分分析、隱含信息挖掘等文物保護分析工作中。

SPECIM是柯尼卡美能達集團旗下專注于高光譜成像技術的子品牌，是高光譜成像技術的全球領先者之一，是一家致力于為行業覆蓋400-12500nm光譜范圍的高光譜相機制造商。

一、顏料分析

通過短波紅外高光譜數據的波段運算、光譜匹配等技術提取被測文物的表面顏料信息，利用光譜角匹配技術提取顏料的高光譜數據結果。對光譜數據進行歸一化處理后，再與顏料標準光譜庫中數據進行比較，以了解文物顏料使用情況。

圖1 文物測試示意圖

圖2 SPECIM高光譜成像文物顏料分析測試圖

由于高光譜影像不僅包含了目標的光譜特征還包含圖像特征和空間信息特征，在顏料鑒別中，高光譜影像不僅可以對未知顏料分類，還可以結合其他顏料鑒別技術的結果繪制全局性的顏料分布制圖。

二、信息增強

文物長時間受外界環境影響得不到很好的保護，往往會出現褪色、劣化或破損，使其原始面貌不可再現。高光譜成像技術利用文物的光譜反射率成像，當某種材料的光譜反射率確定時，該材料的顏色可以確定，因此高光譜成像技術可以在確定是某材料后，借助該材料的顏色來反演渲染出文物曾經的樣貌。該技術可以用于文物的數字存儲、數字修復等。此外，高光譜成像數據包含可見光以外的光譜信息，通過對影像光譜的增強處理，可以合成多種偽彩圖，突出顯示視覺模糊的文物圖像。高光譜視覺增強增加了已褪色或損害文物的可讀性，對于文物保護與研究具有重要意義。

圖3 文物手稿的原始圖像

圖4 SPECIM高光譜成像技術對文物手稿的
視覺增強效果

三、隱含信息發掘

在可見光情形下不可見的圖像信息均可稱為隱含信息，其涵蓋范圍廣泛，包括輪廓信息、底稿信息、修補痕跡、擦除或污損筆跡和隱形損害信息等。根據隱含信息可以更深入的分析文物創作的藝術手法、內容的歷史軌跡和修復保護痕跡等，也可以用于文物的真假鑒定。隱含信息發掘充分利用了高光譜成像技術在文物研究中的優勢，其“圖譜合一”的影像數據能夠揭示單純光譜分析或數字影像分析不易察覺的信息。由于物體在不同波段時的光譜反射率不同，其各波段影像也不相同。影像中不同像元的光譜曲線以及不同波段的光譜影像均存在差異，通過對比分析可以揭示一些隱含信息。

圖5 彩繪文物可見光圖像；   圖6 彩繪文物1600nm高光譜圖像

我們可以從上圖看出，通過使用SPECIM高光譜成像技術，在1600nm波段下可以明顯看到可見光圖像上沒有的圖案?？梢栽偻ㄟ^圖像融合技術同時顯示光譜信息和圖案信息，圖案信息較真彩色圖像更清晰，更有利于后續的文物研究與保護。

通過使用SPECIM高光譜成像技術獲取文物較高空間分辨率與成像數據，可以進行顏料分析、信息增強、隱含信息發掘等多方面應用研究。高光譜成像技術特別是近紅外波段，不僅可以有效增強印章的文字信息，發現書畫作品的涂改與涂沫痕跡，而且對于底稿線等線描特征的提取有著非常好的效果，并能有效地對書畫文物所使用的礦物顏料進行識別與分類。SPECIM高光譜成像技術在文物數字化存檔、文物診斷、文物修復等方面均可發揮重要作用。