高光譜成像技術在故宮書畫文物保護中的應用

史寧昌，李廣華，雷 勇，吳太夏

(1. 故宮博物院，北京 100009； 2. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 211100)

?

高光譜成像技術在故宮書畫文物保護中的應用

史寧昌1，李廣華1，雷 勇1，吳太夏2

(1. 故宮博物院，北京 100009； 2. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 211100)

為探討對故宮書畫文物進行整體分析、保護的方法，本研究利用研發的高光譜成像系統，對故宮博物院的部分館藏書畫文物進行分析。分析發現，高光譜成像技術在文字信息增強、隱藏信息提取、底稿線提取、顏料分析等方面有獨特的優勢。將高光譜成像技術用于書畫文物的保護，不僅能夠深度了解文物病害程度，為繪畫工藝研究提供幫助，更重要的是能夠為書畫文物的保護修復材料選擇和修復效果評估提供參考，使保護修復更加全面和科學化，同時能縮短病害調查和科學分析的時間，加快保護修復工作的進度。

高光譜成像；無損檢測；書畫；文物保護

0 引 言

中國是歷史悠久的文明古國，在漫長的歲月中，中華民族創造了豐富多彩，彌足珍貴的文化遺產。文化遺產是歷史與社會發展的見證，是文化認同的標志，是提高創新能力的源泉，是體現國家文化軟實力的不可再生的重要物質資源，同時也是調結構促發展、培育戰略性新興產業，實現經濟社會全面、協調、可持續發展的重要戰略性資源。故宮博物院擁有180萬件(套)文物，其中13萬件書畫類文物，是國內珍貴書畫文物最集中的博物館。目前，故宮博物院書畫文物保護主要依賴于傳統書畫裝裱修復技藝，缺乏全面科學系統的材質與工藝分析。這是因為書畫文物較脆弱，且難以進行取樣工作。要對書畫文物進行科學分析，既要使用無損的分析方法，又要保證分析方法的效率。因為書畫文物尺幅一般較大，如果只對局部點進行分析，可能會錯過重要的信息，所以最好的分析方法是對書畫文物進行整體分析，因此必須保證分析方法具有足夠高的效率。

高光譜成像技術是目前最為安全、不易受檢測對象和檢測環境限制的無損檢測新技術之一[1-5]。高光譜成像技術能在紫外、可見光、紅外的電磁波段獲取許多非常窄波段的圖像數據，即為每個像元提供數十到數百個波段的光譜信息，組成一條完整且連續的光譜曲線，這些曲線可以用來定量分析觀測對象的屬性。相較于便攜式X射線熒光光譜、拉曼光譜等無損分析方法，高光譜具有更高的效率。因為高光譜成像技術可以同時大幅面獲得圖像和反射光譜，并且速度很快。對于書畫文物，高光譜圖像信息有助于彩繪文物的病害調查，可以用來辨別書畫文物的隱藏病害、修復痕跡和一些褪色模糊不清的畫面內容；高光譜反射光譜可以用來鑒定顏料和膠結劑的成分，將反射光譜和圖像結合還可以實現顏料和膠結劑的面分布分析。將此技術用于書畫文物的保護，不僅能夠深度了解文物病害程度，為繪畫工藝研究提供幫助，更重要的是能夠為書畫文物的保護修復材料選擇和修復效果評估提供參考。

1 高光譜成像技術在文物保護領域應用現狀

高光譜成像系統最近幾年來在國際上有了較大程度的發展，在文物保護領域也有了一定的應用。意大利Dvoptic開發了不同類型的高光譜掃描儀[1]，可以針對各種壁畫，紡織品，書法繪畫等進行高光譜成像。英國Foster+Freeman公司開發的VSC 6000系統已經廣泛應用于文字筆跡的分析[2]。美國Headwall公司[3]結合可見近紅外光譜系統也開發了整套的高光譜掃描系統可以對書畫、紡織品等進行高光譜成像。德國的XIMEA公司[4]開發了基于法布里—帕羅濾光片的高光譜系統，并可以提供一整套高光譜分析方案對字畫等樣品實現高光譜成像。這些系統實現了小范圍的高光譜成像，但目前還不能夠針對大幅面的書畫作品進行光譜成像。

一些早期的研究利用了光譜技術對文物進行分析，但主要使用不成像的光纖光譜儀[5-7]。隨著高光譜成像系統的發展，高光譜在文物保護方面的應用逐漸增多，并成為一個研究熱點。目前國內外進行了相當多的利用成像光譜技術分析文物的案例。1998年，Baronti等用成像光譜技術分析了收藏于佛羅倫薩烏菲茲藝術館的Luca Signorelli的油畫[8]。Mansfield等用基于液晶可調濾光片來區別收藏于溫尼伯藝術館的16世紀的一幅畫上有機墨和礦物墨，區分了墨及墨分解產物的區域[9]。Casini等用400～1600nm光譜范圍的成像光譜系統來研究Pontormo的油畫[10]，基于兩種黃色顏料的光譜特征的區別，提供了兩種顏料的分布圖。牛津大學的Bodleian研究小組使用高光譜系統對鮑爾的植物和動物畫進行分析。比利時安特衛普大學Stijn Legrand團隊結合高光譜系統和X射線斷層掃描技術對歷史畫作不同波段信息進行了分析[11]。美國國家藝術館[12,13]、意大利國家研究委員會[14]等也在不同程度上將高光譜成像技術用于文物研究[15,16]，也有些研究將高光譜技術與其他成分分析手段相結合[5,17]。

國內使用高光譜系統對文物進行分析的起步較晚。西北工業大學何明一使用了高光譜設備對歷史文化遺跡，出土文物進行了分析，但是給出的結果較少。鞏夢婷等[18]利用光譜角填圖技術進行了中國畫顏料分類與識別；王樂樂[19]、孫美君[20]等應用高光譜成像技術進行壁畫研究；西南科技大學的武鋒強也使用高光譜系統對壁畫中的顏料成分進行了分析，對比了其和朱砂與石青等顏料的相似性[21]。周霄等應用高光譜成像進行中國云岡石窟砂巖風化狀況分布研究[22]；馬文武等基于地面高光譜遙感進行了石碑特征信息提取[23]；中國科技大學考古系龔德才[24]研究了古代絲綢老化程度與1000波數吸收峰強度的關系；高光譜遙感也應用到了遺址現場考古領域，例如2013年陜西大型遺址區域采用高光譜航空遙感進行考古勘測，譚克龍、田慶久等[25-27]利用高光譜成像設備進行了遺址考古研究。

總體來說國內外利用高光譜成像技術對文物的研究正在蓬勃發展，使用高光譜成像技術開展文物保護研究具有廣闊的前景。但目前的研究主要集中在可見光/近紅外波段(400～1000nm)，近年來也有一些研究的波段擴展到1000～1700nm[11,13,28-30]。本研究所使用的高光譜成像的波段在400～2500nm，特別是在1700～2500nm，此范圍是部分礦物顏料的特征波段。

2 高光譜成像技術在書畫保護中的應用

高光譜成像技術分析文物主要有兩個關鍵步驟。一是數據采集，高光譜相機可以同時采集圖像和光譜信息。在采集過程中，必須保證文物表面光照均勻；二是數據預處理和數據分析，要想得到有用的信息，必須對采集的數據進行有效處理。目前利用ENVI圖像處理軟件，進行必要的預處理，包括輻射校正、拼接、使用標準漫反射板作為基準計算反射率等，并在軟件中采用假彩色合成、主成分分析和波段運算等數據處理方法。

利用美國Headwall公司的成像光譜儀[8]，對故宮博物院館藏文物《慈禧書佛字匾》和《崇慶皇太后八旬萬壽圖》進行高光譜掃描成像分析。光譜范圍為400～2500nm，其中400～1000nm波段的光譜分辨率約5nm，1000～2500nm波段的光譜分辨率約10nm，地面分辨率為1mrad。數據獲取過程中是將書畫平鋪于桌面上，使用鹵素燈作為光源，高光譜成像儀鏡頭平行于書畫，利用掃描鏡的擺動，完成對書畫文物的掃描。實驗過程中使用標準漫反射板作為基準計算反射率，采用自主開發的數據采集程序進行光譜數據采集。

2.1 《慈禧書佛字匾》印章信息提取

故宮博物院館藏有一幅慈禧皇太后書法作品《慈禧書佛字匾》(圖1)，由于時間的流逝，印泥的顏色在紅色紙面上變得很不明顯，通過肉眼很難將印章信息識別出來。通過可見近紅外高光譜成像儀的成像、波段運算、色彩融合等處理技術，可將原本不能分辨的“慈禧皇太后之寶”印章的圖案提取出來(圖2)，這項技術將為文物的研究提供重要依據。

圖1 慈禧書佛字匾

圖2 《慈禧書佛字匾》印章提取流程

2.2 《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析

故宮博物館收藏的故6541號文物，原定名“清人畫颙琰萬壽圖”，林姝[31]通過圖像對比，結合乾隆朝歷史檔案，分析論證該圖實為《崇慶皇太后八旬萬壽圖》(圖3)，作者為姚文瀚。使用高光譜成像技術對其進行科學分析，不僅發現了一些隱藏信息和修改痕跡，而且對部分顏料的分布進行了有效分析。

2.2.1 隱藏信息提取 古書畫中的隱藏信息一般有涂改與修復的痕跡、隱藏的文字圖案、無法辨認的信息等。采用可見近紅外高光譜成像系統對《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的局部進行成像，目的是通過算法提取作畫過程中的涂抹部分。對古書畫的涂抹信息進行提取，可以進一步地分析畫師在繪畫過程中的整體布局，用于對局部細節的修復。與常規RGB相機進行比較，高光譜成像系統具有更多的波段，方便使用復雜的處理算法。圖4(a)～(c)分別是453nm，980nm，1302nm三個波長的影像。觀察發現，在人像的帽子上方有一圈涂改的痕跡，各個波長影像所揭示的涂改痕跡還不一樣。圖4(d)為690nm，514nm以及453nm三個波長影像進行的假彩色合成的影像， 此圖可以明顯突出涂改的痕跡。

圖3 故宮館藏書畫《崇慶皇太后八旬萬壽圖》

圖4(e),(f)為整個高光譜圖像進行主成分變換(Principal Component Analysis，PCA)的第二和第三主成分變量的影像。第二主成分變量(PCA2)可突出如4(d)的涂改痕跡，第三主成分變量(PCA3)的人像帽子上方有較大半圓形，可用于突出如4(c)的涂抹痕跡。

圖4 局部涂改痕跡

2.2.2 底稿線提取 短波紅外可以穿透很多礦物顏料，并且對墨有強烈的吸收效應，所以利用高光譜短波紅外可以提取書畫文物的底稿線，研究繪制工藝。圖5(a)～(d)所示的為提取的短波紅外成像光譜數據，1000～2500nm每隔400nm分別獲取各波段的影像。圖5(e)是利用1804nm的短波紅外影像，利用密度分割的方法，把像元值較低的部分用藍顏色表示，得出線描提取結果。從圖5可以看出短波紅外數據對于起稿線等線描特征的提取有著非常好的效果。

圖5 不同短波下線描提取圖像

在《崇慶皇太后八旬萬壽圖》的高光譜分析過程中，發現一處修改痕跡(圖6紅圈內)。從圖6中1500nm高光譜圖像中可以看出原來的構圖是有紅圈內的手和衣袖，但是RGB圖片上是沒有這些內容的，這說明畫師在繪制過程中很可能對內容進行了修改。

圖6 修改痕跡

2.2.3 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崇慶皇太后八旬萬壽圖局部區域的石青顏料。圖7(a)(b)依次為RGB影像、利用光譜角匹配技術提取的衣服石青顏料的結果。對光譜數據進行歸一化處理后，與顏料標準光譜庫(美國USGS標準光譜庫)進行比較，可以發現圖中藏青色衣服部分、凳子的下擺部分，甚至右上角的彩帶的局部，都是石青顏料，分析效果較好。

3 結論與展望

本研究歸納總結了目前國內外高光譜成像技術在文物保護方面的應用現狀，并利用研發的高光譜成像系統，對部分故宮博物院館藏書畫文物進行高光譜掃描成像分析。通過獲取文物的高空間分辨率、高光譜分辨率的成像數據，進行文字信息增強、隱藏信息提取、底稿線提取、顏料分析等多方面應用研究。結果表明，高光譜成像技術特別是短波紅外波段，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。

高光譜成像技術為文物科技工作帶來新的有效的技術途徑，將在文物數字化存檔、文物診斷、文物修復等方面發揮重要作用，推動文物科技工作的發展。

鑒于目前國內使用高光譜成像技術分析文物的效率較低，每次成像面積較小只能分析文物的局部，為了提高高光譜成像技術分析書畫文物的效率，故宮博物院與中國科學院遙感與數字地球研究所合作開發了一套專門用于書畫文物的高光譜成像自動掃描拼接系統，包括400～2500nm波段范圍的成像光譜系統、全自動光機掃描平臺、數據采集控制和掃描平臺控制軟件，以及數據分析軟件。高光譜成像自動掃描拼接系統可以實現高光譜數據的自動采集和拼接，特別適用于書畫的整體分析。

[1] Ferrari C, Foca G, Ulrici A. Handling large datasets of hyperspectral images: reducing data size without loss of useful information[J]. Anal Chim Acta, 2013, 802:29-39.

[2] Furukawa T. Detecting indentations on documents pressed by pen tip force using a near infrared light emitting diode(NIR LED) and shape from shading[C]//International workshop on computational forensics. Germany: Springer Berlin Heidelberg,2010:114-125.

[3] Wong K K. Development of co-boresighted Vis-NIR-SWIR hyperspectral imaging systems[C]//Spectral imaging sensor technologies: Innovation driving advanced application capabilities. USA: International Society for Optics and Photonics,2014:1-7.

[4] Harms J D, Bachmann C M, Faulring J W,etal. A next generation field-portable goniometer system[C]//Algorithms and technologies for multispectral, hyperspectral, and ultraspectral imagery XXII. USA: International Society for Optics and Photonics,2016:1-7.

[5] Delaney J K, Ricciardi P, Glinsman L D,etal. Use of imaging spectroscopy, fiber optic reflectance spectroscopy, and X-ray fluorescence to map and identify pigments in illuminated manuscripts[J]. Stud Conserv,2014, 59(2): 91-101.

[6] Dooley K A, Lomax S, Zeibel J G,etal. Mapping of egg yolk and animal skin glue paint binders in early renaissance paintings using near infrared reflectance imaging spectroscopy[J]. Analyst, 2013, 138(17):4838-4848.

[7] 谷 岸,沈 偉. 近紅外光譜結合化學計量學無損鑒定書畫印泥研究[J]．文物保護與考古科學, 2013, 25(2): 59-64. GU An, SHEN Wei. Nondestructive identification of Chinese seal-ink on paintings based on near-infrared spectroscopy and chemometric[J]. Sci Conserv Archaeol,2013,25(2):59-64.

[8] Baronti S, Casini A, Lotti F,etal. Multispectral imaging system for the mapping of pigments in works of art by use of principal-component analysis[J]. Appl Opt, 1998, 37(8): 1299-1309.

[9] Mansfield J R, Attas M, Majzels C,etal. Near infrared spectroscopic reflectance imaging: a new tool in art conservation[J]. Vib Spectrosc, 2002, 28(1): 59-66.

[10] Casini A, Lotti F, Picollo M,etal. Image spectroscopy mapping technique for non-invasive analysis of paintings[J]. Stud Conserv,1999, 44(1): 39-48.

[11] Legrand S, Vanmeert F, Van der Snickt G,etal. Examination of historical paintings by state-of-the-art hyperspectral imaging methods: from scanning infra-red spectroscopy to computed X-ray laminography[J]. Herit Sci,2014, 2(1): 13.

[12] Delaney J K, Thoury M, Zeibel J G,etal. Visible and infrared imaging spectroscopy of paintings and improved reflectography[J]. Heritage Science, 2016, 4(1): 1-10.

[13] Delaney J K E, Walmsley B H, Berrie C F Fletcher. Multispectral imaging of paintings in the infrared to detect and map blue pigments[J]. Proc Nat Acad Sci,2005:120-136.

[14] Rosi F, Miliani C, Braun R,etal. Noninvasive analysis of paintings by mid-infrared hyperspectral imaging[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2013,52(20): 5258-5261.

[15] Cucci C, Delaney J K, Picollo M. Reflectance hyperspectral imaging for investigation of works of art: old master paintings and illuminated manuscripts[J]. Acc Chem Res, 2016,49(10):2070-2079.

[16] Goltz D, Attas M, Young G,etal. Assessing stains on historical documents using hyperspectral imaging[J]. J Cult Herit,2010,11(1): 19-26.

[17] Mounier A, Le Bourdon G, Aupetit C,etal. Hyperspectral imaging, spectrofluorimetry, FORS and XRF for the non-invasive study of medieval miniatures materials[J]. Herit Sci,2014,2(1):24.

[18] 鞏夢婷, 馮萍莉. 高光譜成像技術在中國畫顏料分類和識別上的應用初探——以光譜角填圖(SAM)為例[J]. 文物保護與考古科學, 2014, 26(4): 76-83. GONG Meng-ting, FENG Ping-li. Preliminary study on the application of hyperspectral imaging in the classification of and identification Chinese traditional pigments classification-a case study of spectral angle mapper[J]．Sci Conserv Archaeol, 2014, 26(4):76-83.

[19] 王樂樂, 李志敏, 馬清林, 等. 高光譜技術無損鑒定壁畫顏料之研究——以西藏拉薩大昭寺壁畫為例[J]. 敦煌研究, 2015(3):122-128. WANG Le-le, LI Zhi-min, MA Qing-lin,etal. Non-destructive and in-situ identification of pigments in wall paintings using hyperspectral technology[J]. Dunhuang Res, 2015(3):122-128.

[20] 孫美君, 柴勃隆, 張 冬,等.基于近紅外高光譜技術的敦煌莫高窟壁畫起甲病害風險評估方法[J]. 文物保護與考古科學, 2016,28(4):1-8. SUN Mei-jun, CHAI Bo-long, ZHANG Dong,etal. Assessing the degree of flaking of the murals in the Dunhuang Mogao Grottoes using near-infrared hyperspectral imaging[J]. Sci Conserv Archaeol, 2016,28(4):1-8

[21] 武鋒強, 楊武年, 李 丹. 基于光譜特征擬合的藝術畫顏料成分識別研究[J]. 光散射學報, 2014, 26(1):88-92. WU Feng-qiang, YANG Wu-nian, LI Dan. Research on art painting pigment composition recognition based on spectra feature fitting[J]. Chin J Light Scatt, 2014,26(1):88-92.

[22] 周 霄,高 峰,張愛武,等.VIS/NIR高光譜成像在中國云岡石窟砂巖風化狀況分布研究中的進展[J]. 光譜學與光譜分析,2012,32(3):790-794. ZHOU Xiao, GAO Feng, ZHANG Ai-wu,etal．Advances in hyperspectral imaging for studies in distribution of weathered sandstones in Yungang Grottoes[J]. Spectr Spectr Anal, 2012,32(3):790-794

[23] 馬文武, 侯妙樂, 胡云崗. 基于地面高光譜遙感的石碑特征信息提取[J]. 北京建筑大學學報, 2015(2): 65-69. MA Wen-wu, HOU Miao-le, HU Yun-gang. Stone feature information extraction based on hyper-spectral remote sensing[J]. J Beijing Univ Civil Eng Archit,2015(2): 65-69.

[24] 陳華鋒, 龔德才, 劉 博. 二階導數紅外光譜分析遼代絲綢的降解特征[J]. 絲綢, 2011, 48(1): 1-4. CHEN Hua-feng, GONG De-cai, LIU Bo. Degradation analysis for silk of liao dynasty by second derivative infrared spectroscopy[J]. Silk, 2011,48(1):1-4.

[25] 譚克龍, 萬余慶, 楊一德, 等. 高光譜遙感考古探索研究[J]. 紅外與毫米波學報, 2005, 24(6):437-440. TAN Ke-long, WAN Yu-qing, YANG Yi-de,etal．A hyperspectral remote sensing study in archeology[J]．J Infr Millim Waves, 2005,24(6):437-440.

[26] 田慶久. 江蘇西溪貝丘遺址的高光譜遙感考古研究[J]. 遙感信息, 2007, 22(1): 22-25. TIAN Qing-jiu．An archaeological study of Shell Mound in Xixi of Jiangsu province by hyperspctral remote sensing[J]．Remote Sensing Inf, 2007,22(1):22-25.

[27] 譚克龍,楊 林,周日平,等.西安神禾塬地區高光譜遙感考古研究[J]. 應用基礎與工程科學學報，2009,17(5):675-682. TAN Ke-long, YANG Lin, ZHOU Ri-ping,etal．Hyperspctral remote sensing study for archeology in Shen He Yuan of Xi’an[J]. J Appl Basic Eng Sci, 2009,17(5):675-682.

[28] Fischer C, Kakoulli I. Multispectral and hyperspectral imaging technologies in conservation: current research and potential applications[J]. Stud Conserv,2006, 51(1):3-16.

[29] Ricciardi P, Delaney J K, Facini M,etal. Near infrared reflectance imaging spectroscopy to map paint binders in situ on illuminated manuscripts[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2012, 51(23):5607-5610.

[30] Delaney J K, Zeibel J G, Thoury M,etal. Visible and infrared imaging spectroscopy of Picasso’s Harlequin musician: mapping and identification of artist materials in situ[J]. Appl Spectrosc, 2010, 64(6):584-594.

[31] 林 姝.崇慶皇太后畫像的新發現——姚文瀚畫《 崇慶皇太后八旬萬壽圖》[J]. 故宮博物院院刊, 2015,180(4):54-66. LIN Shu. The new discovery of empress Dowager Chongqing’s 80th Birthday Celebration Painted by Yao Wenhan[J]. Palace Museum J,2015,180(4):54-66.

(責任編輯 馬江麗)

Hyperspectral imaging to Chinese paintings at the Palace Museum

SHI Ning-chang1, LI Guang-hua1, LEI Yong1, WU Tai-xia2

(1.ThePalaceMuseum,Beijing100009,China; 2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HehaiUniversity,Nanjing211100,China)

Hyperspectral imaging technology is an efficient and non-destructive technique to study ancient Chinese paintings. The method is not affected by test objects and environment. A hyperspectral imaging system to scan and analyze some paintings in the Palace Museum was developed. It is found that this method has unique advantages in studies of text information enhancement, extraction of hidden information,extraction of line features from drawings, and that it benefits identification of colors and classification of paintings. The number of ancient paintings is very large in the Palace Museum.These paintings need to be well conserved and restored. Hyperspectral imaging technology can be applied in Chinese paintings conservation. It provides a safe and effective approach for scientific analysis and conservation.

Hyperspectral imaging; Non-destructive analysis; Chinese paintings;Conservation

2017-02-19；

2017-04-09 作者簡介：史寧昌(1962—)，男，1984年本科畢業于西北電訊工程學院(現西安電子科技大學)無線電通信專業，副研究館員，研究方向為文物科技保護，E-mail： shinc-t@hotmail.com

1005-1538(2017)03-0023-07

K879.4；TP75

A