數字X光照相技術在木雕造像上的應用

相建凱，張 剛，董少華，柏 柯

(陜西省文物保護研究院，陜西西安 710075)

0 引 言

X光照相作為一種無損檢測技術，20世紀20～30年代就開始應用于文物的檢測分析中，隨著能量范圍的擴大，現已適用于青銅器、鐵器、陶瓷器、泥塑、石刻、漆木器等多種材質的文物[1-4]。該檢測方法能夠揭示文物的內部結構、制作工藝、保存狀況以及修復歷史等信息[4-7]，可應用在文物修復、文物鑒定以及科技考古等方面[7-11]。傳統的X光照相技術是以涂有鹵化銀乳劑層的膠片作為成像載體，需通過暗室處理，才能將曝光過程中留在膠片上的潛影顯現出來，完成整個成像過程。由于暗室處理條件要求苛刻、影響因素多且處理時間長，所以其可操作性不高，特別是在現場情況下更是很難實現。

近年來，隨著數字成像技術的興起，涌現出了諸如計算機射線照相技術(CR)、線陣列掃描成像技術(LDA)、數字平板直接成像技術(DR)以及X射線層析照相(X-CT)等多種技術方法[3，4，11-13]。與傳統技術相比，數字成像技術不需要暗室處理，大大簡化了X光照相的成像過程，縮短了檢測時間，得到的數字圖像容易觀察、使用和保存，檢測圖像的編輯處理也成為可能[11]，因此數字成像技術使X光照相變得更加方便高效。2017年3月，筆者受陜西省文物保護研究院文物保護研究二部的委托，對一尊木雕造像進行了X光照相檢測，下面是檢測的整個過程和結果。

1 檢測設備和方法

1.1 檢測對象和設備

本次檢測對象是山陽縣博物館的一尊金漆彩繪木雕靈宮造像，尺寸為309mm×215mm×517mm，重量為550g，造像有裂隙現象，其照片如圖1所示。

X光照相使用意大利GILARDONI公司的ART-GIL 350/6型固定式X光機，電壓范圍為110～350kV，最大管電流為6mA。檢測使用的數字成像系統是德國DUERR公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型數字成像系統，成像板(imaging plate簡稱IP板)的型號是HD-IP Plus 35×43cm，得到的檢測圖像像素大小為50μm。該成像系統采用了CR技術，該技術將暗室處理簡化為普通光照條件下的掃描過程，優化了使用條件，縮短了檢測時間。同時，作為成像載體的IP板類似于傳統膠片，能夠裁剪和彎曲，可將其放入檢測對象空腔內進行單壁透照，因此與其它數字成像技術相比，更適合于在文物的X光照相中使用。X光機和數字成像系統的實物如圖2所示。

1.2 檢測方法

本次X光照相的檢測目的包括兩方面：一是檢測木雕的結構，確定此木雕是否為整木雕，是否存在泥塑部分；二是檢測木雕的裂隙情況，判斷其數量和發育情況。為了達到以上檢測目的，制定如下檢測方案。

圖1 木雕造像照片

圖2 設備照片

1.2.1多角度拍攝 經觀察，此木雕上的幾條裂隙從不同方向深入造像內部，如果要使拍攝過程中X射線方向與裂隙深入方向相同，則需要從多個方向反復曝光，而且也需要傾斜擺放木雕造像，不利于文物安全。為了兼顧文物安全和裂隙檢出率，此次X光照相從三個相互垂直的方向對木雕造像進行拍攝，得到檢測圖像類似于機械制圖中的三視圖。

1.2.2分段連續拍攝 由于木雕的尺寸較大，且X光照相過程中X光是呈40°圓錐角散射[12]，得到的圖像有放大效應，因此為了得到完整的檢測結果需進行分段連續拍攝。具體是在拍攝正視圖時，將35mm×43cm的IP板橫向放置，從頭部到底座分段連續拍攝三次；拍攝左視圖時，將IP板豎向放置，從頭部到底座分段連續拍攝兩次。

1.2.3編輯處理圖像 為使得檢測圖像中的結構信息更加清晰，使用數字成像系統軟件中的高細節濾鏡(high details)對得到的X光片進行了處理，細節增強效果明顯，如圖3所示。同時，為了對木雕造像進行整體分析，對正視圖的三張X光片和左視圖的兩張X光使用Photoshop軟件分別進行拼接合成處理，拼接界限如圖4所示。俯視圖包含在一張X光片中，無需拼接合成。通過以上操作，就得到了木雕造像清晰完整的X光照相三視圖，如圖5所示。

2 結果和討論

從X光照相三視圖可以看出，木雕造像的結構清晰，拼接合成得到的正視圖、左視圖亮度、對比度協調統一且無明顯接縫，可用于木雕造像的整體分析。結合檢測目的，對X光照相三視圖分析討論。

圖3 高細節濾鏡效果

圖4 三視圖拼接及裂隙示意圖

拍攝電壓120kV，電流4.25mA，時間120s，焦距80cm

2.1 木雕造像是整木雕

2.1.1從木雕造像的木紋分析 正視圖顯示，木雕造像從頭部、胸腹部、右手臂、底座部分的縱向木紋連貫平行，左手臂部分由于與身體重疊以及彩繪層的影響，圖像亮度過高，木紋結構不明顯；左視圖顯示，左手臂與身體的縱向木紋連貫平行；俯視圖顯示，底座和身體的橫向木紋自然平行。綜上，木雕造像的縱向木紋連貫平行，橫向木紋自然平行。

2.1.2從木質拼接和泥塑的表現分析 如果木雕造像有木質拼接，則有規整的接縫，表現在X光片上就是規整的亮度較暗的幾何線條，X光照相三視圖均未發現這種現象，可以排除木質拼接的存在。如果木雕造像局部有泥塑，則會由于泥質對X光的吸收比木質強，表現在X光片上就是泥塑部分的亮度增加。筆者之前在對另一組木雕造像檢測時曾遇到過這樣的情況，如圖6所示。在此尊木雕造像的X光片上沒有這種現象，因此可以排除泥塑的存在。

圖6 帶泥塑的木雕造像的X光片

2.1.3從木雕造像的裂隙分析 從X光檢測圖像和實物照片上可以看到，木雕造像上裂隙幾條都很長。一般來講，裂隙發育到拼接接縫和泥塑的地方則會停止。換句話講，裂隙經過的地方都不會存在拼接和泥塑現象，都是一個整體。

綜合以上三方面分析，木雕造像縱向木紋平行連貫、橫向木紋自然平行，未發現木質拼接和泥塑的痕跡，且裂隙發育較長，此尊木雕造像應是整木雕。這里需要說明的是，木雕造像的左手小拇指殘缺，在斷面上有一方形空洞，說明右手小拇指可能經過修復，或者此處原來就是拼接或者泥塑。

2.2 木雕造像的裂隙發育情況

從木雕造像的照片和X光照相三視圖看到，該造像存在三條裂隙，在正視圖和俯視圖中的位置如圖4所示。第一條裂縫從頭部右側向下延伸至下腹右側，長度長。俯視圖顯示裂縫的亮度變暗較大，照片顯示裂隙的寬度較寬，說明這條裂隙深度深；第二條裂縫主要在造像底座上，長度較短，但是它的寬度最大，深度很深；第三條裂隙從胸部曲折向下延伸至造像前裙乃至龍身，長度長，但是除了最下端的寬度較寬深度較深外。X光照相正視圖和俯視圖顯示亮度變暗不大，因此深度不深。綜上所述，第一條裂隙長度長，深度深；第二條裂隙長度短，深度最深；第三條裂隙長度長，深度淺。

2.3 彩繪在X光片上的表現

從X光片的正視圖發現，木雕造像的黃色和白色彩繪在X光片上有顯示，表現為亮度增加，如面部、胸部、左上臂、右上臂的黃色紋飾，又如頭部、左上臂、右上臂，前胸白色線條。這些彩繪有的在木雕造像的正面，有的在背面，但在正視圖上均表現出來。產生這種現象的原因可能是黃色和白色彩繪內含有重金屬元素，它們的原子序數很大，對X光的吸收和散射作用遠遠大于組成木質的輕元素，所以雖然黃色和白色的彩繪層比木質本體薄得多，但它們對X光的吸收散射作用依然能夠顯示出來，表現為黑度減小，亮度增加。經掃描電鏡能譜無標樣定量分析(結果如表1所示)，黃色和白色彩繪中分別含有Au和Pb兩種元素，證實了分析。至于其它顏色的彩繪沒有在X光片上顯示出來，則是由于它們含有的元素對X光的吸收散射還不夠強。

表1 黃色和白色顏料成分

2.4 木雕造像結構尺寸的測量

本研究使用的數字成像系統軟件中有測量功能，可測量X光片上兩點間的距離，進而可推算出檢測對象的結構尺寸。這里測量了正視圖和側視圖上三條木紋的寬度和俯視圖中的第二條裂隙的寬度，對第二條裂縫還用游標卡尺進行了實際測量。上面已經提到，X光照相得到的圖像對檢測對象有放大作用。如果X射線管的焦點很小，將焦點簡化為點，則檢測對象的結構尺寸和它在X光片上的尺寸有如下關系[12]：

(1)

式中，L為結構尺寸；F為焦距，焦點距膠片的距離；

b為物距，結構距膠片的距離；L′為結構在X光片上的尺寸。

假設正視圖和左視圖上木紋結構的物距為木雕造像的寬和長的一半左右，俯視圖裂隙的物距為底座高。根據公式(1)，對圖像尺寸進行校正就得到了表2中的結構尺寸。估算的裂隙寬度和實際測量值很接近。它們之間的偏差是由于射線管的焦點簡化造成誤差，以及內部結構的物距在某些情況下需要估算造成的。

表2 木雕造像結構尺寸

3 總 結

本工作對檢測對象進行了多角度、分段連續式拍攝， 得到的X光片圖像經過高細節濾鏡處理和拼接合成，最終獲得了木雕造像的X光照相三視圖。搞清楚了木雕造像的結構和裂隙發育情況，對黃色和白色彩繪成分進行了預測并得到了掃描電鏡能譜檢測的應征，嘗試測量了木雕造像的結構尺寸，完成了本次檢測任務。最后，對本次數字X光照相總結如下：

1) 多角度拍攝分析。 X光照相是一種透射檢測方法，它是將檢測對象的三維結構信息沿著X光方向投射到二維成像載體上，用圖像的亮度變化表示檢測對象的三維結構信息。如果檢測對象的某一結構(無論是表面結構還是內部結構，無論是本體結構還是某種缺陷)在X光方向上的分量太小，則其對X光的吸收和散射作用將會很小，圖像上的亮度變化將會分辨不出，最終該結構在此次X光照相檢測中漏檢。因此，對于一個三維檢測對象進行單一角度的X光照相是不可能將所有結構反映出來，多角度X光照相在一般情況下是必要的。另外，對于X光的分析應結合檢測對象實物或者照片進行，要分清楚圖像上的亮度變化是由于表面結構引起還是有內部結構造成，表面結構是在檢測對象的正面還是背面。而要確定內部結構的位置則要分析多個角度的檢測圖像才能得出確切的結論。

2) X光片濾鏡處理。 上面提到的高細節濾鏡，本質上就是調整圖像的亮度、對比度，使圖像中的結構更加清晰易于觀察。但是這種圖像編輯處理方法并非所有情況都適用。如果檢測只是為了確定某種結構是否存在或者在哪些位置存在，這種處理一般沒有問題；如果檢測還要評價某種結構與臨近區域的對比關系，則這種處理就可能導致誤判。第一種情況類似于本次檢測，檢測木雕造像有沒有木質拼接和泥塑存在，以及裂隙在哪些位置存在，所以濾鏡處理是有益的；第二種情況如同判斷青銅器的腐蝕狀況，如果改變了X光片的亮度、對比度，則可能認為腐蝕狀況比實際更嚴重，導致誤判。

3) X光片的拼接合成。對于較大的檢測對象，進行分段連續拍攝，再拼接合成完整檢測圖像無疑是有用的，有利于對檢測對象進行整體評估。按照筆者的經驗，如果要達到較好的拼接合成效果，首先在分段拍攝時應注意拍攝角度的一致，其次是預拼接的兩張圖片之間的重合度要達到20%以上。

4) 結構尺寸的測量方法。利用數字成像系統軟件中的測量工具，對X光片上的結構尺寸進行測量，再根據公式(1)進行校正就可得到結構尺寸的估算值，這是一種測量檢測對象內部結構尺寸的無損方法。

數字成像技術的應用使X光照相變得簡單易行，同時數字化使圖像編輯處理成為可能。現在使用的圖像編輯技術很多，而這些技術能否在X光照相中使用以及怎么使用，是一個值得探討的問題。另外，數字成像技術能否拓展X光照相的應用范圍，也是一個值得研究的方向。