高光譜圖像系統應用于模糊印章的提取研究

周新光，沈 驊，吳來明

(1. 館藏文物保存環境國家重點科研基地(上海博物館)，上海 200231； 2. 上海博物館文物保護科技中心，上海 200231)

0 引 言

光譜成像技術由于其無損的檢測方式，強大的數據運算與分析系統的支持，在文物價值和真偽鑒別中的研究得到了越來越廣的應用。Christian等[1]對多光譜技術和高光譜技術在文物行業中的應用研究和潛在的運用進行了總結，指出這種無損的分析方法已成功為繪畫和書面文件分析、材料特征、保護方法的監控和評估、以及文件資料和檔案數字化方面提供了令人信服的結果。盡管光譜成像技術在文物保護中的應用仍在起步階段，然而，其潛力是有目共睹的。Marvin等[2]采集了歷史文獻中365～1 100 nm光譜范圍的光譜圖像，鑒別了不同種類墨水的使用和同一墨水的不同老化程度。Baronti等[3]用成像光譜技術對油畫材料進行了處理，提高了油畫的鑒定效果，對有相似光譜特征的區域進行了分類。Casini等[4]用400～1 600 nm光譜范圍的成像光譜系統研究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，并有助于識別兩種顏料重合的區域。在國內，四川博物院[5]、故宮博物院[6]和首都博物館[7]也針對書畫文物或中國畫顏料的分類識別、文物保護和信息提取等進行了相應的研究工作。此外，高光譜遙感成像技術在國內的考古研究中得到了應用[8-9]，主要用于通過探測和識別微弱的地物光譜異常，實現微弱考古線索情況下的地下文物遺存探測。

近年來，光譜成像技術向著高光譜乃至超光譜成像技術發展，獲得了越來越多的光譜信息，對文物光譜信息的分析研究也向著更為精細的方向發展，針對光譜圖像數據的計算與分析方法也越來越多，如主成分分析(PCA)、光譜角分類(SAM)和最小噪聲分離變換(MNF)等。其中MNF是一種將一副多波段圖像的主要信息集中在前面幾個波段中的處理方法，主要作用是判斷圖像數據維數、分離數據中的噪聲，減少后處理中的數據量。同時，基于改進最小噪聲分離變換的特征提取與分類也有相關研究[10]。采用該方法對書畫中模糊印章的信息提取和鑒別方法，結果表明，該方法可以有效的提取書畫文物中的印章信息，很大程度地提升模糊印章可辨識度，對書畫文物價值的研究和真偽鑒定具有重要意義。

1 實驗樣品和方法

1．1 樣品

上海博物館館藏莫晉書法立軸一副，該立軸破損較為嚴重，在“連”字的右側似乎有印章一枚，具體情況見圖1。另有兩幅傳統書畫作品(書畫1和書畫2)，其上各有一枚印章不可辨識，具體情況見圖2和圖3。

圖1 修復前莫晉書法立軸局部原圖

圖2 書畫1中模糊印章的局部原圖

圖3 書畫2中模糊印章的局部原圖

1．2 采集裝置

THEMIS NUVNIR-350推掃型高光譜成像儀，采集光譜范圍350～1 000 nm，光譜分辨率1.5 nm。

1．3 采集條件

鹵素燈照明，電壓11 V；光圈：F8；曝光時間：50 ms；手動調焦。

1．4 采集步驟

設置采集參數，如曝光時間，光圈大小，采集幀數，波段范圍等；手動調焦，使軟件預覽窗口中的狹縫達到最佳狀態；采集白板數據(反射率99%)，為了防止光照過強產生過曝使光譜數據無效，在采集白板數據后應調取白板光譜曲線，確認光照條件和曝光時間充分同時又不會產生過曝問題。采集暗電流，蓋上鏡頭蓋，采集暗電流數據，校正儀器本身的波動影響；采集書畫光譜數據。

1．5 光譜數據預處理

校準：采用白板和暗電流數據對采集到的原始光譜數據進行校準；降噪處理：相鄰5個像素的信號數據灰度值做線性平均；波段的裁剪：裁剪350～1 000 nm的波段，盡量降低數據量以免影響后續數據處理的效率。

2 MNF對光譜數據的處理

2．1 MNF對莫晉書法立軸光譜圖像數據的處理

圖1為修復前莫晉書法立軸的局部原圖，可見其破損較為嚴重，在修復前的分析中發現，在“連”字的右側(圖1標注處)似乎應有印章一枚，因此嘗試采用高光譜圖像系統采集光譜數據，通過對光譜圖像數據的分析處理把印章提取鑒別出來。

經過對疑似印章處和本底的光譜曲線提取(圖4)分析，最終確定了在560～850 nm的波段范圍內進行最小噪聲分離變換，結果圖5所示。

圖4 疑似印章處(藍色)和本底的光譜曲線(綠色和紅色)

圖5 560～850 nm下MNF處理結果(上方為處理前高光譜圖像合成圖，下方為處理后高光譜圖像合成圖)

由圖3可見，最小噪聲分離變換可以將該處印章提取出來。經鑒別，此印章為作者莫晉的一枚閑章“和以天睨”(圖6)。此外，經過MNF處理后的圖像信息可以清晰的將修復痕跡表現出來(圖5下方白色部分)。

2．2 MNF對書畫1和書畫2光譜圖像數據的處理

圖2和圖3為書畫1和書畫2中帶有模糊印章的原圖，由于修復時的損耗或收藏、展示時的磨損等各種原因，兩枚印章質量均很差，只能確認該處是一枚相應大小的印章卻無法對字跡進行分辨。

通過MNF對兩幅書畫350～1 000 nm的光譜圖像數據進行處理，結果如圖7和圖8所示。

圖6 “和以天睨”印章圖

圖7 書畫1印章MNF處理結果(左側為處理結果；右側為原圖對比)

圖8 書畫2印章MNF處理結果(左側為處理結果圖，右側為原圖對比圖)

相對于原圖中的印章質量而言，印章的可辨識度大大提高，書畫1上的印章為一枚六字印章，左側三字依稀可辨，右側由于部分區域印章成分的徹底消失，所以無法取得更好的效果。書畫2上的印章應為“貞素”二字。這兩枚印章的信息提取對于書畫1和書畫2的藝術價值的深入研究以及真偽鑒別有了科學有效的依據。

3 結 論

高光譜圖像系統是一種無損的提取文物中光譜圖像信息的有效手段。隨著科學技術的繼續發展，高光譜或超光譜圖像設備能夠提取到越來越多的光譜圖像信息，對這些海量的數據進行正確的處理分析能夠得到大量的有利于文物價值研究的信息。

應用MNF對書畫文物的光譜圖像數據進行分析處理，能夠有效的提取模糊印章的圖像信息，增強其可辨識度，為書畫文物的藝術價值和真偽辨別提供科學有效的手段。

對于光譜圖像數據的分析與處理，有待于開發更多的特征提取和分類方法，使光譜成像技術能夠得到更多的應用，如PCA、SAM、MNF和ROI等。光譜成像技術也由于其無損的檢測方式，強大的數學分析計算能力，有望應用于文物價值、保護研究中的指紋圖譜、病害分類、信息提取以及數據庫建設等各個研究方向。