高光譜相機(jī)用于文物檢測

高光譜相機(jī)用于文物檢測

高光譜成像技術(shù)是一項非常強(qiáng)大和前沿的非破壞性分析技術(shù)。高光譜相機(jī)通過物質(zhì)對光的固有反射/吸收特性，通過非接觸、大面積、連續(xù)波段成像的方式，將文物的空間形貌與材料的化學(xué)成分信息深度融合，從而實現(xiàn)對文物制作工藝、材料構(gòu)成、隱藏信息、保存狀態(tài)及病害情況的全面、立體、科學(xué)的無損診斷。

一、高光譜相機(jī) 從“看形"到“看化學(xué)成分"

普通相機(jī)（RGB）只能看到紅、綠、藍(lán)三個寬波段的光，普通相機(jī)捕獲的是物體的形狀和顏色。而高光譜相機(jī)就像一臺“超級眼睛"，它將可見光到近紅外（甚至短波紅外）的光譜范圍，切割成數(shù)百個非常窄的、連續(xù)的波段進(jìn)行成像。

高光譜相機(jī)的核心思想：每個波段對應(yīng)一個“圖像層"。

· 普通RGB相機(jī)：3個波段 → 3層圖像（R, G, B）。

· 高光譜相機(jī)：200+個波段 → 200+層圖像，每個像素都擁有一條連續(xù)的光譜曲線。

高光譜相機(jī)軟件能獲得多個光譜曲線是物質(zhì)成分的“指紋"。因為不同的材料（如zhu砂、石青、銅銹、不同的墨水、紙張）對不同波長的光具有獨特的吸收、反射和透射特性。高光譜相機(jī)通過捕獲這些細(xì)微的光譜差異，來推斷物質(zhì)的化學(xué)成分和物理狀態(tài)。

二、       高光譜相機(jī)在文物檢測中的具體應(yīng)用

基于上述技術(shù)介紹，高光譜相機(jī)在文物檢測中主要發(fā)揮以下作用：

1. 材料識別與分類

· 原理：將文物上每個像素的光譜曲線與已知的光譜數(shù)據(jù)庫（如不同顏料的參考光譜）進(jìn)行比對或使用算法分類。

· 應(yīng)用：識別畫作中使用的不同顏料，區(qū)分壁畫的地仗層、顏料層、病害區(qū)域，鑒定青銅器的銹蝕產(chǎn)物（如赤銅礦、藍(lán)銅礦等）。

2. 揭示隱藏信息和底層草圖

· 原理：某些顏料或墨水在特定波段（尤其是近紅外區(qū)）具有高透性。表層顏料在近紅外下可能“變透明"，從而使被覆蓋的碳墨草圖、修改痕跡、褪色文字等顯現(xiàn)出來。

· 應(yīng)用：發(fā)現(xiàn)油畫下面的畫家草圖、揭示古籍中被涂抹或褪色的字跡、看到壁畫重繪下面的原始層。

3. 病害檢測與評估

· 原理：文物的病害（如霉斑、鹽析、水漬、氧化、褪色）會導(dǎo)致其表面反射光譜發(fā)生系統(tǒng)性改變。這些改變在特定波段尤為明顯。

· 應(yīng)用：精確繪制出壁畫或紙張上霉變的分布圖、定位肉眼難辨的初期鹽害區(qū)域、量化顏料的褪色程度。

4. 真假鑒別與年代推斷

· 原理：古代材料和現(xiàn)代仿制材料在成分和光譜特征上可能存在差異。同時，自然老化過程（如氧化、結(jié)晶度變化）也會在光譜上留下痕跡。

· 應(yīng)用：通過分析顏料光譜的異常（出現(xiàn)現(xiàn)代合成顏料特征）輔助鑒別贗品；通過分析特定材料的老化光譜特征，為斷代提供科學(xué)依據(jù)。

5. 高光譜成像熒光分析

· 原理：這是高光譜的一種增強(qiáng)模式。用特定波長的紫外光或藍(lán)光激發(fā)文物，某些有機(jī)材料（如膠料、修復(fù)材料、某些顏料）會發(fā)出波長更長的熒光。高光譜相機(jī)可以記錄整個熒光發(fā)射光譜，提供更豐富的化學(xué)信息。

· 應(yīng)用：檢測古代繪畫中使用的有機(jī)黏合劑（如動物膠、蛋黃）、發(fā)現(xiàn)殘留的生物痕跡、評估先前修復(fù)所用的現(xiàn)代材料。

三、高光譜成像檢測流程簡述：

1.       數(shù)據(jù)采集：在暗室或可控光照下，將文物置于高光譜相機(jī)掃描平臺（或使用手持式高光譜相機(jī)）。系統(tǒng)逐行掃描，獲得一個三維數(shù)據(jù)立方體（兩個空間維度X, Y，一個光譜維度λ）。

2.       數(shù)據(jù)預(yù)處理：校正相機(jī)噪聲、光照不均勻、鏡頭畸變等，得到真實反映文物反射率的數(shù)據(jù)。

3.分析與處理：

  · 光譜分析：在關(guān)鍵區(qū)域選取像素點，分析其光譜曲線。

  · 分類制圖：使用軟件算法（如SAM-光譜角填圖、PCA-主成分分析、機(jī)器學(xué)習(xí)分類器）自動將不同材料或病害區(qū)域用不同顏色標(biāo)記出來，生成一目了然的分類分布圖。

4. 結(jié)果解讀：結(jié)合文物歷史、藝術(shù)史和化學(xué)知識，對分析結(jié)果進(jìn)行解釋，得出結(jié)論或指導(dǎo)后續(xù)保護(hù)工作。

5.高光譜相機(jī)優(yōu)勢

· 非接觸、無損：對文物安全。

· 大尺度、全局性：可以一次掃描整個畫面，而不是局部取樣點。

· 信息維度高：同時提供空間信息和精細(xì)的光譜化學(xué)信息。

· 客觀可量化：結(jié)果基于物理數(shù)據(jù)，可重復(fù)、可量化比較。

6.高光譜相機(jī)局限性

· 通常只分析表面：對于深層結(jié)構(gòu)信息有限。

· 需要專業(yè)知識：數(shù)據(jù)解讀需要跨學(xué)科（光學(xué)、化學(xué)、文物保護(hù)）知識。

· 設(shè)備成本較高：專業(yè)系統(tǒng)價格昂貴。

· 數(shù)據(jù)量大：處理和分析需要較強(qiáng)的計算能力。

高光譜相機(jī)做文物檢測可以通過獲取文物表面每個點的“光譜指紋"，將人眼可見的形態(tài)學(xué)信息，擴(kuò)展為包含豐富化學(xué)成分和狀態(tài)信息的“化學(xué)成像"，從而讓文物保護(hù)工作者能夠看見""看不見的歷史細(xì)節(jié)，做出更科學(xué)的診斷和保護(hù)決策。