高光谱成像技术对文物颜料方面的识别应用

我国是有着五千年古老文明的国家，在悠久的历史长河中人们将这些文化文明保留在了大量的字画、壁画当中，并向当代及后世展示了它的美丽与价值。在这些丰富的字画和壁画当中，五颜六色的色彩是人们赋予自己想象空间和大胆创造的素材，通过使用不同的颜料、不同的技法将这种彩色空间表现的淋漓尽致。如果说绘画主题是一幅幅字画和壁画的精神来源，那么丰富的颜料就是一幅幅字画和壁画强有力的物质支撑。对古代颜料的研究与鉴定，就是一个研究古代文明发展的过程，不同朝代、不同地区颜料的使用是紧密联系并且不断向前发展的，从颜料的物质鉴定可以继而推断出文物的年代，从不同文物之间颜料的使用与变化进而推断朝代的更替以及地区的发展。

本文使用高光谱成像技术对古代的颜料进行无损鉴定研究，使用高光谱照相机采集字画和壁画数据，通过构建光谱数据库和光谱匹配的技术对颜料进行无损鉴定。本研究应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用杭州彩谱科技有限公司产品FS13进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

基于颜料反射光谱法对文物鉴定的可行性要从壁画及字画的颜料层的微观结构下图说起，壁画、字画的颜料层都是由颗粒物(颜料)、粘合剂和添加材料组成。粘合剂的作用是将颗粒物胶结在一起，提高材料的机械强度，添加材料用于改善物质的表现性质和工作性质。

而文物经过岁月的洗礼，长时间的暴露在空气中，颜料层中的粘合剂已经逐渐被劣化和氧化,所以对文物的颜料层的数据采集可以近似的归结为单单针对颗粒物(颜料)的采集，所以基于反射光谱法对颜料的鉴定就自然去除了粘合剂对颜料光谱的影响，从而可以通过从实验室中建立标准的颜料光谱库来对文物颜料光谱进行比较，从而得到鉴定的结果。

使用光谱反射率对颜料进行鉴定的一种比较繁杂但是绝对有效的途径是建立大型的光谱数据库，光谱库中不但要有纯净颜料的光谱数据，还要有用不同种颜料混合的光谱数据，同时还要要考虑胶、矾对颜料层的影响，所以要采集大量的实验数据，但是仅仅这样还是远远不够的，因为古代文物表面的颜料层成分复杂，不光有颜料、还有已经氧化的胶，而在经久失修的庙宇壁画和地下墓室壁画中颜料层还会有其他灰尘，细菌腐蚀后的遗留物质，这些在文物表面是极为常见的，由于这些多元因素的复杂多变性，造成了要构建完善完整的颜料光谱库并非一日之功，而需要常年累月的补充与完善。幸运的是本人在研究一幅明代字画的时候，发现字画上比较纯净的矿物颜料的光谱匹配结果很好，所以本文研究的设想与重点是对纯净颜料的光谱进行研究。现将这幅明代字画局部图与光谱匹配结果列出如下:

高光谱照相机最后采集的数据又叫做高光谱图像立方体,它是由不同波段的图像构成，箭头指向的方向是它的波段方向，从可见光波段到近红外波段，数据就是由这样同一区域不同波段的几十或者几千张图像叠加在一起构成的。通过高光谱图像数据可以获得任意颜料的光谱曲线，然后通过任意颜料的光谱曲线可以利用分类算法得到该种目标物质在空间的分布。我们分别在图像中不同颜料处选取像素点，即可获得该像素点所对应的光谱曲线,我们从中选取了金色对应的光谱曲线，然后使用光谱角填图算法，设置匹配相似度阈值为0.1,即可得到金色颜料在图像空间的分布。

仪器噪声的影响

在实际仪器采集数据的过程中，由于采集的数据很多，不可能采集一幅图像就要拍摄一幅对应的暗电流文件，研究仪器噪声的变化规律有助于在项目采集过程中合理的分配采集暗电流数据的时间，这样在保证数据采集质量的同时节省采集时间提高了工作效率。

实验方案为：将相机安置在室内，模拟室外采集环境拍摄暗电流数据，将镜头盖严格的盖住相机的镜头。每间隔一段时采集一次暗电流数据。暗电流时间采集设置方案如下表:

对采集完的暗电流数据进行如下处理，依次用第一次的暗电流减去其他时刻的暗电流，并统计相减后数据每个波段(400nm-1000nm)的平均值，然后将每个波段的平局值绘成一条曲线，观察不同波段暗电流的变化情况。

实验结果：

实验结果说明，相减后的暗电流数据每个波段(400nm-1000nm)的平均值几乎为0,最大浮动不超过0.4,这说明不同时间段暗电流的变化几乎为零，几乎不会对实验数据的改变有直接影响。

实验启示：高光谱照相机VNIR400H工作性能稳定，暗电流的变化不大，保持在稳定的数值上，不用过多考虑仪器的噪声数据影响，可以在间隔不过长的时间内(一个采集区域)拍摄1~2次即可。

小结

本章通过对影响高光谱相机数据的参数进行控制与实验，目的是为了获得准确的图像数据与光谱数据，通过实验发现，光照和仪器的暗电流对数据的影响并不大，焦距对校正后数据像素的反射光谱几乎没有影响，而曝光时间则对光谱数据的形成会产生一定的影响，通过一系列的实验，对仪器的性能有了更好的了解，这也为之后的数据采集和建立颜料光谱库提供了有力的保障。