基于高光谱成像技术的文物行业应用

随着2021年底国家发展和改革委员会在发布的《“十四五”文物保护和科技创新规划》中提出：全面加强文物科技创新，坚持在科技创新引领下，提升文物领域科技应用水平，深化基础研究，为文物保护实践提供理论指导和科学依据。

文物的科技检测现今已逐渐开始使用不破坏文物本体的无损检测方法或微损检测方法。其中，最常见的方式是通过数码相机采集红、绿、蓝3个波段的信息，获取RGB三通道图像，记录现有文物的形貌特点。而随着光学技术的不断发展，科学的检测手段已经可以对文物内部结构、物质组成元素以及组成成分等逐一分析。

高光谱成像技术是目前较为安全、不易受检测对象和检测环境限制的无损检测技术之一。相较于便携式X射线荧光光谱、拉曼光谱等无损分析方法，高光谱具有更高的检测效率，并且光谱分辨率高，可同时获取数百个连续波段的空间与光谱信息，形成文物的光谱指纹，现已广泛应用于文物鉴定、成分分析、隐含信息挖掘等文物保护分析工作中。

SPECIM是柯尼卡美能达集团旗下专注于高光谱成像技术的子品牌，是高光谱成像技术的全球领先者之一，是一家致力于为行业覆盖400-12500nm光谱范围的高光谱相机制造商。

一、颜料分析

通过短波红外高光谱数据的波段运算、光谱匹配等技术提取被测文物的表面颜料信息，利用光谱角匹配技术提取颜料的高光谱数据结果。对光谱数据进行归一化处理后，再与颜料标准光谱库中数据进行比较，以了解文物颜料使用情况。

图1 文物测试示意图

图2 SPECIM高光谱成像文物颜料分析测试图

由于高光谱影像不仅包含了目标的光谱特征还包含图像特征和空间信息特征，在颜料鉴别中，高光谱影像不仅可以对未知颜料分类，还可以结合其他颜料鉴别技术的结果绘制全局性的颜料分布制图。

二、信息增强

文物长时间受外界环境影响得不到很好的保护，往往会出现褪色、劣化或破损，使其原始面貌不可再现。高光谱成像技术利用文物的光谱反射率成像，当某种材料的光谱反射率确定时，该材料的颜色可以确定，因此高光谱成像技术可以在确定是某材料后，借助该材料的颜色来反演渲染出文物曾经的样貌。该技术可以用于文物的数字存储、数字修复等。此外，高光谱成像数据包含可见光以外的光谱信息，通过对影像光谱的增强处理，可以合成多种伪彩图，突出显示视觉模糊的文物图像。高光谱视觉增强增加了已褪色或损害文物的可读性，对于文物保护与研究具有重要意义。

图3 文物手稿的原始图像

图4 SPECIM高光谱成像技术对文物手稿的
视觉增强效果

三、隐含信息发掘

在可见光情形下不可见的图像信息均可称为隐含信息，其涵盖范围广泛，包括轮廓信息、底稿信息、修补痕迹、擦除或污损笔迹和隐形损害信息等。根据隐含信息可以更深入的分析文物创作的艺术手法、内容的历史轨迹和修复保护痕迹等，也可以用于文物的真假鉴定。隐含信息发掘充分利用了高光谱成像技术在文物研究中的优势，其“图谱合一”的影像数据能够揭示单纯光谱分析或数字影像分析不易察觉的信息。由于物体在不同波段时的光谱反射率不同，其各波段影像也不相同。影像中不同像元的光谱曲线以及不同波段的光谱影像均存在差异，通过对比分析可以揭示一些隐含信息。

图5 彩绘文物可见光图像；   图6 彩绘文物1600nm高光谱图像

我们可以从上图看出，通过使用SPECIM高光谱成像技术，在1600nm波段下可以明显看到可见光图像上没有的图案。可以再通过图像融合技术同时显示光谱信息和图案信息，图案信息较真彩色图像更清晰，更有利于后续的文物研究与保护。

通过使用SPECIM高光谱成像技术获取文物较高空间分辨率与成像数据，可以进行颜料分析、信息增强、隐含信息发掘等多方面应用研究。高光谱成像技术特别是近红外波段，不仅可以有效增强印章的文字信息，发现书画作品的涂改与涂沫痕迹，而且对于底稿线等线描特征的提取有着非常好的效果，并能有效地对书画文物所使用的矿物颜料进行识别与分类。SPECIM高光谱成像技术在文物数字化存档、文物诊断、文物修复等方面均可发挥重要作用。