“五星出东方利中国”织锦护臂的数字化信息采集

新疆尼雅遗址地处塔克拉玛干沙漠深处，干燥的气候使得该地区早期遗址中保存了大量古代纺织品。其中出土的汉锦就是我国汉代织锦生产技术达到成熟和完善阶段的产物和重要实证。出土纺织品由于受到埋藏影响，均有不同程度的病害发生，通常表现为：褶皱、污损、残缺、霉变、褪色、脆化等，如不及时加以保护，文物本体势必会遭到进一步损害。而新疆出土的纺织品与干尸共存现象比较普遍，两者如何长久地科学保存一直是新疆文物保护工作者面临的难题。

为更好地保护这批珍贵出土纺织品，研究其制作工艺，为今后展示利用提供可靠的基础数据和技术支撑，新疆考古研究所联合浙江大学文化遗产研究院编制完成《新疆尼雅墓地出土纺织品文物数字化保护方案》。本文以该墓地出土的编号95MNIM8∶15的“五星出东方利中国”织锦护臂[1]（封三）为例，探索了适合新疆出土纺织品特点的纺织品形状、彩色纹理的采集标准和质量评价方法，数字化扫描工作规程以及其他局部信息采集方法。同时，该案例也是正在进行的国家文物局文物保护行业标准制订项目《馆藏文物数字化三维模型重建与质量评价》[2]的重要支撑案例。

1995年10月，中日尼雅遗址学术考察队在新疆和田地区民丰县尼雅遗址M8男尸上部右侧发现汉代蜀地“五星出东方利中国”织锦护臂。该锦护臂作为国家一级文物、中国首批禁止出国（境）展览文物，被誉为20世纪中国考古学最伟大的发现之一，现收藏于新疆文物考古研究所。

据已发表简报记载，锦护臂圆角长方形，护臂面织锦，白色绢缘，缝缀6条白绢系带。长18.5、宽12.5、系带长21厘米，部分系带残断。护臂面锦为“五星出东方利中国”文字织锦，有部分破裂，为五重平纹经锦。经密20根/厘米，纬密24根/厘米，以宝蓝、草绿、绛红、明黄和白色等5组色经根据纹样分别显花，织出星、云纹及孔雀、仙鹤、辟邪、虎等瑞禽兽纹样；每组花纹循环为7.4厘米。上下每两组循环花纹之间织出“五星出东方利中国”小篆文字。衬里为两块黄绢拼缝而成，经密66根/厘米，纬密30根/厘米。白色绢缘系用一通幅的绢条镶边，绢经密50根/厘米，纬密40根/厘米；系带经密60根/厘米，纬密28根/厘米[3]。

研究证明，用于织造汉锦的织机主要是多综多蹑织机、丁桥织机和束综提花机[4]。尼雅M3和M8出土的20多件织锦工艺都比较复杂，大部分都需要用束综提花织机织制，其中技术难度最高的“五星出东方利中国”锦是迄今出土汉锦中密度最高的织锦，因此其技术数据、织物规格和装造方案是探索汉锦工艺的重要参照。

以该锦护臂为代表的尼雅遗址出土纺织品在发掘现场仅做了最低限度的清扫、实测和摄影，后经加固包装，安全运至乌鲁木齐进行室内整理工作，部分文物已在前期的揭展过程中得到了初步保护，但大部分文物尚未做过整体保护。

纺织品文物的数字化保护工作使用了数字化二维扫描设备、三维超景深显微镜、微型光纤光谱仪（氘灯—卤钨灯）等多种先进技术仪器，做到综合性、高保真数字化记录。

工作目标

按照文物保护原则，应用先进可靠的文物保护科技，对纺织品文物进行全面记录和呈现，形成全面、真实、可永久保存并支持持续研究、保护的数字档案。本例即将锦护臂的形状、颜色、编织工艺、病害等信息和彼此关系完整地记录、采集，并系统地“搬”到计算机内科学存储并“高保真”呈现。

采集内容

(1）整体形状与颜色信息采集

使用二维扫描设备对文物整体进行高精度扫描，完成形状与颜色信息的整体记录。技术参数：扫描分辨率≥350DPI。

(2）显微信息采集

使用三维超景深显微镜采集纱线结构、编织结构、微观形貌等信息。技术参数：分别利用30、50、100、1000倍显微影像记录，影像数据格式为DVI(1920×1200像素）或模拟RGB(1600×1200像素）。

(3）代表色信息采集

使用便携式测色仪和微型光纤光谱仪对选取的文物代表色的Lab和光谱信息进行采集。文物表面颜色及其改变，仅凭人眼、照相作定性评价缺乏定量标准，需借助测色仪进行定量评判。所采集到的信息可对数字化成果的色彩还原起到修正作用，并对扫描成果的鉴定提供依据。

(4）染料信息采集

使用微型光纤光谱仪对文物染料的光谱信息进行采集，可为之后清洗和追踪染料种类提供依据。技术参数：75mm焦距光学平台，2048像素CCD探测器，像素尺寸14×200μm。

(5）病害信息采集与绘制

使用数码相机、三维超景深显微镜对文物残缺、破裂、粘连、皱褶、水渍、印绘脱落、饱水、微生物损害、糟朽等病害信息进行病害类型识别；使用色差仪、微型光纤光谱仪对文物晕色、褪色、污染物进行光谱分析。之后，依照三维超景深显微镜对文物表面特征所拍摄和测量的图像与数据，按照国家文物局可移动文物评估标准绘制相关纹样信息。

其中对文物使用二维扫描设备进行整体形状、颜色信息采集，国家目前尚未出台相关标准，而文物形、色还原的准确性，又是关系文物数字化复现真实度以及建立科学标准的关键性基础工作。从一定意义上说，没有标准化就不能实现文物数字化，因此本文予以重点介绍[5]。

要点与难点

由于出土纺织品文物长期埋藏在地下，在不同的地理环境条件下，受到水、腐败生物体、酸碱盐类化学物质的侵蚀，出土时均已出现不同程度老化。此外，纺织品文物出土后在修复、保存、展示过程中受到光照和其他因素的影响，易发生光老化现象，甚至数字化技术路线实施的每一步都有可能发现或丢失对丝织品类文物研究鉴定有价值的东西。因此首先应注意数字化中二维扫描与色彩还原阶段工作的要点与难点。

要点

(1）应选取符合丝织品保护需要的作业场地，同时避免红外光、紫外光以及强可见光、环境色的干扰。

(2）应尽量选用LED光源（冷光源）、扫描速度快的平面扫描设备，以减小光源对有机质地文物的分解破坏和造成其机械强度下降。

难点

LED光源虽然更有利于文物保护工作，但会导致部分颜色显色性较差。如何能尽量接近文物的原真色彩是此项工作的难点。

主流扫描设备技术分析

目前主流的文物二维获取方法可以分为三类，分别是用扫描获取、拍摄（如一次拍摄分辨率不够，则可以多次拍摄后拼接）获取、摄影测量（多图像三维重构与高分辨率纹理自动映射）获取。

基于浙江大学自20世纪90年代以来的文物数字化工作基础以及在标准制定过程中广泛而深入的调研和现场试验，目前浙江大学文物数字化团队对上述技术类型的相关主流设备已经有了深入的了解，其各自优缺点分析如表一所示。

表一不同采集技术路线主流采集方式优缺点分析

通过上述比对可发现，各项技术均有着自身的特色与不足，在进行文物数字化过程中，须将相关技术设备结合作业，以尽可能保证数字化成果质量，提高采集效率。

自主研发便携式纺织品文物扫描设备

针对上述主流扫描设备对纺织品文物扫描的局限性，为实现更安全、高分辨率、更便捷的数字化信息采集，浙江大学自主研发了便携式纺织品文物扫描设备（图一），该设备具体参数如表二所示。

图一浙江大学自主研发便携式纺织品文物扫描设备

表二浙江大学自主研发便携式纺织品文物

扫描设备参数表

自主研发高精度文物数字化颜色校正技术

针对扫描设备的LED光源可能导致丝织品部分颜色失真的问题，浙江大学自主研发了基于文物代表色信息进行空间拟合的高精度颜色校正技术，主要包括以下流程。

1. 代表色的提取、识别、区分、归类

根据丝织品文物图案中包含的颜色情况，选择其中具有代表性且色度均匀的位置利用测色仪提取其Lab值，并记录取色点位置。为了更完整地选择代表色，可基于丝织品文物数字图像计算分析的结果选择适合的取色点。

2. 对照明光源进行光谱分析

文物数字化色彩提取还原技术具有高度的环境相关性。其中对于光源与材质的变化尤为敏感。需要对光源参数做出具体要求，并以文物材质研究作为基础。现标准光源有D50、D65等，通常在数码显示领域使用D65，对标准色卡数据做白平衡处理的目的就是使其靠近D65标准数据。

通过对扫描设备光源做光谱分析可知，由于LED灯通常使用多基色拟合可见光光谱，光谱的连续性可能不佳，因此必须使用特制的D65色温灯作为扫描光源，使其性能更加靠近连续光谱，这样灯的显色性才能更加出色，对于设备数据采集更为有利。

3. 采集D65标准光源下的代表色Lab值

由于标准色卡只提供了24色标准颜色，但文物实际颜色并不靠近上述标准颜色，导致后期处理数据时会出现较大的偏差。因此可以使用便携式测色仪提取数个特定位置的代表色的Lab值，以此作为数据校准标准值，而把标准色卡Lab值作为整体约束性的标准值加以利用。

4. 转换代表色Lab值为RGB值

运用学界公认的色彩转化公式[6]，从Lab色彩空间数据转化为Adobe RGB色彩空间数据。

5. 使用扫描设备采集文物和色卡信息

扫描文物及标准色卡，以Adobe RGB色彩空间的颜色信息作为数据进行保存。

6. 提取扫描数据中的代表色RGB值

在photoshop软件中打开扫描数据，找到代表色提取位置，识别该位置的RGB数据。做到代表色Lab值与代表色RGB值相配对，从而建立起约束关系。

7. 建立色彩空间拟合数学模型

建立代表色的标准数据空间模型，同时建立代表色的扫描数据空间模型，进而使用插值算法建立空间拟合方程式，由扫描值向标准值靠拢。未被提取的点数据，则靠插值计算的方程式进行填充，以达到所有扫描值向标准值靠拢的结果。

二维扫描

对锦护臂的平面扫描包括作业场地选择、设备架设、扫描精度设置、灯光均匀度测试、曝光度测试等工作内容，处理流程如下。

1. 作业场地选择

一切均应以能保障文物安全、保证数据采集的科学性为前提。本项目在作业场地选择方面重点从以下几点进行了考虑。

(1）作业场地温度和湿度必须适宜。

(2）作业场地光线应避免红外光、紫外光以及其他强可见光影响。

(3）尽量避免有害气体影响，避免光对有机质地文物的分解破坏和造成其机械强度下降。

(4）无易燃易爆物品、腐蚀性物品及其他有碍文物安全的物品，并严禁烟火。

(5）场地尽量清洁，无灰尘，无威胁藏品的微生物（主要是细菌和霉菌）。

(6）尽量避免有害动物出现，如毛衣鱼、烟草甲、书虱、短鼻木象等。

(7）作业设备禁止使用文物库房的直流电源。

2. 设备组装

设备组装按照设备使用操作说明进行，在安装时必须保证设备放置保持水平，同时文物放置在便利位置。可根据扫描对象的实际情况灵活调整灯光入射角度。

3. 参数设置

此步骤包括校黑场、测试曝光均匀度、图像清晰度、精度等流程，在此过程中需要注意以下事项。

(1）采集精度符合项目需要。

(2）色卡的选择和拍摄符合要求，即应选用符合项目要求的摄影行业主流色卡。

(3）图像清晰，采集范围满足项目需要。

(4）应等设备开启约20分钟，待光源输出较为稳定时进行上述步骤操作。

4. 数据检查与即时存档

在完成锦护臂的扫描后，应现场在设备中将所采集的原始数据放大至实际像素进行检查（图二），确认采集的范围、图像精度、曝光均匀度等均符合要求后，即时归还文物并做好数据的存档和备份工作，以免出现因突发意外造成的数据损坏或丢失情况。

图二扫描数据现场检查

色彩校正与平差

在获得高精度原始图像数据后，使用浙江大学自主研发的基于特征颜色空间拟合的高精度文物数字化颜色校正软件（ColorManage)进行色彩校正。该软件可使用标准色卡单独校正色彩，也可配合代表色信息进行修正，技术流程如图三所示。

图三色彩校正与平差技术流程图

1. 代表色Lab值提取

本项目中对锦护臂代表色提取由北京联合大学进行，共选取17个采样点（表三），具体取点位置如图四所示。

表三锦护臂典型色取样值

图四锦护臂代表色取点位置示意图

每提取一处代表色后，需将所获取的Lab值输入photoshop的拾色器，对所采集数值形成的颜色以肉眼观察方式与实物进行核实，确认数据合理、有效，若发现有明显偏差，则重新测量。

2. 选取色卡及其参数

选取二维扫描图像中的标准色卡范围，软件将自动读取色卡信息。选择色域、色卡型号、图像采集设备和光源色温后，软件开始计算（图五）。

图五选取色卡及其参数

3. 对扫描数据进行校色

校色软件将RGB色彩空间作为三维空间进行每个像素值的插值校正，使用色卡标准值和17个代表色实测值可分别或共同作为插值校正的特征依据（图六）。

图六加载锦护臂原始数据进行校色

单独使用色卡进行校正，各项数据均好于初始采集数据，但对于特定的几种颜色并不能非常接近实物颜色，如点10、13，并没有完全修正到位（图七）。

图七单独使用色卡校色结果

可进一步使用代表色提高校正水平。由于17个采样点中部分重复，部分数据均匀性不佳，在此采用其中3个代表色Lab值作为试验依据，分别为点10(174,165,146）、13(72,74,85）、15(143,137,124）。使用photoshop拾色器（拾取点平均直径31像素）吸取图像上的3个代表色点位置，之后将Lab信息输入至软件中（图八、九）。可以发现经过3个代表色修正后，10号与13号点位颜色更加接近于真实色彩（图一〇、一一），效果优于无特征色代表的普通修正。

图八3 个代表色进一步修正后结果

图九输入Lab值

图一〇校色结果对比

1.初始数据2.色卡校正3.3个代表色修正

图一一实验数据效果局部放大对比

1.色卡校正2.补充3个代表色修正

目前，“五星出东方利中国”锦护臂数字化采集方法，已应用于本项目所要求采集的全部尼雅纺织品，并取得了良好效果。高精度的二维扫描数据，不仅达到使其现状完整并永久保存的目标，同时还为文物的原真复制、教学研究、宣传展示、病害统计等提供依据。项目组同时还通过三维超景深显微镜、便携式测色仪等设备完成了文物代表色、显微结构、染料、病害等信息的采集，将有助于尼雅纺织品本体的深入观察、研究、保护以及展示利用等工作走向更高水平。