文物检测分析中基于摄影技术的几种方法
作 者 简 介
王 方
光谱范围和成像设备
https://colourlex.com/project/multispectral-imaging/
20世纪60年代，随着遥感技术的发展，在航空领域开始出现了4个波段以上的滤镜滤波多光谱成像技术。随后，在20世纪与21世纪之交，又出现了调谐滤波的高光谱成像技术。这两项技术也在21世纪之初进入了文物保护领域，被用作文物检测分析技术。
二 几种检测技术介绍及优劣对比
"Carlos II con armadura" de Carreño de Miranda y radiografía de la obra. Museo Nacional del Prado
https://www.museodelprado.es/actualidad/noticia/el-museo-nacional-del-prado-descubre-algunas-de/60c1e0dc-04ef-7737-0a18-dc81e420cb43
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X射线照相的缺点是无法获得深度分辨信息。当一幅画上同时叠压两层或两层以上绘画层时，X射线图像会变得不易解读，需与其他成像技术（如UVF和IR）配合使用； -
X射线照相要依靠轻元素与重元素的反差，因此调和成的混合颜料与颜料层薄厚变化会增加X射线照相的解读复杂性。 -
X射线照相无法实现元素的精确定性； -
X射线穿透深度有限，X射线照相仅适于可移动文物或独立式雕塑文物等能够被射线穿透的对象，难以应用于洞窟壁画、摩崖石刻等类型的文物。
用于多波段成像的改装数码单反相机和滤光片
优势：
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多波段技术摄影中的所有技术都在20世纪进入了文物保护领域，其中可见光照相技术应用历史最久，也是文物档案编制中的标准化固件。紫外荧光检查技术和红外照相与红外反射照相也是文物保护前期调查的标准化检测方法，都是文物保护修复人员最为熟悉和常用的技术，教学培训也最为成熟；
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紫外荧光照相（UVF）和红外假彩色（IRFC）能以肉眼可辨识的方式呈现颜料在可见光段无法呈现的色彩，可帮助保护人员提升视觉分辨颜料品种的能力，可为颜料和光油成分的进一步分析提供预判和指导，避免过度取样对文物的损害与不适合的实验室分析造成的浪费；
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多波段技术摄影具有设备成本与时间成本低的优点，可直接取代传统文物保护流程中病害调查初期的档案照相步骤，同时完成档案照相的采集和预诊断； -
在数字摄影时代，成像的空间分辨率也有了快速的发展，可以方便地记录丰富的图像细节，适用于大幅面绘画文物或立体文物的成像。由于这几种技术可以使用成本较低的商用单反相机成像元件（CCD、CMOS），在成像分辨率方面有着极大的优势。尤其是红外照相和红外反射成像，一直是绘画作品素描底稿提取的不可替代性技术； -
多波段技术摄影的图像数量很有限，尽管单图文件较大，但数据总量对存储设备与处理系统的压力较小，可一并纳入文物保护档案的照相档案部分，标准化程度也最高。与其他补充检测技术（便携XRF、MA-XRF、便携FTIR、便携RAMAN）组合，可形成效力更强的预诊断技术组合，可有效分辨文物对象中的有机材料和无机材料，并对多种颜料粉与黏结剂做出定性分析；
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多波段技术摄影尽管可以帮助使用者提升对颜料与光油材料品种的分辨能力，但难以生成可靠的反射光谱，无法作为定性分析依据，只能作为预诊断手段使用。
高光谱和颜料映射
来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.6b00048
优势：
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高光谱成像技术可以生成光谱分辨率极高（与FORS光谱分辨率相当）的反射光谱；
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高光谱成像技术使用的感光元件可分辨的光谱谱段高于普通数码相机CCD，在颜料粉、有机黏结剂和污染物等材料的辨识上展现了强大的能力。结合图像立方中的反射光谱，通过算法拟合，可以对画面上不同种类材料形成映射（mapping），表征各种材料的分布。采用这项技术作为预诊断方法，可以为后续的材料定性分析提供强大的指导。
局限性：
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高光谱成像采用的感光元件专用性较强，难以实现单图大面积高分辨率成像；
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市场现售的数码单反相机或数字后背分辨率已经可以达到上亿像素级别，而高光谱成像设备的现有感光元件分辨率仍在十万级上下，采集同等分辨率的大幅图像需要超大量的拼图工作，对图像处理设备压力较大；
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高光谱成像技术采集生成的图像立方数据量大，对存储设备和运算设备的压力较大；
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高光谱成像的设备成本较高，且易用性较低，尚未成为文物保护修复人员的常用技术，尤其不适合人员与经费不充足的保护单位。
优势：
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多光谱成像技术生成的低分辨率反射光谱，可在1000nm以下谱段有效分辨种类繁多的颜料粉（可与各种颜料粉的FORS光谱拟合），对于绘画类文物颜料粉品种的分辨具有充分的效力；
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多光谱成像技术利用算法也可以有效生成对颜料粉空间分布的映射；
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多光谱成像技术可采用数码单反相机的机身或数码后背作为成像设备，可利用这类设备空间分辨率高的优势，一次性采集大幅面高分辨率的图像，尤其适用于大幅面绘画类文物。在采用数码单反相机或数码后背作为成像设备的情况下，多光谱成像的采集可与多波段技术摄影整合为一个步骤，纳入文物保护前期调查的预诊断流程；
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这项技术采集的图像数量有限，生成的数据量较小（与多波段技术摄影的数据量在同一量级），对存储与处理设备压力较小；
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多光谱成像设备成本较低，易用性较强，对于人员与经费不充足的保护单位是高光谱成像的良好替代性技术。
局限性：
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多光谱成像的光谱分辨率较低，而树脂、干性油、胶等类型的有机物难以利用低分辨率反射光谱有效分辨。因此多光谱技术的分析能力通常局限于颜料粉的种类辨识与空间分布映射。如需表征有机黏结剂、光油及有机污染物，还需配合其他的补充技术，如1000~2500nm谱段的高光谱成像、FTIR、RAMAN、GC-MS等技术进行这类材料的表征；
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对于颜料调和复杂、叠层复杂的油画作品（尤其是采用现代厂制合成颜料的现当代绘画作品），高光谱技术采集的反射光谱拆分难度很高，人工建模难以有效分析必要信息。现在欧美国家已经开始尝试采用AI技术作为补充，进行辅助建模分析，并尝试形成可行的技术方案。
5 多波段技术摄影、多光谱成像与高光谱成像技术的性能比较
这三种技术目前都是文物保护领域常用的原位无损检测分析技术。综合上文的阐述，可对三种技术的性能进行如下比较：
尽管这三种技术都是基于材料光学性能（物理性能）的分析，都不能单独用作定性分析手段，必须与其他补充检测技术（定性、定量分析）综合应用。但作为先导诊断技术，有着宏观成像的优势，可以为后续的检测分析提供有效的指导，其中多波段技术摄影和多光谱成像的更加实用，适合普及。
结合我国当前的文物保护实践，对于油画、写本彩绘、唐卡、古代书画、古代壁画等绘画类文物的检测分析，有如下建议：
1，档案照相本身已是档案编制工作的固定要件，可在档案照相采集阶段直接补充紫外荧光照相与红外照相，在最大限度节约时间成本的情况下取得一定的预诊断结果，对多种颜料的性质或品种形成预判，为后续分析提供指导。档案照相中可见光与紫外荧光、红外采集标准与技术流程，可参照美国AIC颁布的《文物档案照相指南第3版》标准，也可以报名参加安川修復组织的有关培训；
2，对于大幅面绘画作品，如需表征包括颜料粉、有机黏结剂、光油、污染物在内的所有材料，可利用成本较低的多光谱成像技术快速采集高分辨率图像并进行颜料粉种类分辨、空间分布映射。再有针对性地对有限区域进行高光谱成像采集，表征有机黏结剂、光油、污染物等需要利用高谱段高分辨率反射光谱分辨的材料，或采用便携FTIR技术作为高光谱成像的补充技术，对这些有机材料进行定性分析；
3，绘画类文物检测分析的主要对象是起呈色作用的颜料粉。大部分颜料粉反射光谱的重点特征谱段都在1000nm以下，且曲线较平滑，并不需要过高的光谱分辨率；
4，绘画设色复杂度较低，通常使用种类有限的天然颜料或传统人工合成颜料，颜料混合复杂度低，颜料层叠压复杂程度低，可通过人工建模有效拆分各个品种的颜料与黏结剂，形成对材料空间分布的映射。
