導(dǎo)讀

歷經(jīng)歲月的文物與藝術(shù)品的避免不了失真的遺憾，而高光譜技術(shù)恰巧能夠揭示表象下的深層信息。友思特新品 MUSES 9系列光譜相機(jī)，其高空間分辨率與超寬光譜范圍的優(yōu)勢特征，幫助解密古文物與藝術(shù)品隱藏的歷史真相。

探索文物與字畫的深層信息

藝術(shù)史學(xué)家、博物館館長、鑒定師和修復(fù)師對(duì)顏料、活頁夾、清漆和底圖的鑒定非常關(guān)注。通過評(píng)估藝術(shù)品的結(jié)構(gòu)/構(gòu)圖特征，可以獲取有關(guān)年代、出處、鑒定和保護(hù)行動(dòng)的關(guān)鍵信息，為整個(gè)人類歷史、人文以及藝術(shù)方向提供更多強(qiáng)有力的證據(jù)。揭示豐富的藝術(shù)、文化和歷史信息（通常包含在藝術(shù)作品中）需要各種分析技術(shù)，這些分析技術(shù)在不給文物帶來任何宏觀或潛在危害的前提下, 分析文物的組成和結(jié)構(gòu)、研究文物腐蝕老化的機(jī)理, 獲得與文物產(chǎn)地、制作年代與工藝、存在病害等有關(guān)信息。

在文物研究和修復(fù)保護(hù)中，需要透過表面觀察文物內(nèi)部或表面的影像信息，越來越多的現(xiàn)代工業(yè)手段則被引入文物的觀察環(huán)節(jié)。

多種修復(fù)研究技術(shù)及其局限

X光照相技術(shù)是通過物質(zhì)對(duì)X光吸收的不同, 而顯示出不同黑白對(duì)比的照片，通過對(duì)X光片的分析可以反映文物內(nèi)部的信息, 如破損程度、修復(fù)狀況和文字紋飾等。X光照相技術(shù)應(yīng)用于文物種類較廣且方法操作簡便，無需制樣, 測試結(jié)果清晰易懂。因測試儀器樣品倉的大小局限，大型文物較難進(jìn)行測試。

紅外成像技術(shù)是通過攝取目標(biāo)物體表面的紅外輻射能，并將其轉(zhuǎn)換成形象直觀的熱圖像(灰度圖或彩色圖), 這一圖像可有效反應(yīng)被測物體的狀況。紅外熱成像技術(shù)對(duì)文物保存狀況的分析檢測具有重要意義, 如彩繪泥塑、石窟、土遺址等。紅外成像技術(shù)不隨周圍光照條件的變化而變化, 因此可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的長期測控, 同時(shí)測試無需接觸文物, 使得一些保存狀況較差、不可移動(dòng)文物可以通過此技術(shù)了解其內(nèi)部信息, 但是它無法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的測試。

圖2. 友思特 InGaAs 短波紅外相機(jī)

光學(xué)顯微鏡以可見光作為光源, 在待測物表面形成局部散射或反射而形成不同的對(duì)比, 再經(jīng)凸透鏡將其放大成像, 以提取樣品的微細(xì)結(jié)構(gòu)信息，特別是金相顯微鏡在古代金屬文物制作工藝研究方面具有重要的使用價(jià)值。

當(dāng)然，還有CT技術(shù)、X射線熒光光譜分析等技術(shù)方案，可以對(duì)外觀、以及化學(xué)成分組成、微觀形貌等做更多檢測。然而，所有這些儀器/技術(shù)都還需要更多發(fā)展，比如需要能夠現(xiàn)場應(yīng)用（壁畫等藝術(shù)品無法轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室），盡可能減少對(duì)操作人員和藝術(shù)品的破壞性，以及減少所涉及的高人工消耗。

友思特光譜成像技術(shù)：MUSES9相機(jī)系統(tǒng)

光譜成像技術(shù)是以物體對(duì)不同波長光線的吸收存在差異為原理, 將光譜分析技術(shù)與光學(xué)成像技術(shù)完美結(jié)合而成的新型成像技術(shù), 它不僅可以實(shí)現(xiàn)光譜分析技術(shù)的定性定量分析功能, 還可以通過光學(xué)成像技術(shù), 獲取更準(zhǔn)確直觀的目標(biāo)物體分布圖, 為分析、 監(jiān)控、 測量等應(yīng)用提供更為精準(zhǔn)的資料信息。

圖3. 光譜成像技術(shù)

光譜成像技術(shù)不僅可以獲取文物的目標(biāo)物體分布圖, 還可以對(duì)文物進(jìn)行定性定量分析檢測, 實(shí)現(xiàn)了影像分析和化學(xué)組成分析的雙結(jié)合。另外，目前很多光譜成像產(chǎn)品也有推出在線操作的手持版本，更有利于考古現(xiàn)場的應(yīng)用。

友思特 MUSES9 相機(jī)系統(tǒng)在一個(gè)可現(xiàn)場部署的光譜相機(jī)系統(tǒng)中集成并全面推進(jìn)了一長串成像和光譜儀器和技術(shù)。

圖4. 友思特 MUSES9 相機(jī)系列

MUSES9 相機(jī)系列將多種成像和分析技術(shù)集成到一臺(tái)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的便攜式相機(jī)中，大大提高了診斷和記錄功能。

在這之中，MUSE9-SnS 帶有集成照明系統(tǒng)，與平板電腦連接。平板電腦安裝在可穿戴支架上，相機(jī)由 PC 的電池供電，支持4小時(shí)自主操作。

通過在從 UV 到 IR 的超寬光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光譜成像，MUSE9 系列光譜相機(jī)實(shí)現(xiàn)了不可見特征的實(shí)時(shí)可視化。基于嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)算法，還可以實(shí)現(xiàn)更多材料識(shí)別和光譜/成分特征可視化。光譜相機(jī)是在線實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)/修復(fù)任務(wù)的寶貴工具，通過早期發(fā)現(xiàn)無形的惡化和減少侵入性診斷干預(yù)，為保護(hù)我們的文化遺產(chǎn)做出突出貢獻(xiàn)。

應(yīng)用案例

MUSES9 光譜相機(jī)的8項(xiàng)功能以及在考古領(lǐng)域的具體應(yīng)用案例：

1.成像光譜儀

二維光譜、基于光譜學(xué)的驗(yàn)證、檢測已刪除或被顏料覆蓋的手稿。

圖5. 使用 MUSES9-HS對(duì) El Greco 繪畫進(jìn)行光譜分析 圖6. 使用 MUSES9-HS對(duì)繪畫進(jìn)行光譜分析

2.近紅外攝像頭

用于底圖、裂縫、Pentimenti 等的成像、材料標(biāo)識(shí)。

3.拓展到1700nm的紅外范圍

更深底圖的成像、壁畫分析。

圖7. Muses-MS紅外圖像還原被毀壞的拜占庭圖像 圖8. MUSES9-HS 揭示了看不見的舊字體（底部水平處）：“Porphyrogennetus”

4.偽彩色紅外攝像機(jī)

用于融合可見光-紅外成像、區(qū)分顏色相似但成分不同的顏料。

5.成像比色法

確保原始顏料和修復(fù)顏料之間的顏色匹配、校準(zhǔn)的彩色攝影，用于準(zhǔn)確記錄。

6.紫外線反射相機(jī)

用于可視化表面特征、粗糙度、畫筆筆觸等、識(shí)別清漆和其他涂層、涂層去除的在線控制。

7.紫外熒光相機(jī)

用于結(jié)合介質(zhì)、涂層等的成像、檢測修飾、保護(hù)干預(yù)、評(píng)估藝術(shù)品的自然狀況。

圖9.?熒光成像結(jié)合了埃爾·格列柯 （El Greco） 的阿西西圣弗朗西斯 （St Francis of Assisi） 的光譜圖像，揭示了無形的保護(hù)干預(yù)措施

8.機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的光譜成像

λambda3+機(jī)器學(xué)習(xí)/基于 AI 的軟件平臺(tái)、將高光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合成圖、可訓(xùn)練以檢測/識(shí)別結(jié)構(gòu)特征、圖像分析工具。

友思特 Muses9 光譜相機(jī)系列

MUSES9-HS

MUSES9-HS 是一款基于全幀可調(diào)濾光片的高光譜相機(jī)，提供卓越的光通量 (94%) 和調(diào)諧范圍 (370-1000nm)。在幾十秒內(nèi)，MUSE9-HS 會(huì)自動(dòng)采集一個(gè)超立方體圖像堆棧，其中包含多達(dá) 126 張（可擴(kuò)展至 315 張）清晰聚焦的 640 萬像素光譜圖像，總共包含 640 萬個(gè)光譜。

MUSES9-MS

MUSES9-MS 光譜相機(jī)滿足了結(jié)合 UV-VIS-NIR-SWIR 的超寬光譜信息，是一款一體式的雙傳感器光譜相機(jī)，可在 365-1700nm 光譜范圍內(nèi)運(yùn)行。它有效地滿足了對(duì)集成、體積、重量和低價(jià)的需求，從而能夠?qū)λ@的信息豐富的數(shù)據(jù)集直接進(jìn)行比較分析。

MUSES9-SnS

MUSES9-SnS 是一款 6.4MP 快照、手持式、平板電腦操作的光譜成像儀，波長范圍為 370-1000nm。具備 3096×2080 像素的超高空間分辨率，同時(shí)并排顯示多達(dá) 24 個(gè)光譜圖像、光譜分類和植被指數(shù)圖，全部以視頻刷新率顯示。支持漫反射和熒光成像，并適應(yīng)戶外操作環(huán)境。SnS 包含手持式、臺(tái)式、以及適合無人機(jī)集成版本。

λambda3+軟件

λambda3+軟件套件是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，利用所有 MUSES9 產(chǎn)品變體生成的多/高光譜數(shù)據(jù)。該平臺(tái)支持通過可定制的訓(xùn)練樣本進(jìn)行光譜標(biāo)記，從而在目標(biāo)對(duì)象中生成光譜和材料識(shí)別圖。

【參考文獻(xiàn)】

Costas Balas: Stripping paintings of their secrets with hyperspectral imaging in research outreach, physical sciences 2019.

Costas Balas et al “Hyperspectral Imaging and Spectral Classification for Pigment Identification and Mapping in Paintings by El Greco and his Workshop”Journal of Multimedia Tools and Applications to appear 2018.

G. Chiari: saving artin situ, NATURE Vol 453|8 May 2008.

Costas Balas et al “A Novel Hyper-Spectral Imaging Apparatus for the Non-Destructive Analysis of Objects of Artistic and Historic Value” Journal of Cultural Heritage 4 (2003) 330s-337s.

C. Balas, G. Epitropou, C. Pappas: “Multi/Hyper-Spectral Imaging” in Handbook of Biomedical Optics, Taylor&Francis Books, Inc, USA, 2011.

E. Shank and C. Balas “The MuSIS 2007 and its Applications to the Throne Room Fresco at Knossos” in METRON-Measuring the Aegean Bronze AGE Eds Foster and Laffineur, Yale, USA, 2003.

LING Xue, WU Meng-lei, LIAO Yuan, ZHOU Yi-chen. Nondestructive Techniques in the Research and Preservation of Cultural Relics[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(7): 2026-2031.

了解更多？歡迎訪問更多案例：高光譜相機(jī) | 高空間分辨率 | 中心波段連續(xù)可調(diào) | 近紅外高光譜成像 | 友思特 機(jī)器視覺 光電檢測

審核編輯 黃宇