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我國(guó)是有著五千年古老文明的國(guó)家，在悠久的歷史長(zhǎng)河中人們將這些文化文明保留在了大量的字畫、壁畫當(dāng)中，并向當(dāng)代及后世展示了它的美麗與價(jià)值。在這些豐富的字畫和壁畫當(dāng)中，五顏六色的色彩是人們賦予自己想象空間和大膽創(chuàng)造的素材，通過使用不同的顏料、不同的技法將這種彩色空間表現(xiàn)的淋漓盡致。如果說繪畫主題是一幅幅字畫和壁畫的精神來源，那么豐富的顏料就是一幅幅字畫和壁畫強(qiáng)有力的物質(zhì)支撐。對(duì)古代顏料的研究與鑒定，就是一個(gè)研究古代文明發(fā)展的過程，不同朝代、不同地區(qū)顏料的使用是緊密聯(lián)系并且不斷向前發(fā)展的，從顏料的物質(zhì)鑒定可以繼而推斷出文物的年代，從不同文物之間顏料的使用與變化進(jìn)而推斷朝代的更替以及地區(qū)的發(fā)展。
本文使用高光譜成像技術(shù)對(duì)古代的顏料進(jìn)行無損鑒定研究，使用高光譜照相機(jī)采集字畫和壁畫數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和光譜匹配的技術(shù)對(duì)顏料進(jìn)行無損鑒定。
本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FS13進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。
基于顏料反射光譜法對(duì)文物鑒定的可行性要從壁畫及字畫的顏料層的微觀結(jié)構(gòu)下圖說起，壁畫、字畫的顏料層都是由顆粒物(顏料)、粘合劑和添加材料組成。粘合劑的作用是將顆粒物膠結(jié)在一起，提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，添加材料用于改善物質(zhì)的表現(xiàn)性質(zhì)和工作性質(zhì)。
而文物經(jīng)過歲月的洗禮，長(zhǎng)時(shí)間的暴露在空氣中，顏料層中的粘合劑已經(jīng)逐漸被劣化和氧化,所以對(duì)文物的顏料層的數(shù)據(jù)采集可以近似的歸結(jié)為單單針對(duì)顆粒物(顏料)的采集，所以基于反射光譜法對(duì)顏料的鑒定就自然去除了粘合劑對(duì)顏料光譜的影響，從而可以通過從實(shí)驗(yàn)室中建立標(biāo)準(zhǔn)的顏料光譜庫(kù)來對(duì)文物顏料光譜進(jìn)行比較，從而得到鑒定的結(jié)果。
使用光譜反射率對(duì)顏料進(jìn)行鑒定的一種比較繁雜但是絕對(duì)有效的途徑是建立大型的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，光譜庫(kù)中不但要有純凈顏料的光譜數(shù)據(jù)，還要有用不同種顏料混合的光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)還要要考慮膠、礬對(duì)顏料層的影響，所以要采集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是僅僅這樣還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楣糯奈锉砻娴念伭蠈映煞謴?fù)雜，不光有顏料、還有已經(jīng)氧化的膠，而在經(jīng)久失修的廟宇壁畫和地下墓室壁畫中顏料層還會(huì)有其他灰塵，細(xì)菌腐蝕后的遺留物質(zhì)，這些在文物表面是極為常見的，由于這些多元因素的復(fù)雜多變性，造成了要構(gòu)建完善完整的顏料光譜庫(kù)并非一日之功，而需要常年累月的補(bǔ)充與完善。幸運(yùn)的是本人在研究一幅明代字畫的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)字畫上比較純凈的礦物顏料的光譜匹配結(jié)果很好，所以本文研究的設(shè)想與重點(diǎn)是對(duì)純凈顏料的光譜進(jìn)行研究。現(xiàn)將這幅明代字畫局部圖與光譜匹配結(jié)果列出如下:
高光譜照相機(jī)最后采集的數(shù)據(jù)又叫做高光譜圖像立方體,它是由不同波段的圖像構(gòu)成，箭頭指向的方向是它的波段方向，從可見光波段到近紅外波段，數(shù)據(jù)就是由這樣同一區(qū)域不同波段的幾十或者幾千張圖像疊加在一起構(gòu)成的。通過高光譜圖像數(shù)據(jù)可以獲得任意顏料的光譜曲線，然后通過任意顏料的光譜曲線可以利用分類算法得到該種目標(biāo)物質(zhì)在空間的分布。我們分別在圖像中不同顏料處選取像素點(diǎn)，即可獲得該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜曲線,我們從中選取了金色對(duì)應(yīng)的光譜曲線，然后使用光譜角填圖算法，設(shè)置匹配相似度閾值為0.1,即可得到金色顏料在圖像空間的分布。
儀器噪聲的影響
在實(shí)際儀器采集數(shù)據(jù)的過程中，由于采集的數(shù)據(jù)很多，不可能采集一幅圖像就要拍攝一幅對(duì)應(yīng)的暗電流文件，研究?jī)x器噪聲的變化規(guī)律有助于在項(xiàng)目采集過程中合理的分配采集暗電流數(shù)據(jù)的時(shí)間，這樣在保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省采集時(shí)間提高了工作效率。
實(shí)驗(yàn)方案為：將相機(jī)安置在室內(nèi)，模擬室外采集環(huán)境拍攝暗電流數(shù)據(jù)，將鏡頭蓋嚴(yán)格的蓋住相機(jī)的鏡頭。每間隔一段時(shí)采集一次暗電流數(shù)據(jù)。暗電流時(shí)間采集設(shè)置方案如下表:
對(duì)采集完的暗電流數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理，依次用第一次的暗電流減去其他時(shí)刻的暗電流，并統(tǒng)計(jì)相減后數(shù)據(jù)每個(gè)波段(400nm-1000nm)的平均值，然后將每個(gè)波段的平局值繪成一條曲線，觀察不同波段暗電流的變化情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，相減后的暗電流數(shù)據(jù)每個(gè)波段(400nm-1000nm)的平均值幾乎為0,最大浮動(dòng)不超過0.4,這說明不同時(shí)間段暗電流的變化幾乎為零，幾乎不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的改變有直接影響。
實(shí)驗(yàn)啟示：高光譜照相機(jī)VNIR400H工作性能穩(wěn)定，暗電流的變化不大，保持在穩(wěn)定的數(shù)值上，不用過多考慮儀器的噪聲數(shù)據(jù)影響，可以在間隔不過長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(一個(gè)采集區(qū)域)拍攝1~2次即可。
小結(jié)
本章通過對(duì)影響高光譜相機(jī)數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行控制與實(shí)驗(yàn)，目的是為了獲得準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光照和儀器的暗電流對(duì)數(shù)據(jù)的影響并不大，焦距對(duì)校正后數(shù)據(jù)像素的反射光譜幾乎沒有影響，而曝光時(shí)間則對(duì)光譜數(shù)據(jù)的形成會(huì)產(chǎn)生一定的影響，通過一系列的實(shí)驗(yàn)，對(duì)儀器的性能有了更好的了解，這也為之后的數(shù)據(jù)采集和建立顏料光譜庫(kù)提供了有力的保障。
