高光譜技術(shù)在古建筑壁畫(huà)保護(hù)中的應(yīng)用

高光譜技術(shù)在古建筑壁畫(huà)保護(hù)中的應(yīng)用

一、測(cè)試原理及方法：

 高光譜成像技術(shù)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，其最突出的應(yīng)用是遙感探測(cè)領(lǐng)域，并在越來(lái)越多的民用領(lǐng)域有著更大的應(yīng)用前景。它集中了光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，是傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起的一門(mén)新興技術(shù)。

 高光譜成像技術(shù)的定義是在多光譜成像的基礎(chǔ)上，在從紫外到近紅外（200 -2500nm）的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀，在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光譜波段對(duì)目標(biāo)物體連續(xù)成像。在獲得物體空間特征成像的同時(shí)，也獲得了被測(cè)物體的光譜信息。

目標(biāo)物體-成像物鏡-入射狹縫-準(zhǔn)直透鏡-PGP-聚焦透鏡-CCD棱鏡-光柵-棱鏡：PGP

圖1 成像原理圖

光譜儀的光譜分辨率由狹縫的寬度和光學(xué)光譜儀產(chǎn)生的線(xiàn)性色散確定。最小光譜分辨率是由光學(xué)系統(tǒng)的成像性能確定的（點(diǎn)擴(kuò)展大?。?/span>

成像過(guò)程為：每次成一條線(xiàn)上的像后（X方向），在檢測(cè)系統(tǒng)輸送帶前進(jìn)的過(guò)程中，排列的探測(cè)器掃出一條帶狀軌跡從而完成縱向掃描（Y方向）。綜合橫縱掃描信息就可以得到樣品的三維高光譜圖像數(shù)據(jù)。

圖2 像立方體

圖3  Gaia Field高光譜成像儀

高光譜儀配置：鏡頭：22mm鍍膜消色差鏡頭；光譜范圍：400nm-1000nm，光譜分辨率: 4nm@435.8nm（@400-1000nm），像面尺寸（光譜x空間）：6.15 x 14.2 mm，相對(duì)孔徑：F/2.4，狹縫長(zhǎng)度14.2 mm. 內(nèi)置控制、掃描機(jī)構(gòu)；內(nèi)置電池；

SpecView軟件：控制完成自動(dòng)曝光、自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)掃描速度匹配；數(shù)據(jù)處理：黑白、輻射度、均勻性、鏡頭等校準(zhǔn)；光譜查看。

GaiaField便攜式高光譜系統(tǒng)是雙利合譜自行研制的超便攜式高光譜成像儀器。它的核心由三部分構(gòu)成，分別是：多維運(yùn)動(dòng)控制器，光譜相機(jī)和成像光譜儀。使用此系統(tǒng)進(jìn)行掃描，在獲得目標(biāo)影像信息的基礎(chǔ)上，還可以獲得數(shù)百甚至上千波段的光譜信息。

GaiaField系統(tǒng)有著輕便靈活，續(xù)航能力出色的特點(diǎn)。廣泛適用于，目標(biāo)識(shí)別、偽裝與反偽裝等軍事領(lǐng)域，地面物體與水體遙測(cè)、現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，以及刑偵、文物保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

覆蓋可見(jiàn)光與近紅外全波段可提供超過(guò)700個(gè)光譜通道，可自由選擇GaiaField便攜式高光譜系統(tǒng)采用了高分辨率的成像光譜儀。在可見(jiàn)光波段，光譜分辨率高達(dá)3nm，即使在短波紅外波段也能達(dá)到10nm。因而全波段內(nèi)可以獲得超過(guò)700個(gè)的光譜通道，更多的光譜通道意味著更多的信息，有助于研究人員通過(guò)對(duì)連續(xù)光譜的分析、反演，獲得更多的高價(jià)值數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

圖4  高光譜成像儀采集的影像效果圖

獨(dú)有的軟硬件功能：

輔助攝像頭功能

通過(guò)輔助攝像頭觀(guān)察目標(biāo)拍攝區(qū)域

當(dāng)前狹縫位置指示

選擇自動(dòng)曝光與自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域，直觀(guān)方便，僅需鼠標(biāo)即可完成操作。

圖 5  輔助攝像頭觀(guān)察目標(biāo)拍攝區(qū)域

自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)曝光：

自動(dòng)曝光：根據(jù)當(dāng)前光照環(huán)境，進(jìn)行曝光測(cè)試，獲得精準(zhǔn)的曝光時(shí)間。在得到最佳信噪比的同時(shí)，又可避免過(guò)度曝光造成數(shù)據(jù)作廢。同時(shí)軟件具有實(shí)時(shí)過(guò)度曝光監(jiān)視功能。

自動(dòng)掃描速度匹配：根據(jù)當(dāng)前的曝光時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試拍攝，得到實(shí)時(shí)幀速，進(jìn)而計(jì)算出合適的掃描速度。從而避免了掃描圖像的變形（拉伸或壓縮）。

圖6  采集數(shù)據(jù)自動(dòng)曝光、速度匹配

二、數(shù)據(jù)分析：

目前的分析方法有如下幾種：化學(xué)分析法、發(fā)射光譜法、電子探針、X射線(xiàn)熒光法、紫外-可見(jiàn)光譜法、紅外光譜法、色譜法等等。按照具體分析內(nèi)容可以歸納為：成分分析、結(jié)構(gòu)分析、顯微分析，而這寫(xiě)方法可以用于了解古代壁畫(huà)所使用的礦物顏料種類(lèi)和成分。本次測(cè)試是利用我司（江蘇雙利合譜科技有限公司）的GaiaField（光譜范圍400 nm - 1000 nm）高光譜成像儀采集測(cè)試對(duì)象（西藏乃東縣昌珠寺寺廟內(nèi)部分壁畫(huà)）的高光譜數(shù)據(jù)。通過(guò)光譜分析的方法來(lái)對(duì)壁畫(huà)的所面臨的問(wèn)題進(jìn)行研究和剖析。壁畫(huà)所使用的顏料礦物具有色彩鮮艷、潔凈，可保持千年而不褪色的特點(diǎn)。由于這些顏料礦物是在一定的地質(zhì)環(huán)境下形成的，并具有較穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)。因此用這些礦物顏料所繪制的各種畫(huà)，其顏色能保持經(jīng)久不變。

圖7 昌珠寺寺廟

以下圖片是寺廟內(nèi)部分損壞的壁畫(huà)，由于各種原因目前此房間內(nèi)的壁畫(huà)損壞較為嚴(yán)重，具體表現(xiàn)有顏料脫落、有的褪色等等。

圖8 部分損壞壁畫(huà)

2  古代壁畫(huà)使用的礦物顏料

以顏料的色彩區(qū)分，可分為紅、藍(lán)、綠、黑、白、黃、金等幾大類(lèi)。我國(guó)古代壁畫(huà)所使用的礦物顏料有以下幾類(lèi)：

（1） 紅色礦物顏料： 古代壁畫(huà)中最常用的礦物紅色顏料有土紅、鉛丹、朱砂、雄黃四種。

（2）藍(lán)色礦物顏料：古代壁畫(huà)中最常用的藍(lán)色礦物顏料是石青，即藍(lán)銅礦[2CuCO3·Cu（OH）2]，呈藍(lán)色，又名石青、大青。

（3） 綠色礦物顏料：古代壁畫(huà)中最常用的礦物綠色顏料有石綠、銅綠、綠銅礦等。

（4） 黑色顏料： 古代壁畫(huà)中最常用的礦物黑色顏料就是鐵黑，化學(xué)成分為Fe3O4。墨是歷代壁畫(huà)中較為常見(jiàn)的一種黑色顏料，有松煙墨、油煙墨、漆煙墨。

（5） 白色礦物顏料： 古代壁畫(huà)中最常用的礦物白色顏料種類(lèi)較多，常用的有滑石、白堊、高嶺土、石英、云母、石膏等。

圖9 損壞的壁畫(huà)

   選取一部分損壞的壁畫(huà)作為數(shù)據(jù)處理和分析的研究對(duì)象，對(duì)原始高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率校準(zhǔn)之后，再對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行MNF（最小噪聲分離）變化，這樣圖像的主要信息集中在前面幾個(gè)波段中，主要是為了判斷圖像數(shù)據(jù)維數(shù)、分離數(shù)據(jù)中的噪聲，減少后處理中的計(jì)算量。

圖10 經(jīng)過(guò)MNF變換后的圖像

圖11 選取不同的研究區(qū)域

   選取的6個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的平均特征光譜曲線(xiàn)如下圖所示，1#是標(biāo)準(zhǔn)反射白板的光譜曲線(xiàn)，其反射率接近1；2#、3#、4#、5#、6#號(hào)區(qū)域的特征光譜曲線(xiàn)反應(yīng)了壁畫(huà)材料的屬性，

圖 特征光譜

高光譜技術(shù)在古建筑壁畫(huà)保護(hù)中的技術(shù)應(yīng)用，可以從光譜分析的角度來(lái)衡量，

在壁畫(huà)上不同的部位從直觀(guān)上表現(xiàn)出不同的顏色，而利用高光譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析后可以看到壁畫(huà)上不同部位的屬性表現(xiàn)的不一樣。在經(jīng)過(guò)算法處理之后，可以精確的確定不同部位的材料性質(zhì)，同時(shí)，可以確定材料的所在位置分布，為后續(xù)的修補(bǔ)工作進(jìn)行精準(zhǔn)定位。例如，圖像中畫(huà)像中人物頭像是利用不同屬性的顏料繪制的，

圖 RGB圖像

圖 PC1