本文要點：目前，古畫的無損檢測主要依賴于光譜分析技術(shù)。在短波紅外（Shortwave Infrared，SWIR），即近紅外二區(qū)（NIR-II）頻段上的高光譜成像技術(shù)可以準確地提取畫作的顏料成分、修改痕跡及繪畫方式等深層信息。這些信息在研究古代繪畫和其他文物保護及修復(fù)方面具有重要的科學和實用價值。本文利用SWIR地面成像光譜儀提取了一幅清朝畫作的工筆線條，鑒定出畫作使用的礦物顏料種類以及涂改覆蓋痕跡。

過去很長一段時間里，多光譜和高光譜分析技術(shù)（Multispectral and hyperspectral analysis technology）主要用于遙感領(lǐng)域的研究，但近來學者意識到了它在文物研究中的應(yīng)用價值。本文以清朝的《崇慶皇太后八旬萬壽圖》（圖1）為例，展示了短波紅外（1000-2500 nm）光譜的文物分析價值。

圖 1 《崇慶皇太后八旬萬壽圖》（No. Gu-6541）

作者在研究中使用了短波紅外地面成像光譜系統(tǒng)（圖2）。掃描得到的高光譜成像數(shù)據(jù)是一幅原始數(shù)字(digital number，DN)圖像，可以轉(zhuǎn)換成輻射圖像。但是因為光照取決于一天中的時間和天氣，該圖像不能直接用于光譜分析，需要進行反射率校正。對于朗伯曲面，作為近似值的輻射L(λ)是物體反射率R(λ)和圖像采集期間光照E(λ)的乘積。

圖 2 （a）SWIR成像光譜系統(tǒng)照片（b）成像原理示意圖

反射率R通過在成像光譜儀的視場內(nèi)放置了一個校準的朗伯擴散器白板獲得。在固定光照（E）條件下：

光譜角制圖(Spectral angle mapper，SAM)是一種基于光譜曲線整體相似性的算法，常用于高光譜數(shù)據(jù)處理。通過計算光譜和參考光譜之間的角度θ確定二者關(guān)系。兩個光譜之間的角度越小，相似度越高。

首先，作者每間隔200 nm提取了8組SWIR成像光譜數(shù)據(jù)（圖3）。從各波段圖像中可以看出，隨著波長的增加，人物衣服的顏色由暗向亮過渡。在1600 - 2400nm波長處，衣服的顏色的變化不再明顯，但男子胸前的圖案、帽子的頂部和凳子的下緣顯現(xiàn)出來。這說明SWIR成像光譜數(shù)據(jù)可以很好地提取工筆畫線稿。

圖 3 不同波長的短波紅外成像數(shù)據(jù)(波長越長線繪制越明顯)。(a)1002 nm;(b) 1202 nm;(c) 1403 nm;(d) 1604 nm;(e) 1804 nm;(f) 2005 nm;(g) 2205 nm;(h) 2406 nm。

然后，作者鑒定了畫作的顏料成分。這里將便攜式地物光譜儀(型號PSR-3500, Spectral Evolution, Lawrence, MA)測定的藍銅礦與孔雀石綠顏料的SWIR曲線作為參考標準，與SWIR成像譜圖結(jié)果進行對比（圖4）。圖4a顯示在藍銅礦的特征吸收峰2282 nm和2351 nm位置，兩條曲線擬合得很好。因此，畫作中衣服的藍色顏料可以鑒別為藍銅礦。同理，在孔雀石綠特征吸收位置2270 nm和2362 nm處，SWIR成像譜圖與參考譜圖相吻合。

圖 4 SWIR成像光譜(實線)與PSR-3500(虛線)光譜比較。(一)藍銅礦;(b)孔雀石綠。

接下來，作者根據(jù)圖4中確定的顏料，采用SAM與監(jiān)督分類對畫中使用的顏料進行批量提取。圖5d顯示藍銅礦繪制得到衣服深藍色部分、凳子的底部、右上角的色帶部分都被準確提取。同時，畫的背景（圖5f）也用SAM提取出來。結(jié)果顯示，人物的墻壁和臉都是用同樣的顏料上色的。

圖 6 提取修改痕跡。(a) 453 nm圖像;(b) 980 nm圖像;(c) 1302 nm圖像;(d) 690 nm、514 nm和453 nm圖像對應(yīng)的偽彩色合成圖像，修正標記明顯;(e) PCA2形象;(f) PCA3的形象。(e)和(f)是第二和第三主分量的圖像。

綜上所述，SWIR成像光譜數(shù)據(jù)可以很容易地識別難以識別的信息。該研究將擴大SWIR成像光譜技術(shù)在文物研究中的應(yīng)用范圍（如：文物數(shù)字歸檔、文物診斷和文物修復(fù)），促進我國文物檢測科學技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻

Taixia Wu, Guanghua Li, Yang Z, etal. Shortwave Infrared Imaging Spectroscopy for Analysis of Ancient Paintings[J]. Applied Spectroscopy, 2016, 71(5):977-987.

?? ?? ??

近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

?? ?? ??

 恒光智影

          上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，專注于近紅外二區(qū)成像技術(shù)。致力于為生物醫(yī)學、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供*的、一體化的成像解決方案。自主研發(fā)近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS。

          與基于可見光波長的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學、神經(jīng)學、心血管、藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果，助力科技研發(fā)。

          同時，恒光智影還具備探針研發(fā)能力，我們已經(jīng)成功研發(fā)了超過15種探針，這些探針將廣泛地應(yīng)用于眾多生物科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究中。