高光谱成像 一双慧眼“看”透千年壁画

《乐舞图》一幅壁画《乐舞图》在韩秀的墓中显示，男人在左边的地毯前可以隐约找到变化的痕迹(上图)。对高光谱图像的进一步分析显示，左边地毯前的男人最初画了一个孩子(下图)，后来被修改成了一个成年人。

■我们的记者袁一学

高光谱成像仪获取的是彩色光谱反射率信息，而不是可见光图像，因此不会产生普通相机在不同光源照射下呈现相同颜色的色差问题，能够完整、真实地还原颜色和壁画的状态。不仅如此，近红外波段到短波红外波段可以穿透颜料，这意味着高光谱成像仪可以透过壁画看到。

1月15日，中国科学院Xi安光学精密机械研究所(以下简称Xi安光学精密机械研究所)与陕西历史博物馆正式签署战略合作协议。今后，双方将在两个项目上进行合作:建造一个典型的古代壁画颜料库和“流动博物馆”。

合作的基础是Xi安光学机械有限公司拥有的光谱成像技术和光学超高分辨率成像等先进光学技术。这些曾经在军事工业领域显示出威力的尖端技术，也出现在壁画的挖掘和保护中，成为记录壁画原始信息和辨别颜料成分的“利器”。

种子色素组成

在古代，颜料主要是天然物质，如矿物质和植物。经过几千年的智慧积累，同一种颜色可以用不同的物质来表达。“例如，红色包括朱砂、赭石、铅和其他物质；黄色可能是锂云母、锂云母或雌黄陕西历史博物馆壁画基地办公室副主任王甲在接受《中国科学》采访时举了一个例子。因此，即使一个人看到相同的颜色，也不能立即判断是哪种物质产生了颜色。“鲍文工人一看到壁画就想知道颜料的成分。因为壁画的价值体现在表现的内容上，而颜料是最重要的表现手段之一。”王甲接着说道。

由于肉眼观察无法得出结论，仪器分析是必不可少的。“我们一直试图通过光学显微镜、x光荧光、激光拉曼和其他手段进行分析，但精确的仪器往往体积庞大，无法带到挖掘现场。因此，只能从壁画上刮下样本，并带回进行检查。这种取样和测试方法将不可避免地对油漆造成损害。”王甲无奈地说道。

超光谱成像仪的出现解决了这些“无助”的问题。“高光谱成像仪在分析颜料成分时不需要完全刮去颜料，它是通过非接触扫描实现的，同时与壁画保持一定的距离。它根据不同的矿物有不同的光谱特征来判断颜料的组成。可以说，光谱反射率是物质的“指纹”，可以用来识别物质Xi安光学与机械服务研究所副研究员张鹏昌告诉《中国科学》。此外，通过Xi安光电研究所的不懈努力，高光谱成像仪与不能“既精确又体积大”的大型仪器相比，能够适应更窄的场地，进行现场勘测。这些都为颜料库的建立奠定了基础。

然而，在这份协议签署之前，并没有对古代绘画，尤其是壁画的颜料光谱特征进行系统的研究。因为与其他文物的修复相比，壁画的修复起步较晚。“壁画的考古发掘始于20世纪50年代和60年代，仅持续了60到70年。在中国进行色素测定所需时间较少，因此目前没有系统的色素数据库。”王甲解释道。

2013年，陕西历史博物馆的考古学家在挖掘唐朝宰相韩秀的墓时，发现超光谱成像仪能够识别颜料成分的来源。韩秀墓的发现与一起盗墓案密切相关。

记录原始颜色

2006年，陕西省Xi市警方破获一起严重抢劫案。在查看被没收的硬盘时，他们发现了一组壁画。从照片上可以清楚地看到，壁画画得很漂亮，人物看起来也很完美。根据服装姿态和面部图像，专家判断这是盛唐时期的墓室壁画。经过几年的审讯，盗墓者终于透露，它是从Xi南郊郭新庄村的一个古墓中被盗走的。

2013年，在Xi长安区大钊街道办事处郭新庄村发现该墓。在抢救性发掘中，考古学家发现该墓是唐朝官员韩秀和他妻子的墓。坟墓大约11米深，从北到南，从入口到坟墓总长度大约40米。尽管遭到严重的盗窃和破坏，墓葬形式基本完好，出土了鸡、鸭、牛、马、骆驼等140多件陶器。更让考古学家惊讶的是，墓中的壁画几乎保存完好，精美绝伦。

在墓室里，音乐和舞蹈地图画在东墙上，六棵酒吧屏幕树和高科技地图画在西墙上，玄武地图画在南墙上，风景地图在北墙的东面。然而，不幸的是，西墙上的六张地图中有两张不见了，而南墙上的玄武地图已经被完全破坏了。幸运的是，画在东墙上的乐舞画是陕西省近十年来发现的最完整的一幅。图中，男胡人乐队和女唐人乐队就像战斗舞蹈，在春天闲暇时为墓主表演。这幅壁画反映了唐代丝绸之路的繁荣。我国与其他国家的相互联系为现代“一带一路”的发展提供了证据。王甲说。更重要的是，在北墙东部发现的山水画也把中国山水画的成熟期提前了。”以前，专家们一直认为山水画的成熟期在宋代，但这幅壁画中的山水画表明山水画在唐代已经进入成熟期。”王甲说道。

为了更好地完整记录壁画，陕西历史博物馆邀请xi安光学研究所参与壁画保护工作。“因为坟墓打开后，空气会使色素的成分不稳定，从而引起变化。超光谱成像仪可以立即记录颜色。”张鹏昌解释道。

透视改变痕迹

超光谱成像仪确实没有辜负人们的期望。它可以恢复壁画几乎100%的出土状态，甚至可以恢复壁画的修改部分。这双“智能眼睛”受益于高光谱成像仪覆盖更宽光谱的能力。

原则上，光是电磁波，但是人眼的可见波段是有限的，即400纳米到760纳米。普通相机拍摄的照片呈现可见光。然而，在760纳米到2500纳米的波段，虽然人眼看不到它，但它可以被仪器捕获。例如，一些红外照相机等可以呈现带中的一些图像。

超光谱成像仪覆盖的光波范围更广，包括可见光、近红外(760纳米-1000纳米)和短波红外(1000纳米-2500纳米)。“我们可以进一步将400纳米至2500纳米范围内的波长划分为宽度为n纳米的区间。对于同一个场景，我们用从小波长到大波长的每一个间隔波长的光拍摄图像，得到2500~400个/N的图像，称之为高光谱图像张鹏昌解释道。

正因为高光谱成像仪获取的是彩色光谱反射率信息，而不是可见光图像，所以普通相机在不同光源下呈现相同颜色时不会出现色差问题，从而完全、真实地还原颜色和壁画的状态。不仅如此，近红外波段到短波红外波段可以穿透颜料，“这意味着我们可以透过壁画看到。”张鹏昌说道。

当张鹏昌等人扫描乐舞图时，发现左边地毯前的男子身上有微弱的蚀变痕迹。对高光谱图像的进一步分析证实了研究人员的想法，即左边地毯前的男人最初画了一个孩子，后来被修改成了成人。更有趣的是，墓壁画中有许多类似的变化。例如，在壁画右侧地毯的左下角有一只被改变了的兔子。那么，为什么墓中的壁画被改变了，这些改变的内容和后来的成人有什么关系呢？高光谱成像仪的发现为后续的研究工作提出了更多的问题。

高光谱成像仪除了能“看到”画中被改变的痕迹外，还能完全呈现微小的裂缝，“这些细节反映了壁画的健康状况，并能为后期的修复和保护提供思路。如果忽略，重要信息可能会丢失。”张鹏昌说道。

为了完美还原细节，超光谱成像仪对工作环境也有极高的要求，“首先，应该消除环境光的所有干扰，”张鹏昌说。因此，在工作时，他们将屏蔽墓室中的环境光，并打开他们携带的光源，“只有当不相关的光源被阻挡时，高光谱成像仪收集的数据才能确保准确。”张鹏昌继续解释。

有效的后续文件

张鹏昌参与发掘韩秀墓壁画令人难忘，因为这是探索高光谱成像应用领域的一次尝试。王甲也想起了这段经历。他说，“这是我第一次进入真正的坟墓。我以前一直在博物馆的文物修复室工作。”他还记得，在不到两年的挖掘中，作为挖掘人员，他们在地面上经历了将近40摄氏度的高温，但坟墓里只有十几摄氏度的温差。“当时是夏天，室外温度非常高，但是坟墓里的温度并不高，因为它在地下11米处。里面的空气也不新鲜。我们必须每隔半个小时爬到地面上去透透气。”王甲说:“计算出的一天内爬上爬下的距离几乎等于爬上30层楼的距离。”此外，许多可以在实验室使用的材料在墓穴中已经失效。因此，在开发和寻找新材料的同时，我们花时间去发掘壁画。当王甲看到壁画被安全运送到博物馆修复后，他“觉得这是值得的痛苦”。

壁画挖掘的成功也显示了双方进一步合作的前景。因此，就有了签署协议建立油漆银行的场景。"我们将从收集壁画开始，然后慢慢扩大."王甲说:“我希望最终能为中国古代壁画建立一个画库。”目前，中国古代壁画一般分为三类，包括墓室壁画、石窟壁画和建筑壁画。然而，由于各种原因，一些壁画无法保留，将被转移到博物馆或其他文化保护单位进行修复和保护。它们被称为收藏壁画。目前，我国陕西地区出土的唐代墓室壁画大多在陕西历史唐代墓室壁画博物馆王甲说。

在发掘现场，除了韩秀墓的部分壁画被高光谱成像仪扫描外，大部分壁画都不适合现场扫描，因为它们相对比较脆弱，直接被收集到博物馆进行修复。现在，壁画的修复工作已经接近完成，现在是高光谱成像仪展示其才华的时候了。"我们在练习的同时也在做研究，对算法的研究一直在进行."张鹏昌说道。

王甲还表示，除了颜料数据库的合作，什么样的文化保护工作可以通过科技来进行需要具体讨论。「我们会继续与Xi安光学及机械工程学院举行研讨会，介绍我们修复的方法和过程，然后双方会从过程中寻求科技灵感。"

中国科学新闻(2018-02-02，第一版集锦)