韓 玉，李 磊，席曉琦，李會(huì)敏，孫釗穎，趙洪楓，閆 鑌

(中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，考古工作的深入開展，出土的珍貴文物日趨增多，其中青銅器文物占據(jù)重要的一部分。由于長時(shí)間在地下潮濕的環(huán)境中埋藏，導(dǎo)致出土的青銅器文物表面及內(nèi)部往往存在大量的腐蝕礦化、裂隙及殘缺等現(xiàn)象，出土后考古學(xué)者未能第一時(shí)間使用正確的方法對(duì)文物進(jìn)行封存和保護(hù)，從而導(dǎo)致青銅器文物再次受到二次傷害，不利于之后對(duì)青銅器文物歷史的研究?，F(xiàn)階段，多種現(xiàn)代分析測試方法被廣泛應(yīng)用到青銅器文物保護(hù)領(lǐng)域中，如用于文物表面形貌分析的掃描電子顯微鏡技術(shù)、用于文物表面及內(nèi)部圖像分析的紅外成像技術(shù)、用于文物化學(xué)組成成分分析的X射線衍射技術(shù)和用于文物內(nèi)部三維微觀結(jié)構(gòu)監(jiān)測的X射線CT技術(shù)等。羅榮斌使用掃描電鏡對(duì)戰(zhàn)國時(shí)期的蟠虺紋青銅圓鼎的基體殘片及銹蝕產(chǎn)物進(jìn)行了形貌檢測，結(jié)果顯示銹蝕產(chǎn)物微觀形貌各異，呈有序化結(jié)晶形態(tài)和無序化雜亂狀態(tài)，表面疏松多孔[1]。Scott D A使用X射線衍射技術(shù)研究了希臘青銅時(shí)代的一件裝飾品文物，通過對(duì)其進(jìn)行組分分析，顯示文物表面存在大量的氯磷鈉銅礦銹層[2]。但是,傳統(tǒng)的光學(xué)和電子顯微成像技術(shù)僅能得到關(guān)于文物本身的二維圖像，不能檢測文物的三維微觀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)材料有一定的破壞作用[3]。與傳統(tǒng)的光學(xué)成像技術(shù)相比，X射線CT技術(shù)能夠克服這些缺陷，一方面，它可以無損表征物體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的形貌及物理特征信息，對(duì)于一些脆弱和不易分割的物體是極其友好的，樣品無需進(jìn)行干燥和真空脫水等復(fù)雜的預(yù)處理過程，避免樣品遭受一定程度的損害；另一方面，對(duì)于細(xì)小的青銅文物碎片可以進(jìn)行高分辨率內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，之后結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，對(duì)于極其珍貴的青銅文物樣品是一項(xiàng)尤為合適的現(xiàn)代分析技術(shù)。

隨著X射線CT技術(shù)的高速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，宋澤明等使用CT技術(shù)進(jìn)行了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線中的損傷檢測[4]；常銘團(tuán)隊(duì)將其應(yīng)用到巖土材料的三維微觀結(jié)構(gòu)的研究中[5]。自20世紀(jì)70年代，X射線CT技術(shù)首次應(yīng)用到考古領(lǐng)域以來，考古工作者已經(jīng)對(duì)數(shù)百件的歷史出土文物進(jìn)行了研究，以制定文物保護(hù)方法和程序[6-7]。1987年，Unger A團(tuán)隊(duì)使用X射線CT技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行了保護(hù)研究[8]；1994年，Riesemeier H等使用CT技術(shù)測定藝術(shù)品中的不同材料、缺陷和隱藏的結(jié)構(gòu)，以此來研究藝術(shù)品的保存方法[9]。20世紀(jì)90年代末，X射線CT技術(shù)首次應(yīng)用到青銅文物研究中，在羅馬尼亞布加勒斯特的電氣工程研究所進(jìn)行了新石器時(shí)代的青銅斧頭和羅馬的青銅雕像的觀察[10]。2008年，M?dlinger M使用X射線CT技術(shù)對(duì)擁有3000年歷史的青銅時(shí)代晚期的青銅劍進(jìn)行了檢測，以評(píng)估鑄件的質(zhì)量和工藝制作條件[11]。2015年，Bettuzzi M團(tuán)隊(duì)對(duì)公元1世紀(jì)的羅馬丘比特青銅雕像進(jìn)行了X射線CT掃描，描述了羅馬鑄造工人使用的建造技術(shù)，并提供了關(guān)于雕像保護(hù)狀況的信息[12]。通過對(duì)青銅器文物進(jìn)行不同方向上的X射線CT成像，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)文物表面及內(nèi)部的裂隙和腐蝕情況，分析文物損壞的原因、埋藏環(huán)境、制作工藝等，為科研工作者對(duì)文物的后續(xù)保護(hù)和修復(fù)研究提供了巨大的便利。

1 X射線CT技術(shù)原理

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)利用X射線的強(qiáng)穿透能力，來獲得被檢測樣品不同方向上的投影數(shù)據(jù)，之后利用計(jì)算機(jī)信息處理和圖像重建算法對(duì)所采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，最后以三維圖像的形式顯示出來[13]。針對(duì)CT三維圖像數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步使用專業(yè)的可視化軟件將其進(jìn)行三維可視化渲染和分割，使其達(dá)到更加理想的成像效果，為數(shù)據(jù)的結(jié)果分析提供較大的支撐。X射線CT技術(shù)的成像本質(zhì)是衰減系數(shù)成像，當(dāng)X射線穿透物體時(shí)，強(qiáng)度和相位均隨折射率變化而改變，不同原子序數(shù)和厚度的物體與X射線束發(fā)生相互作用后，到達(dá)探測器上的光子數(shù)量也不同，如式(1)所示。

n=1-δ+iβ

(1)

式中，n為X射線的折射率；虛部β為吸收系數(shù)，控制著衰減或吸收；i為虛部單位；實(shí)部δ為折射率衰減系數(shù)，控制著X射線通過材料時(shí)的相移。利用前者可以獲得衰減對(duì)比度，而利用后者獲得相位對(duì)比度。線性衰減系數(shù)μ表示X射線通過材料時(shí)的衰減，電磁輻射的減少即為X射線衰減，如式(2)所示。其中λ為X射線的波長，β為吸收系數(shù)，π為圓周率[14]。

μ=4πβ/λ

(2)

X射線CT系統(tǒng)主要包括X射線源、探測器和樣品臺(tái)三個(gè)部分[15]。實(shí)驗(yàn)室常用的是錐形束CT掃描系統(tǒng)，基本構(gòu)造如圖1所示。通過使用錐形束X射線、X射線源和探測器保持靜止，待檢測物體圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)360°來獲得投影圖像，之后對(duì)投影圖像進(jìn)行三維圖像重建。從X射線源到探測器的距離以及X射線源到掃描樣品的距離決定了X射線CT掃描的幾何放大率和三維CT圖像的體素大小。通常用于青銅文物微觀結(jié)構(gòu)分析的X射線CT系統(tǒng)需要更高的分辨率和信噪比。由于樣品尺寸、樣品密度及所需的分辨率高低等不同，掃描時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等。通過定期對(duì)青銅文物進(jìn)行CT成像檢測，可以比較出青銅文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裂紋的持續(xù)變化，為研究文物的長期動(dòng)態(tài)演變提供了可能。

圖1 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)室典型的錐束CT掃描系統(tǒng)[16]

2 X射線CT技術(shù)在青銅文物保護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例

X射線CT技術(shù)由于其無損和高分辨特性被廣泛應(yīng)用到青銅器文物保護(hù)研究中，近年來，大量的研究學(xué)者使用X射線CT技術(shù)對(duì)大量的青銅器文物進(jìn)行研究和分析，為青銅文物保護(hù)和修復(fù)機(jī)制提供了便利。

2009年5月，山東省棗莊市徐樓村發(fā)現(xiàn)了兩座古墓葬，墓葬中發(fā)現(xiàn)了7件帶紅銅紋飾的青銅器，中國科學(xué)院的劉百舸等人對(duì)其中一件橢圓形的青銅器“舟”進(jìn)行了X射線CT成像技術(shù)掃描，圖2為器物“舟”的光學(xué)圖像。通過對(duì)器物本身進(jìn)行X射線成像，發(fā)現(xiàn)舟蓋紅銅蝙蝠紋位于靠近舟蓋外側(cè)的位置，青銅墊片位于舟蓋靠近內(nèi)壁處。紅銅鑄造工藝和墊片工藝的相互結(jié)合，證實(shí)了我國古代社會(huì)在青銅鑄造工藝上的進(jìn)步和發(fā)展，是古代工藝巧匠的心血，體現(xiàn)出我國古代燦爛的青銅文明[17]。

圖2 青銅器物“舟”的光學(xué)圖像(a)“舟蓋”部分；(b)“舟腹部”部分[17]

2019年，Manal A.Maher使用X射線CT技術(shù)來研究古埃及歷史晚期所鑄造的一體式空心鑄青銅獵鷹棺材，通過與其他分析方法相結(jié)合，能夠分析青銅棺材文物的年代和鑄造工藝，更清楚地了解青銅文物時(shí)代人類生活方式，在考古文物的保護(hù)和存放方面起到了重要的作用。這座青銅獵鷹雕像高27 cm×寬10 cm×長22 cm，重量2931.2 g，被放置在一個(gè)底座上，底座由石膏和石灰石粉末混合制成，為了適應(yīng)雕像的尾部，分為兩層，獵鷹青銅器的側(cè)面光學(xué)照片如圖3(a)所示[18]。圖3(b)為獵鷹雕像的X射線二維CT切片圖像，圖像中顯示雕像為一體式鑄造，并未使用任何焊接工藝。此外，右側(cè)翅膀存在一條白色的微裂紋(紅色區(qū)域)，這可能是由于鑄造過程中收縮率的變化所導(dǎo)致，因?yàn)槭湛s率能夠引起不同的制造缺陷，如微裂縫、氣泡和制造器件的嚴(yán)重變形等[19]。

圖3 青銅獵鷹棺材圖像(a)獵鷹器物側(cè)面圖；(b)二維投影圖[18]

圖4為獵鷹器物不同方向和位置的X射線CT二維切片圖像和三維重建圖像。圖4(a)顯示青銅獵鷹器物頸末端內(nèi)表面存在的折疊殘基，圖4(b)顯示獵鷹內(nèi)表面的四個(gè)折疊殘基(黃色區(qū)域)[18]。通過對(duì)其進(jìn)行高分辨X射線CT技術(shù)檢測，觀察到了普通X射線照相術(shù)無法獲取的豐富微觀結(jié)構(gòu)信息，之后結(jié)合其他現(xiàn)代分析技術(shù)進(jìn)行青銅器物壁厚的測量，對(duì)青銅文物的鑄造過程提供了一定的見解，從而幫助歷史學(xué)家和考古工作人員進(jìn)一步分析考古物品的真實(shí)性。

圖4 青銅獵鷹器物的CT圖像(a、b)獵鷹器物二維切片圖；(c)三維重建圖像[18]

2020年，中國國家博物館的劉薇團(tuán)隊(duì)使用X射線CT成像技術(shù)對(duì)其館藏“婦好”青銅偶方彝文物進(jìn)行了成像研究。青銅偶方彝于1976年出土于河南安陽殷墟婦好墓，是一件商代晚期的青銅器物。通過對(duì)“婦好”青銅偶方彝器身側(cè)面、底面和頂部位置進(jìn)行X射線CT檢測，觀察到文物四周存在多處裂縫，底面和側(cè)面尤為嚴(yán)重，底面至少由8塊碎片拼接組成，大多數(shù)裂縫呈白色顯示，推測可能為焊接的痕跡，結(jié)果如圖5(a、b)顯示[20]。圖5(c)顯示器物各面均存在多個(gè)黑色的小洞，可能是青銅器物在鑄造過程中產(chǎn)生的縮孔或缺陷，也可能是產(chǎn)生的銹蝕原因所致[20]。由于成像結(jié)果顯示多條裂縫呈現(xiàn)直線狀，不像自然力所引起的斷裂，由此推測可能是早期修復(fù)器物時(shí)，文物發(fā)生了嚴(yán)重變形，無法利用合適的方法將其修復(fù)，因此將變形的青銅器鋸解，然后再進(jìn)行多塊拼接，最后焊接形成一個(gè)整體[20]。通過對(duì)其進(jìn)行成像，并且結(jié)合其他分析測試技術(shù)，明確了青銅文物本身所存在的腐蝕和裂隙情況，為之后文物的保存和修復(fù)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

圖5 青銅器物“婦好”的CT圖像及光學(xué)照片(a)器身面；(b)器物底部；(c)底部銘文“婦好”[20]

本實(shí)驗(yàn)室針對(duì)西北大學(xué)提供的大量青銅硬幣進(jìn)行了X射線CT技術(shù)檢測，圖6為編號(hào)2的青銅硬幣掃描圖像結(jié)果。圖6(a)為其光學(xué)照片，可以觀察到硬幣表面基體存在一定程度的腐蝕。通過對(duì)青銅硬幣進(jìn)行X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像，結(jié)果如圖6(b)所示，可以觀察到硬幣內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在大量的孔洞、裂隙及腐蝕缺陷，之后對(duì)圖6(a)中紅色區(qū)域進(jìn)行尖端掃描，圖6(c)中可以明顯地看到尖端存在大量的腐蝕孔洞。此外，也可以通過相應(yīng)的軟件測量其腐蝕深度，進(jìn)一步了解青銅硬幣的腐蝕機(jī)理。

圖6 青銅硬幣的光學(xué)照片及CT圖像(a)光學(xué)照片；(b)CT掃描圖像；(c)紅色區(qū)域中的尖端掃描圖像

圖7(a)為編號(hào)1～8的青銅硬幣CT掃描結(jié)果，從圖中可以直觀地看到其表面腐蝕情況各不相同，也可對(duì)青銅硬幣的腐蝕程度進(jìn)行相應(yīng)的排序。為了在三維視角下更加清楚地分析青銅文物的腐蝕程度和內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)，使用三維可視化軟件對(duì)其進(jìn)行孔隙度分析、腐蝕區(qū)域的尺寸測量和深度學(xué)習(xí)算法智能分割。圖7(b)為不同硬幣的內(nèi)部孔隙度分布圖，觀察到硬幣內(nèi)部的孔洞分布各異。比較兩種結(jié)果，可以看出孔洞分布結(jié)果與CT成像分析也有所差異。圖7(c)為河南省文物考古研究院提供的青銅樣品，通過軟件可以對(duì)基體區(qū)域和銹層區(qū)域的腐蝕深度進(jìn)行尺寸測量，得到腐蝕深度的具體尺寸，為考古工作者提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。圖7(d)為使用CT圖像數(shù)據(jù)開展的青銅文物三維圖像智能分割，分割后可以實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域的特征提取，也可進(jìn)一步對(duì)感興趣區(qū)域的體積占比進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，為青銅文物的腐蝕結(jié)果分析提供了便利。以上這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，X射線CT技術(shù)在青銅文物保護(hù)研究方面的重要價(jià)值。

圖7 不同編號(hào)青銅硬幣的CT掃描結(jié)果(a)不同青銅硬幣的CT圖像；(b)孔隙度分布圖；(c)文物特征尺寸測量；(d)三維智能分割結(jié)果

3 總結(jié)及展望

隨著我國對(duì)考古研究行業(yè)的重視，國家在文物保護(hù)領(lǐng)域投入的人力、物力和財(cái)力會(huì)逐漸增加，應(yīng)用專業(yè)化的X射線CT儀器對(duì)文物進(jìn)行三維成像，能夠在無損的情況下直觀觀察青銅器文物的腐蝕情況和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為文物保護(hù)工作提供重要的技術(shù)支撐。首先本文,描述了X射線CT技術(shù)的基本原理；然后,詳細(xì)論述了X射線CT技術(shù)在青銅文物保護(hù)研究中的應(yīng)用實(shí)例，發(fā)現(xiàn)其能夠?qū)η嚆~文物的腐蝕程度進(jìn)行相應(yīng)的判斷和排序，為研究文物的腐蝕機(jī)理提供了數(shù)據(jù)支撐；之后,通過專業(yè)的三維可視化軟件可以對(duì)CT結(jié)果進(jìn)行智能分割和特征尺寸測量；最后,對(duì)X射線CT技術(shù)在青銅文物保護(hù)研究中的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。通過X射線CT成像結(jié)果，可以對(duì)文物進(jìn)行定期體檢，了解其腐蝕情況的演變。青銅文物的存放環(huán)境同樣影響著其腐蝕情況，通過對(duì)CT圖像進(jìn)行分析，能夠?yàn)槲奈锉４姝h(huán)境提供幫助，更加有利于青銅文物的保護(hù)。