楊文宗,唐興佳,張朋昌,胡炳樑,金紫琳

[1. 館藏壁畫保護(hù)修復(fù)與材料科學(xué)研究國家文物局重點(diǎn)科研基地(陜西歷史博物館),陜西西安 710000;2. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,光譜成像技術(shù)研究室,陜西西安 710019;3. 西北工業(yè)大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院,陜西西安 710072]

0 引 言

墓葬壁畫是一種非常重要的彩繪文物。對(duì)壁畫繪畫內(nèi)容、制作工藝、制作材料等進(jìn)行研究,對(duì)于了解古代社會(huì)、政治、生活、文化、藝術(shù)及科技水平具有重要的借鑒意義。目前,對(duì)墓葬壁畫進(jìn)行揭取搬遷并加固修復(fù)是主要的保護(hù)方式[1-2]。而在壁畫揭取與修復(fù)時(shí),經(jīng)常會(huì)面臨如何高保真記錄壁畫原始信息和準(zhǔn)確修復(fù)以還原壁畫本來面目等問題[3-4]。

對(duì)于壁畫修復(fù)來說,其核心是在保障壁畫不被損壞、壁畫真實(shí)原貌不發(fā)生改變的前提下,盡可能提高壁畫的觀賞性。然而,實(shí)際的壁畫修復(fù)經(jīng)常面臨如圖1～2所示的壁畫脫落嚴(yán)重或褪色嚴(yán)重的情況。此時(shí),如果強(qiáng)行填補(bǔ)空缺并隨意補(bǔ)繪,不但無法保證壁畫缺失內(nèi)容的真實(shí)性,還可能破壞壁畫的整體繪畫內(nèi)容、色彩、風(fēng)格與原貌的協(xié)調(diào)性、一致性,甚至造成壁畫二次受損。因此,在壁畫修復(fù)時(shí),需全面掌握壁畫的繪制技巧、內(nèi)容、用料及風(fēng)格等,然后選擇合適的用料或繪制方式對(duì)壁畫可修復(fù)表層進(jìn)行適度的修補(bǔ)處理[5-10]。

圖1 壁畫脫落現(xiàn)象Fig.1 Falling-off phenomenon of murals

圖2 壁畫褪色現(xiàn)象Fig.2 Fading phenomenon of murals

顏料層是壁畫藝術(shù)、價(jià)值與風(fēng)格的重要載體和組成部分,準(zhǔn)確地分析顏料層是壁畫保護(hù)和修復(fù)的重要依據(jù)。近年來,隨著國家對(duì)文物保護(hù)工作的重視,以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,中國古代繪畫特點(diǎn)、顏料特性和繪制工藝等科學(xué)問題正受到學(xué)術(shù)界和文物保護(hù)界更廣泛地研究,其逐漸從主觀經(jīng)驗(yàn)判斷轉(zhuǎn)向取樣化驗(yàn)或點(diǎn)采分析等方式。然而,傳統(tǒng)的取樣化驗(yàn)方法通常會(huì)對(duì)珍貴的壁畫文物造成一定程度的損害;同時(shí),點(diǎn)采分析方法只能掌握壁畫的局部顏料屬性,無法全面了解顏料使用的全局動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,因此,對(duì)文物屬性和視覺進(jìn)行整體無損分析正成為壁畫顏料層分析的重要方向[11]。

光譜成像分析技術(shù)是一種綜合光譜采集和成像觀測的無損非接觸成像分析技術(shù)。如圖3所示,為韓休墓壁畫的一組高光譜圖像數(shù)據(jù),其具有屬性識(shí)別、定量分析與圖譜合一探測的優(yōu)勢。將光譜成像分析技術(shù)用于壁畫數(shù)字化分析與修復(fù)研究具有一定的理論依據(jù),具體表現(xiàn)在:1)蘊(yùn)含著近似連續(xù)的顏料光譜信息、對(duì)壁畫的屬性識(shí)別能力大大提高;2)對(duì)壁畫特征的挖掘方法靈活多樣,使得異常和隱藏信息分析更容易;3)定量或半定量建模,便于壁畫特殊信息的定量反演分析[12-20]。

圖3 韓休墓壁畫高光譜圖像數(shù)據(jù)立方體Fig.3 Hyperspectral image data cube of the mural of Han Xiu’s tomb

此外,針對(duì)盲目進(jìn)行壁畫實(shí)體修復(fù)可能帶來的壁畫二次損害,或者修復(fù)與原貌不一致問題,通過數(shù)字化技術(shù)探索一些虛擬的修復(fù)方法,也成為目前壁畫修復(fù)與活化保護(hù)的發(fā)展方向。

綜上,本研究擬基于高光譜成像與分析技術(shù),研究古代墓葬壁畫顏料的光譜特征,并針對(duì)真實(shí)場景的壁畫修復(fù),通過相關(guān)光譜加權(quán)融合模擬真實(shí)場景的壁畫顏料光譜,并基于融合光譜匹配算子提出一種非接觸的壁畫顏料融合光譜識(shí)別與色彩虛擬修復(fù)方法,以進(jìn)一步提升壁畫保護(hù)與研究的數(shù)字化水平。

1 壁畫高光譜信息獲取方案

作為壁畫高光譜信息獲取的主要工具,壁畫高光譜成像系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。高光譜成像技術(shù)來自于傳統(tǒng)的遙感探測,在將其應(yīng)用于壁畫保護(hù)與研究時(shí),需重點(diǎn)解決成像分辨率不足、成像畸變、穩(wěn)定性不足、專用性差(如專用光源)等問題。

圖4是本研究后續(xù)實(shí)驗(yàn)所使用的高光譜成像掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)示意圖。在實(shí)際掃描時(shí),將壁畫平放在掃描系統(tǒng)下方,通過推掃成像獲得可見近紅外(400～1 000 nm)波段的高光譜圖像。為了保障數(shù)據(jù)獲取的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和安全性,采用軌道推掃的成像方式,并采用寬波段、低照度光譜燈珠照射的同步照明方案。

圖4 高光譜成像掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Design diagram of the hyperspectral imaging scanning system

2 壁畫顏料制作工藝及特性分析

在壁畫顏料分析與色彩修復(fù)前,除了獲取壁畫光譜數(shù)據(jù)外,需重點(diǎn)了解中國古代壁畫顏料本身的特點(diǎn)和制作工藝,以研究真實(shí)場景的壁畫顏料光譜特征。古代壁畫顏料主要以礦物顏料為主,其制作步驟復(fù)雜、一般通過對(duì)顏料礦物進(jìn)行分類、粉碎、去雜、研磨、加膠、沉淀、漂洗、分色等步驟完成顏料制作[21-22]。其獲得的淺色顏料為顆粒小、密度小的加膠混合液,獲得的深色顏料為顆粒稍大、密度偏大的加膠混合液[23]?？梢钥闯?礦物成分、顆粒大小、密度及加膠是真實(shí)壁畫顏料特性的重要組成部分。其中,顏料本真的光譜特性主要取決于礦物化學(xué)成分的電子過程和分子過程,如圖5所示,分子振動(dòng)的能級(jí)差較小,產(chǎn)生的光譜出現(xiàn)在近中紅外波段,而電子能級(jí)差較大,產(chǎn)生的光譜位于可見光和近紅外波段。綜上,如何尋找顏料顆粒大小、密度、加膠和壁畫基底影響時(shí)礦物成分的不變光譜特征或者特征變化規(guī)律是壁畫顏料識(shí)別的關(guān)鍵。

由于墓葬壁畫大部分經(jīng)歷了幾百上千年,其壁畫顏料存在褪色的情況。因此,在壁畫顏料光譜特征分析時(shí),除了了解上述顏料制作工藝和特性分析外,還需掌握壁畫顏料褪色原因及實(shí)際的顏料狀態(tài)變化。

如圖6所示,壁畫顏料褪色主要是受光照、氧化、高溫、風(fēng)化、病害、煙塵、有害氣體、水侵等影響,使得壁畫顏料層發(fā)生物理變化或少量的化學(xué)變化,引起顏料降解、變性、酥化、遮擋或脫落等問題[24]。例如,光照對(duì)顏色的破壞非常明顯,紫外光能使壁畫顏料變色和褪色,使顏料中的鉛丹和鉛白變暗,使得石青和石綠顏色改變;紅外光的熱輻射會(huì)使得濕度變化,從而導(dǎo)致壁畫出現(xiàn)裂紋、粉化或剝落等。因此,在真實(shí)場景的壁畫顏料識(shí)別分析時(shí),還需根據(jù)壁畫顏料褪色現(xiàn)象反向解析本真的壁畫顏料光譜特征。

3 基于融合光譜特征分析的壁畫顏料識(shí)別

在獲取壁畫顏料的光譜數(shù)據(jù)并掌握其光譜特征后,可通過光譜分析與識(shí)別方法完成顏料的分類識(shí)別[25-26]。針對(duì)真實(shí)場景的顏料識(shí)別問題,本節(jié)提供一種基于融合光譜特征匹配的顏料識(shí)別算法。

首先,以光譜角匹配(SAM)作為該算法的第一部分,即通過計(jì)算光譜向量之間的夾角來衡量待識(shí)別顏料光譜與特征庫顏料光譜之間的相似度,從而判定待識(shí)別顏料是否屬于特征庫的某種顏料。

設(shè)在m波段的光譜數(shù)據(jù)中,已知特征庫某種顏料的光譜向量表示為s=(s1,s2,…,sm)T,待識(shí)別顏料的光譜向量為x=(x1,x2,…,xm)T。SAM采用光譜向量夾角作為判別準(zhǔn)則,即,識(shí)別算子可寫為:

(1)

SAM描述了兩個(gè)光譜之間的相關(guān)性,值越接近于0,兩光譜之間的匹配度越高。

SID(x,s)=D(x|s)+D(s|x)

(2)

SID描述了兩個(gè)光譜之間的信息差異,值越接近于0,兩光譜之間的匹配度越高。

對(duì)于上述兩個(gè)光譜相似性度量方法,SAM是從光譜矢量孤立點(diǎn)的角度出發(fā),統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的乘積,是兩個(gè)矢量的內(nèi)積。它對(duì)于類似X型的曲線矢量會(huì)得到相同的匹配結(jié)果,這樣的誤判使得SAM方法出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率會(huì)較高。而SID算子是從信息熵的角度出發(fā),可以彌補(bǔ)SAM算子的缺陷。因此,本研究構(gòu)造融合光譜識(shí)別算子來改進(jìn)上述光譜匹配識(shí)別方法。改進(jìn)的融合光譜算子(Combination Mapping,CM)表示為:

CM(x,s)=αSAM(x,s)+βSID(x,s)

(3)

CM(x,s)=γSAM(x,s)+(1+γ)βSID(x,s)

(4)

其中,歸一化調(diào)制參數(shù)γ定義為:

(5)

式中,M為特征庫顏料數(shù)。最后,通過統(tǒng)一量綱并做歸一化處理,對(duì)前述計(jì)算的融合光譜匹配算子重新表示,其表達(dá)式如下:

(6)

4 基于帶通能量積分的壁畫顏料色彩虛擬修復(fù)方法

在獲取基于光譜特征分析的顏料識(shí)別結(jié)果后,需考慮如何利用識(shí)別的壁畫顏料的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壁畫顏料色彩的虛擬修復(fù)[27-28]?？紤]到不同物質(zhì)、不同配比、不同背景下的顏料光譜差異性,本研究擬使用光譜融合的方式模擬真實(shí)顏料層光譜,并利用帶通能量積分和偽彩色顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)顏料色彩的虛擬復(fù)原,即通過選擇紅綠藍(lán)三通道對(duì)應(yīng)的融合顏料光譜的帶通光譜數(shù)據(jù)計(jì)算各自通道對(duì)應(yīng)的帶通能量積分,并利用偽彩色圖像展示該積分結(jié)果下的壁畫顏料色彩的虛擬復(fù)原效果。

首先,對(duì)于實(shí)際的壁畫顏料使用情況,根據(jù)光譜識(shí)別結(jié)果選擇所使用的t種顏料光譜f(i)和壁畫背景光譜fk,按加權(quán)融合的方式重新獲取模擬的顏料層融合光譜,表示為:

(7)

式中,a(i)和b為相應(yīng)光譜的配比權(quán)值。然后,對(duì)于上述模擬的顏料層融合光譜,定義紅綠藍(lán)三個(gè)通道的帶通積分譜段范圍分別為:420～490 nm、520～590 nm、620～690 nm,并分別以該光譜范圍計(jì)算得到紅綠藍(lán)三通道對(duì)應(yīng)的帶通積分能量(IR,IG,IB)為:

(8)

式中,I為能量峰值,以8位數(shù)據(jù)為例,可取I=256。這里,為了使能量表示達(dá)到統(tǒng)一的效果,不同帶通積分的光譜波段數(shù)相同,均取70,且經(jīng)過平均處理。最后,基于三通道數(shù)據(jù)(IG,IG,IB),利用RGB偽彩色顯示技術(shù)進(jìn)行色彩展示,即可得到基于帶通能量積分的壁畫顏料色彩虛擬復(fù)原結(jié)果。

5 墓葬壁畫顏料光譜分析與色彩虛擬修復(fù)實(shí)驗(yàn)——以唐墓壁畫為例

本實(shí)驗(yàn)選擇古代壁畫顏料與兩組唐墓壁畫進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證基于融合光譜分析與帶通能量積分的壁畫顏料色彩虛擬修復(fù)方法的有效性。其中,使用ASD光譜輻射計(jì)采集古代壁畫顏料的光譜,其光譜分辨率為1 nm,光譜范圍為350～2 500 nm;使用前述高光譜成像掃描系統(tǒng)對(duì)兩組唐墓壁畫進(jìn)行掃描,獲得實(shí)際壁畫的高光譜圖像,其光譜范圍為400～1 000 nm。

5.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選擇唐墓壁畫(唐韓休墓壁畫)作為第一組真實(shí)壁畫樣本[29]。該墓甬道和墓室內(nèi)大部分壁畫保存較為完好。壁畫主題包括樂舞、山水、高士、朱雀玄武等,繪畫以墨線勾勒,顏色包含橘黃、綠色、紅色等。圖7為獲取的韓休墓壁畫局部的高光譜圖像。

圖7 唐韓休墓壁畫局部高光譜圖像Fig.7 Hyperspectral image of mural fragments in Han Xiu’s tomb of the Tang Dynasty

選擇唐墓壁畫(唐武惠妃墓)作為第二組真實(shí)壁畫樣本[30]。武惠妃墓壁畫主題主要是女扮男裝的人物。據(jù)介紹,盛唐時(shí)期,宮內(nèi)宮外,貴族民間,女子服裝男性化,多有女子身穿男式衣衫,足蹬男子皮靴。圖8為獲取的武惠妃墓壁畫局部的高光譜圖像。

圖8 唐武惠妃墓壁畫局部高光譜圖像Fig.8 Hyperspectral image of mural fragments in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui of the Tang Dynasty

從圖中可以看出,這兩組壁畫基底均為白色,現(xiàn)均已發(fā)黃發(fā)暗,繪畫內(nèi)容主要是人物或者人物的部分,顏色包含紅色、黃色、綠色、藍(lán)色等,但背景樹葉處的綠色現(xiàn)已發(fā)黑。

5.2 顏料光譜庫數(shù)據(jù)

結(jié)合前述唐墓壁畫顏料常用色系,本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)研并選取唐代及唐代以前30種典型壁畫顏料構(gòu)建壁畫顏料光譜數(shù)據(jù)庫[31],包括紅色顏料8種、綠色顏料2種、藍(lán)色顏料3種、黃色顏料5種、黑色顏料4種、白色顏料8種。如表1所示。

表1 古代壁畫顏料色系分布Table 1 Distribution of the color system of ancient mural pigments

對(duì)于上述不同色系顏料,使用ASD光譜輻射計(jì)測量并計(jì)算顏料粉末在350～2 500 nm的反射光譜,并按不同色系分別繪制各自光譜曲線,如圖9～14所示。

圖9 白色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.9 Spectral curves of white pigments (powder)

圖10 黑色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.10 Spectral curves of black pigments (powder)

圖11 紅色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.11 Spectral curves of red pigments (powder)

圖12 黃色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.12 Spectral curves of yellow pigments (powder)

圖13 藍(lán)色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.13 Spectral curves of blue pigments (powder)

圖14 綠色系顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.14 Spectral curves of green pigments (powder)

從圖9～10可以看出,白色系不同顏料在可見光波段400～800 nm光譜反射率比較一致,沒有獨(dú)特的特征峰;在近紅外波段800～2 400 nm,不同顏料的光譜存在一定差異。比如,石膏在1 450 nm、1 900 nm有強(qiáng)烈的O—H鍵吸收峰,在1 700 nm有吸收峰;鉛白和哈粉也有明顯的O—H鍵吸收峰;而滑石則在1 400和2 300 nm有明顯的吸收峰,其他顏料在上述位置也有強(qiáng)弱不同的光譜特征。對(duì)于黑色系的不同顏料,除了石墨外,其他顏料都沒有明顯的光譜特征,且所有粉末狀的黑色顏料反射率都很低。

對(duì)于紅色系顏料,土紅、巖朱土、巖赭石、銀珠在520 nm前的光譜波段仍然有較高的反射率;而雄黃、赭石、鉛丹、朱砂在520 nm前的光譜波段反射率很低,且朱砂的紅邊效應(yīng)更接近600 nm,巖赭石次之;赭石的光譜在600～1 000 nm有兩處明顯的波動(dòng)。黃色系顏料和紅色系顏料的相似性較高,二者的不同除了體現(xiàn)在全波段反射率強(qiáng)度差異外,還體現(xiàn)在黃色顏料在450～500 nm已具有很高的反射率,而紅色系顏料在520 nm后才有很高的反射率。

對(duì)于藍(lán)色系顏料,三種顏料的反射率曲線差異明顯,而且在藍(lán)光波段,青金石和石青的特征峰中心波長位置接近,而花青的中心波長不同且反射率較低;同時(shí),石青在1 500 nm和2 300 nm附近存在較強(qiáng)的吸收峰,花青在1 800～2 400 nm有明顯波動(dòng)。對(duì)于綠色系顏料,石綠和銅綠在綠色波段的中心波長位置明顯不同,且二者在紅外波段的特征峰差異也很明顯。

綜上可知,不同色系顏料的光譜差異明顯,而同色系的大多數(shù)顏料之間的光譜也存在一定差異,因此,光譜反射率可以作為識(shí)別不同顏料,特別是識(shí)別有色顏料的有效數(shù)據(jù)。

5.3 真實(shí)場景下的壁畫顏料層光譜特征分析

下面分析真實(shí)場景下的顏料光譜特征。通常,真實(shí)場景下的顏料層是一種混合態(tài)物質(zhì),且存在不同大小的粒徑狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)理論,粒徑對(duì)顏料光譜的影響主要體現(xiàn)在幅值上,曲線形狀保持不變;加膠后顏料光譜變化主要體現(xiàn)在對(duì)短波紅外波段的有機(jī)分子譜的局部吸收作用;壁畫基底的濕度主要影響近紅外波段水氣吸收峰,而壁畫基底材質(zhì)對(duì)壁畫顏料層的光譜影響是整體的。此外,在特殊情況下,還存在不同顏料混合使用的情況。本節(jié)重點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)分析加膠、壁畫基底材質(zhì)、不同顏料混合使用等主要的顏料層光譜特征。

首先,將顏料粉末加膠后繪制在白色繪圖紙上,并繼續(xù)使用ASD光譜輻射計(jì)測量并計(jì)算顏料在350～2 500 nm的反射光譜。通過選擇不同色系的代表性顏料,得到粉末狀顏料光譜和相應(yīng)的加膠繪制在繪圖紙上的顏料光譜,如圖15～16所示。

圖15 不同色系代表性顏料光譜曲線(粉末狀)Fig.15 Spectral curves of representative pigments of different color systems (powder)

圖16 不同色系代表性顏料光譜曲線(繪制在繪圖紙板上)Fig.16 Spectral curves of representative pigments of different color systems (drawn on a drawing board)

可以看出,對(duì)于繪制在繪圖紙板的加膠顏料光譜來說,其最大的變化是紅外光譜出現(xiàn)吸收,這主要是加膠加水后有機(jī)分子鍵的分子吸收光譜發(fā)生變化。其中,在1 900 nm后出現(xiàn)了明顯的吸收。為了詳細(xì)對(duì)比繪制在紙上的加膠顏料與粉末顏料的光譜變化,進(jìn)一步展示不同情況下的顏料光譜的導(dǎo)數(shù)譜,如圖17所示。

圖17 不同色系代表顏料的光譜曲線導(dǎo)數(shù)譜對(duì)比 (粉末狀顏料與繪制在繪圖紙板上的顏料)Fig.17 Comparison of derivative curve of spectral curves of representative pigments of different color systems (powdered pigments and pigments drawn on drawing board)

從導(dǎo)數(shù)譜的可見光波段400～750 nm來看,繪制在繪圖紙上的加膠顏料光譜和原始粉末光譜的特征差異很小,說明加膠對(duì)可見光光譜的影響較小。而從近紅外波段的光譜差異來說,二者在1 200 nm、1 400 nm、1 900 nm以及2 100～2 300 nm的特征差異比較明顯。因此,在實(shí)際場景的壁畫顏料識(shí)別中,可以考慮直接使用可見近紅外波段顏料光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜識(shí)別,或者使用加膠液化顏料的寬波段光譜數(shù)據(jù)及特定的紅外光譜特征進(jìn)行顏料識(shí)別。

進(jìn)一步,繼續(xù)模擬真實(shí)場景下的混合(含基底)顏料層的融合光譜特征。以實(shí)際壁畫中存在的紅色顏料作為純色顏料使用的例子,模擬其按不同配比繪制在白色基底上的光譜曲線,在此取紅色顏料和白色基底的配比權(quán)值為7∶3和8∶2,并分別定義為模擬混合顏料1和2;同時(shí),以實(shí)際壁畫中的紅色顏料渲染與黑色線條勾勒作為混合顏料使用的例子,模擬混合顏料按不同配比繪制在白色基底上的光譜曲線,在此取紅色顏料、黑色顏料和白色基底的配比權(quán)值為6∶1∶3和6∶2∶2,并分別定義為模擬混合顏料3和4。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí),紅色顏料選擇朱砂,黑色顏料選擇鐵黑,白色基底選擇石膏。同時(shí),提取真實(shí)壁畫中的顏料層光譜曲線作為對(duì)照組數(shù)據(jù)。此時(shí),上述不同狀態(tài)下的紅色顏料光譜曲線如圖18所示。

圖18 采集的紅色顏料、不同模擬狀態(tài)的紅色顏料 以及原始紅色顏料的光譜對(duì)比Fig.18 Spectra of collected red pigments, red pigments in different simulated states and original red pigments

同時(shí),選擇相關(guān)系數(shù)和2-范數(shù)距離作為定量指標(biāo),評(píng)價(jià)采集的紅色顏料與不同模擬狀態(tài)的紅色顏料以及原始紅色顏料的光譜相關(guān)性,結(jié)果如表2所示。

表2 采集的紅色顏料與不同模擬狀態(tài)的紅色顏料以及原始紅色顏料的光譜匹配性指標(biāo)Table 2 Spectral matching indexes of collected red pigments with red pigments in different simulated states and original red pigments

從圖16和表2可以看出,對(duì)于相關(guān)系數(shù),采集的紅色顏料與不同狀態(tài)的模擬混合顏料的相關(guān)系數(shù)都大于其與原始紅色顏料的相關(guān)系數(shù);而對(duì)于2-范數(shù)距離,采集的紅色顏料與不同狀態(tài)的模擬混合顏料的2-范數(shù)距離都小于與原始紅色顏料的2-范數(shù)距離。因此,本研究提出的用加權(quán)融合顏料光譜模擬真實(shí)場景下的壁畫光譜方案比直接使用原始純色顏料光譜具有更好的可行性。

5.4 顏料識(shí)別與色彩虛擬復(fù)原

在提取壁畫表層殘留顏料的光譜數(shù)據(jù)后,利用其可見近紅外400～1 000 nm特征光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顏料識(shí)別與色彩虛擬復(fù)原實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先使用前述混合顏料加權(quán)融合模擬光譜方案及融合光譜匹配法對(duì)不同色系的顏料進(jìn)行光譜識(shí)別;然后對(duì)每種色系顏料選取匹配度最大的識(shí)別結(jié)果,利用光譜帶通能量積分法對(duì)其識(shí)別結(jié)果進(jìn)行純色繪制和在白色壁畫基底上繪制的偽彩色圖像顯示,以得到壁畫顏料的純色復(fù)原和在壁畫基底繪制復(fù)原的色彩虛擬復(fù)原結(jié)果。

將武惠妃墓壁畫紅色位置處光譜與前述壁畫顏料光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,得到紅色顏料光譜匹配結(jié)果為朱砂或銀珠的可能性較大。它們的顏料光譜匹配結(jié)果與紅綠藍(lán)三通道偽彩色展示結(jié)果如圖19～20所示,匹配識(shí)別度如表3所示。

表3 武惠妃墓壁畫紅色顏料光譜特征匹配值Table 3 Matching values of spectral characteristics of red pigments of the mural in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui

圖19 武惠妃墓壁畫紅色顏料光譜曲線匹配結(jié)果Fig.19 Matching results of the red pigment spectral curve of the mural in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui

圖20 武惠妃墓壁畫紅色顏料光譜匹配結(jié)果(朱砂)的 純色復(fù)原與壁畫基底繪制復(fù)原的偽彩色圖像Fig.20 Pseudo color images of pure color restoration and mural base drawing restoration of the red pigment spectral matching result (cinnabar) of the mural in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui

將韓休墓壁畫黃色位置處光譜和前述壁畫顏料光譜數(shù)據(jù)庫比對(duì),得到黃色顏料光譜匹配結(jié)果為雌黃或石黃的可能性較大。它們的顏料光譜匹配結(jié)果與紅綠藍(lán)三通道偽彩色展示結(jié)果如圖21～22所示,匹配識(shí)別度如表4所示。

表4 韓休墓壁畫黃色顏料光譜特征匹配值Table 4 Matching values of spectral characteristics of yellow pigments of the mural in Han Xiu’s tomb

圖21 韓休墓壁畫黃色顏料光譜曲線匹配結(jié)果Fig.21 Matching results of the yellow pigment spectral curve of the mural in Han Xiu’s tomb

圖22 韓休墓壁畫黃色顏料光譜匹配結(jié)果(石黃)的 純色復(fù)原與壁畫基底繪制復(fù)原的偽彩色圖像Fig.22 Pseudo color images of pure color restoration and mural base drawing restoration of the yellow pigment spectral matching result (bezoar) of the mural in Han Xiu’s tomb

將武惠妃墓壁畫藍(lán)色位置處光譜和前述壁畫顏料光譜數(shù)據(jù)庫比對(duì),得到藍(lán)色顏料光譜匹配結(jié)果為青金石或石青的可能性較大。它們的顏料匹配結(jié)果與紅綠藍(lán)三通道偽彩色展示結(jié)果如圖23～24所示,匹配識(shí)別度如表5所示。

表5 武惠妃墓壁畫藍(lán)色顏料光譜特征匹配值Table 5 Matching values of spectral characteristics of blue pigments of the mural in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui

圖24 武惠妃墓壁畫藍(lán)色顏料光譜匹配結(jié)果(石青)的 純色復(fù)原與壁畫基底繪制復(fù)原的偽彩色圖像Fig.24 Pseudo color images of pure color restoration and mural base drawing restoration of the blue pigment spectral matching result (azurite) of the mural in the tomb of Imperial Concubine Wu Hui

將韓休墓壁畫綠色位置處光譜和前述壁畫顏料光譜數(shù)據(jù)庫比對(duì),得到綠色顏料光譜匹配結(jié)果為石綠的可能性較大。它們的顏料匹配結(jié)果與紅綠藍(lán)三通道偽彩色展示結(jié)果如圖25～26所示,匹配識(shí)別度如表6所示。

表6 韓休墓壁畫綠色顏料光譜特征匹配值Table 6 Matching values of spectral characteristics of green pigments of the mural in Han Xiu’s tomb

圖25 韓休墓壁畫綠色顏料光譜曲線匹配結(jié)果Fig.25 Matching results of the green pigment spectral curve of the mural in Han Xiu’s tomb

圖26 韓休墓壁畫綠色顏料光譜匹配結(jié)果(石綠)的純色復(fù)原與壁畫基底繪制復(fù)原的偽彩色圖像Fig.26 Pseudo color images of pure color restoration and mural base drawing restoration of the green pigment spectrum matching result (mineral green) of the mural in Han Xiu’s tomb

通過上述實(shí)驗(yàn)分析可以得到,對(duì)于唐墓壁畫不同色系的顏料來說,根據(jù)不同顏料真實(shí)場景下的混合顏料加權(quán)融合模擬光譜數(shù)據(jù),利用融合光譜特征匹配方法可以對(duì)紅色、黃色、藍(lán)色、綠色等顏料給出相應(yīng)的識(shí)別結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,武惠妃墓的紅色系顏料是朱砂和銀珠的匹配度最大,韓休墓的黃色顏料是雌黃和石黃的匹配度最大,武惠妃墓的藍(lán)色顏料是石青和青金石的匹配度最大,韓休墓的綠色顏料是石綠的匹配度最大。同時(shí),利用帶通光譜能量積分方法可以得到不同顏料識(shí)別結(jié)果的純色復(fù)原與壁畫基底上復(fù)原的顏料色彩虛擬修復(fù)結(jié)果,其可作為壁畫顏料色彩實(shí)體修復(fù)的參考依據(jù)。

6 結(jié) 論

對(duì)于墓葬壁畫這類彩繪文物的修復(fù)與保護(hù)來說,目前主要利用主觀經(jīng)驗(yàn)輔以點(diǎn)采取樣分析進(jìn)行修復(fù),這樣的修復(fù)對(duì)于存在不確定性的文物來說,存在破壞壁畫本真性,甚至造成壁畫二次損壞的問題。利用光譜成像技術(shù)和高光譜偽彩色顯示技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壁畫顏料的非接觸無損分析與色彩虛擬復(fù)原。基于此,本研究提出了一種基于融合光譜分析與帶通能量積分的壁畫顏料色彩虛擬修復(fù)方法,并利用采集的顏料光譜數(shù)據(jù)、壁畫高光譜成像數(shù)據(jù)及模擬混合顏料光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了壁畫顏料識(shí)別與色彩虛擬復(fù)原實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明該方法具有一定可行性,可有效提高壁畫遺產(chǎn)保護(hù)的數(shù)字化水平,對(duì)壁畫文物的活化傳承與保護(hù)具有重要示范意義。