[科学技术]高光谱成像 一双慧眼“看”透千年壁画

乐舞图韩秀墓壁画《乐舞图》，其中左地毯前的男子依稀能找到变化的痕迹(上图)。经过对高光谱图像的进一步分析，发现一个小孩原来画在左地毯前的那个男人身上(下图)，后来变成了大人。

■我们的记者袁亦学

高光谱成像仪不再是可见光的图像，而是颜色的光谱反射率信息，因此不会造成普通相机在不同光源下呈现相同颜色，进而完全真实还原颜色和壁画状态的色差问题。此外，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穿透壁画。

1月15日，中国科学院Xi光学与精细机械研究所(以下简称Xi光学与精细机械研究所)与陕西历史博物馆正式签署战略合作协议。未来，双方将在两个项目上进行合作:古代壁画典型颜料库建设项目和“流动博物馆”。

此次合作的基础是Xi安光电研究所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。这些曾经在军工领域施展才华的尖端技术，在壁画的发掘和保护中也脱颖而出，成为记录壁画原始信息和区分颜料成分的“利器”。

看颜料成分

在古代，色素主要是矿物质和植物等自然物质。经过几千年的智慧，同样的颜色可以用不同的物质来表达。“例如，红色包括朱砂、赭石、铅等物质；黄色可能是锂云母、坦陀罗或雌黄。”陕西历史博物馆壁画基地办公室副主任王佳在接受《中国科学》记者采访时举例说明。所以，即使看到同样的颜色，也不能马上判断是哪种物质产生的颜色。“文物保护工作者看到壁画，想知道颜料的成分。因为壁画的价值体现在内容的表达上，颜料是表达内容最重要的手段之一。”王甲接着说道。

由于肉眼观察无法得出结论，仪器分析是必要的。“我们一直试图通过光学显微镜、x光荧光、激光拉曼等手段进行分析。，但精确的仪器通常体积庞大，无法带到挖掘现场。所以只能从壁画上刮取样本带回去检验。这样的取样和测试方法必然会对画作造成损害。”王甲无奈的说道。

随着高光谱成像仪的出现，这些“无奈”就可以迎刃而解了。“高光谱成像仪在分析颜料成分时不需要刮擦颜料，而是在与壁画保持一定距离的情况下，通过非接触扫描实现的。它根据不同矿物的不同光谱特征来判断颜料的组成。可以说，光谱反射率是一种物质的‘指纹’，可以用来鉴别物质。”Xi光学与力学研究所副研究员张鹏昌告诉《中国科学》杂志。此外，与不能同时具备精度和体积的大型仪器相比，通过Xi光学与力学研究所的不懈努力，高光谱成像仪已经能够适应狭小的野外调查场地。这些都为色素库的建立提供了依据。

在这个协议签订之前，并没有对古画尤其是壁画的颜料光谱特征进行系统的研究。相对于其他文物的修复，壁画的修复起步较晚。“壁画的考古发掘始于五六十年代，至今才670年。我国色素测定的工作时间较短，所以目前没有系统的色素数据库。”王甲解释道。

2013年陕西历史博物馆考古人员在发掘唐朝宰相韩修墓时发现，通过高光谱成像仪可以分辨出颜料成分。韩秀墓的发现与一起盗墓案密不可分。

记录原始颜色

2006年，陕西省Xi市警方破获一起盗墓案，在检查没收的硬盘时发现了一组壁画照片。从照片上可以清楚地看到，壁画绘制精美，人物看起来栩栩如生。根据服装姿势和面部图像，专家判断这是盛唐时期的墓室壁画。经过几年的审讯，盗墓贼终于发现，它是从Xi南郊郭辛庄村的一座古墓中取出的。

2013年，该墓在Xi市长安区大召街道办事处果新庄村被发现。在抢救发掘过程中，考古学家发现该墓为唐代官员韩修及其夫人所葬。墓深约11米，从北到南，从墓道到墓室全长约40米。虽然被盗严重，但墓的形状基本保存，出土了鸡、鸭、牛、马、骆驼等陶器文物140余件。令考古学家惊讶的是，墓中的壁画几乎保存完整，精美绝伦。

墓内东墙绘有乐舞图，西墙有6幅高适树下图，南墙有玄武图，北墙东面有风景图。但可惜西墙六图少了两张，南墙玄武图也毁了；幸运的是，画在东墙上的乐舞图是陕西省近10年来发现的最完整的乐舞图。图中，胡人男乐队和唐人女乐队在春天的闲暇时间为墓主表演。“这幅壁画反映了唐代丝绸之路的繁荣以及中国与其他国家的联系，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推进了中国山水画的成熟。“过去，专家们一直认为山水画的成熟是在宋代，但这幅壁画中山水画的绘画方法表明，山水画在唐代已经进入成熟。”王甲说。

为了更好地完整记录壁画，陕西历史博物馆邀请xi光学与力学研究所参与壁画保护。“因为墓穴打开后，空气体会使色素的成分不稳定，然后发生变化。超光谱成像仪可以在第一时间记录颜色。”张朋昌解释道。

涂改痕迹透视

超光谱成像仪真的不负众望。可以将壁画的出土状态恢复近100%，甚至可以恢复壁画曾经修改过的部分。这些“眼睛”受益于这样一个事实，即超光谱成像仪可以覆盖更宽的光谱。

光在原理上是电磁波，但人眼的可见波段是有限的，即从400nm到760nm，普通相机拍摄的照片显示的是可见光。在760nm~2500nm波段，虽然人眼看不到，但是仪器可以捕捉到，比如有的红外相机可以呈现一些波段的图像。

超光谱成像仪覆盖的光波范围更广，包括可见光、近红外(760nm~1000nm)和短波红外(1000nm~2500nm)。“我们可以把波长从400纳米到2500纳米分成一个宽度为N纳米的区间。对于同一个场景，我们用每个区间波长的光从小到大进行拍摄，会得到2500~400/n的图像。这组图像作为一个整体被称为高光谱图像。”张朋昌解释道。

正是因为高光谱成像仪不再是可见光图像，而是彩色光谱反射率的信息，所以不会造成普通相机在不同光源照射下呈现相同颜色，进而完全真实还原颜色和壁画状态的色差问题。不仅如此，近红外波段到短波红外波段可以穿透颜料，“也就是说我们可以看透壁画”。张朋昌说。

在扫描乐舞画面的时候，张朋昌等人发现，左地毯前的男子有隐约的变化痕迹。经过对高光谱图像的进一步分析，证实了研究人员的想法:一个孩子最初被画在左地毯前的男人身上，后来变成了一个成年人。更有趣的是，墓壁画中有许多类似的改动。比如壁画右侧地毯左下角有一只被改动过的兔子。那么，为什么墓中的壁画会被涂改，这些涂改的内容与后来的成年人有什么关系呢？高光谱成像仪的发现给后续的研究工作提出了更多的问题。

除了“看到”画中被改变的痕迹，超光谱成像仪还可以完全呈现微小的裂缝。“这些细节反映了壁画的健康状况，可以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。”。张朋昌说。

为了完美还原细节，超光谱成像仪对工作环境要求极高。“首先，我们必须摆脱所有环境光的干扰，”张鹏昌说。所以在工作的时候，他们会屏蔽墓内的环境光，开启自己携带的光源。“高光谱成像仪采集的数据在遮挡无关光源后可以保证准确。”张朋昌继续解释。

有效性跟踪鲍文

参与韩秀墓壁画的发掘，让张鹏昌刻骨铭心，因为这是一次开拓高光谱成像仪应用领域的尝试。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。之前一直在博物馆的文物修复室工作。”他还记得，在不到两年的挖掘过程中，作为挖掘机，他们在地面上经历了近40摄氏度的高温，但墓穴里只有十几摄氏度的温差。“当时是夏天，室外温度极高，但墓内温度并不高，因为是地下11米。而且里面的空气体不新鲜，我们必须每半个小时爬到地上呼吸一次。”王甲说:“算算一天爬上爬下的距离，和爬30层楼差不多。”而且，很多可以在实验室使用的材料，在坟墓里都失效了。因此，在开发和寻找新材料的同时，我花时间揭开了壁画。王甲看到壁画被安全运到博物馆修复后，“觉得再怎么辛苦也值得一吃”。

壁画发掘的成功也显示了双方进一步合作的前景。然后就是签订协议建立颜料库的场景。"我们将从收藏品中的壁画开始，慢慢展开."王甲说:“我希望最终形成一个中国古代壁画颜料库。”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。但有些壁画由于各种原因无法保存到位，就会被转移到博物馆或其他文化保护单位进行修复保护，这就是所谓的收藏壁画。“目前，中国陕西省出土的大部分唐代墓室壁画都在陕西历史上的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已经过高光谱成像仪扫描外，还有很大一部分是易损的，不适合现场扫描，所以直接带进博物馆进行修复。现在壁画修复接近完成，接下来就是高光谱成像仪施展才华的时候了。“我们也是边练边学，算法方面的研究工作一直在进行。”张朋昌说。

王佳还表示，除了颜料数据库的合作，还有哪些可以通过科技进行的文化保护工作需要详细讨论。“我们将继续与Xi光学与力学研究所举办研讨会，首先介绍我们修复的方法和过程，然后双方将从这个过程中寻找科技灵感。"