高光譜成像 一雙火眼金睛“看”透上千年墻壁畫
《樂舞圖》韓休墓中的一幅墻壁畫《樂舞圖》，左邊毛毯前的小伙能夠 隱隱約約發(fā)覺修改的印痕(圖中)，歷經對高光譜圖象的進一步解析發(fā)覺，左邊毛毯前的小伙處原來畫了一個小孩子(下面的圖)，之后被改動變成成年人。
高光譜成像儀獲得的已不是不可見光的圖象，只是色調光譜儀透射率的信息內容，因此不容易造成普通相機在不一樣燈源直射下展現同樣色調的偏色難題，從而詳細且真正地復原顏色與墻壁畫的情況。值得一提的是，近紅外波段到短波紅外波段對顏料有穿透能力，這意味著高光譜成像儀可以透視壁畫。
1月15日，中國科學院西安光學精密機械研究所(以下簡稱西安光機所)與陜西歷史博物館正式簽訂戰(zhàn)略合作協議。未來，雙方將在古代壁畫典型顏料庫建設項目和“流動博物館”兩個項目上開展合作。
這次合作的基礎建立在西安光機所擁有的光譜成像技術、光學超高分辨率成像等先進的光學技術基礎上。這些曾經在軍工領域大顯身手的前沿技術，在壁畫發(fā)掘與保護工作中也脫穎而出，成為記錄壁畫原始信息、辨別顏料成分的“利器”。
看出顏料成分
在古代，顏料多以礦物質、植物等自然物質為主，經過幾千年智慧的積累，同一種顏色可以用不同的物質表達，“比如紅色就包括朱砂、赭石、鉛丹等物質;黃色則可能是纖鐵礦、密陀僧或雌黃等。”陜西歷史博物館壁畫基地辦公室副主任王佳在接受《中國科學報》記者采訪時舉例說。所以即便看到同一種顏色，也無法立刻判斷到底是哪種物質產生的顏色。“文保工作者看到壁畫的第一時間就想知道顏料的成分。因為壁畫的價值體現在表達內容上，顏料又是表達內容最重要的手段之一。”王佳補充道。
既然無法通過肉眼觀察得到結論，那么儀器分析就必不可少。“我們一直在嘗試，通過光學顯微鏡、X射線熒光、激光拉曼等手段分析，只是精確的儀器往往體積比較龐大，無法帶到發(fā)掘現場。所以只能從壁畫上刮取樣品帶回去檢驗。這樣的取樣化驗的方法不可避免會對畫作造成損害。”王佳無奈地說。
高光譜成像儀的出現，讓這些“無奈”迎刃而解。“高光譜成像儀分析顏料成分時完全不需要刮取顏料，是通過與壁畫保持一定距離而進行非接觸式掃描實現的。它判斷顏料成分的依據是不同礦物質具有的光譜特征不同。可以說，光譜反射率是物質的‘指紋’，可以用來識別物質。”西安光機所副研究員張朋昌告訴《中國科學報》記者。而且，相較于精確度與體積無法“兼得”的大型儀器，高光譜成像儀經過西安光機所的不懈努力，已經可以適應較狹窄的場地，進行現場勘測。這些都為建立顏料庫提供了基礎。
而在此協議簽訂之前，我國并沒有對古代畫作特別是壁畫的顏料光譜特征開展過系統的研究。因為與其他文物的修復工作相比，壁畫修復的工作起步較晚。“壁畫的考古發(fā)掘工作從上世紀五六十年代才開始，至今也不過只有六七十年的時間。國內開展顏料測定工作時間更短，所以目前并沒有系統的顏料資料庫。”王佳解釋說。
發(fā)現高光譜成像儀可以分辨顏料成分起源于2013年，當時陜西歷史博物館的考古人員正在發(fā)掘唐朝宰相韓休的墓葬。韓休墓的發(fā)現，與一起盜墓案密不可分。
記錄原始色彩
2006年，陜西省西安市民警破獲了一起盜墓案，在查看被收繳的硬盤時，發(fā)現了一組壁畫的照片。從照片中可以清楚地看出壁畫繪制精美，人物神情惟妙惟肖。通過衣著體態(tài)和面容形象，專家判斷這是盛唐時期的墓室壁畫。經過幾年的審問，盜墓人終于吐露，這是從位于西安南郊郭辛莊村的一處古墓內拍攝的。
2013年，這一墓葬在西安市長安區(qū)大兆街辦郭辛莊村被發(fā)現。在進行搶救性發(fā)掘時，考古人員發(fā)現該古墓是唐代官員韓休與夫人合葬之墓。墓葬深約11米，坐北向南，墓道至墓室總長約40米。雖然遭到嚴重盜擾，但墓葬形制基本保存完整，還出土了雞、鴨、牛、馬、駱駝等陶質文物140余件。更讓考古者們驚喜的是墓中的壁畫幾乎被完整地保留下來且精美絕倫。
墓室內，東壁繪制的是樂舞圖，西壁是6幅條屏式的樹下高士圖，南壁是玄武圖，在北壁的東部則發(fā)現了山水圖。但遺憾的是，西壁的6幅圖中有兩幅不翼而飛，南壁的玄武圖也被破壞殆盡;幸運的是，東壁滿繪的樂舞圖是近10年來，陜西省發(fā)現的最完整的樂舞圖，圖中男性胡人樂隊和女性唐人樂隊就像斗舞一般，在春日的閑暇時光里為墓主人表演，“這幅壁畫恰巧反映了唐代絲綢之路的繁榮，我國與其他國家的互聯互通，為現代‘一帶一路’的發(fā)展提供了證據”。王佳說。更重要的是，北壁東部發(fā)現的山水畫也將我國山水畫成熟期提前。“以前，專家們一直認為山水畫的成熟期是在宋代，但是這幅壁畫中山水的畫法顯示，在唐朝山水畫已經進入了成熟期。”王佳說。
為了更好地將壁畫完整地記錄下來，陜西歷史博物館邀請西安光機所加入到保護壁畫的工作中。“因為墓穴打開后，空氣會讓顏料的成分不穩(wěn)定，進而產生變化。高光譜成像儀可以第一時間將顏色記錄下來。”張朋昌解釋說。
透視涂改痕跡
高光譜成像儀果然不負眾望，其可以接近100%復原壁畫的被發(fā)掘的狀態(tài)，甚至可以還原壁畫曾經修改的部分。這雙“慧眼”得益于高光譜成像儀可以覆蓋范圍更廣的光譜。
從原理上講，光是一種電磁波，但是人眼可見的波段有限，即400nm至760nm波段，普通相機拍出的照片呈現的便是可見光的部分。而在760nm~2500nm的波段，雖然人眼看不到，卻可以被儀器捕捉到，比如一些紅外相機等就可以呈現一部分波段的圖像。
高光譜成像儀則覆蓋了光波更廣的范圍，包括可見光、近紅外(760nm~1000nm)和短波紅外區(qū)域(1000nm~2500nm)。“我們可以再將400nm至2500nm區(qū)間的波長劃分為寬度為N納米的區(qū)間。對于同一幅場景，我們按波長從小到大依次用每一個區(qū)間波長的光去拍攝圖像，將得到2500~400/N幅圖像，這組圖像作為整體被稱作高光譜圖像。”
正因為高光譜成像儀獲取的不再是可見光的圖像，而是顏色光譜反射率的信息，所以不會產生普通相機在不同光源照射下呈現相同顏色的色差問題，進而完整且真實地還原色彩與壁畫的狀態(tài)。不僅如此，近紅外波段到短波紅外波段對顏料有穿透能力，“這意味著我們可以透視壁畫”。張朋昌說。
在對樂舞圖進行掃描時，張朋昌等人就發(fā)現左側地毯前的男子隱約有改動的痕跡。經過對高光譜圖像的進一步分析發(fā)現，證實了研究人員的想法：左側地毯前的男子處原先畫了一個小孩，后來被修改成了大人。更有意思的是，墓室壁畫中類似的涂改還有多處，比如，在壁畫右側地毯左下角還有一處被涂改掉的兔子。那么，為何墓室的壁畫會被涂改，這些被涂改的內容與后來的成人有何關系?高光譜成像儀的發(fā)現為后續(xù)的研究工作提出了更多的問題。
除了“看到”畫中被涂改的痕跡，高光譜成像儀還能夠將細小的裂紋完整呈現，“這些細節(jié)反映了壁畫的健康狀況，對后期對其修復和保護工作都能提供思路，如果被忽略則可能錯過重要的信息”。張朋昌說。
為了完美地將細節(jié)復原，高光譜成像儀對工作環(huán)境的要求也是極高的，“首先要摒除一切環(huán)境光的干擾”，張朋昌說。所以在工作時，他們會將墓室內的環(huán)境光屏蔽，同時打開自己攜帶的光源，“將無關光源擋住后才能保證高光譜成像儀采集的數據準確。”張朋昌繼續(xù)解釋道。
效力后續(xù)文保
參與韓休墓壁畫的發(fā)掘工作讓張朋昌難忘，因為這是對高光譜成像儀應用領域開拓的嘗試，同樣將這次經歷銘記于心的還有王佳，他說：“這是我第一次進入真正的墓室，之前我一直在博物館內的文物修復室工作。”他還記得在發(fā)掘的不到兩年時間內，作為發(fā)掘人員，他們經歷了地上接近40攝氏度高溫，墓葬中卻只有十幾攝氏度的高溫差。“當時是夏天，室外溫度極高，但墓室內因為在地下11米的地方，所以溫度不高。而且里面空氣不新鮮，我們每隔半個小時就要爬到地面上透透氣。”王佳說，“計算下來一天的爬上爬下的距離與攀上30層樓相差無幾。”而且，很多在實驗室可以使用的材料在墓室內卻失效了。于是一邊開發(fā)尋找新的材料，一邊抓緊時間進行壁畫揭取工作。當王佳看到壁畫安全運到博物館并修復完成后，“覺得吃再多苦都值得”。
