淺談高光譜成像技術在世界名畫賞析領域的應用

2020-12-03 儀器信息網

高光譜圖像是將成像技術和光譜技術相結合的多維信息檢測技術，它能夠同時探測目標的二維幾何空間與一維光譜信息，獲取高光譜解析度的連續、窄波段的圖像數據。我們可以根據獲得的高光譜數據，分析得到具有診斷性意義的物質光譜特徵，建立代表物質特性的「指紋光譜」（每種物質都有的自己獨特的光譜特徵），接著便可以針對高光譜圖像中每個像元的光譜反射率曲線，基於光譜匹配與特徵分析，利用光譜信息直接識別目標物質。

文物中，消失的文字、脫落的顏料，由於他們擁有自己獨特的光譜特徵，而高光譜圖像的特點在於極高的光譜解析度和空間解析度，只要其留有微弱的信號，我們就可以根據光譜特徵將其探測出來、並標明在什麼位置；在政策的推動下，我國文物修復工作取得了明顯突破，一批質量上乘的科學分析儀器被運用到了修復工作中。高光譜擁有著可捕獲物質的「指紋光譜」這一特性，在文物修復過程中發揮著越來越重要的作用。本文將介紹一些美國SOC系列文物高光譜成像系統在國外文物保護領域的一些典型應用範例。

一、畢卡索名畫「Blue Room」塗料成分分析

英文名稱：Reflectance imaging spectroscopy and synchrotron radiation X?ray fluorescence mapping used in a technical study of The Blue Room by Pablo Picasso

美國菲利普斯收藏館 / 美國阿姆斯特丹國立博物館自然保護部

圖1 畢卡索名畫「Blue Room」平面圖


圖2 畢卡索名畫「Blue Room」斜面紋理圖


圖3  a為1500-1650nm處顯示的隱藏圖像；b為2100-2400nm處紋理特性


圖4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度圖像


圖4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度圖像

二、梵谷名畫鳶尾花與玫瑰」(Van Gogh: Irises and Roses) 材料分析研究

英文名稱：Van Gogh’s Irises and Roses: the contribution of chemical analyses and imaging to the assessment of color changes in the red lake pigments

美國紐約大都會藝術博物館

畫作簡介：

文森特·梵谷：《鳶尾花》(Irises)(1890)；尺寸：73.7x92.1 cm，紐約大都會藝術博物館館藏；

文森特·梵谷：《玫瑰》(Roses)(1890)；尺寸：93 x 74 cm，紐約大都會藝術博物館館藏。

 

圖1 《鳶尾花》 

圖2 《玫瑰》

圖3  《鳶尾花》平面圖(a)；基於螢光光譜的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的圖像分割

圖4  《玫瑰》平面圖(a)；基於螢光光譜的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的圖像分割

圖5  a、b、c、d分別展示不同區域的細節成分與對應漫反射光譜

三、畢卡索名畫「Harlequin Musician」《丑角音樂家》與The Tragedy《悲劇》材料鑑別分析

英文名稱：Visible and Infrared Reflectance Imaging Spectroscopy of Paintings: Pigment Mapping

and Improved Infrared Reflectography

美國華盛頓區國家畫廊 / 美國陸軍夜視和電子傳感器理事會

畫作簡介：

Harlequin Musician《丑角音樂集》   作者：（西班牙）巴勃羅·魯伊斯·畢卡索

創作年代：1924年

The Tragedy《悲劇》         作者：（西班牙）巴勃羅·魯伊斯·畢卡索

創作年代：1903年          布面油畫 【規格】105.4 ×69cm                                               收藏地：美國華盛頓區國家畫廊

    畫作《悲劇》創作於1903年，是畢卡索憂鬱時期的作品。當時，畢卡索的畫賣不出去，生活異常艱苦。生活的不順使畢卡索心情低落，也表現在他的畫作之中。《悲劇》一畫描繪的是一家三口的生活困苦、無家可歸的悲劇。這是西班牙乃至整個歐洲社會動蕩生活貧窮落後的悲劇，是世紀交替時期一代人痛苦沉淪的象徵。

圖1  Harlequin Musician《丑角音樂家》                 The Tragedy《悲劇》

圖2  Harlequin Musician《丑角音樂家》可見光到短波紅外高光譜立方體3D顯示 


圖3  Harlequin Musician《丑角音樂家》高光譜成像數據與光纖光譜儀數據對比


圖4  The Tragedy《悲劇》三個不同部位基於特徵波段的假彩色合成圖 左側 人體：1000, 1150, 1200 nm; 中部 馬: 1300, 1350, 1400 nm; 右側 草圖：1600, 1625, 1660 nm

四、畢卡索名畫「Harlequin Musician」《丑角音樂家》材料鑑別分析

英文名稱：Visible and Infrared Imaging Spectroscopy of Picasso’s Harlequin Musician:

Mapping and Identification of Artist Materials in Situ

美國國家美術館科學研究部

畫作簡介：

Harlequin Musician《丑角音樂集》   作者：（西班牙）巴勃羅·魯伊斯·畢卡索

創作年代：1924年

圖1  Harlequin Musician《丑角音樂家》RGB圖像、高光譜3D圖像顯示、光譜曲線、分類結果圖


圖2 Harlequin Musician《丑角音樂家》 A：假彩色700, 750, 800 nm； B：基於中值濾波的影像提取；C：可見光參考圖像；D：基於SAM的影像提取

表1 不同塗料的成分配置圖


圖3  白色塗料的不同種類分類提取結果


圖4 基於高光譜與螢光光譜的微弱差異塗料成分的鑑別分析

五、畢卡索名畫「Picasso’s Peonies」《牡丹》材料鑑別分析

英文名稱：Visible and infrared imaging spectroscopy of paintings and improved reflectography

美國國家美術館科學研究部

畫作簡介：

Picasso』 s Peonies《牡丹》  作者：（西班牙）巴勃羅·魯伊斯·畢卡索  創作年代：1901年


圖1 a：Picasso』 s Peonies《牡丹》彩色圖；b：不同塗料的分類提取圖；c：不同塗料的反射光譜圖



圖2 a：Picasso』 s Peonies《牡丹》彩色圖；b：800, 750, and 700 nm 假彩色圖像；c：不同標記點的光譜


圖3：Madonna and Child with Four Angels 畫像處理


目前文物鑑定的傳統方法中很多是有損或微損的，需取樣才能分析；而且，有損測試的分析結果只局限於測試點或取樣點，而不能完全代表未測試部位的信息。高光譜成像技術能同時提供待測物整體的圖像和光譜信息，可以對目標物進行高光譜識別和分類；其具有快速測量、能進行精細分類與識別等優點，且對文物無損傷，在文物分析領域具有廣闊的應用前景。

SOC710CR高光譜文物成像系統具有獨特的內置推掃技術、雙CCD可預覽、一鍵式測量等特點，可提供實驗室暗箱、實驗室平臺及顯微測量等多種操作模式。後期光譜提取與特徵提取等技術可最大程度上滿足用戶的需求，在文物保護、修復、真偽識別等方面具有重要作用。

相關焦點

  • 什麼是高光譜成像技術?
    高光譜成像技術是近二十年來發展起來的基於非常多窄波段的影像數據技術，其最突出的應用是遙感探測領域，並在越來越多的民用領域有著更大的應用前景。它集中了光學、光電子學、電子學、信息處理、計算機科學等領域的先進技術，是傳統的二維成像技術和光譜技術有機地結合在一起的一門新興技術。
  • 高光譜成像技術在生物醫學方向的新應用
    什麼是高光譜成像技術高光譜成像技術（HSI）是一種結合成像和光譜的混合模式，通過在二維檢測器陣列的每個像素處收集光譜信息，產生空間和光譜信息的三維數據集。根據空間成像方式的不同，成像光譜儀主要分為擺掃式成像光譜儀、推掃式成像光譜儀和凝視式成像光譜儀。
  • 高光譜成像技術及其應用(附:IR近紅外成像技術及其應用)
    ​高光譜成像（hyperspectralimaging，HSI）集圖像信息和光譜信息於一體，能同時反映實驗對象的化學信息、物理信息及其空間分布信息，其無輻射、非損傷、非接觸、大數據、可視化等優勢特點，已日益成為生物檢測、實驗醫學等領域研究檢測的重要先進技術手段。
  • 多光譜與高光譜成像技術的區別
    多光譜、高光譜甚至是超光譜首先是應用於衛星的遙感，遙感技術已經成為人類獲得地球以及其他星球信息重要的手段之一。利用遙感成像系統得到的地球資源信息已成為人類開發、合理的利用、管理和監測地球資源及環境不可缺少的基本手段，在農業、地質、森林、水利、土壤、海洋、環境、大氣研究等領域發揮了巨大的作用。
  • 高光譜成像技術在菸草行業的應用總結
    近年來，隨著高光譜遙感技術的發展，基於高光譜原理的無損傷測試技術已經逐步在農業上得到應用，目前國內外學者已經對多種作物進行了光譜反射率及化學組分的相關性研究。高光譜預測在菸草上的應用尚處於起步階段，李向陽等採用逐步回歸方法建立了K326烤菸葉片菸鹼含量的回歸方程，認為一階導數光譜回歸模型的模擬效果較好，但要達到田間實時實地檢測，還要考慮外界環境的影響［7j。
  • 高光譜成像光譜儀簡介及其應用概述
    高光譜成像光譜儀將成像技術和光譜技術結合在一起，在探測物體空間特徵的同時並對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm左右的連續光譜覆蓋。它以高光譜解析度獲取景物或目標的高光譜圖像。在陸地、大氣、海洋等領域的研究觀測中有廣泛的應用。
  • 成像光譜偏振技術
    成像技術可以獲取目標的物理形狀信息，是最直觀、最簡捷、應用領域最廣泛、效果最明顯的信息獲取手段。特徵光譜信息可以認知目標的物質結構和化學組成，光譜識別和光譜分析已在軍事和民用方面得到了廣泛應用。偏振信息與目標的外形輪廓、表面粗糙度及邊角特性相關，相同材質製作的不同形狀的目標具有不同的偏振特性。
  • 關於無人機高光譜成像相機在各行各業的應用情況詳解
    簡介 成像技術和光譜技術是傳統的光學技術的兩個重要方向，成像技術能夠獲得物體的影像，得到其空間信息；光譜技術能夠得到物體的光學信息，進而研究其物質屬性。20世紀70年代以前，成像技術和光譜技術是相互獨立的學科，隨著遙感技術的發展，成像光譜技術迅速發展起來，它是一種快速、無損的檢測技術，具有光譜解析度高、多波段和圖譜合一的特點，能在大尺度範圍內識別地表並深入研究其地表物質的成分及結構。目前成像光譜技術已經成為遙感技術的發展趨勢之一，並在軍事偵察、海洋遙感、地質勘探、植被分析等領域得到越來越廣泛的應用。
  • 長春光機所突破航天高解析度高光譜成像關鍵技術
    日前，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所突破了航天高解析度高光譜成像關鍵技術。該技術利用離軸三反非球面光學系統、複合稜鏡分光、推掃成像和指向鏡運動補償技術，有效解決了航天高光譜遙感中高空間解析度、高光譜解析度與圖像高信噪比之間的矛盾，突破了視場分離、光譜分光、在軌光譜輻射定標等關鍵技術瓶頸，為我國航天高解析度高光譜成像技術的工程化奠定了技術基礎。
  • 高光譜遙感技術介紹及應用
    高光譜遙感是利用很多狹窄的電磁波波段產生光譜連續的圖像數據，它不像多光譜遙感中根據顏色的差異來分辨目標，而是根據譜段光譜曲線的形態來分析目標是什麼。光譜分析是人類藉助光認知世界的重要方式。如果說可見光圖像提供的是平面信息，那麼高光譜遙感圖像提供的就是空間信息，通過對光譜的分析，大大提高了圖像數據的採集能力。 　　2. 多光譜、高光譜的區別?
  • 拉曼光譜技術在爆炸物檢測領域的應用研究
    常見的爆炸物檢測方法有：離子遷移光譜技術、紫外螢光技術、質譜分析技術、核磁共振技術、中子技術、X射線成像技術、γ射線成像技術等，但每種檢測方法都有一些優缺點。拉曼光譜可實現爆炸物的遠程、高靈敏度、無損傷、微痕量的檢測，在爆炸物領域有巨大的應用市場[1-4]。
  • CRAIC拉曼光譜技術在爆炸物檢測領域的應用
    常見的爆炸物檢測方法有：離子遷移光譜技術、紫外螢光技術、質譜分析技術、核磁共振技術、中子技術、X射線成像技術、γ射線成像技術等，但每種檢測方法都有一些優缺點。拉曼光譜可實現爆炸物的遠程、高靈敏度、無損傷、微痕量的檢測，在爆炸物領域有巨大的應用市場[1-4]。
  • 遙感高光譜數據處理與應用技術研修班舉行
    11月7日，由中國科學院人事局支持，中國科學院西安光學精密機械研究所人力資源管理處和光譜成像技術院重點實驗室聯合舉辦的遙感高光譜數據處理與應用技術研修班在西安光機所祖同樓四樓會議室舉行。西安光機所組織30餘名科研人員與國內20餘家從事空間領域研究機構的專業技術人員共50餘人參加了學習。
  • 多光譜成像技術
    本文轉載自【微信公眾號：魔咖色域，ID：Mycolordoc】經微信公眾號授權轉載，如需轉載與原文作者聯繫多光譜成像是多波段光譜圖像獲取、處理、複製、顯示等系列技術的簡稱；通常認為在可見光譜段的多光譜圖像的光譜解析度大於10nm，該解析度能夠以較高的精度擬合或重建自然界中多數目標的輻射光譜或反射光譜信息
  • 成像高光譜儀在量子點暗場散射光譜方向的應用
    高光譜成像儀（也稱光譜相機或高光譜相機、高光譜儀），是將分光元件與面陣列相機完美結合，可同時、快速獲取光譜和影像信息；可應用於諸多領域的科學研究及工業自動化檢測。　　「譜王」(OmniImager)系列採用高衍射效率的透射式光柵分光模組與高靈敏度面陣列相機、結合內置掃描成像，自動調焦及輔助攝像頭技術，解決了傳統高光譜相機需外接推掃成像機構及調焦複雜等難以操作的問題。可與標準C接口的成像鏡頭或顯微鏡直接集成，實現光譜影像（Mapping）的快速採集。
  • 高光譜成像的傳感器和相機要求
    通過適當的組件選擇，高光譜成像技術可提供可見光範圍以外的有效圖像捕獲。高光譜成像（HSI）技術最初用於地球觀測，已擴展到各個領域，從工業分類到醫學研究，例如科學家利用該技術生成皮膚和皮下組織的資料庫。隨著圖像傳感器和照相機的改進，研究人員和開發人員正在發現越來越多的高光譜成像應用，包括食品質量控制，製藥過程控制，塑料分選和生物測量。
  • 「2018高光譜(多光譜)遙感技術應用全國用戶會議」勝利召開
    由北京歐普特科技有限公司主辦的「2018高光譜（多光譜）遙感技術應用全國用戶會議」於本月7日於南京大學仙林校區順利召開。    會議上，美國Headwall公司Dr.Wong、美國Spectral Eolution Inc.公司Dr.Saenz、以及北京歐普特科技有限公司儀器事業部總經理徐勝豔女士，分別就高光譜成像光譜儀
  • 多光譜成像技術在農業生產的精準管理和作業研究中應用
    目前隨著光譜傳感技術和圖像處理分析技術的日益發展,無人機與光譜軟硬體的結合也越發純熟。在農業、林業、資源、生態、環境保護等領域都得到了廣泛應用。 作物的光譜特徵是環境因子(生物因子和非生物因子)影響的結果。利用光譜和成像技術快速、無損地獲取作物的養分生理信息，間接預估作物的產量以及監測作物長勢與逆境脅迫響應，有助於實現農業精準化、數位化、信息化以及智能化管理作業。
  • 中達瑞和參加「第五屆高光譜技術及應用研討會」並受邀做專題報告
    該會議兩年一次，是目前國內高光譜領域專業水平最高的會議。本次會議報告內容包含：高光譜遙感成像技術、成像光譜儀器與設備、計算光譜探測技術、高光譜數據處理和高光譜數據應用等九個專題，旨在進一步加強高光譜遙感技術交流與發展、總結和推廣數據應用以及推進我國光譜成像技術領域成果展示。作為國內自主研製核心器件的高光譜成像設備企業，中達瑞和應邀參加會議，與參會的專家學者和企業界同行進行了深入交流研討。
  • 高光譜成像應用之海洋和湖泊沉積物結構與成分分析
    高光譜成像應用之——海洋和湖泊沉積物結構與成分分析　　瑞士Bern大學的MartinGrosjean等人（2014年）利用Specim公司的sisuSCS高光譜成像儀（400-1000nm）對波蘭Żabińskie湖底沉積物樣芯進行掃描分析，並概括高光譜技術特點如下：　　無需對沉積物樣本二次取樣