基于多光譜成像技術(shù)的壁畫(huà)病害識(shí)別與評(píng)估

摘  要：壁畫(huà)作為珍貴文化遺產(chǎn)，長(zhǎng)期面臨多種病害的威脅。精準(zhǔn)識(shí)別與科學(xué)評(píng)估壁畫(huà)病害，是有效保護(hù)壁畫(huà)的前提。本研究聚焦利用多光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)壁畫(huà)病害的智能識(shí)別與量化評(píng)估。使用圖像處理與模式識(shí)別算法對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)壁畫(huà)病害類型的自動(dòng)識(shí)別分類，并對(duì)壁畫(huà)病害分布范圍、嚴(yán)重程度進(jìn)行量化評(píng)估。該技術(shù)旨在為壁畫(huà)保護(hù)工作提供精準(zhǔn)、非接觸的科學(xué)診斷工具，為制定精細(xì)化保護(hù)修復(fù)方案提供數(shù)據(jù)支持。

　　關(guān)鍵詞：多光譜成像；壁畫(huà)；病害

　　引言

　　壁畫(huà)承載著豐富的歷史和文化信息。然而，受自然侵蝕、環(huán)境污染、人為破壞等因素的影響，許多壁畫(huà)面臨著裂縫、剝落、變色等病害威脅。傳統(tǒng)壁畫(huà)病害診斷通常為人工目視檢查，這種方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，還可能因個(gè)人差異而產(chǎn)生偏差和誤判。

　　隨著光學(xué)科學(xué)的進(jìn)步，尤其是隨著圖像處理技術(shù)的革新，多光譜成像作為一種新興技術(shù)嶄露頭角。通過(guò)捕捉多個(gè)特定波長(zhǎng)下壁畫(huà)的反射光譜數(shù)據(jù)，這一技術(shù)能更為精準(zhǔn)和全面地分析壁畫(huà)的狀況，揭示壁畫(huà)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料狀態(tài)。理論上，該技術(shù)有助于深入理解壁畫(huà)病害的形成機(jī)制，為壁畫(huà)保護(hù)提供新的研究視角和技術(shù)手段。實(shí)踐中，它可以提高壁畫(huà)病害檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，為壁畫(huà)修復(fù)和保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

　　壁畫(huà)病害類型與成因

　　根據(jù)《中國(guó)大百科全書(shū)》第三版，常見(jiàn)的壁畫(huà)病害主要有起甲、酥堿、空鼓等。起甲指壁畫(huà)顏料層或底色層發(fā)生龜裂，向上卷曲形成小塊狀的凸起。這種現(xiàn)象有時(shí)伴隨顏料層的剝落。起甲通常與顏料膠結(jié)物過(guò)多或可溶性鹽的結(jié)晶有關(guān)。針對(duì)這一問(wèn)題，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和保護(hù)。酥堿指壁畫(huà)的地仗層整體酥化，變成粉末狀，隨后逐漸脫落。酥堿現(xiàn)象的出現(xiàn)與可溶性鹽伴隨水汽運(yùn)動(dòng)，以及周?chē)h(huán)境的濕度波動(dòng)密切相關(guān)。環(huán)境溫度與濕度是對(duì)壁畫(huà)材質(zhì)影響最為顯著的兩個(gè)基本因素。［1］空鼓指壁畫(huà)背后的地仗層與其依托的墻面或基層之間的黏附力減弱而出現(xiàn)間隙。空鼓的出現(xiàn)可能是由于支撐體本身的風(fēng)化，或者是可溶性鹽在地仗層和基底層之間的聚集。

　　壁畫(huà)病害的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，通常涉及多種自然和人為因素。［2］自然因素包括氣候變化、水鹽作用、生物侵蝕等。氣候變化造成溫濕度變化，影響壁畫(huà)材料的穩(wěn)定性，導(dǎo)致顏料層和地仗層收縮膨脹，從而產(chǎn)生裂縫和剝落。水鹽作用則是地下水、雨水或水蒸氣鹽分在壁畫(huà)表面沉積形成結(jié)晶，造成壁畫(huà)材料的破壞。這些水鹽通常來(lái)源于壁畫(huà)地仗層中的鹽類物質(zhì)，它們?cè)诃h(huán)境溫度和濕度的變化影響下，會(huì)發(fā)生溶解、結(jié)晶等物理化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致壁畫(huà)出現(xiàn)起甲、酥堿、空鼓等現(xiàn)象。霉菌、細(xì)菌等生物侵蝕也會(huì)腐蝕壁畫(huà)材料，導(dǎo)致顏料層變色或脫落。

　　人為因素包括不當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和修復(fù)、環(huán)境污染、游客活動(dòng)等。過(guò)去的保護(hù)和修復(fù)方法可能有所不足，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致壁畫(huà)受損。游客的觸摸、呼吸等行為也可能對(duì)壁畫(huà)造成物理和化學(xué)損害。

　　多光譜成像技術(shù)

　　在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用

　　多光譜成像技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用已取得顯著進(jìn)展。例如，西安建筑科技大學(xué)王慧琴教授團(tuán)隊(duì)與陜西省文物保護(hù)研究院合作，成功將光學(xué)成像、計(jì)算機(jī)人工智能等多學(xué)科融合應(yīng)用于文物科技保護(hù)。他們?cè)谔旖蛩E州獨(dú)樂(lè)寺壁畫(huà)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目中，利用多光譜成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壁畫(huà)顏料種類、病害情況以及隱藏歷史信息的精確識(shí)別，為壁畫(huà)的保護(hù)和修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。

　　該團(tuán)隊(duì)還與中國(guó)社會(huì)科學(xué)院考古研究所、陜西省文物保護(hù)研究院等專業(yè)單位共同編寫(xiě)了《館藏墓室壁畫(huà)數(shù)字修復(fù)技術(shù)》等著作，并申請(qǐng)了20余項(xiàng)專利［3］；參與了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)文物保護(hù)項(xiàng)目，如漢長(zhǎng)安城未央宮出土骨簽的整理與研究、石窟文物本體風(fēng)化病害評(píng)估系統(tǒng)及保護(hù)技術(shù)研究等。

　　在獨(dú)樂(lè)寺壁畫(huà)保護(hù)修復(fù)項(xiàng)目中，由于壁畫(huà)規(guī)模宏大、圖案復(fù)雜，保護(hù)修復(fù)工作難度極大。王慧琴教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套詳細(xì)的數(shù)字?jǐn)z影采集方案，并運(yùn)用多光譜成像設(shè)備進(jìn)行高精度拍攝。數(shù)據(jù)采集過(guò)程存在環(huán)境條件限制等難題，但通過(guò)圖像配準(zhǔn)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法，團(tuán)隊(duì)解決了上千幅分鏡頭成像數(shù)據(jù)的拼接問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大尺度壁畫(huà)的高精度數(shù)字化。

　　多光譜成像技術(shù)在

　　壁畫(huà)病害識(shí)別中的應(yīng)用

　　圖像處理技術(shù)是壁畫(huà)病害識(shí)別的核心，它涉及圖像獲取、增強(qiáng)、分割和特征提取等步驟。處理壁畫(huà)圖像，可以提取病害區(qū)域的特征，為后續(xù)的病害識(shí)別和分析提供數(shù)據(jù)支持。例如，可以使用Canny算子提取的邊緣作為約束條件計(jì)算召回率，在不斷的迭代過(guò)程中找到滿足召回率標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值，將聚類中心的值固定，再對(duì)緊湊度進(jìn)行迭代，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得最優(yōu)參數(shù)值。［4］計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別等技術(shù)可以幫助研究者從大量的壁畫(huà)圖像中快速準(zhǔn)確地識(shí)別出病害區(qū)域，提高病害識(shí)別的效率和準(zhǔn)確性。深度學(xué)習(xí)敦煌壁畫(huà)的數(shù)據(jù)，人工智能可以診斷壁畫(huà)病害，自動(dòng)高效地進(jìn)行病害分割與識(shí)別。［5］地理信息系統(tǒng)技術(shù)以其強(qiáng)大的空間信息處理能力，在數(shù)據(jù)的錄入、管理、查詢、分析和展示等方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為地理信息高效處理的利器。［6］通過(guò)對(duì)壁畫(huà)不同類型病害和不同演變時(shí)期的形貌圖像特征進(jìn)行分析，圖像分析技術(shù)可以在超越人眼識(shí)別局限的相對(duì)微觀層面上，探索基于圖像比對(duì)和差異分析的壁畫(huà)病害演變監(jiān)測(cè)技術(shù)，完善壁畫(huà)病害演變程度的定量分析方法與標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)壁畫(huà)進(jìn)行非侵入式的光譜掃描，研究人員能夠獲取壁畫(huà)表面的詳細(xì)光譜信息。這些信息不僅包括可見(jiàn)光范圍內(nèi)的顏色數(shù)據(jù)，還包括紅外、紫外等不可見(jiàn)波段的信息。這些豐富的數(shù)據(jù)為壁畫(huà)病害的識(shí)別、顏料種類的鑒定以及歷史痕跡的揭示提供了強(qiáng)有力的支持。該技術(shù)還能夠幫助研究者提取壁畫(huà)線稿，獲取壁畫(huà)顏料在不同波段下的光譜信息。這些信息對(duì)于理解中國(guó)古代壁畫(huà)繪畫(huà)技法、識(shí)別古代彩繪文物顏料等具有重要意義。

文章來(lái)源：《大河美術(shù)報(bào)》http://www.12-baidu.cn/w/qk/35647.html