保護(hù)藝術(shù)品的需要由來已久，可以追溯到人們第一次意識(shí)到他們珍愛的藝術(shù)品已經(jīng)開始腐爛的時(shí)候。在 19 世紀(jì)，科學(xué)與藝術(shù)首次相遇，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們正在尋找保存有價(jià)值的藝術(shù)作品的方法。

當(dāng)然，今天他們的許多方法，例如清漆，已被視為實(shí)際上有助于而不是防止繪畫的退化，但藝術(shù)與科學(xué)的早期融合一直持續(xù)到今天，藝術(shù)保護(hù)在很大程度上依賴于科學(xué)分析繪畫、識(shí)別保護(hù)問題以及檢測(cè)添加和偽造的方法。

高光譜成像應(yīng)用

顏料鑒定和映射

底圖審查

3-D 對(duì)象的分析

有機(jī)材料的識(shí)別

偽造檢測(cè)

傳統(tǒng)的科學(xué)方法包括對(duì)油漆樣品進(jìn)行化學(xué)分析，以確定所用顏料和清漆的分子性質(zhì)。X 射線技術(shù)也經(jīng)常被用來觀察表層之下并發(fā)現(xiàn)藝術(shù)家的意圖和過程。

盡管這些方法已經(jīng)成功應(yīng)用了一段時(shí)間，但所使用的許多技術(shù)要么提供的信息有限，要么在某種程度上具有侵入性，要么兩者兼而有之。

仍然需要一種技術(shù)來產(chǎn)生有價(jià)值的信息，而不會(huì)直接損壞作品或?qū)⑵浔┞对诳赡芗铀偻嘶臉O端光線下。高光譜成像已經(jīng)取得了可喜的成果，擴(kuò)大了藝術(shù)保護(hù)專家可用的工具范圍。

反射光譜已成功用于多種場(chǎng)合，以收集藝術(shù)品保護(hù)活動(dòng)的信息。反射分光光度計(jì)已與數(shù)字成像結(jié)合使用以產(chǎn)生有價(jià)值的結(jié)果。這些方法允許進(jìn)行非破壞性研究，但受到笨重設(shè)備和可用波段的限制。此外，它們的使用僅限于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。由于繪畫的表面極其不均勻，這是一個(gè)嚴(yán)重的限制，現(xiàn)在可以通過高光譜成像來克服，高光譜成像更便宜，提供全方位的光譜結(jié)果，并可用于從完整的藝術(shù)品中捕獲數(shù)據(jù)。

顏料鑒定和映射

藝術(shù)品分析的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是顏料的鑒定。這種鑒定提供了關(guān)于繪畫年代的寶貴信息，改善了年代和歸因。它還允許修復(fù)者使用正確的顏料來匹配正在修復(fù)的作品中使用的顏料。

多年來，光譜學(xué)一直被用來識(shí)別藝術(shù)品中使用的顏料。然而，許多顏料僅在光譜的紫外線區(qū)域才開始顯示出吸收和反射率的差異，因此可見光的使用具有很大的局限性。多光譜成像已被用于識(shí)別傳統(tǒng)日本繪畫中使用的顏料。對(duì)所使用的顏料進(jìn)行了估算，這些被證明與參考樣品非常匹配，但遇到了信號(hào)噪聲的重大問題，這些問題將通過高光譜成像設(shè)備消除。

高光譜成像，有時(shí)也稱為“反射成像光譜學(xué)”，使廣泛波長(zhǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集變得實(shí)用，為詳細(xì)分析提供足夠的數(shù)據(jù)。已經(jīng)表明，即使在有限的波長(zhǎng)范圍 (650 – 1040nm) 和相對(duì)粗糙的分辨率 (10 nm) 下，也可以收集到寶貴的數(shù)據(jù)。該設(shè)備是便攜式的，所以它可以來到藝術(shù)品上，而不是冒著將易碎作品運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)。它只需要良好的光照水平，而且設(shè)備相對(duì)便宜。

然而，在進(jìn)行分析之前，需要有一組可靠的來自相關(guān)時(shí)期的顏料、油墨、樹脂、粘合劑等參考樣本，然后可以將其用于分析數(shù)據(jù)集的解釋。在溫尼伯大學(xué)、溫尼伯美術(shù)館和加拿大國(guó)家研究委員會(huì)的合作下，建立了繪畫元素科學(xué)和策展分析中心 (C-SCAPE)，以收集和編目有關(guān)歷史顏料和藝術(shù)材料的數(shù)據(jù)。

使用這些參考圖進(jìn)行比較，可以識(shí)別藝術(shù)品中使用的顏料，而無需侵入性技術(shù)來獲取樣品進(jìn)行化學(xué)分析。這為真實(shí)性和出處調(diào)查以及藝術(shù)家所用顏料的知識(shí)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

，來自國(guó)家美術(shù)館和美國(guó)陸軍夜視與電子傳感器局的研究人員將使用兩個(gè)表面光學(xué)高光譜相機(jī)收集的光譜與光纖反射光譜儀 (FORS) 收集的光譜進(jìn)行了比較。研究人員發(fā)現(xiàn)，在可見光到短波紅外線(400 – 1650 納米)范圍內(nèi)獲取的高光譜數(shù)據(jù)可以為繪畫的整個(gè)表面生成 FORS 質(zhì)量光譜，并可用于分離、識(shí)別和映射顏料。

從組合的 VNIR 和 SWIR 圖像立方體中獲得的 Harlequin Musician 中使用的主要藍(lán)色顏料的識(shí)別和映射，并與 Vis-SWIR FORS 測(cè)量值進(jìn)行比較

圖紙檢查

關(guān)于藝術(shù)品創(chuàng)作者意圖的大量有價(jià)值的信息，例如在創(chuàng)作過程中所做的改變、藝術(shù)家工作的改變和方式，可以通過檢查底層圖紙、草圖線和作品來確定最終被涂掉了。

X 射線技術(shù)已用于此目的[6]，但有局限性——例如無法區(qū)分深色背景上的木炭素描線。高光譜成像提供了透過表面層看得更清楚的可能性。

透光度是波長(zhǎng)的函數(shù)。比爾-朗伯定律表明了這一點(diǎn)，表明穿透力與波長(zhǎng)成反比。這意味著由于紫外線的波長(zhǎng)較短，它會(huì)更深入地穿透油漆層以顯示下面的內(nèi)容。1000-2000nm 范圍內(nèi)的波長(zhǎng)可提供最佳效果。然后，高光譜成像可以捕獲信息，揭示底圖、基礎(chǔ)材料和其他對(duì)藝術(shù)保護(hù)主義者具有重要價(jià)值的信息。雖然單波長(zhǎng)數(shù)據(jù)可能具有一定的價(jià)值，但高光譜成像允許信息顯著增加，因?yàn)閿?shù)據(jù)來自整個(gè)波段可以同時(shí)顯示。使用圖像可視化軟件處理數(shù)據(jù)立方體，每個(gè)點(diǎn)和波長(zhǎng)的反射率可以用其主成分(PC)表示。這些可以轉(zhuǎn)換成灰度圖像。通過移除主 PC，可以顯示較小的值，例如草圖線，甚至可以區(qū)分木炭線和墨水線。

在加拿大溫尼伯美術(shù)館的一項(xiàng)研究中，使用高光譜成像設(shè)備對(duì)15 世紀(jì)繪畫《無題(圣三位一體)》進(jìn)行了分析，不僅揭示了素描中使用的鉛筆輪廓，但是用于創(chuàng)建實(shí)際繪圖基礎(chǔ)的幾種不同墨水。眾所周知，巴勃羅·畢加索 (Pablo Picasso) 的《悲劇》(The Tragedy)在完成的畫作下方有多個(gè)構(gòu)圖，這些構(gòu)圖可通過寬帶紅外反射成像和 X 射線成像進(jìn)行識(shí)別。國(guó)家美術(shù)館和美國(guó)陸軍夜視與電子傳感器理事會(huì)的研究人員使用波段表面光學(xué) SWIR 成像儀拍攝了高光譜圖像，并找到了下圖最佳可視化發(fā)生的光譜波段。

偽彩色紅外反射圖顯示了《悲劇》的三個(gè)詳細(xì)部分。每張圖片都顯示了一系列光譜帶，最能顯示面板上的各種底圖和漫畫。左圖：1000、1150、1200 nm 的人體圖;中間：馬1300、1350、1400納米;右圖：草圖 1600、1625、1660 nm。

3-D 對(duì)象的分析

高光譜成像的多功能性意味著還可以分析三維物體。在對(duì)米開朗基羅的大衛(wèi)的研究中，從作品的各個(gè)部分獲取了光譜“簽名”。這些簽名是通過測(cè)量照射在雕塑上的氮激光在不同波長(zhǎng)下的反射率變化而創(chuàng)建的。然后可以將這些結(jié)果與用于創(chuàng)作該作品的原始卡拉拉大理石樣本的結(jié)果進(jìn)行比較。一些區(qū)域顯示出與卡拉拉簽名的差異，表明進(jìn)行了維修的地方。

有機(jī)材料的識(shí)別

文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)家使用多種材料來結(jié)合他們的顏料，并且經(jīng)常在同一幅畫中使用不同的材料和不同的顏料。在對(duì)科西莫·圖拉 (Cosimo Tura) 的《與圖盧茲的圣弗朗西斯和圣路易斯的報(bào)喜》(約 1475 年)的研究中，可以確定使用了哪些活頁(yè)夾。最常見材料、動(dòng)物皮膠和蛋黃的參考樣本可以使用近紅外高光譜成像與繪畫的特定區(qū)域和特定顏料進(jìn)行匹配。研究人員使用了表面光學(xué)高光譜成像儀，工作范圍為 950 至 2500 nm，光譜分辨率為 4.4 nm。

面板的可見圖像與顏料粘合劑的假色映射相鄰。紅色對(duì)應(yīng)蛋黃粘合劑，藍(lán)色對(duì)應(yīng)粘合劑，綠色映射粘合劑中藍(lán)銅礦的區(qū)域