高光譜相機(jī)成像技術(shù)的優(yōu)勢是它可以同時(shí)獲得所攝景物的圖像信息和每個(gè)像素的光譜信息，即“圖譜合一”，由空間中的像素點(diǎn)可以方便快速的獲取該像素點(diǎn)的光譜曲線，由光譜曲線可以快速得到目標(biāo)物質(zhì)的空間分布，快速實(shí)現(xiàn)了圖與譜的交互處理。本文介紹了高光譜相機(jī)在文物顏料鑒定中的應(yīng)用。

文物顏料鑒定的重要性：

中國畫有悠久的歷史，有豐富的遺產(chǎn)；中國畫的表現(xiàn)，有鮮明的藝術(shù)特點(diǎn)，在東方以至世界上，自成體系，別具一格。中國歷代的繪畫名作，幾經(jīng)聚散，一部分因社會(huì)原因，如冰火之災(zāi)，已經(jīng)損失；一部分因歲月久遠(yuǎn)，不知下落，僅見于著錄畫目；一部分保存下來，今由公私收藏，其中有的流傳國外。這些保存下來的名畫，應(yīng)歸功于歷代的收藏家與鑒賞家。中國畫的藝術(shù)特點(diǎn)，不僅僅是這些。其他方面，如筆法有三十二種，墨法有十八種，水法有九種，運(yùn)用得好，出入窮奇，千變?nèi)f化。所謂“剛?cè)崆比骞P，畫馬意奔騰，畫鷹翔太空，畫出美人笑，畫出千花萬卉舞春風(fēng)?！被蛘呤恰包c(diǎn)墨落紙，氤氳一片，欲云即云，欲樹即樹，欲山即山，欲雨即雨，而情韻連綿，教人不勝看”。這樣的中國畫，無怪乎西方有的美術(shù)史論家贊嘆道：“中國畫，太奇妙！”優(yōu)秀的中國畫，的確“奇妙”，這種“奇妙”，是受到中國數(shù)千年?duì)N爛文化的孕育而產(chǎn)生，也是中國歷代畫家在窮年累月的藝術(shù)實(shí)踐中，花了無數(shù)心血的結(jié)晶。

任何一幅“奇妙”的中國畫都離不開五顏六色的顏料，而且每一幅中國畫都有它自己的顏料使用特點(diǎn)，中國畫有著上千年的文化歷史積淀，其中的顏料作為中國畫的物質(zhì)載體，它的發(fā)展變化也流動(dòng)在五千年文明當(dāng)中，所以對(duì)顏料的研究也可以讓我們更好的追溯中國歷史文明的變遷，推而廣知，對(duì)顏料的研究與鑒定甚至可以聯(lián)系整個(gè)世界文明文化的發(fā)展與變化，因?yàn)樵诠糯?，作為物質(zhì)的顏料當(dāng)做商品被廣泛的交易到國內(nèi)國外市場，這間接使得國內(nèi)外的顏料市場成了連接了中西方文明文化的紐帶。所以對(duì)顏料的宏觀研究（顏料的產(chǎn)地、顏料的使用地區(qū)）可以為不同時(shí)期不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展提供參考信息，甚至還可以還原一些不為人知的歷史真相。最直接了當(dāng)?shù)恼f，顏料鑒定的價(jià)值，就是它可以作為文物的年代，產(chǎn)地的參考與佐證、可以為已經(jīng)褪色的文物提供修復(fù)的可靠的參考信息。

目前大部分的文物顏料鑒定的方法有X射線熒光（XRF）、X射線衍射（XRD）、拉曼光譜、紅外可見光反射光譜法等。嚴(yán)格的說以上幾種方法均是不接觸文物但卻是微損的顏料鑒定方法，不接觸并不代表無損害，對(duì)壁畫，瓷器等有一定厚度的文物可能影響并不直接，如果對(duì)字畫等稀薄的文物進(jìn)行鑒定，稍加不注意就有可能造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，所以說以上的方法都是微損的。高光譜技術(shù)是通過采集文物表面的紅外與可見光反射光譜進(jìn)行顏料鑒定的，可以同時(shí)獲得文物表面顏料的光譜曲線以及文物的圖像信息，實(shí)現(xiàn)了“圖譜合一”?？梢酝瑫r(shí)獲得文物顏料的位置信息和光譜信息，這是它的優(yōu)勢，與常見的光纖光譜儀相比，高光譜技術(shù)可以獲得圖像拍攝范圍內(nèi)所有點(diǎn)的光譜信息，結(jié)合相關(guān)處理軟件使得數(shù)據(jù)的處理更加便捷。因?yàn)榭梢姽庀峦环N顏色的顏料并不一定是同一種物質(zhì)，如果用光纖光譜儀一個(gè)一個(gè)點(diǎn)的人為獲取，顯得費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且精度也不能得到保證。與其他技術(shù)相比，反射光譜法對(duì)文物的損害降到最小，故可以對(duì)古字畫等較稀薄的文物進(jìn)行顏料的鑒定。

高光譜相機(jī)在文物顏料鑒定中的應(yīng)用：

高光譜相機(jī)的成像過程并不復(fù)雜，簡單的來說高光譜相機(jī)分為兩個(gè)部分——鏡頭和馬達(dá)。鏡頭和普通相機(jī)的功能一樣就是收集光源，末端通過 CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后存儲(chǔ)為圖片。與普通相機(jī)不同的是，高光譜照相機(jī)還有馬達(dá)，馬達(dá)的作用是可以帶動(dòng)鏡頭上下移動(dòng)。因?yàn)楦吖庾V相機(jī)的鏡頭前面是一條狹縫，所以當(dāng)相機(jī)不動(dòng)時(shí)，視線中能看到的只有狹縫這一部分區(qū)域，馬達(dá)的作用就是移動(dòng)鏡頭讓相機(jī)看到更多其他區(qū)域的圖像。

當(dāng)光線通過狹縫進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部后，首先要通過分光棱鏡，將全波段的光進(jìn)行分解，變?yōu)槎鄠€(gè)波段的光（如藍(lán)波段、綠波段、紅波段，具體的分解情況根據(jù)相機(jī)的光譜采樣間隔的大小而定，高光相機(jī)一般有很小的光譜采樣間隔，一般為 1~20nm，則可見光部分（400nm~700nm）將被分為15~300個(gè)波段），每個(gè)波段的光通過CCD會(huì)記錄其波段能量的大小，并以強(qiáng)度（灰度）的形式記錄下來。狹縫每次記錄一行圖像的數(shù)據(jù)，當(dāng)每掃完一條狹縫，這一行狹縫中的每一個(gè)像素都會(huì)記錄自己位置上不同波段光的強(qiáng)度，繼而形成每個(gè)像素自己的光譜曲線。當(dāng)馬達(dá)移動(dòng)結(jié)束，就可以記錄狹縫移動(dòng)過程所看到的整幅圖像的信息。

高光譜照相機(jī)最后采集的數(shù)據(jù)又叫做高光譜圖像立方體，如上圖所示，它是由不同波段的圖像構(gòu)成，箭頭指向的方向是它的波段方向，從可見光波段到近紅外波段，數(shù)據(jù)就是由這樣同一區(qū)域不同波段的幾十或者幾千張圖像疊加在一起構(gòu)成的。通過高光譜圖像數(shù)據(jù)可以獲得任意顏料的光譜曲線，然后通過任意顏料的光譜曲線可以利用分類算法得到該種目標(biāo)物質(zhì)在空間的分布。我們分別在圖像中不同顏料處選取像素點(diǎn)，即可獲得該像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜曲線，如下圖所示，我們從中選取了金色對(duì)應(yīng)的光譜曲線，然后使用光譜角填圖算法，設(shè)置匹配相似度閾值為0.1，即可得到金色顏料在圖像空間的分布，如下圖所示。