保護(hù)藝術(shù)品的需要由來(lái)已久，可以追溯到人們第一次意識(shí)到他們珍愛(ài)的藝術(shù)品已經(jīng)開(kāi)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(huà)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(huà)、識(shí)別保護(hù)問(wèn)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(lái)觀察表層之下并發(fā)現(xiàn)藝術(shù)家的意圖和過(guò)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(lái)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(huà)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(guò)高光譜成像來(lái)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(huà)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(lái)匹配正在修復(fù)的作品中使用的顏料。

多年來(lái)，光譜學(xué)一直被用來(lái)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(kāi)始顯示出吸收和反射率的差異，因此可見(jiàn)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(huà)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(wèn)題，這些問(wèn)題將通過(guò)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(lái)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(lái)自相關(guān)時(shí)期的顏料、油墨、樹(shù)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(huà)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(wú)需侵入性技術(shù)來(lái)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(lái)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(jiàn)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(huà)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(guò)程中所做的改變、藝術(shù)家工作的改變和方式，可以通過(guò)檢查底層圖紙、草圖線和作品來(lái)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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)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(huà)《無(wú)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(huà)作下方有多個(gè)構(gòu)圖，這些構(gòu)圖可通過(guò)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(huà)。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(kāi)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(guò)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(lái)結(jié)合他們的顏料，并且經(jīng)常在同一幅畫(huà)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(jiàn)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(huà)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(jiàn)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