数字X光照相技术在木雕造像上的应用

相建凯，张 刚，董少华，柏 柯

(陕西省文物保护研究院，陕西西安 710075)

0 引 言

X光照相作为一种无损检测技术，20世纪20～30年代就开始应用于文物的检测分析中，随着能量范围的扩大，现已适用于青铜器、铁器、陶瓷器、泥塑、石刻、漆木器等多种材质的文物[1-4]。该检测方法能够揭示文物的内部结构、制作工艺、保存状况以及修复历史等信息[4-7]，可应用在文物修复、文物鉴定以及科技考古等方面[7-11]。传统的X光照相技术是以涂有卤化银乳剂层的胶片作为成像载体，需通过暗室处理，才能将曝光过程中留在胶片上的潜影显现出来，完成整个成像过程。由于暗室处理条件要求苛刻、影响因素多且处理时间长，所以其可操作性不高，特别是在现场情况下更是很难实现。

近年来，随着数字成像技术的兴起，涌现出了诸如计算机射线照相技术(CR)、线阵列扫描成像技术(LDA)、数字平板直接成像技术(DR)以及X射线层析照相(X-CT)等多种技术方法[3，4，11-13]。与传统技术相比，数字成像技术不需要暗室处理，大大简化了X光照相的成像过程，缩短了检测时间，得到的数字图像容易观察、使用和保存，检测图像的编辑处理也成为可能[11]，因此数字成像技术使X光照相变得更加方便高效。2017年3月，笔者受陕西省文物保护研究院文物保护研究二部的委托，对一尊木雕造像进行了X光照相检测，下面是检测的整个过程和结果。

1 检测设备和方法

1.1 检测对象和设备

本次检测对象是山阳县博物馆的一尊金漆彩绘木雕灵宫造像，尺寸为309mm×215mm×517mm，重量为550g，造像有裂隙现象，其照片如图1所示。

X光照相使用意大利GILARDONI公司的ART-GIL 350/6型固定式X光机，电压范围为110～350kV，最大管电流为6mA。检测使用的数字成像系统是德国DUERR公司CRNet/HD-CR 35 NDT Plus型数字成像系统，成像板(imaging plate简称IP板)的型号是HD-IP Plus 35×43cm，得到的检测图像像素大小为50μm。该成像系统采用了CR技术，该技术将暗室处理简化为普通光照条件下的扫描过程，优化了使用条件，缩短了检测时间。同时，作为成像载体的IP板类似于传统胶片，能够裁剪和弯曲，可将其放入检测对象空腔内进行单壁透照，因此与其它数字成像技术相比，更适合于在文物的X光照相中使用。X光机和数字成像系统的实物如图2所示。

1.2 检测方法

本次X光照相的检测目的包括两方面：一是检测木雕的结构，确定此木雕是否为整木雕，是否存在泥塑部分；二是检测木雕的裂隙情况，判断其数量和发育情况。为了达到以上检测目的，制定如下检测方案。

图1 木雕造像照片

图2 设备照片

1.2.1多角度拍摄 经观察，此木雕上的几条裂隙从不同方向深入造像内部，如果要使拍摄过程中X射线方向与裂隙深入方向相同，则需要从多个方向反复曝光，而且也需要倾斜摆放木雕造像，不利于文物安全。为了兼顾文物安全和裂隙检出率，此次X光照相从三个相互垂直的方向对木雕造像进行拍摄，得到检测图像类似于机械制图中的三视图。

1.2.2分段连续拍摄 由于木雕的尺寸较大，且X光照相过程中X光是呈40°圆锥角散射[12]，得到的图像有放大效应，因此为了得到完整的检测结果需进行分段连续拍摄。具体是在拍摄正视图时，将35mm×43cm的IP板横向放置，从头部到底座分段连续拍摄三次；拍摄左视图时，将IP板竖向放置，从头部到底座分段连续拍摄两次。

1.2.3编辑处理图像 为使得检测图像中的结构信息更加清晰，使用数字成像系统软件中的高细节滤镜(high details)对得到的X光片进行了处理，细节增强效果明显，如图3所示。同时，为了对木雕造像进行整体分析，对正视图的三张X光片和左视图的两张X光使用Photoshop软件分别进行拼接合成处理，拼接界限如图4所示。俯视图包含在一张X光片中，无需拼接合成。通过以上操作，就得到了木雕造像清晰完整的X光照相三视图，如图5所示。

2 结果和讨论

从X光照相三视图可以看出，木雕造像的结构清晰，拼接合成得到的正视图、左视图亮度、对比度协调统一且无明显接缝，可用于木雕造像的整体分析。结合检测目的，对X光照相三视图分析讨论。

图3 高细节滤镜效果

图4 三视图拼接及裂隙示意图

拍摄电压120kV，电流4.25mA，时间120s，焦距80cm

2.1 木雕造像是整木雕

2.1.1从木雕造像的木纹分析 正视图显示，木雕造像从头部、胸腹部、右手臂、底座部分的纵向木纹连贯平行，左手臂部分由于与身体重叠以及彩绘层的影响，图像亮度过高，木纹结构不明显；左视图显示，左手臂与身体的纵向木纹连贯平行；俯视图显示，底座和身体的横向木纹自然平行。综上，木雕造像的纵向木纹连贯平行，横向木纹自然平行。

2.1.2从木质拼接和泥塑的表现分析 如果木雕造像有木质拼接，则有规整的接缝，表现在X光片上就是规整的亮度较暗的几何线条，X光照相三视图均未发现这种现象，可以排除木质拼接的存在。如果木雕造像局部有泥塑，则会由于泥质对X光的吸收比木质强，表现在X光片上就是泥塑部分的亮度增加。笔者之前在对另一组木雕造像检测时曾遇到过这样的情况，如图6所示。在此尊木雕造像的X光片上没有这种现象，因此可以排除泥塑的存在。

图6 带泥塑的木雕造像的X光片

2.1.3从木雕造像的裂隙分析 从X光检测图像和实物照片上可以看到，木雕造像上裂隙几条都很长。一般来讲，裂隙发育到拼接接缝和泥塑的地方则会停止。换句话讲，裂隙经过的地方都不会存在拼接和泥塑现象，都是一个整体。

综合以上三方面分析，木雕造像纵向木纹平行连贯、横向木纹自然平行，未发现木质拼接和泥塑的痕迹，且裂隙发育较长，此尊木雕造像应是整木雕。这里需要说明的是，木雕造像的左手小拇指残缺，在断面上有一方形空洞，说明右手小拇指可能经过修复，或者此处原来就是拼接或者泥塑。

2.2 木雕造像的裂隙发育情况

从木雕造像的照片和X光照相三视图看到，该造像存在三条裂隙，在正视图和俯视图中的位置如图4所示。第一条裂缝从头部右侧向下延伸至下腹右侧，长度长。俯视图显示裂缝的亮度变暗较大，照片显示裂隙的宽度较宽，说明这条裂隙深度深；第二条裂缝主要在造像底座上，长度较短，但是它的宽度最大，深度很深；第三条裂隙从胸部曲折向下延伸至造像前裙乃至龙身，长度长，但是除了最下端的宽度较宽深度较深外。X光照相正视图和俯视图显示亮度变暗不大，因此深度不深。综上所述，第一条裂隙长度长，深度深；第二条裂隙长度短，深度最深；第三条裂隙长度长，深度浅。

2.3 彩绘在X光片上的表现

从X光片的正视图发现，木雕造像的黄色和白色彩绘在X光片上有显示，表现为亮度增加，如面部、胸部、左上臂、右上臂的黄色纹饰，又如头部、左上臂、右上臂，前胸白色线条。这些彩绘有的在木雕造像的正面，有的在背面，但在正视图上均表现出来。产生这种现象的原因可能是黄色和白色彩绘内含有重金属元素，它们的原子序数很大，对X光的吸收和散射作用远远大于组成木质的轻元素，所以虽然黄色和白色的彩绘层比木质本体薄得多，但它们对X光的吸收散射作用依然能够显示出来，表现为黑度减小，亮度增加。经扫描电镜能谱无标样定量分析(结果如表1所示)，黄色和白色彩绘中分别含有Au和Pb两种元素，证实了分析。至于其它颜色的彩绘没有在X光片上显示出来，则是由于它们含有的元素对X光的吸收散射还不够强。

表1 黄色和白色颜料成分

2.4 木雕造像结构尺寸的测量

本研究使用的数字成像系统软件中有测量功能，可测量X光片上两点间的距离，进而可推算出检测对象的结构尺寸。这里测量了正视图和侧视图上三条木纹的宽度和俯视图中的第二条裂隙的宽度，对第二条裂缝还用游标卡尺进行了实际测量。上面已经提到，X光照相得到的图像对检测对象有放大作用。如果X射线管的焦点很小，将焦点简化为点，则检测对象的结构尺寸和它在X光片上的尺寸有如下关系[12]：

(1)

式中，L为结构尺寸；F为焦距，焦点距胶片的距离；

b为物距，结构距胶片的距离；L′为结构在X光片上的尺寸。

假设正视图和左视图上木纹结构的物距为木雕造像的宽和长的一半左右，俯视图裂隙的物距为底座高。根据公式(1)，对图像尺寸进行校正就得到了表2中的结构尺寸。估算的裂隙宽度和实际测量值很接近。它们之间的偏差是由于射线管的焦点简化造成误差，以及内部结构的物距在某些情况下需要估算造成的。

表2 木雕造像结构尺寸

3 总 结

本工作对检测对象进行了多角度、分段连续式拍摄， 得到的X光片图像经过高细节滤镜处理和拼接合成，最终获得了木雕造像的X光照相三视图。搞清楚了木雕造像的结构和裂隙发育情况，对黄色和白色彩绘成分进行了预测并得到了扫描电镜能谱检测的应征，尝试测量了木雕造像的结构尺寸，完成了本次检测任务。最后，对本次数字X光照相总结如下：

1) 多角度拍摄分析。 X光照相是一种透射检测方法，它是将检测对象的三维结构信息沿着X光方向投射到二维成像载体上，用图像的亮度变化表示检测对象的三维结构信息。如果检测对象的某一结构(无论是表面结构还是内部结构，无论是本体结构还是某种缺陷)在X光方向上的分量太小，则其对X光的吸收和散射作用将会很小，图像上的亮度变化将会分辨不出，最终该结构在此次X光照相检测中漏检。因此，对于一个三维检测对象进行单一角度的X光照相是不可能将所有结构反映出来，多角度X光照相在一般情况下是必要的。另外，对于X光的分析应结合检测对象实物或者照片进行，要分清楚图像上的亮度变化是由于表面结构引起还是有内部结构造成，表面结构是在检测对象的正面还是背面。而要确定内部结构的位置则要分析多个角度的检测图像才能得出确切的结论。

2) X光片滤镜处理。 上面提到的高细节滤镜，本质上就是调整图像的亮度、对比度，使图像中的结构更加清晰易于观察。但是这种图像编辑处理方法并非所有情况都适用。如果检测只是为了确定某种结构是否存在或者在哪些位置存在，这种处理一般没有问题；如果检测还要评价某种结构与临近区域的对比关系，则这种处理就可能导致误判。第一种情况类似于本次检测，检测木雕造像有没有木质拼接和泥塑存在，以及裂隙在哪些位置存在，所以滤镜处理是有益的；第二种情况如同判断青铜器的腐蚀状况，如果改变了X光片的亮度、对比度，则可能认为腐蚀状况比实际更严重，导致误判。

3) X光片的拼接合成。对于较大的检测对象，进行分段连续拍摄，再拼接合成完整检测图像无疑是有用的，有利于对检测对象进行整体评估。按照笔者的经验，如果要达到较好的拼接合成效果，首先在分段拍摄时应注意拍摄角度的一致，其次是预拼接的两张图片之间的重合度要达到20%以上。

4) 结构尺寸的测量方法。利用数字成像系统软件中的测量工具，对X光片上的结构尺寸进行测量，再根据公式(1)进行校正就可得到结构尺寸的估算值，这是一种测量检测对象内部结构尺寸的无损方法。

数字成像技术的应用使X光照相变得简单易行，同时数字化使图像编辑处理成为可能。现在使用的图像编辑技术很多，而这些技术能否在X光照相中使用以及怎么使用，是一个值得探讨的问题。另外，数字成像技术能否拓展X光照相的应用范围，也是一个值得研究的方向。