高光谱图像系统应用于模糊印章的提取研究

周新光，沈 骅，吴来明

(1. 馆藏文物保存环境国家重点科研基地(上海博物馆)，上海 200231； 2. 上海博物馆文物保护科技中心，上海 200231)

0 引 言

光谱成像技术由于其无损的检测方式，强大的数据运算与分析系统的支持，在文物价值和真伪鉴别中的研究得到了越来越广的应用。Christian等[1]对多光谱技术和高光谱技术在文物行业中的应用研究和潜在的运用进行了总结，指出这种无损的分析方法已成功为绘画和书面文件分析、材料特征、保护方法的监控和评估、以及文件资料和档案数字化方面提供了令人信服的结果。尽管光谱成像技术在文物保护中的应用仍在起步阶段，然而，其潜力是有目共睹的。Marvin等[2]采集了历史文献中365～1 100 nm光谱范围的光谱图像，鉴别了不同种类墨水的使用和同一墨水的不同老化程度。Baronti等[3]用成像光谱技术对油画材料进行了处理，提高了油画的鉴定效果，对有相似光谱特征的区域进行了分类。Casini等[4]用400～1 600 nm光谱范围的成像光谱系统研究两种黄色颜料的光谱特征的区别，提供了两种颜料的分布图，并有助于识别两种颜料重合的区域。在国内，四川博物院[5]、故宫博物院[6]和首都博物馆[7]也针对书画文物或中国画颜料的分类识别、文物保护和信息提取等进行了相应的研究工作。此外，高光谱遥感成像技术在国内的考古研究中得到了应用[8-9]，主要用于通过探测和识别微弱的地物光谱异常，实现微弱考古线索情况下的地下文物遗存探测。

近年来，光谱成像技术向着高光谱乃至超光谱成像技术发展，获得了越来越多的光谱信息，对文物光谱信息的分析研究也向着更为精细的方向发展，针对光谱图像数据的计算与分析方法也越来越多，如主成分分析(PCA)、光谱角分类(SAM)和最小噪声分离变换(MNF)等。其中MNF是一种将一副多波段图像的主要信息集中在前面几个波段中的处理方法，主要作用是判断图像数据维数、分离数据中的噪声，减少后处理中的数据量。同时，基于改进最小噪声分离变换的特征提取与分类也有相关研究[10]。采用该方法对书画中模糊印章的信息提取和鉴别方法，结果表明，该方法可以有效的提取书画文物中的印章信息，很大程度地提升模糊印章可辨识度，对书画文物价值的研究和真伪鉴定具有重要意义。

1 实验样品和方法

1．1 样品

上海博物馆馆藏莫晋书法立轴一副，该立轴破损较为严重，在“连”字的右侧似乎有印章一枚，具体情况见图1。另有两幅传统书画作品(书画1和书画2)，其上各有一枚印章不可辨识，具体情况见图2和图3。

图1 修复前莫晋书法立轴局部原图

图2 书画1中模糊印章的局部原图

图3 书画2中模糊印章的局部原图

1．2 采集装置

THEMIS NUVNIR-350推扫型高光谱成像仪，采集光谱范围350～1 000 nm，光谱分辨率1.5 nm。

1．3 采集条件

卤素灯照明，电压11 V；光圈：F8；曝光时间：50 ms；手动调焦。

1．4 采集步骤

设置采集参数，如曝光时间，光圈大小，采集帧数，波段范围等；手动调焦，使软件预览窗口中的狭缝达到最佳状态；采集白板数据(反射率99%)，为了防止光照过强产生过曝使光谱数据无效，在采集白板数据后应调取白板光谱曲线，确认光照条件和曝光时间充分同时又不会产生过曝问题。采集暗电流，盖上镜头盖，采集暗电流数据，校正仪器本身的波动影响；采集书画光谱数据。

1．5 光谱数据预处理

校准：采用白板和暗电流数据对采集到的原始光谱数据进行校准；降噪处理：相邻5个像素的信号数据灰度值做线性平均；波段的裁剪：裁剪350～1 000 nm的波段，尽量降低数据量以免影响后续数据处理的效率。

2 MNF对光谱数据的处理

2．1 MNF对莫晋书法立轴光谱图像数据的处理

图1为修复前莫晋书法立轴的局部原图，可见其破损较为严重，在修复前的分析中发现，在“连”字的右侧(图1标注处)似乎应有印章一枚，因此尝试采用高光谱图像系统采集光谱数据，通过对光谱图像数据的分析处理把印章提取鉴别出来。

经过对疑似印章处和本底的光谱曲线提取(图4)分析，最终确定了在560～850 nm的波段范围内进行最小噪声分离变换，结果图5所示。

图4 疑似印章处(蓝色)和本底的光谱曲线(绿色和红色)

图5 560～850 nm下MNF处理结果(上方为处理前高光谱图像合成图，下方为处理后高光谱图像合成图)

由图3可见，最小噪声分离变换可以将该处印章提取出来。经鉴别，此印章为作者莫晋的一枚闲章“和以天睨”(图6)。此外，经过MNF处理后的图像信息可以清晰的将修复痕迹表现出来(图5下方白色部分)。

2．2 MNF对书画1和书画2光谱图像数据的处理

图2和图3为书画1和书画2中带有模糊印章的原图，由于修复时的损耗或收藏、展示时的磨损等各种原因，两枚印章质量均很差，只能确认该处是一枚相应大小的印章却无法对字迹进行分辨。

通过MNF对两幅书画350～1 000 nm的光谱图像数据进行处理，结果如图7和图8所示。

图6 “和以天睨”印章图

图7 书画1印章MNF处理结果(左侧为处理结果；右侧为原图对比)

图8 书画2印章MNF处理结果(左侧为处理结果图，右侧为原图对比图)

相对于原图中的印章质量而言，印章的可辨识度大大提高，书画1上的印章为一枚六字印章，左侧三字依稀可辨，右侧由于部分区域印章成分的彻底消失，所以无法取得更好的效果。书画2上的印章应为“贞素”二字。这两枚印章的信息提取对于书画1和书画2的艺术价值的深入研究以及真伪鉴别有了科学有效的依据。

3 结 论

高光谱图像系统是一种无损的提取文物中光谱图像信息的有效手段。随着科学技术的继续发展，高光谱或超光谱图像设备能够提取到越来越多的光谱图像信息，对这些海量的数据进行正确的处理分析能够得到大量的有利于文物价值研究的信息。

应用MNF对书画文物的光谱图像数据进行分析处理，能够有效的提取模糊印章的图像信息，增强其可辨识度，为书画文物的艺术价值和真伪辨别提供科学有效的手段。

对于光谱图像数据的分析与处理，有待于开发更多的特征提取和分类方法，使光谱成像技术能够得到更多的应用，如PCA、SAM、MNF和ROI等。光谱成像技术也由于其无损的检测方式，强大的数学分析计算能力，有望应用于文物价值、保护研究中的指纹图谱、病害分类、信息提取以及数据库建设等各个研究方向。