高光谱成像技术在文物检测中的核心应用

文物检测领域正逐步转向无损 / 微损检测技术，传统数码相机仅能采集 RGB 三通道信息，难以满足深层检测需求。高光谱成像技术凭借光谱分辨率高、检测效率高、无损且环境适应性强等优势，成为文物保护的核心技术之一。其通过获取数百个连续波段的 “图谱合一” 数据，形成文物的独特光谱指纹，可精准解析文物的物质组成与隐含特征。

本研究采用杭州彩谱科技 FS - 27 高光谱相机（检测波段 900 - 1700nm），该设备集成透射式光栅分光模组与高灵敏度面阵相机，内置扫描成像技术，解决了传统设备需外接推扫机构、调焦复杂等问题，支持与标准 C 接口镜头 / 显微镜直接集成，实现光谱影像的快速采集。

 Figspec  FS-2X系列成像高光谱相机

一、颜料分析：精准解析物质构成

通过短波红外高光谱数据的波段运算、光谱匹配等技术提取被测文物的表面颜料信息，利用光谱角匹配技术提取颜料的高光谱数据结果。

具体流程为：

1.光谱数据预处理：对原始光谱进行归一化处理，消除光照、材质差异等干扰；

2.标准光谱库比对：将处理后的光谱数据与颜料标准光谱库（如矿物颜料、有机染料数据库）进行匹配，识别颜料种类；

3.空间分布制图：结合高光谱影像的空间信息，绘制全局性的颜料分布图谱，直观呈现不同颜料的区域分布特征（如图 2 所示）。

图1  文物检测设备

 图2  FS-27高光谱成像文物颜料分析侧视图

由于高光谱影像不仅包含了目标的光谱特征还包含图像特征和空间信息特征，在颜料鉴别中，高光谱影像不仅可以对未知颜料分类，还可以结合其他颜料鉴别技术的结果绘制全局性的颜料分布制图。

二、信息增强：还原文物历史原貌

文物因长期受环境侵蚀，常出现褪色、劣化或破损，导致原始面貌模糊。高光谱成像技术通过以下路径实现信息增强：

1.颜色反演渲染：基于材料光谱反射率与颜色的对应关系，在确定文物材质后，通过光谱数据重建其原始色彩，实现数字化修复与存档；

2.伪彩图合成：利用可见光外的光谱信息（如近红外、短波红外），通过影像增强处理合成多波段伪彩图，突出人眼难以辨识的细节（如褪色文字、模糊图案）。

3.典型案例：某褪色壁画经高光谱处理后，伪彩图清晰呈现了原始线条与色彩分区，为数字化保护提供了关键依据。

三、隐含信息发掘：揭示文物深层特征

高光谱成像技术的 “图谱合一” 特性，使其成为发掘文物隐含信息的核心工具，可识别以下类型信息：

1.创作与修复痕迹：通过多波段光谱对比，检测底稿线、修改痕迹、修补区域（如填补颜料与原材质的光谱差异）；

2.隐形损害：识别肉眼不可见的病害，如内部霉斑、材质老化引起的光谱异常；

3.真伪鉴定：对比不同波段下的光谱特征，揭露伪造文物的材料矛盾（如现代颜料的光谱特征与古代矿物颜料的差异）。

4.实验验证：如图 3 所示，某彩绘文物的可见光图像仅显示模糊轮廓，而 1600nm 波段的高光谱图像清晰呈现了隐藏的花卉图案。通过图像融合技术叠加光谱与空间信息，图案细节较真彩色图像更突出，为研究文物创作工艺提供了新视角。

图3  彩绘文物可见光图像与其高光谱的图像

通过使用Figspec高光谱成像技术获取文物较高空间分辨率与成像数据，可以进行颜料分析、信息增强、隐含信息发掘等多方面应用研究。高光谱成像技术特别是近红外波段，不仅可以有效增强印章的文字信息，发现书画作品的涂改与涂沫痕迹，而且对于底稿线等线描特征的提取有着非常好的效果，并能有效地对书画文物所使用的矿物颜料进行识别与分类。Figspec高光谱成像技术在文物数字化存档、文物诊断、文物修复等方面均可发挥重要作用。