2014年2月，陝西省考古研究院和陝西曆史博物館組織聯合考古隊對曾經輔佐唐玄宗李隆基開創“開元盛世”的名相——韓休的墓穴進行搶救性發掘。在對墓中壁畫進行揭取之前，中科院西安光機所光譜成像技術實驗室的研究人員在發掘現場利用自主研發的高光譜成像儀對壁畫畫面內容進行了高保真記錄。
光譜成像：記錄壁畫內容的新方法
光是一種電磁波，只有一種波長（頻率）的光叫做單色光，而由多個不同波長（頻率）的單色光混合到一起而形成的光叫做複色光。如果將複色光經過稜鏡、光柵等色散系統進行分光後，被色散開的單色光按波長（頻率）大小依次排列的圖案，就稱為光譜。
圖1 牛頓三稜鏡分光實驗。1666年，牛頓利用三稜鏡將白色太陽光分解為紅、橙、黃、綠藍、靛、紫七色光，首次證明了複色光是由單色光所組合而成。
我們這裡討論的光譜成像所涉及的光譜範圍為400 nm 至2500 nm ，覆蓋整個可見光、近紅外、短波紅外區域。如果把這個區間的波長劃分為寬度為 N 納米的區間，那麼對於同一幅場景，我們按波長從小到大依次用每一個區間波長的光去拍攝圖像，這樣就可以得到（2500-400）/ N 幅圖像。這組圖像作為整體就被稱作高光譜圖像。
圖2 高光譜遙感圖像
上圖就是用假彩色顯示的高光譜遙感圖像，我們可以把高光譜圖像看作一個“數據立方體”，它的第一、第二維是圖像的像素座標，圖像的第三維就是光譜維。
那麼，高光譜能發現壁畫的哪些秘密呢？
看看壁畫有沒有被塗改和修復過
在高光譜圖像中，每一幅圖像都包含了同一場景的某些別的圖像不具有的信息，尤其是人眼觀察不到的信息。在科學家們對韓休墓壁畫的研究中發現，由於近紅外至短波紅外波段的光線對於顏料具有一定的穿透能力，高光譜圖像獲取到了壁畫畫面表層以下的信息，從而“看到”了很多此前並未發現的秘密。
比如，圖3所示為韓休墓其中一幅壁畫《樂舞圖》，左側地毯前的男子可以隱約發現改動的痕跡，經過對高光譜圖像的進一步分析發現，左側地毯前的男子處原先畫了一個小孩，後來被修改成了大人。在《樂舞圖》中，類似的塗改痕跡被發現了多處，如右側地毯左下角還有一處被塗改掉的兔子。
圖3(a)《樂舞圖》
圖3(b) 被覆蓋的小孩
為什麼宰相墓的壁畫中會有塗改？原先的小孩和後來的成人有什麼關係？一系列疑問和謎團紛至沓來，這讓科學家們迷惑，同時也感到異常興奮，因為這說明這些壁畫後面還有更多的故事值得去挖掘，這也成為了保護韓休墓壁畫本體之外更深層次的研究課題。
看看壁畫都用了什麼顏料
當光照射在顏料上時，不同波長的光的發射率是不同的。具有不同元素組成和分子結構的物質，其光譜反射率曲線是有差異的。可以說，光譜反射率是物質的“指紋”，可以用來識別物質。因此，科學家們用高光譜圖像中不同的光譜反射率來識別壁畫等文物中的材料。這種方式鑑別結果簡單、準確，還不會對壁畫造成損傷。
圖4 四種不同顏料的光譜反射率曲線
上圖是四種不同顏料在400-1000nm譜段的光譜反射率曲線。圖中曲線的顏色不代表實際顏料的顏色，在此僅用於區分不同曲線。如果我們選取750nm作為橫座標，然後將750nm處四條曲線分別對應的縱座標取值由大到小進行排列，則其所在曲線代表的顏料分別為硃紅、石綠、朱膘和石青。可以看出，不同顏料的光譜曲線有顯著的差異。正是利用這種差異，科學家們可以準確識別出壁畫中所使用的顏料。
可以看到，高光譜成像已經在文物保護領域有了初步的應用，相信隨著研究的不斷深入，高光譜成像能作為一門成熟的技術在文物保護、修復與價值挖掘領域得到廣泛使用。
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