該研究成功利用高光譜成像技術(shù)，通過一套多級(jí)特征提取與增強(qiáng)方案，清晰重現(xiàn)了漢代彩繪陶器上已模糊難辨的云紋，為文物的數(shù)字化保護(hù)提供了全新的無(wú)損分析手段。


近日，Nature 系列期刊 npj Heritage Science發(fā)表了重慶理工大學(xué)湯斌教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合重慶中國(guó)三峽博物館共同完成的關(guān)于漢代彩繪陶器紋樣數(shù)字增強(qiáng)的最新研究。彩繪陶器是具有深厚歷史文化意義的文物，其表層彩繪由于漫長(zhǎng)年代的化學(xué)降解和物理破壞往往模糊難辨。研究團(tuán)隊(duì)以重慶云陽(yáng)縣趙家咀遺址出土的一件漢代彩繪灰陶罐蓋為對(duì)象。該陶蓋帶有紅色云紋彩繪，但由于顏料脫落、氧化褪色以及埋藏土壤覆蓋，圖案細(xì)節(jié)幾乎無(wú)法憑肉眼清晰識(shí)別。為了在不損傷文物的前提下提取和增強(qiáng)這些關(guān)鍵紋樣信息，研究引入了高光譜成像(Hyperspectral Imaging, HSI)技術(shù)，以獲取可見光至近紅外波段的精細(xì)光譜圖像數(shù)據(jù)。高光譜成像能夠在380–1020?nm范圍內(nèi)非接觸捕獲文物表面各像素的光譜特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)彩繪圖案的精細(xì)分析，為后續(xù)數(shù)字修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1: 漢代彩繪灰陶罐蓋及其表面云紋細(xì)節(jié)。(a) 陶器蓋整體外觀；(b) 放大的云紋區(qū)域1；(c) 放大的云紋區(qū)域2。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期埋藏導(dǎo)致陶蓋彩繪層顏料脫落、表面附著泥土，紅色云紋圖案已變得模糊難辨。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于高光譜成像的多級(jí)特征提取與增強(qiáng)方案，結(jié)合主成分分析（PCA）與最大角度凸錐（SMACC）算法，實(shí)現(xiàn)了文物彩繪紋樣的精確識(shí)別與細(xì)節(jié)復(fù)原。



01技術(shù)方案

針對(duì)彩繪陶器紋樣難以識(shí)別的問題，湯斌團(tuán)隊(duì)提出了結(jié)合主成分分析(PCA)與最大角度凸錐算法(SMACC) 的多級(jí)特征提取圖像增強(qiáng)方法。本研究方法的總體流程如圖2所示，包括高光譜數(shù)據(jù)采集與增強(qiáng)處理兩部分。通過萊森光學(xué)iSpecHyper-VS1000系統(tǒng)獲取文物表面可見–近紅外光譜信息，經(jīng)PCA降維、SVM分類與SMACC端元提取后，結(jié)合光譜匹配與HSV融合實(shí)現(xiàn)彩繪紋樣的細(xì)節(jié)增強(qiáng)，為文物彩繪的數(shù)字化分析提供了技術(shù)支撐。

圖2：基于高光譜成像的彩繪陶器多級(jí)特征提取與圖像增強(qiáng)流程示意圖。
整個(gè)技術(shù)方案包含以下主要步驟：1.PCA降維與偽彩色重建：對(duì)高光譜圖像進(jìn)行主成分分析，提取貢獻(xiàn)率最高的若干主成分來(lái)表征主要圖像信息，同時(shí)濾除噪聲與冗余。隨后對(duì)選取的主成分進(jìn)行反變換，重建出接近真實(shí)顏色的RGB偽彩色圖像，用以初步恢復(fù)陶器彩繪的整體外貌。2.SMACC端元提取與紅色特征增強(qiáng)：在PCA處理后的圖像上應(yīng)用順序最大角度凸包(SMACC)算法，迭代提取光譜“端元”以分離出相對(duì)純凈的成分光譜。通過計(jì)算光譜角距離(SAD)和光譜信息散度(SID)等指標(biāo)選出與紅色顏料光譜最相似的端元作為目標(biāo)。該端元對(duì)應(yīng)的空間分布即形成紅色紋樣的特征掩膜圖像。3.HSV通道融合增強(qiáng)：將PCA反變換得到的RGB圖像與上述紅色特征掩膜進(jìn)行融合處理。首先將RGB圖像轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間，在保持色調(diào)(H)通道不變的前提下，將歸一化的紅色特征掩膜疊加增強(qiáng)飽和度(S)和明度(V)通道。再將圖像轉(zhuǎn)換回RGB顏色空間，得到紅色紋樣得到顯著突出顯示的偽彩色增強(qiáng)圖像。4.多尺度拉普拉斯金字塔融合：為了兼顧偽彩色增強(qiáng)圖像的清晰細(xì)節(jié)和原真彩圖像的整體真實(shí)性，采用拉普拉斯金字塔的多尺度融合方法。對(duì)增強(qiáng)圖像和原圖分別構(gòu)建高斯金字塔并計(jì)算各層拉普拉斯金字塔，將紅色紋樣區(qū)域以權(quán)重0.7:0.3融合偽彩色增強(qiáng)與原圖的細(xì)節(jié)層，其余區(qū)域采用適當(dāng)權(quán)重融合。最后重建圖像得到最終的特征融合增強(qiáng)結(jié)果。通過以上多級(jí)處理，原本難以辨識(shí)的云紋彩繪特征得以被有效提取和增強(qiáng)。PCA提供全局主要成分提取，SMACC捕獲局部細(xì)節(jié)端元，兩者結(jié)合克服了單一方法光譜范圍有限或信息丟失的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)文物圖像特征更準(zhǔn)確、高效的增強(qiáng)。

02實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究團(tuán)隊(duì)利用萊森光學(xué) iSpecHyper-VS1000 高光譜成像相機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲取了陶器蓋的高光譜圖像數(shù)據(jù)（光譜范圍覆蓋 380–1020nm，光譜通道數(shù)300）。由于光譜兩端噪聲較大，首先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了黑白板反射率校正及波段截取預(yù)處理，僅保留有效波段440–960nm，以提高分析可靠性。在圖像中選擇了云紋圖案相對(duì)清晰的區(qū)域1作為特征提取和增強(qiáng)的目標(biāo)。經(jīng)過PCA處理后，陶蓋彩繪的偽彩色圖像色彩更加逼真鮮明，圖案輪廓也較原始圖像更為清晰。SMACC算法從中成功提取出紅色顏料的端元特征并生成了對(duì)應(yīng)的掩膜，使得云紋的紅色分布區(qū)域得到準(zhǔn)確定位。將該紅色特征掩膜融合到HSV通道后，云紋紅色紋樣的飽和度和亮度顯著提高，細(xì)節(jié)得到極大凸顯。最終與原真彩圖像融合的結(jié)果顯示出整體亮度、清晰度的全面提升，模糊區(qū)域的紋樣得到明顯強(qiáng)化。客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)證明了該方法的有效性：相較僅采用PCA增強(qiáng)的圖像，融合PCA+SMACC得到的特征增強(qiáng)圖像的平均梯度提高了 22.23%，空間頻率提高 30.46%，信息熵增加 17.21%。更高的梯度和熵表明圖像細(xì)節(jié)和信息量顯著增加，這對(duì)揭示文物表面暗藏的紋樣具有重要意義。該方法在云紋彩繪的識(shí)別和增強(qiáng)上取得的成功，為漢代彩繪陶器等文物的數(shù)字化保護(hù)提供了新的技術(shù)手段。

圖3: 多級(jí)特征提取方法在陶器蓋云紋彩繪上的增強(qiáng)效果。(a) 紅色特征掩膜圖像；(b) 紅色特征增強(qiáng)后的偽彩色圖像；(c) PCA重建的真彩偽色圖像；(d) 最終融合增強(qiáng)后的圖像。
由圖3可見，融合增強(qiáng)后(d)的云紋紅色紋樣輪廓清晰，色彩飽和且亮度均勻，原先暗淡的紋樣細(xì)節(jié)得到突出。
這項(xiàng)研究成果不僅拓展了高光譜成像技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，也為彩繪文物的無(wú)損數(shù)字化揭示與修復(fù)提供了精確可視化的新思路。該項(xiàng)目得到重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目和重慶市科技局科研計(jì)劃等資助支持，體現(xiàn)了跨學(xué)科技術(shù)在文物保護(hù)中的創(chuàng)新價(jià)值。