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一種混合顏料光譜分區(qū)間識別方法

萊森光學(xué) ? 來源:萊森光學(xué) ? 作者:萊森光學(xué) ? 2024-12-02 16:22 ? 次閱讀

古代彩繪顏料的分析是科技考古與文物保護研究的重要內(nèi)容,高光譜是近年來發(fā)展迅速的新興技術(shù),在物質(zhì)識別上具有廣泛應(yīng)用,提出一種基于高光譜分區(qū)間的混合顏料識別方法。

一種混合顏料光譜分區(qū)間識別方法

古代彩繪顏料的分析是科技考古與文物保護研究的重要內(nèi)容,對探索古代顏料技術(shù)發(fā)展和科學(xué)保護文物有著重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義,傳統(tǒng)的顏料識別算法大多針對彩繪文物表面的純凈顏料,對文物表面存在混合顏料的識別準(zhǔn)確度較差。化學(xué)分析需要對壁畫表面進行取樣,易造成損傷。高光譜是近年來發(fā)展迅速的新興技術(shù),在物質(zhì)識別上具有廣泛應(yīng)用,提出一種基于高光譜分區(qū)間的混合顏料識別方法。

01顏料識別方法

Kubelka-Munk(KM)模型假設(shè)光線在傳到介質(zhì)表面時大部分被完全散射,小部分在介質(zhì)中繼續(xù)傳播,且這兩種運動方向都垂直于界面。假設(shè)介質(zhì)厚度無限大,KM模型的公式可簡化為

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式(1)中,R為光譜反射率,f(R)為吸收散射比,K和S分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù)。根據(jù)KM理論,吸收系數(shù)和散射系數(shù)適用于加和性原理?;旌衔镏械拿總€成分都有唯一確定的吸收系數(shù)和散射系數(shù),彼此獨立,互不影響。

顏料識別采用計算未知顏料K/S曲線與標(biāo)準(zhǔn)顏料K/S曲線的相似度實現(xiàn)。常用的匹配算法包括基于波形特征的匹配、基于光譜編碼的匹配和基于統(tǒng)計指標(biāo)的匹配。本文結(jié)會顏料K/S曲線光譜角余弦算法與歸一化歐氏距離算法,對未知顏料K/S曲線進行識別。

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圖1顏料識別流程圖

02實驗結(jié)果

顏料樣本

從顏料標(biāo)準(zhǔn)樣本庫中選用壁畫中常見的石青、石綠、石黃和朱砂,制作純凈顏料樣本,再將四種純凈顏料按50:50的質(zhì)量比兩兩混合,制作六組混合顏料樣本。

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圖2純凈顏料樣本(a) :石青;(b):石綠;(e):石黃;(d):朱砂

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圖3混合顏料樣本(a):50%石青+50%石綠;(b):50%石青+50%石黃;(c):50%石青+50%朱砂:(d):50%石綠+50%石黃(e):50%石綠+50%朱砂:(f):50%石黃+50%朱砂

采用高光譜成像儀,光譜分辨率為2.8mm,可覆蓋400~1000nm波長的光譜范圍,包含了可見光與近紅外一共1040個波段。對樣本進行成像數(shù)據(jù)采集,進行白板校正及降噪預(yù)處理后,提取出4組純凈樣本和6組混合樣本的光譜曲線,如圖4所示。

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圖4顏料樣本光譜曲線

(a) :純凈顏料樣本光譜曲線;(b):混合顏料樣本光譜曲線

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圖5石黃朱砂混合光譜曲線與一階導(dǎo)數(shù)曲線(a) :混合光譜:50%石黃和50%朱砂;(b):一階導(dǎo)數(shù)曲線:50%石黃和50%朱砂

表1混合顏料樣本特征子區(qū)間

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模擬壁畫顏料識別

為了驗證提出方法的有效性,對包含混合顏料與純凈顏料的模擬壁畫進行顏料識別。識別點位分布如圖6,識別結(jié)果如表5,將各個點位的識別結(jié)果與模擬壁畫各個區(qū)域的真值對比,除橙色區(qū)域3中的朱砂顏料外,全部識別正確。

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圖6 模擬壁畫中進行顏料識別的位置

表5模擬壁畫顏料識別結(jié)果

wKgZO2dNbkyAM7shAAAqWsilQG0744.pngwKgZPGdNbkyAAe8mAAA86QYt1F8231.png

圖7混合顏料未知光譜與模擬光譜對比(a) :模擬光譜:雌黃和真銀珠;(b):模擬光譜:漂凈朱砂和石青

03實驗結(jié)論

(1)不同色系顏料的光譜曲線在不同的位置存在陡而直的上升邊,相同色系顏料光譜曲線的上升邊位置存在細微差異,因此,對顏料光譜曲線的上升邊位置進行分析即可實現(xiàn)其成分識別。由于一階導(dǎo)數(shù)表征曲線的斜率,導(dǎo)數(shù)曲線上的“凸起”域?qū)?yīng)組分顏料反射率光譜的上升邊,且對混合顏料的導(dǎo)數(shù)曲線進行分析時發(fā)現(xiàn),組分顏料反射率光譜上升邊對應(yīng)的“凸起”在導(dǎo)數(shù)曲線上符合加和性。

(2)提取未知顏料的特征區(qū)間后,在區(qū)間范圍內(nèi)對未知顏料進行識別,通過將區(qū)間的識別結(jié)果與真值對比,發(fā)現(xiàn)每個區(qū)間的識別結(jié)果均能準(zhǔn)確識別出混合顏料的組分顏料,證明所提特征區(qū)間有效包含了混合顏料中組分顏料的特征。

與傳統(tǒng)的顏料識別方法相比,分區(qū)間的顏料識別方法可以提取出混合顏料中組分顏料的特征,并針對所提取的特征進行識別。

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審核編輯 黃宇

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