2014年2月，陕西省考古研究院和陕西历史博物馆组织联合考古队对曾经辅佐唐玄宗李隆基开创“开元盛世”的名相——韩休的墓穴进行抢救性发掘。在对墓中壁画进行揭取之前，中科院西安光机所光谱成像技术实验室的研究人员在发掘现场利用自主研发的高光谱成像仪对壁画画面内容进行了高保真记录。

　　光谱成像：记录壁画内容的新方法

　　光是一种电磁波，只有一种波长(频率)的光叫做单色光，而由多个不同波长(频率)的单色光混合到一起而形成的光叫做复色光。如果将复色光经过棱镜、光栅等色散系统进行分光后，被色散开的单色光按波长(频率)大小依次排列的图案，就称为光谱。

　　图1 牛顿三棱镜分光实验。1666年，牛顿利用三棱镜将白色太阳光分解为红、橙、黄、绿蓝、靛、紫七色光，首次证明了复色光是由单色光所组合而成。 

　　我们这里讨论的光谱成像所涉及的光谱范围为400 nm 至2500 nm ，覆盖整个可见光、近红外、短波红外区域。如果把这个区间的波长划分为宽度为 N 纳米的区间，那么对于同一幅场景，我们按波长从小到大依次用每一个区间波长的光去拍摄图像，这样就可以得到(2500-400)/ N 幅图像。这组图像作为整体就被称作高光谱图像。

　　图2 高光谱遥感图像 

　　上图就是用假彩色显示的高光谱遥感图像，我们可以把高光谱图像看作一个“数据立方体”，它的第一、第二维是图像的像素坐标，图像的第三维就是光谱维。

　　那么，高光谱能发现壁画的哪些秘密呢?

　　看看壁画有没有被涂改和修复过

　　在高光谱图像中，每一幅图像都包含了同一场景的某些别的图像不具有的信息，尤其是人眼观察不到的信息。在科学家们对韩休墓壁画的研究中发现，由于近红外至短波红外波段的光线对于颜料具有一定的穿透能力，高光谱图像获取到了壁画画面表层以下的信息，从而“看到”了很多此前并未发现的秘密。

　　比如，图3所示为韩休墓其中一幅壁画《乐舞图》，左侧地毯前的男子可以隐约发现改动的痕迹，经过对高光谱图像的进一步分析发现，左侧地毯前的男子处原先画了一个小孩，后来被修改成了大人。在《乐舞图》中，类似的涂改痕迹被发现了多处，如右侧地毯左下角还有一处被涂改掉的兔子。

　　图3(a)《乐舞图》 

　　图3(b) 被覆盖的小孩 

　　为什么宰相墓的壁画中会有涂改?原先的小孩和后来的成人有什么关系?一系列疑问和谜团纷至沓来，这让科学家们迷惑，同时也感到异常兴奋，因为这说明这些壁画后面还有更多的故事值得去挖掘，这也成为了保护韩休墓壁画本体之外更深层次的研究课题。

　　看看壁画都用了什么颜料

　　当光照射在颜料上时，不同波长的光的发射率是不同的。具有不同元素组成和分子结构的物质，其光谱反射率曲线是有差异的。可以说，光谱反射率是物质的“指纹”，可以用来识别物质。因此，科学家们用高光谱图像中不同的光谱反射率来识别壁画等文物中的材料。这种方式鉴别结果简单、准确，还不会对壁画造成损伤。

　　图4 四种不同颜料的光谱反射率曲线 

　　上图是四种不同颜料在400-1000nm谱段的光谱反射率曲线。图中曲线的颜色不代表实际颜料的颜色，在此仅用于区分不同曲线。如果我们选取750nm作为横坐标，然后将750nm处四条曲线分别对应的纵坐标取值由大到小进行排列，则其所在曲线代表的颜料分别为朱红、石绿、朱膘和石青。可以看出，不同颜料的光谱曲线有显著的差异。正是利用这种差异，科学家们可以准确识别出壁画中所使用的颜料。

　　可以看到，高光谱成像已经在文物保护领域有了初步的应用，相信随着研究的不断深入，高光谱成像能作为一门成熟的技术在文物保护、修复与价值挖掘领域得到广泛使用。

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