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文物科学应用中的ClydeHSI 高光谱成像系统实例与案例研究（一）

来源：青岛森泉光电有限公司 更新时间：2026-01-07 17:15:26 阅读量：4
导读：Rossetti–《La Ghirlandata》，1873，124 cm×85 cm这幅作品是Dante G
Rossetti–《La Ghirlandata》，
1873，124 cm×85 cm
这幅作品是Dante Gabriel Rossetti于 1873 年创作的《La Ghirlandata》。该画作现为伦敦市政厅美术馆的核心馆藏，并在 2019 年获得美国银行文物保护项目的资助，开展修复工作。作为项目合作的一部分，ClydeHSI向伦敦大学学院提供了一套高光谱成像系统，用于辅助分析并厘清该画作创作之初所使用的材料与技法。上图展示的是通过传统数码相机拍摄的该画作RGB 彩色图像。
  • SC-XYZ-2500
这是ClydeHSI 为支持修复工作向伦敦大学学院提供的系统。该设备为 2.5 米 ×2.5 米扫描范围的 XYZ 扫描系统，空间分辨率最高可达 5 微米，工作光谱范围覆盖可见 - 近红外至短波红外，搭载两台高光谱相机实现数据同步采集。系统具备自动对焦、自动曝光设置功能，且两台在用光谱相机均支持像素自动正方形化特性。
  • 检测成果
该图展示的是通过ClydeHSI的VNIR-HR相机采集的高光谱数据集及其参数信息。可以看到，该图像具备照片级画质—— 本案例中分辨率约为 1 亿像素 —— 而更关键的是，图像中每个 75 微米的像素点均包含数百个波段的光谱信息。这一特性使研究人员能够在可见 - 近红外与短波红外全光谱范围内，对整幅画作的材料分布情况开展精细化分析。
  • 空间分辨率
若放大查看高光谱数据集，不仅能更清晰地展现系统的分辨率性能，还能捕捉到极为精细的细节—— 例如画笔笔触纹理、画作裂纹形态，以及补色区域的填充痕迹。
  • Zm表面追踪技术
ClydeHSI之所以能实现如此高的分辨率，核心得益于自主设计制造的专属部件——Zm-Macro 宏微平移台。该部件作为 SC-XYZ 扫描系统的选配附件，可实时追踪文物表面形态变化并动态适配，确保图像中每个像素点均保持一致的对焦精度，既避免了成像模糊问题，也为系统发挥最优的空间分辨率与光谱成像性能提供了关键保障。
揭示隐藏特征
高光谱成像的核心优势与关键应用场景之一—— 尤其在近红外和短波红外波段 —— 是可视化并分析文物的隐藏特征。近红外光可穿透更深的颜料层与清漆层，这是因为大多数颜料对可见光吸收强烈，而对近红外光的吸收显著较弱。许多在可见光下呈现不透明的颜料，在近红外波段会变为半透明状态，从而使底稿、早期颜料层及修改痕迹得以显现。此外，近红外光的散射效应强于吸收效应，因此反射光会携带文物表面下方的信息。材料在不同波段的这种特性差异，恰好形成了揭示艺术品中不可见特征或表层下隐藏信息所需的对比度。
Benozzo Gozzoli-《Deposition of Christ》, 1421-1497,  91cm x 22.5cm
《Deposition of Christ》现藏于梵蒂冈城的梵蒂冈博物馆。ClydeHSI曾前往该馆，对包括这幅画作在内的多件藏品开展实验检测。戈佐利是备受尊崇的弗拉?安杰利科的弟子与助手，因此学界普遍认为，安杰利科本人或许参与了这幅作品的创作过程。ClydeHSI采用SC-XY-1500 系统对该画作进行了扫描，工作光谱范围覆盖 可见 - 近红外至近红外波段。
该图展示的是通过VNIR-HR 相机获取的检测结果 —— 我们再次看到了该系统卓越的空间分辨率性能。但更值得关注的是图中高亮标注的区域：当我们切换至近红外波段观测时，会发现表象之下另有玄机……
左图中可见部分损伤（可能为真菌侵蚀或木蠹虫蛀蚀）—— 这些损伤被深色颜料覆盖，因此肉眼完全无法察觉。这一发现能帮助研究人员与文物修复师更深入地调查损伤成因，进而采取针对性措施遏制进一步损坏。
中间两幅图则显示：底稿中的人物面部表情与朝向，与画作最终呈现的可见画面完全不同。此外，左侧女性人物手持的“瓮形器物” 在原始底稿中并无踪迹，显然是后期创作中新增的元素。
然而，最令人震撼的发现来自对耶稣手臂的观测：在底稿中，我们能清晰看到第二条隐藏手臂的轮廓—— 这条手臂的肘部呈直角弯曲；但在画作最终呈现的可见画面中，手臂却是以更平缓的钝角姿态摆放。因此，本次扫描及后续分析，成功揭示了一项尘封 500 余年的秘密—— 自戈佐利当初创作这幅画作以来，这一细节从未被人眼察觉。
Bernadino Lanino-《The Last Supper》, 320cm x 226cm x 3cm
  • 图像与主成分分析
这是另一幅意大利文艺复兴时期的画作，由贝尔纳迪诺?拉尼诺创作，主题为《The Last Supper》。该图展示的是整幅画作的中心区域（约100 厘米 ×100 厘米）—— 画作完整尺寸约为 320 厘米 ×226 厘米。左侧为通过 VNIR-HR 相机采集数据生成的伪彩色 RGB 图像，右侧则是基于 NIR-HR+ 相机数据生成的颜料化学分布图。
  • 光谱分析
该图展示了画作多个区域的近红外波段光谱图，充分体现了该系统卓越的信噪比性能；同时，从图中还能清晰观测到画作表面的裂纹形态，进一步凸显了系统的高空间分辨率优势。
近红外分析最引人入胜的发现，来自对画作中器物的细致观测—— 尤其是餐桌上火腿面包卷（已高亮标注）的细节。在肉眼不可见的颜料层下，赫然隐藏着一张人脸轮廓。我们就此向实验室研究人员求证后了解到：画家拉尼诺性情颇为暴躁。在意大利文艺复兴时期，由于现代合成颜料尚未问世，天然矿物颜料、有机颜料等原材料成本高昂，艺术品创作普遍依赖富裕资助人的委托与赞助。因此学界推测，拉尼诺在创作这幅画作期间，与资助人发生了争执。作为报复，他将这位资助人的形象隐晦地画进了火腿面包卷中，堪称一则刻薄的玩笑。通过本次检测，再次揭开了一项尘封 500 余年的隐藏秘密，为这幅艺术品及其背后的历史增添了极具趣味性的研究视角。
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