一种秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法

摘要

本发明公开了秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法，利用无损检测分析技术，包括建立容差球模型对颜色的评估分析(定量分析)、对单位表面积陶俑颜料质量统计分析(定量分析)、通过表面显微特征分析(定性分析)、颜料厚度分析(定量分析)，是一种可量化、可操作、可比较和无损伤测量的评估方法。在无损分析检测的基础上，本发明通过对秦汉陶俑进行划分区域，综合考虑多种因素选定多个测量点，对陶俑保存现状给出科学的结论，为陶俑科技保护与修复提供科学依据。本发明进行大量测量数据的统计与分析，对陶俑颜料数据库建设和陶俑长期保存、保护、修复、展示与管理提供了雄厚的科学检测数据资源。

说明书

技术领域

本发明属于秦汉陶俑的分析研究与保护技术领域，特别涉及一种秦汉陶俑彩绘颜料特征的无损分析方法。

背景技术

秦汉陶俑在地下环境和挖掘后环境中，经历巨大的环境因素变化，颜料层的吸附态水分、吸附态矿物质都发生了变化，加上空气中O₂、O₃、CO₂、SO₂和氮氧化物的作用，使颜料层陶俑色泽发生变化，并逐步发生起翘、分离、脱落。秦汉陶俑在抢救性挖掘、迁移、修复过程中，经历许多人为干预，导致陶俑在馆藏环境中出现新的病变，随着时间的积累，在保存环境中更会出现陶俑持续性坏损。

在当前的秦汉陶俑科学研究中，一般是采用有损取样方法，利用光谱技术对秦汉陶俑颜料风化程度、组成和结构进行分析。传统的秦汉陶俑颜料分析方法，是在不同颜料部位，切去1cm见方的样品，浸泡在树脂中，制作cross-section，在显微镜下观察颜料结构、组成、厚度等指标。这样只能对秦汉陶俑取样点颜料状况进行分析，无法获得陶俑整体保存状况的资源信息；而且对陶俑损伤大，分析时间长，结论单一，不能说明陶俑整体情况。

有损分析可以在一般秦汉陶俑彩绘颜料分析方面发挥一些作用，但对于大量的珍贵陶俑就显得无能为力。这是因为：1、珍贵陶俑一般不允许损伤性取样。2、取样点不能完全代表秦汉陶俑的整体情况。3、样品与陶俑整体处于完全分离状态，这样对秦汉陶俑做出的任何分析、检测、评估都不能代表陶俑的整体情况。

随着大量古代陶俑的发现、收集和积累，秦汉陶俑已经具有种类多、内容广、特色鲜明等特点，在数量上和总面积上都有持续性增长。建立具有可量化、可操作、可比较和无损伤测定的秦汉陶俑评估技术是抢救保护的必要前提。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法，为濒危秦汉陶俑表面颜料研究、保护与修复提供分析方法，为建立评估体系与评判标准，为跨地域横向对比研究和大范围的数据库建设提供可能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法，包括以下步骤：

1)用数码相机对秦汉陶俑彩绘进行拍摄，获得其数码相片，然后在数码相片上选定色度测量点和密度测量点；

2)利用标准白板对便携式色差计进行校正后，对色度测量点进行色度检测，根据色度容差球分析模型对色度数据进行分析：在CIE Lab色空间中定位一个标准颜色，以ΔE为半径在其周围绘制色度容差球，ΔE＝[(ΔL)²+(Δa)²+(Δb)²]^1/2，ΔL、Δa、Δb为色度测量点的色度与标准颜色的色度差值；ΔE大小反映秦汉陶俑的颜料层的保存情况；

3)利用密度仪对秦汉陶俑彩绘的表面颜料进行密度分析，记录所选的点群的密度值，得到其颜料密度ρ；密度大小反映了颜料层结构紧密与疏松程度；

4)使用显微分析仪观察和记录陶俑彩绘颜料的显微结构；观察颜料层断面部位，获得各种色彩颜料层厚度数据，获得色彩颜料层厚度d；

5)计算陶俑彩绘单位面积颜料承载质量M₁，M₁＝ρV₁/F，V＝d*Fs，其中ρ为颜料密度，V₁为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积；M₁表征了单位面积上颜料的绝对残留量；

计算陶俑研究区域承载颜料总质量M₂，M₂＝ρV₂，V＝d*S，其中ρ为颜料密度，V₂为检测区域表面颜料总体积，S为检测区域表面颜料的总面积，M₂表征了研究区域表面颜料的绝对残留量。

所述在获得其数码相片后，将照片在Photoshop程序下处理，调整亮度、对比度、饱和度后根据颜色类别、图案特点、颜料风化特征选择测量点，选定色度测量点和密度测量点。

所述的对选定的所有色度测量点数据进行色度容差球模型分析，获得陶俑整体的色彩质量信息。

所述的标准颜色根据所检测的色度测量点的颜色种类，在pantone标准色卡中选择对应的颜色。

所述的ΔE大小所反映的颜料层的保存情况的判定为：ΔE数值越高，颜料层的保存质量越差，保存的越不完整；以2.0DE的梯度将0～10.0DE分成五个不同的保存情况，10.0DE以上保存情况为最差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法，利用无损检测分析技术，包括建立容差球模型对颜色的评估分析(定量分析)、对单位表面积陶俑颜料质量统计分析(定量分析)、通过表面显微特征分析(定性分析)、颜料厚度分析(定量分析)，是一种可量化、可操作、可比较和无损伤测量的评估方法，对陶俑的保存现状给出科学的结论，为陶俑科技保护与修复提供科学依据。而目前传统的分析方法对陶俑颜料色度分析(定量分析)、颜色密度分析(定量分析)和显微分析(定性分析)均为有损检测，对颜色质量评估并没有具体的分析评估方法。

在无损分析检测的基础上，本发明通过对秦汉陶俑颜色类别、图案特点、颜料风化特征、保护修复方案等因素选定多个测量点，从而能够以整个陶俑为评估分析对象，给出陶俑整体的评估结论。以前传统的有损分析方法，只能以取样点为核心给出陶俑评估结论，而出于对陶俑的保护，取样点的数量、范围必然非常有限，不能得到陶俑整体的评估结论。

进一步，基于本发明提供的秦汉陶俑表面颜料特征的无损分析方法，可以建立对陶俑颜料色度测量、密度测量、显微分析、单位表面积陶俑颜料质量分析的标准，形成相应的技术规范，建立一套秦汉陶俑颜料表面特征评估体系。从而，获得的大量分析数据为陶俑保存、利用和展现提供重要的技术参数，能够为濒危秦汉陶俑表面颜料研究、保护与修复提供评判标准，为跨地域横向对比研究和大范围的数据库建设提供可能。

附图说明

图1为色度容差球分析模型的示意图。

图2为对秦汉陶俑标定的测量点分布的示意图。

图3为秦汉陶俑褐色色度分布图。

图4为检测区域承载颜料总面积计算的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施案例和秦汉陶俑测量点的选择、评估标准以及体系的建立，对秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了便于数据库的建立，对于待检测的秦汉陶俑，在检测之前对其信息数据归档：根据秦汉陶俑颜的发现时间、收藏时间、面积大小，进行基本信息编辑处理和归档。

在信息数据归档之后，对秦汉陶俑彩绘表面颜料特征的无损分析方法，包括以下步骤：

1)图像记录与图像测量点的标记处理；

图片资料是陶俑彩绘保护过程、修复过程、研究过程重要的资料信息，按照陶俑彩绘保护修复拟定规范，对秦汉陶俑彩绘进行相关图像资料的建立、处理和存档，然后选定具体的测量分析点。

具体操作如下：

(1)利用高清晰度数码照相机，对陶俑进行拍摄，原始照片保存在秦汉陶俑彩绘保护修复数据库中。

(2)把拍摄的陶俑照片再拷贝一份，在Photoshop程序下处理，调整亮度、对比度、饱和度使照片呈现出最佳效果，编号存档。

(3)在处理好的陶俑数码照片上，根据颜色类别、图案特点、颜料风化特征、保护修复方案等因素选择测量点，标定色度测量点和密度测量点。

(4)把标记好测量点的数码照片编号存档。

2)色度检测

利用标准白板对便携式色差计进行校正后，对色度测量点进行色度检测。具体操作为：采用美能达CR-410便携式色差计对色度测量点进行测量。每个样品点测量三次，记录数据；

根据检测的结果进行色度容差球模型分析：在CIE Lab色空间中定位一个标准颜色，以ΔE为半径在其周围绘制色度容差球，ΔE＝[(ΔL)²+(Δa)²+(Δb)²]^1/2，ΔL、Δa、Δb为色度测量点的色度与标准颜色的色度差值；ΔE的大小反映秦汉陶俑的颜料层的保存情况；

所建立的色度容差球分析模型如图1所示，标准颜色根据所检测的色度测量点的颜色种类，在pantone标准色卡中选择对应的颜色，ΔE数值越小，落在色度容差球之内为相匹配的颜色；ΔE数值越高，匹配颜色“误差极限”越高，落在色度容差球之外，颜色的质量越差，保存的越不完整。

如表1所示是一种建立的颜料层ΔE容差的评价标准，反映出颜料衰变的基本情况。把在I至V级之间的测定点数量与总测定点数量之比的百分数定义为该颜料色度匹配率。

表1 样品颜料层的ΔE容差评价标准

  等级  ΔE容差  ΔE及评价标准、保存情况  I  0.0-2.0DE  很小；理想匹配，保存完好  II  2.0-4.0DE  较小；可接受的匹配，保存很好  III  4.0-6.0DE  微小到中等；在一些应用中可接受，保存较好  IV  6.0-8.0DE  中等；可接受匹配，保存不好，颜料层不均匀  V  8.0-10.0DE  有差距；勉强接受，保存较差，并非完全变色  10.0DE以上  非常大；不可接受匹配，颜料出现老化，变色

3)构建色度分布图

采用刺激值直读测色法，使用MINLTA CR-300色度仪进行现场色度，采用脉冲氙灯照明，使用标准白板进行校正测量系统，根据检测的色度数据构建色度分布图。

4)利用密度仪对密度测量点的表面颜料进行无损密度测定，得到颜料密度值ρ；密度大小反映了颜料层结构紧密与疏松程度；

具体可采用美国X.Rite Spectrodensitometer密度仪对陶俑彩绘颜料进行无损密度测定，按照选定的密度测量点测定密度值。

5)利用显微分析仪原位观察秦汉陶俑彩绘颜料的显微结构，并观察颜料层断面部位，获得色彩颜料层厚度d；

显微分析仪的选择：选择镜头可以移动显微分析仪，选择不取样不制样的显微分析仪。可用设备：Luxo Microscope 23719 RB-LCO型显微分析仪。

6)计算陶俑彩绘单位面积颜料承载质量M₁，M₁＝ρV₁/F，V＝d*Fs，ρ为颜料密度，V₁为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积；M₁表征了单位面积上颜料的绝对残留量；

计算陶俑研究区域承载颜料总质量M₂，M₂＝ρV₂，V＝d*S，其中ρ为颜料密度，V₂为检测区域表面颜料总体积，S为检测区域表面颜料的总面积，M₂表征了研究区域表面颜料的绝对残留量。

并且，基于以上分析建立秦汉陶俑的综合评估体系：

(1)对所有色度测量点数据进行色度容差球模型分析，获得陶俑整体的色彩质量评估信息。

(2)对所有测量点进行表面颜料密度测定，密度数据是直接反映物质结构情况的物理量，密度大小说明了颜料层结构紧密与疏松程度。

(3)陶俑单位表面积颜料承载质量以及陶俑研究区域承载颜料总质量，直接反映了陶俑彩绘颜料的多与少，是陶俑质量的主要指标。

(4)显微结构直接反映了陶俑颜料层疏密程度，是陶俑质量的重要指标。

实施例1

1、对一个秦汉打伞男俑为实施对象，用数码相机拍下陶俑彩绘的数码相片，根据颜色类别、图案特点、颜料风化特征、保护修复方案等因素选择9个测量点，依次编号为QHY01-09，具体的陶俑彩绘的数码相片上测量点的分布如见图2所示。

2、用标准白板对色度仪进行校正后对样品点进行色度检测，每个样品点测量3次，计算出平均值；

如表2所示是检测秦汉陶俑彩绘测量点的白色、红色、褐色这3种颜色的色度值分布范围。

表2 秦汉陶俑彩绘测量点的色度值分布范围

  颜色  L值范围  a值范围  b值范围  白色  57.02～71.02  1.39～4.41  15.20～18.82  红色  72.82～79.37  2.23～4.96  8.95～11.58  褐色  41.35～53.69  1.83～3.27  12.52～15.77

3、采用刺激值直读测色法对样品色度进行测量，构建色度分布图。使用MINLTA CR-300色度仪，采用脉冲氙灯照明，使用标准白板进行校正仪器。把各种颜料的色度数据进行表征分析，构建色度分布图，所构建的色度分布图如图3所示。

4、建立容差球模型，如选取红色、白色、褐色样品进行评估，标准颜色分别采用pantone标准色卡中红色、白色、褐色的18-1426 TC，17-1109 TC，18-1314 TC。

如表1所示的样品点的测量结果，依据容差球模型(图1所示)及表1所示的样品颜料层的ΔE容差评价标准对其进行评估，结果如表3所示。

表3 秦汉陶俑彩绘测量点的红色、白色、褐色评估结果

5、陶俑表面颜料密度分析

采用美国X.Rite Spectrodensitometer密度仪对陶俑的表面颜料进行密度分析，记录所选的点群的密度值；三种颜色的密度数据检测结果分别如表4所示。

表4 陶俑彩绘表面颜料密度测定

  样品  D1  D2  D3  D4  D5  平均值  白色  0.60  0.53  0.69  0.70  0.55  0.61  红色  1.40  1.33  1.47  1.39  1.40  1.40  褐色  1.75  2.05  2.08  1.75  1.99  1.92

6、原位显微分析计算颜料层厚度

使用Luxo Microscope 23719 RB-LCO型显微分析仪。观察和记录陶俑表面颜料的显微结构；观察颜料层断面部位，获得各种色彩颜料层厚度数据。对表面颜料进行厚度分析，红色、褐色、白色颜料层厚度分别为0.18cm、0.26cm、0.23cm。

7、陶俑表面单位面积颜料承载质量和研究区域承载颜料总质量分析

计算陶俑表面单位面积颜料承载质量M₁，以表征单位面积上颜料的绝对残留量。

M₁＝ρV₁/F，V＝d*Fs，其中ρ为颜料密度，V₁为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积。

计算陶俑研究区域承载颜料总质量M₂，以表征研究区域表面颜料的绝对残留量。

M₂＝ρV₂，V＝d*S，其中ρ为颜料密度，V₂为检测区域表面颜料总体积，S为检测区域表面颜料的总面积；检测区域承载颜料总面积S的计算为：在陶俑彩绘的照片上绘制面积为1cm²的计算方格，根据陶俑彩绘的照片所占据的计算方格数目来计算总面积，利用计算方格来统计检测区域表面颜料的总面积的示意图如图4所示。

三种颜色的检测结果如表5所示：

表5 五种颜色的单位面积颜料承载质量(单位：g/cm²)

  样品颜色  红  褐  白  单位表面积颜料承载质量  0.2520  0.4992  0.1403  陶俑研究区域承载颜料总质量  8.5680  16.5734  2.4132

通过对陶俑研究区域的选定，按照程序化步骤对陶俑照相，photoshop处理与归档，标识色度测量点，计算颜料总面积，测定色度，利用容差球模型对颜料色度质量进行总体评估，分析表面颜料密度，显微分析颜料层厚度，计算单位表面积颜料承载质量和陶俑研究区域承载颜料总质量，实现对陶俑快速、无损、量化的技术检测和构建多因素、多指标、多方位的陶俑颜料评估体系，为秦汉陶俑的保护与修复提供科学依据。