壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡及其制作方法

摘要

本发明提供了一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡及其制作方法，涉及古代壁画保护试验研究领域，该方法包括：制作模拟地仗；获取多光谱图像以及制作标准色卡。通过针对真实壁画的地仗制作泥板，然后在泥板上涂抹已知颜料，最大程度的还原了真实壁画的地仗环境，通过获取模拟地仗的多光谱图像信息，形成数据库，最终形成标准色卡，利用该标准色卡对真实壁画上的未知颜料进行分析，此标准色卡的形成可使非专业人员通过色卡比对即可获得相关壁画颜料信息。此外，本发明提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，其采用上述制作方法制得，此标准色卡使非专业人员通过色卡比对即可获得相关壁画颜料信息。

说明书

技术领域

本发明涉及古代壁画保护试验研究领域，具体而言，涉及一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡及其制作方法。

背景技术

多光谱摄影图像分析方法利用其不同光谱对不同物质有着不同频率反应的原理基础上，应用多光谱摄影方法拍摄壁画，对多光谱画面分析以达到对壁画漫漶图像及包含有有机胶结材料的壁画颜料做可视性观察，如漫漶题记，褪色画面等。

但是，敦煌壁画中使用了大量的无机颜料，通过近几年的研究发现，除了无机颜料还存有部分有机染料。在对壁画的整体观察中，部分无机颜料之间由于年代久远，自然及人为环境影响颜料产生变色、褪色、磨蚀等现象，因此出现同色系不同成份的颜料在可见光范围内色相相近而难于辨认。而且部分可能存在的有机染料通常存在面积较小，覆盖很薄也因年代久远产生降解、退化且无法辨识，更无法直观的区分其与无机颜料之间的关系。而常规的便携式高精度无损检测设备对壁画颜料的检测中，因没有颜料分布范围参考进而使得选择检测点存在一定的盲目性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的制作方法，其能够建立有关壁画颜料的多光谱色彩标准数据库色板，以此为基础实现在壁画的研究中通过标准光谱图像样板对比区分壁画中不同颜料种类及相关信息。

本发明的另一目的在于提供一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，其能够在壁画的研究中通过标准光谱图像样板对比区分壁画中不同颜料种类及相关信息。

本发明的实施例是这样实现的：

一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的制作方法，其包括：

制作模拟地杖步骤：判断真实壁画地杖的材料成分，并根据材料成分制作泥板，在泥板上填涂多种已知颜料，形成模拟地杖；

获取多光谱图像步骤：获取模拟地杖的多光谱图像；将多光谱图像经过图像处理得到图像信息，建立壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集；以及

制作标准色卡步骤：将壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集中多个任意一个已知颜料的图像信息形成一组标准色块，多个已知颜料形成多组标准色块，多组标准色块组合形成即得。

本发明还提供了一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，其采用上述壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的制作方法制得。

本发明实施例的有益效果是：通过针对真实壁画的地杖制作泥板，然后在泥板上涂抹已知颜料，最大程度的还原了真实壁画的地杖环境，通过获取模拟地杖的多光谱图像，该图像经过图形处理后，形成多种已知颜料的多光谱图像信息数据库，从而形成壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集，然后将每一种颜料与其对应的多光谱图像信号形成标准色块，多个标准色块组合形成壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，通过该制作方法制得壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，能够利用该壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡对真实壁画上的未知颜料进行分析，对现实壁画以同样方式获取多光谱图像，对目标检测对象以同样的光谱图像样式比对标准色卡中相应的颜料特征以获得对壁画中颜料类别的鉴定，实现利用已知颜料分析和鉴定未知颜料的作用，此标准色卡的形成可使非专业人员通过色卡比对即可获得相关壁画颜料信息，同时利用本发明提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200对文物进行分析，可以实现对壁画大面积颜料类别及分布做非接触性无损检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的制作方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的模拟地杖的实物图；

图3为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的模拟地杖的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的实物图的第一部分；

图5为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的实物图的第二部分；

图6为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡应用于分析真实壁画的示意图；

图8为本发明实施例中提取图7中分析颜料获得的5种颜料中的一种作为检测颜料的示意图；

图9为本发明实施例图8中提供的检测颜料在显微镜下的放大图；

图10为本发明实施例图8中提供的检测颜料在近红外光谱仪下的分析结果示意图；

图11为本发明实施例图8中提供的检测颜料在XRF荧光光谱仪下的分析结果示意图。

图中：

模拟地杖100；

铅丹101；朱砂102；土红103；石绿104；氯铜矿105；紫胶106；茜草107；云母108；青金石109；群青110；石青111；汉蓝112；汉紫113；靛蓝114；方解石115；高岭土116；雄黄117；姜黄118；藤黄119；雌黄120；土黄121；黄檗122；滑石123；石膏124；铅白125；水胆矾126；铁红127；铅黄128；墨129；石灰白130；

壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200；

第一图像信息201；第二伪图像信息202w；第三伪图像信息203w；第二图像信息202；第三图像信息203；第四图像信息204。第五图像信息205；

标准色块210。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

参见图1、图2和图3，本发明实施例中提供了一种壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的制作方法，其包括制作模拟地杖步骤、获取多光谱图像步骤和制作标准色卡步骤。

S1、制作模拟地杖步骤。

判断真实壁画地杖的材料成分，并根据材料成分制作泥板，在泥板上填涂多种已知颜料，形成模拟地杖100。

由于不同地域的壁画其地杖的材料成分不同，本发明判断并分析真实壁画地杖的材料成分，并利用相同的材料成分制作泥板，在泥板上填涂多种已知颜料，使已知颜料更加符合真实壁画中的颜料。对模拟地杖100上已知颜料进行分析，实现由已知颜料分析和鉴定未知颜料。

本实施例中以莫高窟壁画地仗为例，对莫高窟壁画地杖进行分析，从而制备模拟地杖100。当然，在其他实施例中，也可以对其他地域的壁画地杖的材料成分进行分析，从而制备相应的模拟地杖100。

具体地，本实施例中，制作模拟地杖100包括已知颜料的筛选步骤、涂抹泥层步骤，涂抹底色层步骤、涂抹颜料步骤和覆纸步骤。

S1a、已知颜料的筛选步骤。

莫高窟壁画矿物质颜料经过多年的研究确认，对颜料的不同色系进行筛选，初步筛选了30种绘画材料作为已知颜料，为使最终标准色板的数据更准确，筛选颜料均经过XRD衍射仪对其成分和纯度进行了测试。

参见图2和图3，30种已知颜料分别为：铅丹101；朱砂102；土红103；石绿104；氯铜矿105；紫胶106；茜草107；云母108；青金石109；群青110；石青111；汉蓝112；汉紫113；靛蓝114；方解石115；高岭土116；雄黄117；姜黄118；藤黄119；雌黄120；土黄121；黄檗122；滑石123；石膏124；铅白125；水胆矾126；铁红127；铅黄128；墨129；石灰白130。

S1b、涂抹泥层步骤。

利用木材制作木框，本发明中优选采用松木为原料制作木框，松木能够减少木框的收缩性，同时增加泥板的透气性。本实施例中通过松木制作长度为210mm，宽度为297mm，厚度为14mm的木框。

在木框中涂抹第一泥层，待干燥后所述第一泥层的表面涂抹第二泥层，并抹平，待半干后喷水反复抹平，修补收缩缝。

具体地，为接近真实壁画地仗，用于已知颜料支撑的泥板采用当地土，经过蒸馏水清洗澄清、沉淀固着形成的澄板土为原料，这种土的选取更加接近真实壁画，同时尽可能减少土和水中的盐分，避免盐分对泥板上已知颜料的侵害而造成已知颜料的起甲脱落。

真实壁画中地仗中采用麦草和麻做为纤维以加强模拟地仗的劳固程度。泥板制作中的麦草剪为余额2cm的段，麻经过柳条抽打形成絮状，麦草和麻主要用于掺和泥土。

本实施例中，第一泥层是以麦草、澄板土和沙子以蒸馏水混合搅拌后涂抹形成的，第二泥层是以麻、澄板土和沙子用蒸馏水混合搅拌后涂抹形成的。

第一泥层比第二泥层厚且沙质较粗，其中，第一泥层的厚度为5～7mm，第二泥层的厚度为3～5mm。

第一泥层和第二泥层是为了尽可能的还原真实壁画地杖，在地杖不同的情况下，第一泥层和第二泥层可能存在差别，在针对不同地域的壁画地杖时，可以选取其他材料。

S1c、涂抹底色层步骤。

本实施例中采用相同的方法制作四个泥板，由于不同的壁画的底色层不同，底色层的不同会对某些颜料色度产生影响，为了更加准确的模拟壁画的真实环境，通过在四个泥板的表面上分别涂抹四种不同的底色层，该底色层的颜料可以选自已知颜料的中的一种，例如石膏124和滑石123；也可以选自其他颜料，例如，大白粉和红土，石膏124、滑石123、大白粉和红土形成四个不同的底色层，以适应于不同底色的真实壁画，并分别对该四个泥板进行分析，建立数据库，其数据更加完善，准确度更高。由于四个泥板的分析方法一样，下列仅针对一个泥板进行说明。

S1d、涂抹颜料步骤。

通过已知颜料的筛选步骤对已知颜料的筛选，将筛选出的30种已知颜料分别涂抹于泥板上，每个泥板上均需涂抹该30种已知颜料。本实施例中，以每20mm×20mm为一格划分泥板区域，将泥板分为多个正方形的格子，将30种已知颜料分别涂抹至格子内，形成多个颜色块的泥板。每个格子的行与行之间有一定的间隙，避免已知颜料之间的相互影响。

由于真实壁画中，颜料是通过胶结材料附着于地杖上的，胶结材料用于壁画颜料与地仗的附着起着重要的作用。经过多年的研究，对壁画胶结材料中蛋白质的氨基酸组成比作分析，并通过“氨基酸组成比类似率计算”的数学处理，研究得出敦煌壁画在制作时曾在颜料中使用了动物皮胶作粘合剂，这种皮胶主要以牛皮胶为主。色板为接近真实壁画绘画材料配置，选用牛皮胶为主要胶结材料，对所选已知颜料分别用1％(w/v)牛皮胶水调配，然后再将已知颜料涂抹在泥板上。

S1e、覆纸步骤。

对涂覆于泥板上的已知颜料进行干燥，干燥后，用无荧光剂的黑色的卡纸覆盖在泥板上，卡纸上设置有多个通孔，该通孔为20mm×20mm，每个通孔行与行之间的间隙与泥板上每行格子之间的间隙相同，当将卡纸覆盖于泥板上时，多个通孔与多个格子相对应，且多个通孔分别与多个已知颜料的位置对应，形成模拟地杖100。多个已知颜料通过卡板上的通孔露出，便于获取已知颜料的多光谱图像。无荧光剂的黑色的卡纸能够减少多光谱拍摄中杂散光反射和非荧光物质对多光谱拍摄中紫外荧光图像的干扰。

S2、获取多光谱图像。

当经过上述步骤将模拟地杖100制作完成后，获取模拟地杖100的多光谱图像；将多光谱图像经过图像处理得到图像信息，建立壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集。

利用多光谱摄影方法，在以往多光谱拍摄技术的基础上扩展获取多光谱图像类型(参见表1)，在严格的拍摄和对成像的批判性评价的基础上，利用多光谱技术获取可见光谱下颜料的色彩及不可见光谱下颜料的各灰度图像。

表1.多光谱图像获取形式

参见图4、图5和图6，具体地，将模拟地杖100依次置于可见光反射、红外反射、紫外反射、紫外诱发可见荧光和可见光诱发红外荧光下拍摄获取多光谱图像，该多光谱图像经过图像处理后，依次对应得到第一图像信息201、第二图像信息202、第三图像信息203、第四图像信息204和第五图像信息205。当模拟地杖100置于可见光反射下拍摄时，获得第一原始色板，在第一原始色板上包含30种已知颜料在可见光反射下的第一图像信息201；同理，当模拟地杖100置于红外反射下拍摄时，获得第二原始色板，第二原始色板上包含30种已知颜料在红外反射下的第二图像信息202；以此类推，依次获得第三原始色板、第四原始色板和第五原始色板，同理，得到第三图像信息203、第四图像信息204和第五图像信息205。

第一图像信息201和第二图像信息202经过伪彩色合成获得第二伪图像信息202w和第一图像信息201和第三图像信息203经过伪彩色合成获得第三伪图像信息203w。该第二图像信息202w和第三伪图像信息203w对应第二原始伪色板和第三原始伪色板。

该第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205包括已知颜料的颜色信息、饱和度信息、灰度信息等，通过该图像信息交叉比较可以判断颜色的种类和具体颜色的类别。

第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205这七种图像信息上的30种已知颜料的七种图像信息分布在七个原始色板上，本实施例将第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205这七种图像信息根据ICC国际标准灰度漫反射率标准为基础，进行校色，并且通过图像处理转化为数字信号，便于后于直接利用计算机进行分析。计算机对数字信号进行处理，最终通过七个原始色板形成的信号建立壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集，此时样板图集即包含了七个色板原色色板的图形信号。

S3、制作标准色卡。

将壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集中任意一个已知颜料的图像信息形成一组标准色块210，多个已知颜料形成多组标准色块210，多组标准色块210组合形成壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200。

参见图3、图4和图5，具体地，由于在将模拟地杖100置于多光谱下进行拍摄时，对应多种图像的形式，由于30种已知颜料的七种图像信息分布在七个原始色板上，为了便于对同一种已知颜色的分析，本实施例通过将30种已知颜色中的一种提取出来，并且将提取出的已知颜色对应的七种图像信息提取出来，与该颜色对应形成一排，多次进行该操作，30种已知颜料形成30排，且对应形成七列，该七列分别对应第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205。已知颜料与其对应的七种图像信息形成一组标准色块210。

以其中一种已知颜料为例，例如：颜料名称为：土红103，该土红103色经过上述图像信息的获取和处理后，具有第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203和第三伪图像信息203w，而不具有第四图像信息204和第五图像信息205，当其不具备第四图像信息204和第五图像信息205时，第四图像信息204和第五图像信息205这两栏为空格，内部无图像信息。该土红103与其对应的第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205即形成一组标准色块210。

其中，以颜料名称为排，以图像信息为列，本实施例中，由于预先选取了30种已知颜料，并获取30种已知颜料的七种图像信息，该图像信息包括第一图像信息201、第二图像信息202、第二伪图像信息202w、第三图像信息203、第三伪图像信息203w、第四图像信息204和第五图像信息205。则本实施例中，形成30×7的阵列的形式。

古代壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的应用是对现实壁画以同样方式获取多光谱图像，对目标检测对象以同样的光谱图像样式比对色卡中相应的颜料特征以获得对壁画中颜料类别的鉴定，此标准色卡的形成可使非专业人员通过色卡比对即可获得相关壁画颜料信息。

以往，多光谱摄影技术应用的壁画保护研究只局限于对画面内容的侦查，由于没有相关遗址绘画材料的多光谱图像色彩标准为依据，所以无法通过此方法对颜料及其他绘画材料的识别和鉴定，莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的建立及制作很好的解决了这一问题，以此为基础实现在壁画的研究中通过标准光谱图像样板对比区分壁画中不同颜料种类及相关信息，并使得非专业人员也可通过色卡对光谱图像进行比对分析。

实验数据：

参见图7，对真实壁画的检测区域中的5中颜料的现状显色分别为：黑色、淡绿、灰绿、黑色和赭石色，其中，图7和图8中，1-1～1-3代表黑色、2-1～2-3代表淡绿、3-1～3-3代表灰绿、4代表黑色、5代表赭石色。利用本实施例提供的标准色卡进行鉴定，通过将5种颜料的多光谱图像与本实施例中提供的标准色卡上的图像信息进行对比，经过可见光多光对比、红外反射伪彩色对比和紫外反射伪彩色对比，即通过与莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的第一图像信息201、第二伪图像信息202w和第三伪图像信息203w进行对比；可以分析出，该5种颜色对应为靛蓝114、氯铜矿105、含有石绿104的混合、墨129和土红103。

为了验证本发明提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的检测可行性，本实施例中还进行了三种对比实验，对比实验包括：对同一种颜料在显微镜下、近红外光谱仪和XRF荧光光谱仪下进行分析。

参见图8，通过将上述分析获得的5中颜料中的一种提取出来，例如：提取“2-1：淡绿”作为检测颜料，通过本实施例提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200检测出其为氯铜矿105。

参见图9，然后将检测颜料放置在显微镜下进行观察，显微镜的放大倍率为200倍，利用显微镜对检测颜料观察通过显微物像特征，是否存在矿物颗粒或颗粒大小及形态来更进一步的验证检测结果，图中显微镜观察得出绿色颜料无明显大矿物颗粒存在，且分布均匀，接近氯铜矿物像。

参见图10，通过近红外光谱仪对检测颜料进行分析，其中曲线A为氯铜矿的标准曲线，而曲线a为检测颜料的标准曲线，通过对比可知，该检测颜料为氯铜矿。

参见图11，XRF荧光光谱仪主要鉴定检测颜料中的元素，每种颜料成分不同，检测颜料通过XRF荧光光谱仪分析可得，检测颜料中含有“铜”。

通过上述三个对比实验可知，本发明实施例提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的检测结果的准确性。

同时，现有技术中的，显微镜观察、近红外光谱仪和XRF荧光光谱仪只能检测单点颜料，检测范围也有局限，而且不是所有颜料都能做到，更不能大面积的检测大片颜料的类别和分类，而本发明实施例提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200能够做大面积鉴别，而且通过莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的比对可以很直观的看出壁画中颜料的不同类别及分布。莫高窟壁画绘画材料包含了几乎所有中国古代壁画颜料类别，所以此方法也可应用到其他古代壁画的颜料鉴定中，利用本发明提供的莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200对壁画进行分析，其能够做到以多光谱图像方式更为直观的分析壁画颜料分布及类别，这种莫高窟壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200的建立，为多光谱图像技术对古代壁画颜料多光谱检测研究提供了标准参照的依据。综上所述，本实施例通过针对真实壁画的地杖制作泥板，然后在泥板上涂抹已知颜料，最大程度的还原了真实壁画的地杖环境，通过获取模拟地杖的多光谱图像信息，该图像信息经过图形处理后，形成多种已知颜料的多光谱图像信号数据库，从而形成壁画颜料多光谱色彩图像数字化样板图集，然后将每一种颜料与其对应的多光谱图像信号形成标准色块210，多个标准色块210组合形成壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，通过该制作方法制得壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡，能够利用该壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡对真实壁画上的未知颜料进行分析，对现实壁画以同样方式获取多光谱图像，对目标检测对象以同样的光谱图像样式比对标准色卡中相应的颜料特征以获得对壁画中颜料类别的鉴定，实现利用已知颜料分析和鉴定未知颜料的作用，此标准色卡的形成可使非专业人员通过色卡比对即可获得相关壁画颜料信息。

在已知颜料种类增多时，还可以通过相同的方法建立增加的颜色部分的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200，从而增加利用壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡分析真实壁画时的准确性。

本实施例中仅针对一个模拟地杖100进行分析，其余三个模拟地杖100可采用相同的方法制得不同底色层的壁画绘画材料多光谱图像色彩标准色卡200，便于针对不同底色层的真实壁画进行分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。