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高光譜看見藝術作品傳達的語言

鑑定藝術品的好朋友─非破壞性高光譜成像技術

因為同時可以得到精確的光譜和空間資訊的特性，使得光譜反射成像技術成為分析記錄藝術作品非常有價值的工具，此技術最初引入文化遺產領域的是能夠捕獲少量光譜波段的多光譜成像系統(multispectral imaging systems)，隨著光學、數據儲存、傳輸與處理技術的進步，已經發展出可以同時獲取數百個狹窄連續波段的高光譜成像系統(hyperspectral imaging systems)，係屬於成熟的商業性產品，且部分廠商也具備開發客製化系統的能力。實驗室使用的高光譜成像系統通常採用水平式設計，也就是固定高光譜相機於一高處，並將畫作或書籍平放於移動式載台進行高光譜影像拍攝。對於大型壁畫等不方便移動的藝術品，則是開發出另一種推掃式(push-broom)設計使高光譜相機沿著一個或多個方向移動，實現大範圍藝術作品的分析。

在建立光譜資料庫的前提之下，高光譜可以識別顏料，並藉由顏料成分組成推估藝術品的年代背景，再進一步應用在藝術品修復工作。損壞的畫作經常需要修飾，但單靠人眼視覺判斷可能會遇到同色異譜(metamerism)的狀況，也就是說兩個光譜相異的色彩卻給人完全相同的色彩感受。同色異譜現象的發生通常是受到光源、觀測者視覺特性、色塊大小、以及照明角度與觀測角度的影響。高光譜提供UV-Vis-NIR波段範圍的資訊，自1920年代以來，利用UV照射法使樣品發出特定螢光影像記錄一直是研究歷史和藝術物品的重要診斷方法，理論上可以用來區分樹脂和顏料的不同。與UV類似，NIR(780-2500nm)也已經被用於分析藝術作品數十年，加上有一些顏料在NIR範圍內具有很弱的吸收，使得我們能夠一探畫作底稿究竟。

實驗室使用的高光譜成像系統

在建立光譜資料庫的前提之下，高光譜可以識別顏料，並藉由顏料成分組成推估藝術品的年代背景，再進一步應用在藝術品修復工作。損壞的畫作經常需要修飾，但單靠人眼視覺判斷可能會遇到同色異譜(metamerism)的狀況，也就是說兩個光譜相異的色彩卻給人完全相同的色彩感受。同色異譜現象的發生通常是受到光源、觀測者視覺特性、色塊大小、以及照明角度與觀測角度的影響。高光譜提供UV-Vis-NIR波段範圍的資訊，自1920年代以來，利用UV照射法使樣品發出特定螢光影像記錄一直是研究歷史和藝術物品的重要診斷方法，理論上可以用來區分樹脂和顏料的不同。與UV類似，NIR(780-2500nm)也已經被用於分析藝術作品數十年，加上有一些顏料在NIR範圍內具有很弱的吸收，使得我們能夠一探畫作底稿究竟。

常見藍色顏料中的參考光譜

色彩背後的祕密

選擇正確的顏色對於藝術修復者來說非常重要，特別是藍色很難匹配，選擇不正確的顏料會導致嚴重的同色異譜現象。高光譜做為現場測試之前必須先驗證藍色顏料的識別能力，西澳藝術館修復師Maria Kubik使用幾種藍色顏料繪製一幅水彩-水粉畫作(左圖)，(右圖) 顯示比對光譜的測試結果。

兩幅出自澳大利亞戰爭紀念館(Australian War Memorial)的畫作─Wings和Plane，小尺寸(7 cm × 12 cm)，並且使用了大量的藍色。通過比較同一圖像中的參考色可以容易地識別純普魯士藍的位置，同時也進一步研究使用鉛白色調和出更淺的藍色色調。

普魯士藍反射光譜│Wings(上)，Plane(下)

使用拉曼確認Plane畫作當中藍色顏料混和成分，可以發現作者使用大量的鉛白色(Lead white)，且大部分藍色區域皆是由普魯士藍和鉛白組成。

使用Kremer資料庫的拉曼分析結果

藝術家的創作習慣

Ivor Hele - Private John Grown 原稿(左) 復刻版(右)

從兩幅畫的不同區域提取光譜並進行比較，透過高光譜可以發現類似顏色的區域顯示出不同的光譜和分佈，表示是使用不同的塗料和技術。以臉部為例，復刻版將顏料擴展使用至前額。由於混合物在光譜上的複雜度高，只能推論可能是黃赭石和鎘紅這兩個顏料的組合。

臉部區域│原稿(左)，復刻版(右)

話雖如此，光譜用來比對兩幅畫之間的工作方式是非常有幫助的工具。從原稿和復刻版當中可以發現陰影區域光譜反應不同，這意味著兩幅畫作是使用不同的暗色系顏料。另外，還可以透過1000nm處的反射影像看見畫作底稿，進一步發現畫家Ivor Hele有製作草稿的習慣，復刻版則沒有。

NIR 1000nm波段顯示底稿

光譜學已被用於識別藝術作品中使用的顏料多年，儘管這些方法已經成功使用了一段時間，但是所使用的許多技術有些只能提供有限的訊息，有些則是對樣品有破壞性，或者兩者兼之。高光譜成像技術突破上述的困境，高光譜能夠提供完整藝術品中全範圍的光譜結果，並且得到更高的解析度。