保護藝術品的需要由來已久，可以追溯到人們第一次意識到他們珍愛的藝術品已經(jīng)開始腐爛的時候。在 19 世紀，科學與藝術首次相遇，當時的科學家們正在尋找保存有價值的藝術作品的方法。

當然，今天他們的許多方法，例如清漆，已被視為實際上有助于而不是防止繪畫的退化，但藝術與科學的早期融合一直持續(xù)到今天，藝術保護在很大程度上依賴于科學分析繪畫、識別保護問題以及檢測添加和偽造的方法。

高光譜成像應用

顏料鑒定和映射

底圖審查

3-D 對象的分析

有機材料的識別

偽造檢測

傳統(tǒng)的科學方法包括對油漆樣品進行化學分析，以確定所用顏料和清漆的分子性質(zhì)。X 射線技術也經(jīng)常被用來觀察表層之下并發(fā)現(xiàn)藝術家的意圖和過程。

盡管這些方法已經(jīng)成功應用了一段時間，但所使用的許多技術要么提供的信息有限，要么在某種程度上具有侵入性，要么兩者兼而有之。

仍然需要一種技術來產(chǎn)生有價值的信息，而不會直接損壞作品或?qū)⑵浔┞对诳赡芗铀偻嘶臉O端光線下。高光譜成像已經(jīng)取得了可喜的成果，擴大了藝術保護專家可用的工具范圍。

反射光譜已成功用于多種場合，以收集藝術品保護活動的信息。反射分光光度計已與數(shù)字成像結合使用以產(chǎn)生有價值的結果。這些方法允許進行非破壞性研究，但受到笨重設備和可用波段的限制。此外，它們的使用僅限于現(xiàn)場測試。由于繪畫的表面極其不均勻，這是一個嚴重的限制，現(xiàn)在可以通過高光譜成像來克服，高光譜成像更便宜，提供全方位的光譜結果，并可用于從完整的藝術品中捕獲數(shù)據(jù)。

顏料鑒定和映射

藝術品分析的一個關鍵領域是顏料的鑒定。這種鑒定提供了關于繪畫年代的寶貴信息，改善了年代和歸因。它還允許修復者使用正確的顏料來匹配正在修復的作品中使用的顏料。

多年來，光譜學一直被用來識別藝術品中使用的顏料。然而，許多顏料僅在光譜的紫外線區(qū)域才開始顯示出吸收和反射率的差異，因此可見光的使用具有很大的局限性。多光譜成像已被用于識別傳統(tǒng)日本繪畫中使用的顏料。對所使用的顏料進行了估算，這些被證明與參考樣品非常匹配，但遇到了信號噪聲的重大問題，這些問題將通過高光譜成像設備消除。

高光譜成像，有時也稱為“反射成像光譜學”，使廣泛波長范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集變得實用，為詳細分析提供足夠的數(shù)據(jù)。已經(jīng)表明，即使在有限的波長范圍 (650 – 1040nm) 和相對粗糙的分辨率 (10 nm) 下，也可以收集到寶貴的數(shù)據(jù)。該設備是便攜式的，所以它可以來到藝術品上，而不是冒著將易碎作品運送到實驗室的風險。它只需要良好的光照水平，而且設備相對便宜。

然而，在進行分析之前，需要有一組可靠的來自相關時期的顏料、油墨、樹脂、粘合劑等參考樣本，然后可以將其用于分析數(shù)據(jù)集的解釋。在溫尼伯大學、溫尼伯美術館和加拿大國家研究委員會的合作下，建立了繪畫元素科學和策展分析中心 (C-SCAPE)，以收集和編目有關歷史顏料和藝術材料的數(shù)據(jù)。

使用這些參考圖進行比較，可以識別藝術品中使用的顏料，而無需侵入性技術來獲取樣品進行化學分析。這為真實性和出處調(diào)查以及藝術家所用顏料的知識提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

，來自國家美術館和美國陸軍夜視與電子傳感器局的研究人員將使用兩個表面光學高光譜相機收集的光譜與光纖反射光譜儀 (FORS) 收集的光譜進行了比較。研究人員發(fā)現(xiàn)，在可見光到短波紅外線(400 – 1650 納米)范圍內(nèi)獲取的高光譜數(shù)據(jù)可以為繪畫的整個表面生成 FORS 質(zhì)量光譜，并可用于分離、識別和映射顏料。

從組合的 VNIR 和 SWIR 圖像立方體中獲得的 Harlequin Musician 中使用的主要藍色顏料的識別和映射，并與 Vis-SWIR FORS 測量值進行比較

圖紙檢查

關于藝術品創(chuàng)作者意圖的大量有價值的信息，例如在創(chuàng)作過程中所做的改變、藝術家工作的改變和方式，可以通過檢查底層圖紙、草圖線和作品來確定最終被涂掉了。

X 射線技術已用于此目的[6]，但有局限性——例如無法區(qū)分深色背景上的木炭素描線。高光譜成像提供了透過表面層看得更清楚的可能性。

透光度是波長的函數(shù)。比爾-朗伯定律表明了這一點，表明穿透力與波長成反比。這意味著由于紫外線的波長較短，它會更深入地穿透油漆層以顯示下面的內(nèi)容。1000-2000nm 范圍內(nèi)的波長可提供最佳效果。然后，高光譜成像可以捕獲信息，揭示底圖、基礎材料和其他對藝術保護主義者具有重要價值的信息。雖然單波長數(shù)據(jù)可能具有一定的價值，但高光譜成像允許信息顯著增加，因為數(shù)據(jù)來自整個波段可以同時顯示。使用圖像可視化軟件處理數(shù)據(jù)立方體，每個點和波長的反射率可以用其主成分(PC)表示。這些可以轉(zhuǎn)換成灰度圖像。通過移除主 PC，可以顯示較小的值，例如草圖線，甚至可以區(qū)分木炭線和墨水線。

在加拿大溫尼伯美術館的一項研究中，使用高光譜成像設備對15 世紀繪畫《無題(圣三位一體)》進行了分析，不僅揭示了素描中使用的鉛筆輪廓，但是用于創(chuàng)建實際繪圖基礎的幾種不同墨水。眾所周知，巴勃羅·畢加索 (Pablo Picasso) 的《悲劇》(The Tragedy)在完成的畫作下方有多個構圖，這些構圖可通過寬帶紅外反射成像和 X 射線成像進行識別。國家美術館和美國陸軍夜視與電子傳感器理事會的研究人員使用波段表面光學 SWIR 成像儀拍攝了高光譜圖像，并找到了下圖最佳可視化發(fā)生的光譜波段。

偽彩色紅外反射圖顯示了《悲劇》的三個詳細部分。每張圖片都顯示了一系列光譜帶，最能顯示面板上的各種底圖和漫畫。左圖：1000、1150、1200 nm 的人體圖;中間：馬1300、1350、1400納米;右圖：草圖 1600、1625、1660 nm。

3-D 對象的分析

高光譜成像的多功能性意味著還可以分析三維物體。在對米開朗基羅的大衛(wèi)的研究中，從作品的各個部分獲取了光譜“簽名”。這些簽名是通過測量照射在雕塑上的氮激光在不同波長下的反射率變化而創(chuàng)建的。然后可以將這些結果與用于創(chuàng)作該作品的原始卡拉拉大理石樣本的結果進行比較。一些區(qū)域顯示出與卡拉拉簽名的差異，表明進行了維修的地方。

有機材料的識別

文藝復興時期的藝術家使用多種材料來結合他們的顏料，并且經(jīng)常在同一幅畫中使用不同的材料和不同的顏料。在對科西莫·圖拉 (Cosimo Tura) 的《與圖盧茲的圣弗朗西斯和圣路易斯的報喜》(約 1475 年)的研究中，可以確定使用了哪些活頁夾。最常見材料、動物皮膠和蛋黃的參考樣本可以使用近紅外高光譜成像與繪畫的特定區(qū)域和特定顏料進行匹配。研究人員使用了表面光學高光譜成像儀，工作范圍為 950 至 2500 nm，光譜分辨率為 4.4 nm。

面板的可見圖像與顏料粘合劑的假色映射相鄰。紅色對應蛋黃粘合劑，藍色對應粘合劑，綠色映射粘合劑中藍銅礦的區(qū)域