重庆理工团队携手莱森光学，以高光谱成像技术守护汉代彩绘

近日，Nature系列期刊npj Heritage Science发表了重庆理工大学汤斌教授团队联合重庆中国三峡博物馆共同完成的关于汉代彩绘陶器纹样数字增强的最新研究。彩绘陶器是具有深厚历史文化意义的文物，其表层彩绘由于漫长年代的化学降解和物理破坏往往模糊难辨。研究团队以重庆云阳县赵家咀遗址出土的一件汉代彩绘灰陶罐盖为对象。该陶盖带有红色云纹彩绘，但由于颜料脱落、氧化褪色以及埋藏土壤覆盖，图案细节几乎无法凭肉眼清晰识别。为了在不损伤文物的前提下提取和增强这些关键纹样信息，研究引入了高光谱成像(Hyperspectral Imaging, HSI)技术，以获取可见光至近红外波段的精细光谱图像数据。高光谱成像能够在380–1020?nm范围内非接触捕获文物表面各像素的光谱特征，实现对彩绘图案的精细分析，为后续数字修复提供科学依据。

图1: 汉代彩绘灰陶罐盖及其表面云纹细节。(a) 陶器盖整体外观；(b) 放大的云纹区域1；(c) 放大的云纹区域2。

由图1可以发现长期埋藏导致陶盖彩绘层颜料脱落、表面附着泥土，红色云纹图案已变得模糊难辨。为了解决这个问题，研究团队创新性地提出了基于高光谱成像的多级特征提取与增强方案，结合主成分分析（PCA）与最大角度凸锥（SMACC）算法，实现了文物彩绘纹样的精确识别与细节复原。

01技术方案

针对彩绘陶器纹样难以识别的问题，汤斌团队提出了结合主成分分析(PCA)与最大角度凸锥算法(SMACC) 的多级特征提取图像增强方法。本研究方法的总体流程如图2所示，包括高光谱数据采集与增强处理两部分。通过莱森光学iSpecHyper-VS1000系统获取文物表面可见–近红外光谱信息，经PCA降维、SVM分类与SMACC端元提取后，结合光谱匹配与HSV融合实现彩绘纹样的细节增强，为文物彩绘的数字化分析提供了技术支撑。

整个技术方案包含以下主要步骤：

1.PCA降维与伪彩色重建：对高光谱图像进行主成分分析，提取贡献率最高的若干主成分来表征主要图像信息，同时滤除噪声与冗余。随后对选取的主成分进行反变换，重建出接近真实颜色的RGB伪彩色图像，用以初步恢复陶器彩绘的整体外貌。

2.SMACC端元提取与红色特征增强：在PCA处理后的图像上应用顺序最大角度凸包(SMACC)算法，迭代提取光谱“端元”以分离出相对纯净的成分光谱。通过计算光谱角距离(SAD)和光谱信息散度(SID)等指标选出与红色颜料光谱最相似的端元作为目标。该端元对应的空间分布即形成红色纹样的特征掩膜图像。

3.HSV通道融合增强：将PCA反变换得到的RGB图像与上述红色特征掩膜进行融合处理。首先将RGB图像转换到HSV颜色空间，在保持色调(H)通道不变的前提下，将归一化的红色特征掩膜叠加增强饱和度(S)和明度(V)通道。再将图像转换回RGB颜色空间，得到红色纹样得到显著突出显示的伪彩色增强图像。

4.多尺度拉普拉斯金字塔融合：为了兼顾伪彩色增强图像的清晰细节和原真彩图像的整体真实性，采用拉普拉斯金字塔的多尺度融合方法。对增强图像和原图分别构建高斯金字塔并计算各层拉普拉斯金字塔，将红色纹样区域以权重0.7:0.3融合伪彩色增强与原图的细节层，其余区域采用适当权重融合。最后重建图像得到最终的特征融合增强结果。通过以上多级处理，原本难以辨识的云纹彩绘特征得以被有效提取和增强。PCA提供全局主要成分提取，SMACC捕获局部细节端元，两者结合克服了单一方法光谱范围有限或信息丢失的不足，实现对文物图像特征更准确、高效的增强。

02 实验结果

研究团队利用莱森光学 iSpecHyper-VS1000 高光谱成像相机在实验室环境下获取了陶器盖的高光谱图像数据（光谱范围覆盖380–1020nm，光谱通道数300）。由于光谱两端噪声较大，首先对采集数据进行了黑白板反射率校正及波段截取预处理，仅保留有效波段440–960nm，以提高分析可靠性。在图像中选择了云纹图案相对清晰的区域1作为特征提取和增强的目标。经过PCA处理后，陶盖彩绘的伪彩色图像色彩更加逼真鲜明，图案轮廓也较原始图像更为清晰。SMACC算法从中成功提取出红色颜料的端元特征并生成了对应的掩膜，使得云纹的红色分布区域得到准确定位。将该红色特征掩膜融合到HSV通道后，云纹红色纹样的饱和度和亮度显著提高，细节得到极大凸显。最终与原真彩图像融合的结果显示出整体亮度、清晰度的全面提升，模糊区域的纹样得到明显强化。客观评价指标证明了该方法的有效性：相较仅采用PCA增强的图像，融合PCA+SMACC得到的特征增强图像的平均梯度提高了 22.23%，空间频率提高 30.46%，信息熵增加 17.21%。更高的梯度和熵表明图像细节和信息量显著增加，这对揭示文物表面暗藏的纹样具有重要意义。该方法在云纹彩绘的识别和增强上取得的成功，为汉代彩绘陶器等文物的数字化保护提供了新的技术手段。

图3: 多级特征提取方法在陶器盖云纹彩绘上的增强效果。(a) 红色特征掩膜图像；(b) 红色特征增强后的伪彩色图像；(c) PCA重建的真彩伪色图像；(d) 最终融合增强后的图像。由图3可见，融合增强后(d)的云纹红色纹样轮廓清晰，色彩饱和且亮度均匀，原先暗淡的纹样细节得到突出。

这项研究成果不仅拓展了高光谱成像技术在文化遗产领域的应用范围，也为彩绘文物的无损数字化揭示与修复提供了精确可视化的新思路。该项目得到重庆市教育委员会科学技术研究项目和重庆市科技局科研计划等资助支持，体现了跨学科技术在文物保护中的创新价值。

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