第四节 多光谱成像技术
• 光谱成像系统主要由图像采集元件CCD、滤波轮、镜头、照明光 源和控制软件组成。
• 多光谱图像可以直观反映物体窄波段的反射光谱特性。人眼和普 通的彩色相机由于自身局限,容易产生同色异谱现象,而高光谱分 辨率的光谱图像以灰度差异直观展现出不同物质的反射光谱差异
无机和有机的合成物都具有荧光特性。复杂的生物合成物， 如氨基酸，油和树脂在紫外光的激发下发射光，然而自然物质的 这种吸收和扩散特性有很大的变化。例如，天然的有机粘合剂有 几种荧光团组成，其中任何的光团都吸收紫外,并在电磁广谱的 蓝绿区域散射成宽带状。同时有机染料可以吸收紫外或者可见光 波，并散射可见光波或红外光波。
制
唐代印章的X光影像，右图为放大后，通过X光照相技术 可以更好地提取文物的纹饰
饰提 取 文 物 表 面 纹
毛公鼎，现藏于台北故宫博物院，
台北故宫博物院张世贤先生曾通
过X光照相技术,从毛公鼎内部垫
片的有无及分布情况来进一步证
实毛公鼎为西周所铸。
鉴
别
真
伪
• 缺点：
• 1)对于X光照射过的陶瓷器,包括陶范,其热释光特性将会改变或消
战国时期(公元前475年—前
221 年)曲折雷纹鼎的照片和X光 透照影像
利用X射线照相技术可以揭示文物的制作工艺特征，例 如上图中的曲折雷纹鼎，就可以通过对比X射线影像及 实物图，可知：商周青铜器的主要铸造方法是陶范法, 为了稳定和支撑内、外范,控制器物壁厚,往往会引入 垫片以满足这一需要。
作揭 工示 艺文 特物 征的
X射线照相技术是否成功与最终的影像有关
最终成像的影像因素：
试件本身 ： 被检异物与本体材料的「对射线的衰减能力」差别越大，
影像越明显，越容易检测出来。
射线线质 ： X射线根据波长分为软X射线和硬X光射线
硬X射线 波长 小于 0.2–0.1 nm或能量大于 5–10 keV 软X射线反之 应用X射线照相技术时应根据被测材质选择相应波长的X射线 比如：瓷器、漆木器、书画文物对X射线衰弱能力差，应使用能量小，波长长 的软X射线。
• 中子注量率的空间分布 在中子射线照相中 ,由于中子束空间分布的统计特性等多种原因 ,中 子束的空间分布是不均匀的 ,孔道中心的注量率高 ,边缘的低 ,这影 响对图像细节的判读。在实验中发现 ,利用外准直器 ,加大准直比 , 可以在很大程度上改善中子束的空间分布。
• 准直比
准直比决定了中子射线照相的几何不清晰度。准直比应该根据物体 的厚度、隐含物质的中子质量衰减系数和成像探测器的灵敏度来进 行合理选择。在物体厚度较小时 ,不必采用大准直比 ,否则将提高成 像难度 ,降低动态范围 ,从而影响对物体细节的判读 ,降低分辨率 。
1.红外辐射
物质是由分子和原子组成的,不同的物质其分子组成方式各不 相同，不同分子间对光波的反射特性各不相问，红外光波位于可见 光谱段的红端以外，介于可见光与微波之间，波长为 0.76μm~1000μm,因此比可见光具有更强的穿透力，不同物质分子 对红外辐射的反射率的不同，导致了所谓透视，即下层分子反射的 光波被透射出来。利用红外这个特性。我们可以检查壁画中颜料层 下可能存在的底稿线，或者修改痕迹。
• 例如用中子照相分析印度制造的嘎伯答(Gupta)铜像发现 ,铜像的 一条腿是后来修补的 , 用中子照相可清晰的看到腿内芯子破裂部 分的粘胶的状态与分布 ,而 X 照相就看不到粘胶了 。医学中癌变 组织的检查与诊断,如对骨骼中的肿瘤 ,用中子照相就能准确诊断, 而且边界清晰,而 X 射线照相对骨骼的检查很有效, 对骨骼中的肿 瘤就很难确定。
结的过程，在凝结过程中释放一定的热量使其周围环境温度明显升高，显
示在热图为温度高的红色区域。根据热图不同颜色可以区分毛细水活动频 繁的区域。
红外热像技术的应用，对文物保存安全、保存现状评估及探索
文物病害原因起到了积极的作用，但目的成果依然是初步的，对 文物存在的各种红外像特征、红外热像图与文物病害的内在联系还 有待深入的研究。
文物的影像分析技术
任昱勃 候雨凡 陈俐文 李晶晶 李徐晨飞 钱鼎新
一.红外热成像技术
二.X光照相技术
三.中子射线照相技术
四.多光谱成像技术 红外反射图像 紫外荧光图像
红外热成像技术
• 在自然界中，任何高于绝对温度零度(-273℃)的物体都能辐射红外 线。红外线的辐射特性是红外热像的理论依据和检测技术的重要物 理基础。
• 北京遗产研究院吴育华等 应用红外热像仪对广西花山岩画渗水 病害进行了检测研究。
金川湾石窟受毛细水的侵蚀，
风化脱落现象越来越严重，局部已 经出现坍塌，探索毛细水的来源及 分布情况对保护石窟意义重大。如 果石窟不存在毛细水侵蚀，整个热 图颜色是单一均匀的。
下图所示为金川湾石窟主佛背部毛细水分布热图，图中红色区域为毛细水 密集区，因照相时间为冬季，窟内温度在0℃以下，岩体内部毛细水趋向凝
• 中子准直器是使发散的中子束均匀分布的装置，经过准直器准直、整形 的中子束平行度高。常见的类型有圆管型、多束圆管型、多束平板型、 发散型等。好的中子准直器能够提高图像的分辨力。
• 中CC子D相照机相中中子图照像相显[7示]和方成法像主板要（有I转P）换[屏8，—9胶]。片其成中像转法换[6屏]、—径胶迹片蚀成刻像法法、得 到的图像分辨率高，但需要较长的时间成像，要经过传统胶片照相的操 作过程，数字化不方便。
下图为蓝田水陆庵壁塑空鼓灌浆试验热图，从图中
可明显发现有高温异常带，此为明显空鼓区，高温 异常区表明灌浆效果不理想，需要重新灌浆。
• 日本的 Y.Yamano等利用红外热像仪对崖壁石刻文物进行了不同时 间的红外观测，发现片落和爆裂区的温度不同于周围的完整岩石 区域，热像仪能够将这些病害区域检测出来。
• 中子照相技术是一种无损检测技术。其原理是基于中子穿过物体 时与原子核发生作用而发生衰减。
二装置系统
• 中子源是产生自由中子的装置。按照中子能量的不同，分为冷中子、热 中子和快中子。而因为热中子与物质作用的截面较大，且不同物质区分 度高，并且一定强度的中子源容易获得等原因，热中子照相技术发展得 较为成熟，应用较广。
• 当物体内部存在缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面温度 不同，红外辐射强度自然也不同。红外热像仪能将探测到的物体表 面热量精确量化为温度，如果将物体每一点的温度记录下来，形成 场分布图像，就可以识别和分析物体可能存在的异常情况。
正常情况时，整个壁画表层发生的红外热辐射应是均匀一致
的，反映在红外热成像上，相应区域的颜色是单一均匀的，不存 在明显的颜色差异，也就是说，不存在明显的色彩异常区;当非 正常时，如壁画存在有空洞、不密实区、蜂窝等缺陷时，在这些 部位，由于直接改变了壁画表面与墙体的热导通性，因此会存在 相对于正常部位的红外辐射异常。在这种情况下，红外热能图片 上反映的颜色非单一均匀。红外处理热能图片上的颜色异常区， 通过与可见光数码照片的比较判断，可以直观明了地看到异常区 的实际位置。
红外热成像是唯一一种能将热信息瞬间可视化的诊断 技术。近年来，红外热成像诊断与检测技术的应用有：电 力设备、石油化工设备、工业热设备，材料与构件、电子 线路板等的红外检测与诊断。
具有非接触、安全、形象直观、高效率等优势。
在文物保护中的应用
• 多用于检测露天大型建筑、石窟、壁画等毛细水的隐匿状况及对文 物保护维修效果的评测。
• 信噪比 在中子照相中 ,γ是干扰射线 ,严重影响成像质量 ,必须进行过滤。 目前 ,高品质的中子照相装置均在准直器前端采用铋 γ过滤器 ,相对 于铅来讲 ,铋具有更高的 γ质量衰减系数和更低的中子质量衰减系 数。另外 ,在准直器等其他中子照相装置组件的设计过程中 ,应该对 所用材料的 ( n,γ)反应进行充分考虑 ,将次级 γ射线降到最低程度。
己知的激发范围选择和预期的散射范围对了解调查目标的性 能至关重要，一般分子的吸收和扩散性能由波长的功能表示，吸 收曲线与选择具体的扩散和改变激发波长有关，相对地，散射曲 线取决于不同的波长下具体澈发波长的选择和散射密度的测量。 单一荧光团的散射光谱独立于激发波长。但是，当有两种或两种 以上荧光团出现时，散射会随着激发波长的变化而明显改变。
中子射线照相技术
中文名称
中子射线照相术
英文名称
neutron radiography
定义
用中子射线透照试件摄影的技术。
应用学科
机械工程（一级学科），试验机
（二级学科），无损检测仪器-射线探伤机（三级学科）
一 起源及原理
• 1932年中子被发现后，中子照相技术也逐步发展起来，成为了与 X射线照相互补的重要无损检测技术，其对于较厚金属等材料的 内部结构成像有着独特的优势。随着技术的发展，中子照相技术 应用在了航天、航空、核工业、生物学、考古等领域。
概念：利用X射线的感光性，通过观察记录（感光）在射线照
相胶 片（底片）上的有关X射线在被检文物中发生的衰减变化， 从而在不破坏或不损害文物的情况下，对文物进行研究
成像原理：当X射线在穿透物质时会因物质的吸收和散射作
用而强度减弱。应用于现实就是，空洞地区比实体地区对X射线的衰弱 更弱，则最终成像时，影像上“空洞地区”受X射线影响更大，颜色更黑。
三中子射线照相技术在考古中的应用
• 中子照相技术可以探测古代文物的内部构造和制作工艺等信息， 是考古学中的重要技术。利用中子照相技术，可以探测到文物用 粘胶进行的修补，从而鉴定文物的完好程度，这是X射线照相所 无法做到的。利用中子照相技术还可以测定出陶瓷中微量元素分 布及含量，可对陶瓷的烧炼技术进行考证。
四影响中子射线照相性能的主要因素
• 中子注量率 获取一定的注量率的中子束是进行中子射线照相的前提。一般认为 ,在静态 中子射线照相中 ,中子注量率在 10*4/( cm2·s)就可以有效成像 ,在在线中子 射线照相中 ,中子注量率应大于10*6/( cm2·s)。 实验表明 ,当中子注量率低 于10*5/( cm2·s)时 ,如果采用静态成像 ,胶片需要的曝光时间太长 ,动态范围 低 ,灰雾度高 ,不利于物体缺陷的检出 ,而在同等中子注量率下 ,采用像增强 器耦合 CCD方式的在线照相依靠帧积分可以获得好的图像 ,灰度等级能达到 200左右 (总的灰度等级为 256级 ) , ,所以 ,实用的静态中子射线照相装置 ,其 中子注量率应该大于10*6/( cm2·s) ,而在线中子射线照相在 10*/(cm2·s)时 就可以达到较好的效果。