CN102062725B - 一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，利用无损检测分析技术，包括建立容差球模型对颜色的评估分析(定量分析)、对单位表面积壁画颜料质量统计分析(定量分析)、通过表面显微特征分析(定性分析)、颜料厚度分析(定量分析)，是一种可量化、可操作、可比较和无损伤测量的评估方法。在无损分析检测的基础上，本发明通过对馆藏壁画进行划分区域，综合考虑多种因素选定多个测量点，对壁画保存现状给出科学的结论，为壁画科技保护与修复提供科学依据。本发明进行大量测量数据的统计与分析，对壁画颜料数据库建设和壁画长期保存、保护、修复、展示与管理提供了雄厚的科学检测数据资源。
Description
技术领域
本发明属于馆藏壁画的分析研究与保护技术领域，特别涉及一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法。
涉及馆藏壁画表面颜料特征指标获取和对比分析，利用无损检测分析技术，建立馆藏壁画表面颜料系统地评估方法，对壁画的保存现状给出科学的结论，为壁画科技保护与修复提供科学依据。建立的大量数据为壁画的保存、利用和展现，提供技术参数。本发明“一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法”能够为濒危馆藏壁画表面颜料研究、保护与修复提供评判标准，为跨地域横向对比研究和大范围的数据库建设提供可能。
背景技术
馆藏壁画在经过抢救性揭取、迁移、修复过程中，经历许多人为干预，导致壁画馆藏环境中出现新的病变，随着时间的积累，在保存环境中更会出现壁画持续性坏损。馆藏壁画在长期的保存环境中，壁画地丈的粘土材料吸收水分，使地丈层与颜料层起翘、分离、脱落，逐步导致壁画色泽发生变化。
在当前的馆藏壁画科学研究中，一般是采用有损取样方法，利用光谱技术对馆藏壁画颜料风化程度、组成和结构进行分析。传统的馆藏壁画颜料分析方法，是在不同颜料部位，切去1cm见方的样品，浸泡在树脂中，制作cross-section，在显微镜下观察颜料结构、组成、厚度等指标。这样只能对馆藏壁画取样点颜料状况进行分析，无法获得壁画整体保存状况的资源信息；而且对壁画损伤大，分析时间长，结论单一，不能说明壁画整体情况。
有损分析可以在一般馆藏壁画彩绘颜料分析方面发挥一些作用，但对于大量的珍贵壁画就显得无能为力。这是因为：1、馆藏珍贵壁画一般不允许损伤性取样。2、取样点不能完全代表馆藏壁画的整体情况。3、样品与壁画整体处于完全分离状态，这样对馆藏壁画做出的任何分析、检测、评估都不能代表壁画的整体情况。
随着大量古代壁画的发现、收集和积累，馆藏壁画已经具有种类多、内容广、特色鲜明等特点，在数量上和总面积上都有持续性增长。建立具有可量化、可操作、可比较和无损伤测定的馆藏壁画评估技术是抢救保护的必要前提。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，为濒危馆藏壁画表面颜料研究、保护与修复提供分析方法，为建立评估体系与评判标准，为跨地域横向对比研究和大范围的数据库建设提供可能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，包括以下步骤：
1)将馆藏壁画划分成若干区域，在各个区域内选定色度测量点和密度测量点；
2)利用标准白板对便携式色差计进行校正后，对色度测量点进行色度检测，根据色度容差球分析模型对色度数据进行分析：在CIE Lab色空间中定位一个标准颜色，以ΔE为半径在其周围绘制色度容差球，ΔE＝[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2，ΔL、Δa、Δb为色度测量点的色度与标准颜色的色度差值；ΔE大小反映馆藏壁画的颜料层的保存情况；
3)利用密度仪对密度测量点的表面颜料进行无损密度测定，得到其颜料密度ρ；密度大小反映了颜料层结构紧密与疏松程度；
4)利用显微分析仪原位观察馆藏壁画表面颜料的显微结构，并观察颜料层断面部位，获得色彩颜料层厚度d；
5)计算壁画表面单位面积颜料承载质量M，M＝ρV/F，V＝d*Fs，其中V为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积；M表征了单位面积上颜料的绝对残留量。
所述按照馆藏壁画在揭取时的切割线为依据划分成不同的区域，对各个区域进行数码拍照，在数码照片上根据颜色的种类标定色度测量点，根据图案特点和颜料风化特征标定密度测量点，以标定的色度测量点和密度测量点在馆藏壁画上相对应的位置作为选定的待测量分析点。
进一步，对选定的所有色度测量点数据进行色度容差球模型分析，获得壁画整体的色彩质量评估信息。
所述的标准颜色根据所检测的色度测量点的颜色种类，在pantone标准色卡中选择对应的颜色。
所述的ΔE大小所反映的颜料层的保存情况的判定为：ΔE数值越高，颜料层的保存质量越差，保存的越不完整；以2.0DE的梯度将0～10.0DE分成五个不同的保存情况，10.0DE以上保存情况为最差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，利用无损检测分析技术，包括建立容差球模型对颜色的评估分析(定量分析)、对单位表面积壁画颜料质量统计分析(定量分析)、通过表面显微特征分析(定性分析)、颜料厚度分析(定量分析)，是一种可量化、可操作、可比较和无损伤测量的评估方法，对壁画的保存现状给出科学的结论，为壁画科技保护与修复提供科学依据。而目前传统的分析方法对壁画颜料色度分析(定量分析)、颜色密度分析(定量分析)和显微分析(定性分析)均为有损检测，对颜色质量评估并没有具体的分析评估方法。
在无损分析检测的基础上，本发明通过对馆藏壁画进行划分区域，根据壁画揭取特点、画面结构、画面内容等信息划分成较小的分析区域，再根据颜料色彩分布情况选定多个测量点。在3平方米的馆藏壁画上可以选定421～842个测量点，从而能够以整幅壁画为评估分析对象，给出壁画整体的评估结论。以前传统的有损分析方法，只能以取样点为核心给出壁画评估结论，而出于对壁画的保护，取样点的数量、范围必然非常有限，不能得到壁画整体的评估结论。
进一步，基于本发明提供的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，可以建立对壁画颜料色度测量、密度测量、显微分析、单位表面积壁画颜料质量分析的标准，形成相应的技术规范，建立一套馆藏壁画颜料表面特征评估体系。从而，获得的大量分析数据为壁画保存、利用和展现提供重要的技术参数，能够为濒危馆藏壁画表面颜料研究、保护与修复提供评判标准，为跨地域横向对比研究和大范围的数据库建设提供可能。
附图说明
图1为色度容差球分析模型的示意图。
图2为一幅内蒙古馆藏壁画，按照揭取时切割线为依据进行区域划分的示意图。
图3为对划分的NMBH20区域标定的测量点分布的示意图。
下面结合具体的实施案例和馆藏壁画的区域划分原则、测量点的选择、评估标准以及体系的建立，对馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
为了便于数据库的建立，对于待检测的馆藏壁画，在检测之前对其信息数据归档：根据馆藏壁画颜的发现时间、收藏时间、面积大小，进行基本信息编辑处理和归档。
对馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，包括以下步骤：
1)将馆藏壁画划分成若干区域，在各个区域内选定色度测量点和密度测量点；
由于馆藏壁画一般面积较大，可以把壁画概念性的分划成为若干区域，进行研究区域标记，准确地记录图像、色度和密度等数据，录入数据库。根据壁画保存的具体情况，对其分析研究区域划分可以考虑以下的原则：
(1)根据壁画在揭取过程中的切割线进行区域划分；(2)根据壁画画面的完整性和局部特征进行区域划分；(3)根据壁画图案特征分布形状进行区域划分；(4)根据壁画保护修复的方案规划进行区域划分；(5)根据壁画颜料色泽分布特点进行区域划分；(6)根据壁画展览模式的要求进行区域划分。
对划分的各个区域进行数码拍照，然后选定具体的测量分析点：
(1)利用高清晰度照相机，按照区域划分方案对各个分区进行数码拍照。再把照片按分区编号，原始照片保存在馆藏壁画保护修复数据库中。图片资料是壁画保护过程、修复过程、研究过程重要的资料信息，对馆藏壁画进行了相关图像资料的建立、处理和存档。
(2)把各个分区的数码照片再拷贝一份，在Photoshop程序下处理，调整亮度、对比度、饱和度使照片呈现出最佳效果，编号存档。
(3)在处理好的各个分区的数码照片标定色度测量点和密度测量点。根据颜色类别、图案特点、颜料风化特征、保护修复方案等因素选择测量点。
(4)把标记好测量点的数码照片编号存档。
2)利用标准白板对便携式色差计进行校正后，对色度测量点进行色度检测。具体操作为：采用美能达CR-410便携式色差计对色度测量点进行测量。每个样品点测量三次，记录数据；
根据检测的结果进行色度容差球模型分析：在CIE Lab色空间中定位一个标准颜色，以ΔE为半径在其周围绘制色度容差球，ΔE＝[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2，ΔL、Δa、Δb为色度测量点的色度与标准颜色的色度差值；ΔE的大小反映馆藏壁画的颜料层的保存情况；
所建立的色度容差球分析模型如图1所示，标准颜色根据所检测的色度测量点的颜色种类，在pantone标准色卡中选择对应的颜色，ΔE数值越小，落在色度容差球之内为相匹配的颜色；ΔE数值越高，匹配颜色“误差极限”越高，落在色度容差球之外，颜色的质量越差，保存的越不完整。
如表1所示是一种建立的颜料层ΔE容差的评价标准，反映出颜料衰变的基本情况。把在I至V级之间的测定点数量与总测定点数量之比的百分数定义为该颜料色度匹配率。
表1样品颜料层的ΔE容差评价标准
| 等级 | ΔE容差 | ΔE及评价标准、保存情况 |
| I | 0.0-2.0DE | 很小；理想匹配，保存完好 |
| II | 2.0-4.0DE | 较小；可接受的匹配，保存很好 |
| III | 4.0-6.0DE | 微小到中等；在一些应用中可接受，保存较好 |
| IV | 6.0-8.0DE | 中等；可接受匹配，保存不好，颜料层不均匀 |
| V | 8.0-10.0DE | 有差距；勉强接受，保存较差，并非完全变色 |
| 10.0DE以上 | 非常大；不可接受匹配，颜料出现老化，变色 |
3)利用密度仪对密度测量点的表面颜料进行无损密度测定，得到颜料密度值ρ；密度大小反映了颜料层结构紧密与疏松程度；
具体可采用美国X.Rite Spectrodensitometer密度仪对壁画表面颜料进行无损密度测定，按照选定的密度测量点测定密度值。
4)利用显微分析仪原位观察馆藏壁画表面颜料的显微结构，并观察颜料层断面部位，获得色彩颜料层厚度d；
显微分析仪的选择：选择镜头可以移动显微分析仪，选择不取样不制样的显微分析仪。可用设备：Luxo Microscope 23719 RB-LCO型显微分析仪。
5)计算壁画颜料表面单位面积颜料承载质量M，M＝ρV/F，V＝d*Fs，其中V为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积；M表征了单位面积上颜料的绝对残留量。
基于以上分析建立馆藏壁画的综合评估体系：
(1)对所有色度测量点数据进行色度容差球模型分析，获得壁画整体的色彩质量评估信息。
(2)对所有测量点进行表面颜料密度测定，密度数据是直接反映物质结构情况的物理量，密度大小说明了颜料层结构紧密与疏松程度。
(3)壁画单位表面积颜料承载质量，直接反映了壁画表面颜料的多与少，是壁画质量的主要指标。
(4)显微结构直接反映了壁画颜料层疏密程度，是壁画质量的重要指标。
实施例1
1、对一幅内蒙古馆藏、面积约为3平方米的馆藏壁画为实施对象，按照揭取时切割线为依据，划分为24块区域，每块区域的面积约为0.125平方米，依次编号为NMBH1～NMBH24。
用数码相机拍下每块区域壁画的数码相片，对每块区域选择蓝色、绿色、黑色、橙红色、粉红色、红色、白色、灰色、黄色和棕色不同测量点共计421个样品点进行标记，其中的一块区域(NMBH20)进行的测量点标识如图3所示。
2、用标准白板对色度仪进行校正后对样品点进行测量，每个样品点测量3次，计算出平均值，并建立容差球模型，如选取蓝色、绿色、红色、白色、黄色样品进行评估，标准颜色分别采用pantone标准色卡中的19-4220TC，19-0309TC，19-1217TC，17-0207TC，17-1410TC。
所检测的样品点的测量结果如表2所示，依据表1所示的标准及容差球模型对其进行评估，结果如表3所示。
表2馆藏壁画色度值分布范围
| 颜色 | L值范围 | a值范围 | b值范围 |
| 蓝色 | 28.21～44.38 | -1.62～0.77 | -0.83～4.10 |
| 绿色 | 29.17～49.86 | -7.59～0.63 | 1.05～9.43 |
| 红色 | 33.16～56.80 | 1.79～20.75 | 7.19～12.65 |
| 白色 | 26.68～62.49 | -2.95～2.63 | 0.43～12.88 |
| 黄色 | 26.55～63.39 | 0.134～5.81 | 1.77～15.30 |
表3五种颜色的色评估结果
从表3可见，红色样品保存状况较其它颜色要好，黄色和白色样品保存状况相对较差。
3、采用美国X.Rite Spectrodensitometer密度仪对壁画的表面颜料进行密度分析，记录所选的点群的密度值；五种颜色的密度数据检测结果分别如表4.1～4.5所示。
表4.1黑色颜料表面密度测定(单位：g/cm3)
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 密度值 | 1.05 | 1.33 | 1.15 | 1.06 | 1.21 | 1.16 |
表4.2红色颜料表面密度测定(单位：g/cm3)
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 密度值 | 1.42 | 0.83 | 1.17 | 1.43 | 1.50 | 1.26 |
表4.3黄色颜料表面密度测定(单位：g/cm3)
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 密度值 | 0.87 | 0.71 | 0.83 | 0.85 | 0.87 | 0.83 |
表4.4蓝色颜料表面密度测定(单位：g/cm3)
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 密度值 | 0.67 | 0.62 | 1.15 | 0.96 | 1.06 | 0.89 |
表4.5绿色颜料表面密度测定(单位：g/cm3)
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
| 密度值 | 1.01 | 0.85 | 1.00 | 0.98 | 1.04 | 0.98 |
从测定数据分析，红色颜料的密度较大，说明红色颜料保存相对较好，这与色度评估结论一致，而黄色颜料密度最小。
4、原位显微分析及壁画表面单位面积颜料承载质量分析
使用Luxo Microscope 23719RB-LCO型显微分析仪。观察和记录壁画表面颜料的显微结构；观察颜料层断面部位，获得各种色彩颜料层厚度数据。对表面颜料进行厚度分析，红色和绿色的颜料层厚度较小，平均值分别为0.36和0.42mm；黑色，黄色和蓝色颜料层厚度较大，平均值分别为0.53，0.71和0.56mm。
计算壁画表面单位面积颜料承载质量M，以表征单位面积上颜料的绝对残留量。
M＝ρV/F(mg/cm2)，V＝d*Fs；其中ρ为颜料密度，V为表面颜料体积，F为样品表面积，d为表面颜料厚度，Fs为表面颜料的面积。五种颜色的检测结果如表5所示。
表5五种颜色的单位面积颜料承载质量(单位：g/cm2)
| 样品颜色 | 黑 | 红 | 黄 | 蓝 | 绿 |
| 单位面积颜料承载质量 | 0.06148 | 0.04536 | 0.05893 | 0.04984 | 0.04116 |
更进一步，还可以对每块区域选择蓝色、绿色、黑色、橙红色、粉红色、红色、白色、灰色、黄色和棕色不同测量点共计842个样品点进行标记、测量。从而对馆藏壁画可以达到快速、无损、量化的检测与分析，再依据色度评估模型和相关数据，可以对馆藏壁画进行整体的评估，为馆藏壁画保护与修复提供科学依据。
Claims (5)
1.一种馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将馆藏壁画划分成若干区域，在各个区域内选定色度测量点和密度测量点；
2)利用标准白板对便携式色差计进行校正后，对色度测量点进行色度检测，根据色度容差球分析模型对色度数据进行分析：在CIE Lab色空间中定位一个标准颜色，以ΔE为半径在其周围绘制色度容差球，ΔE＝[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2，ΔL、Δa、Δb为色度测量点的色度与标准颜色的色度差值；ΔE大小反映馆藏壁画的颜料层的保存情况；
3)利用密度仪对密度测量点的表面颜料进行无损密度测定，得到其颜料密度p；密度大小反映了颜料层结构紧密与疏松程度；
4)利用显微分析仪原位观察馆藏壁画表面颜料的显微结构，并观察颜料层断面部位，获得色彩颜料层厚度d；
5)计算壁画表面单位面积颜料承载质量M，M＝pV/F，V＝d*Fs，其中V为表面颜料体积，F为样品表面积，Fs为表面颜料的面积；M表征了单位面积上颜料的绝对残留量。
2.如权利要求1所述的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，其特征在于，按照馆藏壁画在揭取时的切割线为依据划分成不同的区域，对各个区域进行数码拍照，在数码照片上根据颜色的种类标定色度测量点，根据图案特点和颜料风化特征标定密度测量点，以标定的色度测量点和密度测量点在馆藏壁画上相对应的位置作为选定的待测量分析点。
3.如权利要求1所述的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，其特征在于，对选定的所有色度测量点数据进行色度容差球模型分析，获得壁画整体的色彩质量评估信息。
4.如权利要求1所述的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，其特征在于，所述的标准颜色根据所检测的色度测量点的颜色种类，在pantone标准色卡中选择对应的颜色。
5.如权利要求1所述的馆藏壁画表面颜料特征的无损分析方法，其特征在于，所述的ΔE大小所反映的颜料层的保存情况的判定为：ΔE数值越高，颜料层的保存质量越差，保存的越不完整；以2.0DE的梯度将0～10.0DE分成五个不同的保存情况，10.0DE以上保存情况为最差。
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