CN115128017A - 一种彩绘文物照明损伤评估方法及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种彩绘文物照明损伤评估方法及监测方法，评估方法中首先确定彩绘文物的照明损伤系数；再对彩绘文物的光源选择进行评估；本发明通过反射、红外光谱和主成分分析相结合的测试和分析方法，得到颜料和基材在不同单色光下的照明损伤规律，用于进一步评估不同光源对彩绘文物的照明损伤，为博物馆光源产品的检测和选择提供依据。在此基础上，采取上述测试和分析方法得到彩绘文物在选定光源下的照明损伤规律，结合累计和控制图为馆藏文物的照明损伤监测提供方法。

Description

一种彩绘文物照明损伤评估方法及监测方法

技术领域

本发明属于文物保护、照明技术、分析化学的交叉学科领域，特别是涉及一种彩绘文物照明损伤评估方法和监测方法，在博物馆等场所的文物照明中，结合反射光谱、红外光谱和主成分分析，通过加速光老化实验评估和监测不同光源对彩绘文物造成的照明损伤。

背景技术

彩绘文物(书画、壁画、彩塑等)作为社会意识形态的产物，是中华传统文化精华的重要标志，也是坚定文化自信最具有代表性的文物载体。然而，我国50.66％的馆藏文物存在不同程度的损坏，且均为不可逆的永久性损伤。彩绘文物作为博物馆照明设计规范(GB/T23863-2009)和国际照明委员会(CIE)中所规定的最高光敏感级别文物，其在馆藏照明环境中往往存在不同程度且可持续发展的损伤。这些损伤主要表现在彩绘文物的主要组成部分，即颜料和基材。对于颜料而言，变色、褪色是其主要的损伤形式。例如，朱砂颜料作为我国古代使用最广泛的赤色颜料，其在古画中广泛存在光致变黑的现象。而彩绘文物中的常用基材，如纸张和绢布，其损伤形式相对复杂。除了色彩损伤，基材的机械损伤现象，如变脆、粉化、开裂等，十分严重。

研究表明，文物的照明损伤与光源的光谱组成密切相关。特别地，Light EmittingDiode(LED)的光谱组成十分灵活。这意味着不同型号LED带给彩绘文物的照明损伤程度迥异。随着LED在博物馆内的广泛使用，这给博物馆工作人员针对最低照明损伤光源的选择带来了极大的挑战。然而，任何光照辐照都会给彩绘文物带来不可逆的照明损伤。因此，针对展陈照明环境下的文物照明损伤状态监测成为了亟待解决的另一重要问题。

要解决“评估和监测不同光源对彩绘文物的照明损伤”这一实际问题，有必要对其颜料和基材的照明损伤规律分别展开研究。对于颜料主要呈现的色彩损伤，色差法是常用手段。然而，目前存在的多个色差公式尚没有完全令人满意。若在研究中使用不同的色差计算公式，在解释和比较结果之前需要进行转换；而对于机械损伤占主导的基材，拉伸试验、扫描电镜、粘度测试等则更为常见。然而，这些测试和分析方法不仅对文物有损，且难以综合表征基材的两种损伤形式。由此可见，如何针对颜料和基材实施科学且合理的测试和分析方法是亟待解决的一大难点。

对于颜料而言，其反射光谱是颜色测量和色差等色度计算的基础。也就是说，颜料的反射光谱是其表面色的“指纹”，其变化从根本上反映了色彩变化。不同的是，傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy,FTIR)在基材，如纸绢的纤维素和蛋白质结构的研究中有着悠久的应用历史。通过检测有机化合物分子的结构和化学键，红外光谱作为“指纹”光谱具有高度特征性。其一方面可以与标准化合物谱图对比用于分析鉴定，另一方面可以通过追踪与表面损伤相关的分子结构的变化，进而表征基材的照明损伤。由此可知，反射和红外光谱可以分别用于颜料和基材照明损伤过程中的测试。在两者的损伤过程中，其化学变化通常表现为反射和红外光谱数据集的大范围变化。对于这类复杂光谱数据集，利用化学计量学技术从其中提取系统信息是跨学科研究的极大优势。主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是化学计量学中用于统计数据分析、特征提取和数据压缩的经典方法。因此，在颜料和基材的照明损伤过程时，通过主成分分析分析测试的反射和红外光谱数据，所得到的主成分得分值的变化可用于研究两者的照明损伤规律。

现有技术中关于彩绘文物的照明研究方向相关的文献有：

(1)基于拉曼光谱分析的文物光损伤判定方法(专利号：ZL201711104964.0)。该专利基于拉曼光谱的峰强比作为分析指标，通过实验方法对比不同既有光源相对于标准光源对各类型文物造成的照明损伤，进而为不同文物的最低照明损伤光源选择提供依据。

一方面，该专利采用拉曼光谱的峰强比作为分析指标，并不适合用于彩绘文物的照明损伤。考虑到彩绘文物的复杂组成，拉曼光谱的峰强比指标仅可用于表征颜料和基材中某一分子结构的变化。相比而言，本专利采用主成分分析全面提取反射/红外光谱数据组中化学信息变化，可以全面表征材料的照明损伤。另一方面，利用实验方法直接评估既有光源的照明损伤，并不适用于监测和评估目前博物馆中层出不穷的不同型号光源。其光谱组成迥异，由此对文物造成的照明损伤差异极大。

(2)一种基于对比标签材料光谱差异监测的文物防护监测方法(公开号：CN202210334379.4)。该发明公开了一种基于对比标签材料光谱差异监测的文物防护监测方法。其借助多光谱成像采集的材料光谱信息作为识别信息。使用监测采集的被测文物上预设定检测位置的材料光谱信息与各个预设定标签布置位置的对比标签的材料光谱信息进行对比。当两者的光谱信息存在差异时，判定被测文物发生异常。基于此，实现文物防护监测。此外，通过多种方式的技术优化,提高被测文物发生平移、旋转、局部破损位移等异常情况监测的灵敏度和准确性，提升对不同文物种类防护监测的可适用性，以及增强监测过程的计算处理流程的信息安全性。

该专利并不适用于彩绘文物的照明损伤监测。一方面，该光谱监测方法并不能精准监测彩绘文物的照明损伤。基于多光谱成像采集的材料反射光谱仅适用于评估其色彩变化，并未考虑基材的机械损伤这一重要形式。另一方面，该专利在文物照明损伤监测的实际应用上存在不便。考虑到多光谱成像采集的材料反射光谱是一个复杂的光谱数据集，如何评估预设定位置的光谱数据集变化并未在原专利中得到清晰说明。

(3)基于光敏感文物色彩损伤评价的博物馆展陈照明指标研究(张锋辉，天津大学)。该研究以10种单色光对光敏感文物中常用的7种有机颜料和17种无机颜料试件进行等辐照射实验，并以色差法量化对文物试件的照明损伤。根据不同种类光敏感文物颜料的组成，得出不同波段对文物的损伤系数与损伤函数。

一方面，该研究仅针对颜料开展实验；另一方面，如上所述，色差法的方法在评估颜料的色彩损伤时存在一定的局限性。

(4)基于光敏感文物基材与胶体损伤的博物馆展陈照明指标研究(宋向阳，天津大学)。该研究采用十种不同波段单色光作为实验光源，以书画基材与胶体作为实验对象，开展长周期的光照实验。采用红外光谱的峰强比作为评估指标，以量化文物试件的照明损伤。

一方面，该研究仅针对基材开展实验；另一方面，如上所述，光谱峰强比的方法在评估基材的照明损伤时存在一定的局限性。

(5)天津博物馆可移动文物保存环境监测分析与调控研究(张钰，河北工业大学)。该研究以天津博物馆为例，对文物保存环境进行监测分析。在测定宣纸性能的基础上，评估温湿度对宣纸类文物的影响。最后，制备不同种类的活性炭，并对活性炭吸附文物保存微环境中气相甲醛的性能进行测定与分析。

该研究着重于文物保存环境中的温湿度参数监测，并相应给出解决措施，并不适用于彩绘文物自身的照明损伤监测。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种彩绘文物照明损伤评估方法及监测方法，该方法为研究光源对文物的照明损伤提供一种科学、精确、可操作的技术；为博物馆照明设计中，针对不同中国彩绘文物的最低照明损伤光源选择提供依据；为博物馆工作人员在中国彩绘文物照明损伤监测上提供一种科学、精确、可操作的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种彩绘文物照明损伤评估方法，基于反射光谱测试、红外光谱测试和主成分分析，

(1)确定彩绘文物的照明损伤系数；

(101)按照选定彩绘文物的颜料和基材构成，分别制作相应的试件；在全暗光学实验室中，将试件置于可见光范围内的单色光下开展2-3个月的加速光老化实验；在光老化实验开始前、后，分别对颜料进行一次和若干次的反射光谱数据测试，得到用于颜料照明损伤分析的反射光谱数据集；

在光老化实验开始前、后，分别对基材进行一次和若干次的红外光谱数据测试，得到用于基材照明损伤分析的红外光谱数据集；

(102)利用主成分分析处理(101)步骤中得到的反射光谱和红外光谱数据集，得到能够用于表征照射前后试件的主成分得分值；绘制照射前后主成分得分变化值随曝光量的变化曲线，用于研究颜料和基材在不同单色光下的照明损伤规律；在照射前后主成分得分变化值随曝光量的变化曲线达到稳定时，绘制不同颜料和基材的照明损伤随单色光的变化曲线，并计算相应的照明损伤系数D(λ_ij)；其中，i代表可见光范围内的单色光，j代表颜料和基材的类别；

(2)彩绘文物的光源选择评估；

(201)对于选定的彩绘文物，选用Photoshop检测不同颜料和基材的权重W_j；

(202)对于待测光源，测试其相对光谱功率分布，即待测光源在可见光范围内不同波段的辐照度E(λ_i)；

(203)基于步骤(1)得到的不同颜料和基材在不同单色光下的照明损伤系数D(λ_ij)，通过公式(1)计算待测光源对不同颜料和基材的照明损伤D_ij；

D_ij＝∑E(λ_i)·D(λ_ij)·W_j/∑E(λ_i) (1)

(204)根据待测光源对不同颜料和基材的照明损伤D_ij，计算其平均值得到待测光源对彩绘文物的照明损伤D；其中，D越小，代表选定彩绘文物在这种光源辐射下损伤程度越低；以此选择适用于选定彩绘文物的最低照明损伤光源。

本发明还提供一种彩绘文物照明损伤监测方法，包括：

在选定彩绘文物接受选定光源照射前、后，对其颜料和基材分别进行若干次的反射光谱和红外光谱测试；对反射光谱和红外光谱数据分别进行主成分分析，得到的主成分得分值用于构建累计和控制图；其中，照射前的反射光谱和红外光谱数据用于建立控制图，判断对应彩绘文物的保存过程是否处于统计稳态，并确定控制图的控制界限；照明开始后收集的反射光谱和红外光谱数据，用于观察照射后的主成分值相比于照射前主成分值的偏移程度，以进一步监测彩绘文物在展陈照明过程中是否发生照明损伤；将照射前、后彩绘文物的主成分得分值按照公式(2)和(3)进行计算；

C_Ui＝max{0,C_Ui-1+x_i-(μ₀+k)} (2)

C_Li＝max{0,C_Li-1-x_i+(μ₀-k)} (3)

式中，x_i为主成分得分值，μ₀为平均值，k为允偏量；根据照射前的主成分得分值进行计算得到控制限H，取5σ；C_Ui和C_Li分别代表得分值向上偏移的得分累计和、得分值向下偏移的得分累计和，即分别表征主成分得分值的向上和向下偏移；考虑到控制图中主成分值的偏移可表征彩绘文物的照明损伤，当C_Ui或C_Li中任意一个超过控制限H时，判定过程失控；也即选定的彩绘文物在选定光源下开始出现照明损伤。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明将文物保护、照明科学、分析化学等专业进行学科交叉，通过反射、红外光谱和主成分分析相结合的测试和分析方法，得到颜料和基材在不同单色光下的照明损伤规律，用于进一步评估不同光源对彩绘文物的照明损伤，为博物馆光源产品的检测和选择提供依据。在此基础上，采取上述测试和分析方法得到彩绘文物在选定光源下的照明损伤规律，结合累计和控制图为馆藏文物的照明损伤监测提供方法。

2.本发明方法是一种能够科学、精确检测文物在光源照射下所受到的照明损伤程度的方法。考虑到现有方法存在的局限性，如色差法存在多个计算公式、拉伸试验对文物有损且无法表征多种损伤形式，这给文物照明保护的实际应用带来了诸多不便。相比于此，根据彩绘文物中颜料和基材的主要损伤形式，选取合适的光谱测试手段，并选用主成分分析从复杂的光谱数据集中提取与损伤密切相关的化学变化信息。得到的主成分得分值变化可用于科学、综合地评估彩绘文物中颜料和基材的照明损伤程度。

3.本发明所提出的最低照明损伤光源的评估方法，为博物馆照明设计师提供针对不同中国彩绘文物的最低照明损伤光源选择依据。

4.本发明所提出的适用于中国彩绘文物的照明损伤监测方法，为博物馆管理部门在文物的日常展陈、维护、更换中，提供参考和借鉴。

附图说明

图1是本发明具体实施例中针对彩绘文物进行照明损伤评估的方法流程示意图

图2a和图2b分别是雄黄和宣纸在不同单色光下的照明损伤规律图。

图3a和图3b分别是雄黄和宣纸随单色光的照明损伤变化曲线。

图4a和图4b分别是选定光源照射下测试的雄黄和宣纸的累计和控制图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例以对光最敏感、存量大、价值高的中国传统书画文物为例，通过比较博物馆中不同光谱组成光源对该类中国传统书画文物的照明损伤程度，以选定合适的光源，并对该光源下中国传统书画文物的照明损伤实施监测。

一、本实施例提供一种彩绘文物照明损伤评估方法，见图1，具体的：

1.确定传统书画文物的照明损伤系数

(1)加速光老化实验

按照选定的中国传统书画文物的颜料和基材构成，分别制作相应的试件，颜料包括朱砂、雄黄、胭脂、藤黄，基材包括宣纸。在全暗光学实验室中，将试件置于可见光范围内的单色光下(峰值波长λ分别为447，475，500，519，555，595，625，635，658，733nm)开展长周期的加速光老化实验。

(2)光谱测试

在光老化实验开始前后，选用分光光度计和红外光谱仪分别针对颜料和基材试件非周期性地开展反射光谱和红外光谱测试；具体的：

在光老化实验开始前，通过分光光度计对颜料进行一次反射光谱数据测试；在光老化实验开始后，通过分光光度计对基材进行若干次的反射光谱数据测试；得到用于颜料照明损伤分析的反射光谱数据集；

在光老化实验开始前，通过红外光谱仪对基材进行一次红外光谱数据测试，得到用于基材照明损伤分析的红外光谱数据集；在光老化实验开始后，通过红外光谱仪对基材进行若干次的红外光谱数据测试，得到用于基材照明损伤分析的红外光谱数据集；

本实施例以某一单色光下测试的雄黄和宣纸为例。

其中，在CIE 2°标准光度观察者和CIE标准A光源下，使用分光光度计PR 670测量并记录试件的反射光谱和三刺激值。该系统配备了Pritchard光学系统，SpectraWin操作软件，以及标准硫酸钡白板。在每次测量前，将标准A光源和分光光度计连接稳压器(RMSPDJJW-1KVA)，并预热30分钟。测试时，使得直径约1cm的圆形测量光斑与试件区域形成内切，以尽量确保试件测量区域的可重复性。同时测量试件和标准白板的绝对反射率，并用后者去标准化试件的反射率得到相对值，以最小化测量误差。

使用INVENIO-R Fourier Transform Infrared Spectrometer(Bruker)记录试件的FTIR光谱。通过在全反射(Attenuated Total Reflectance,ATR)附件平台上做标记，利用其与试件的相对位置，尽量确保每次光谱测量时位置的可重复性。每个光谱以吸光度为单位获得，记录范围从4000到400cm^-1，4cm^-1分辨率和32次扫描。对每个光谱收集并扣除当时的大气背景。

当观察到试件的照明损伤逐渐趋于稳定时，停止测试。

(3)主成分分析

将测试得到的反射光谱和红外光谱数据集分别导入用于PCA计算的软件SIMCA14.1。首先，将数据进行平均中心化处理。该处理不会改变数据的统计结构，它确保所有结果都可以用均值周围的变化来解释。在此基础上，进行PCA计算得到可用于表征照射前后试件的主成分得分值PC。基于主成分变化值ΔPC随测试周期的变化曲线，可用于研究颜料和基材在不同单色光下的照明损伤规律，如图2a和图2b所示，以雄黄和宣纸为例。在该变化曲线达到稳定时，基于该主成分得分值绘制不同颜料和基材随单色光的变化曲线，如图3a和图3b所示，以雄黄和宣纸为例。与此同时，计算不同单色光对颜料和基材的照明损伤系数，如表1所示(以雄黄和宣纸为例)。定义颜料和基材在447nm单色光照射下的照明损伤系数D(λ_ij)为1，以此来比较不同单色光对其造成的照明损伤程度，如表2所示(以雄黄和宣纸为例)。其中，i代表可见光范围内的单色光，j代表颜料和基材的类别。

表1不同单色光对颜料和基材的照明损伤系数(以雄黄和宣纸为例)

表2不同单色光对颜料和基材的相对照明损伤系数(以雄黄和宣纸为例)

2.中国传统书画文物的光源选择评估

(1)对于选定的中国传统书画文物，选用Photoshop检测不同颜料和基材的权重W_j，如表3所示。其中，j代表颜料和基材的类别。

表3选定中国传统书画文物中颜料和基材的权重(以雄黄和宣纸为例)

(2)对于待测光源，测试其相对光谱功率分布E(λ_i)，如表4所示。其中，i代表待测光源的类别

表4待测光源的相对光谱功率分布

(3)基于步骤1得到的不同颜料和基材在不同单色光下的照明损伤系数D(λ_ij)，通过公式(1)计算待测光源对其颜料和基材的照明损伤D_ij。

(4)根据待测光源对不同颜料和基材的照明损伤D_ij，计算其平均值得到待测光源对彩绘文物的照明损伤D，如表5所示。

表5待测光源对选定中国传统书画文物的照明损伤

待测光源	照明损伤
		1	D<sub>1</sub>
…	…
		n	D<sub>n</sub>

(5)计算待测光源对中国传统书画文物的照明损伤D越小，则代表其在这种光源辐射下损伤程度越低。在此基础上，选择适用于选定中国彩绘文物的最低照明损伤光源。

3.中国彩绘文物的照明损伤监测

(1)在选定中国传统书画文物接受选定光源照射前后，对其颜料和基材分别进行多次的反射光谱和红外光谱测试，以该光源照射下的雄黄和宣纸为例。其中，照射前的多组数据(Control，C)用于建立控制图，判断该保存过程是否处于统计稳态，并确定控制图的控制界限；照明开始后收集的多组数据(Damage，D)，则是用于观察控制图中数据的波动情况以判断文物是否出现照明损伤。

(2)针对照射前后测试得到的反射光谱和红外光谱数据集进行主成分分析，得到的主成分得分值用于构建CUSUM图以实现文物照明损伤的监测，如图4a和图4b所示。在图4a和图4b的CUSUM控制图中，Y轴代表按照公式(2)和(3)进行计算的照射前后文物主成分得分值。与此同时，利用照射前文物的主成分得分值计算控制限H，以图4a和图4b中的虚线表示。受光源辐照后，以雄黄和宣纸为例的监测数据呈现线性上升的趋势，并分别在D₀₁和D₀₂出现失控点。值得注意的是，需要取颜料和基材出现失控点的最小监测周期，以判断文物出现照明损伤的时间。

最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种彩绘文物照明损伤评估方法，基于反射光谱测试、红外光谱测试和主成分分析，其特征在于，

(1)确定彩绘文物的照明损伤系数；

(101)按照选定彩绘文物的颜料和基材构成，分别制作相应的试件；在全暗光学实验室中，将试件置于可见光范围内的单色光下开展2-3个月的加速光老化实验；在光老化实验开始前、后，分别对颜料进行一次和若干次的反射光谱数据测试，得到用于颜料照明损伤分析的反射光谱数据集；

在光老化实验开始前、后，分别对基材进行一次和若干次的红外光谱数据测试，得到用于基材照明损伤分析的红外光谱数据集；

(102)利用主成分分析处理(101)步骤中得到的反射光谱和红外光谱数据集，得到能够用于表征照射前后试件的主成分得分值；绘制照射前后主成分得分变化值随曝光量的变化曲线，用于研究颜料和基材在不同单色光下的照明损伤规律；在照射前后主成分得分变化值随曝光量的变化曲线达到稳定时，绘制不同颜料和基材的照明损伤随单色光的变化曲线，并计算相应的照明损伤系数D(λ_ij)；其中，i代表可见光范围内的单色光，j代表颜料和基材的类别；

(2)彩绘文物的光源选择评估；

(201)对于选定的彩绘文物，选用Photoshop检测不同颜料和基材的权重W_j；

(202)对于待测光源，测试其相对光谱功率分布，即待测光源在可见光范围内不同波段的辐照度E(λ_i)；

(203)基于步骤(1)得到的不同颜料和基材在不同单色光下的照明损伤系数D(λ_ij)，通过公式(1)计算待测光源对不同颜料和基材的照明损伤D_ij；

D_ij＝∑E(λ_i)·D(λ_ij)·W_j/∑E(λ_i) (1)

(204)根据待测光源对不同颜料和基材的照明损伤D_ij，计算其平均值得到待测光源对彩绘文物的照明损伤D；其中，D越小，代表选定彩绘文物在这种光源辐射下损伤程度越低；以此选择适用于选定彩绘文物的最低照明损伤光源。

2.一种彩绘文物照明损伤监测方法，其特征在于，包括：

在选定彩绘文物接受选定光源照射前、后，对其颜料和基材分别进行若干次的反射光谱和红外光谱测试；对反射光谱和红外光谱数据分别进行主成分分析，得到的主成分得分值用于构建累计和控制图；其中，照射前的反射光谱和红外光谱数据用于建立控制图，判断对应彩绘文物的保存过程是否处于统计稳态，并确定控制图的控制界限；照明开始后收集的反射光谱和红外光谱数据，用于观察照射后的主成分值相比于照射前主成分值的偏移程度，以进一步监测彩绘文物在展陈照明过程中是否发生照明损伤；将照射前、后彩绘文物的主成分得分值按照公式(2)和(3)进行计算；

C_Ui＝max{0,C_Ui-1+x_i-(μ₀+k)} (2)

C_Li＝max{0,C_Li-1-x_i+(μ₀-k)} (3)

式中，x_i为主成分得分值，μ₀为平均值，k为允偏量；根据照射前的主成分得分值进行计算得到控制限H，取5σ；C_Ui和C_Li分别代表得分值向上偏移的得分累计和、得分值向下偏移的得分累计和，即分别表征主成分得分值的向上和向下偏移；考虑到控制图中主成分值的偏移可表征彩绘文物的照明损伤，当C_Ui或C_Li中任意一个超过控制限H时，判定过程失控；也即选定的彩绘文物在选定光源下开始出现照明损伤。

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