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梁海达教授谈“从遥感到艺术史——敦煌壁画断代分析”
发布时间:2021年04月20日 19:26    点击次数:


2021年4月11日晚,山东大学文化遗产研究院长风论坛(鳌山038期)之“从遥感到艺术史——敦煌壁画断代分析”讲座顺利举办。本次讲座由英国诺丁汉特伦特大学考古、艺术史和文物保护的成像与传感技术研究中心(NTU ISAAC)主任梁海达教授担任主讲嘉宾,山东大学文化遗产研究院王全玉教授主持。

本次讲座,梁老师主要介绍了ISAAC的专业设备、光谱成像仪和OCT的案例分析及对莫高窟壁画的研究方法及成果等内容。

第一部分,ISAAC移动实验室的专业设备和技术手段。NTU ISAAC移动实验室的专业设备具有可携带、应用范围广的优势,包括光学相干层析成像仪(OCT)、激光诱导击穿光谱仪(LIBS)、光纤反射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和红外扫描显微镜、近距/远距光谱成像仪(PRISMS)及机载高光谱成像仪、近距/远距激光诱导荧光光谱仪(LIF)、近距/远距拉曼光谱分析仪、微褪色光谱仪、X射线荧光光谱仪(XRF)等。绝大多数设备是根据文物保护和艺术史研究的需要自主研发设计,部分仪器是在已有的商业产品的基础上进行针对性的改良,从而更好推动相关研究的开展。

梁老师提出,对仪器设备的设计,改进和研究至少有三方面优点:首先,通过仪器设备的光谱学研究有助于确认物质属性,进而为艺术史研究和文物保护提供条件;其次,借助光学仪器可以发现成像方面的视觉信息和隐藏信息,有利于对遗产本身和所含信息进行保护和研究;再次,对实验仪器的研发也会推动工业、医学等其他学科的发展。


第二部分,光谱成像仪和光学相干断层扫描仪的案例分析。反射光谱可以作为颜料或其他物质的指纹,告诉我们物质的具体属性。通过这种方法,可以发现之前肉眼未发现的修复痕迹、虫蛀和裂缝痕迹等。同时,梁老师也借助光学相干断层扫描仪(OCT)对画作颜料层进行研究,OCT的优势在于不接触文物本身,在上方三厘米左右进行激光扫描,局限是扫描深度不尽如人意。总之,借助OCT可以清晰发现不同深度颜料层的具体情况,即根据光子的飞行距离判断每层的具体深度。鉴于画作颜料的特殊性质,即高反射率和强散射率,医学方面常用的OCT不能很好地研究艺术品,因此梁老师及其团队研发出长波长(2微米)OCT,结合多波长范围从可见光(VIS)到近红外(NIR)的自主研发的OCT和常规OCT,更好开展对壁画、油画等艺术品的研究。

第三部分,莫高窟壁画的研究方法及成果。本研究对莫高窟北区465窟前室和后室壁画进行分析,通过微褪色仪、远距离三维光谱成像仪、拉曼光谱仪、X射线荧光光谱分析仪和光学相干断层扫描仪等设备分析了465窟壁画隐藏信息和原料组合,并将分析结果同已知年代的相似洞窟的壁画原料组合进行比较研究,从而推断465窟壁画的具体年代。

之所以选择莫高窟北区465窟开展工作,是因为该窟很特殊,藏传佛教和尼泊尔-印度风格强烈,且学者们对其具体时间众说纷纭,有吐蕃、西夏和蒙元三种看法。465窟题记包括中文、西夏文、回鹘文、蒙文、梵文、藏文等文字。东披能看出画上贴纸的痕迹;南、西、北壁分成三铺,图案成曼陀罗式。

梁老师提到,由于465窟长时间处于昏暗状态,所以在开展工作前要利用微褪色仪测定壁画颜料的光敏性。微褪色仪可以将白光聚焦到小于一毫米的范围,而后反射光谱会传导至光谱仪,一旦反射光谱发生变化,就说明颜料本体已发生损害。通过检测15个颜色不同的点,未发现465窟壁画颜料发生变化,从而确定窟内颜料对光已不敏感了。

为了更方便快捷地收集图像资料,梁老师及其团队研发了全自动的远距离三维光谱成像仪,通过组合完成大面积的光谱成像,进而得到每一点反射光谱和整体图像。例如壁画上某种蓝色颜料的反射光谱和靛蓝的标准反射光谱基本符合,所以可以认定该种蓝色颜料为靛蓝。由于全自动光谱成像仪效率高,因此累计数据极多,以10平方米左右的465窟东披壁画为例,共产生5000张高光谱图、50亿个点的反射光谱。借助数据的自动化处理,发现约300多个不同的反射光谱类型,即东披壁画的颜料组合数量。也可以仅选择一种颜料组合(同一反射光谱),进而获知同一颜料组合的绘画范围。肉眼感知的同一颜色并不意味着同一颜料或颜料组合,通过光谱分析可以获得更多细致信息,也可以引入统计学分析以增强科学性。

通过数学建模,反射光谱也可以被用于鉴定多种颜料的混合物,有助于获悉颜料组合和颜色的对应关系。需要注意的是反射光谱不能确认全部物质,还需要结合其他互补的光谱分析方法,如拉曼分析、XRF等技术。拉曼分析、XRF分析等对位置较高的壁画颜料无法开展研究,可以在能达到的位置选择与高处光谱反射率相同的颜料来进行研究。

梁老师强调,有些颜料的颜色经过长时期已发生了改变,不能仅凭肉眼来判断颜料成分,如XRF在壁画上发现铅的存在,且反射光谱与二氧化铅反射光谱基本符合,所以推测原来可能有铅丹,即原本橙红色的朱砂和铅丹混合物被氧化为棕黑色的二氧化铅。还有某些壁画上灰色的树,经XRF分析有砷,拉曼分析判定为雌黄和靛蓝的组合物,原本应呈绿色,如今部分雌黄已褪为灰色。

除此之外,为明确465窟的具体时代,团队特选取吐蕃、西夏和蒙元三个时期的代表性石窟,对其壁画颜料组合进行比较研究。159窟属吐蕃时期、65和97窟属西夏时期、95窟则为蒙元初期,三个窟内壁画上的白色颜料最能区分时代,65窟和159窟的白色以滑石为原料,465窟和95窟、97窟的白色以白云石、方解石和石膏混合物为颜料。因而可以排除465窟属吐蕃窟的可能性,65窟属西夏时期的说法也可能存疑。总之,465窟白色颜料组合和95窟、97窟比较接近,即归属于西夏晚期、蒙元初期较符合。

 

在图像研究方面,红外光谱在900纳米处的分析发现壁画底稿线的存在;光学相干断层扫描(OCT)在不同深度的扫描提供了定稿线和初稿线的确切证据,也可以区分开不同颜料层的裂纹;得益于大面积反射光谱扫描后的自动成像分析,发现壁画人物的精制五官。在文字方面,465窟西披某粉红色区域在光谱分析下隐约可见一张纸,采用自动处理PCA方法发现梵文题记的存在;窟顶部五方佛脚下均贴附纸张,数据自动处理发现是反向贴敷的梵文,经学者研读认定为十二因缘咒。字体接近12世纪末年风格,从而提供了465窟断代信息。结合颜料和文字信息,推测465窟年代为12世纪末期至13世纪前期。具体细节可参考KOGOU, S., SHAHTAHMASSEBI, G., LUCIAN, A., LIANG, H., SHUI,B., ZHANG,W., SU, B., VAN SCHAIK, S., 2020. From remote sensing and machine learning to the history of the Silk Road: large scale material identification on wall paintings. Scientific Report 10, 19312, http://www.916.msc506.com/10.1038/s41598-020-76457-9

除上述无损分析方法以外,皇冠娱乐场备用网址:还可以采取激光诱导击穿光谱仪(LIBS)进行微损分析。另外,梁老师的团队现已将上述不同的光谱仪研发成远程型号,如远程拉曼光谱仪、远程LIBS等,以便直接用于高处壁画。梁老师课题组对英国教堂壁画展开过类似研究,利用远程拉曼分析和远程反射光谱可以在LIBS激光打制的小洞内进行颜料层的测量,而LIBS也可以认证全部元素,有效弥补XRF局限性。这种微损方法还未在敦煌壁画上使用,但为日后研究提供了些许思路。

讲座最后,梁老师对参会人员提出的问题进行了悉心的解答,王全玉老师对讲座进行了简要总结和致谢。本次讲座采取线上形式,吸引了约220名山东大学考古文博专业师生及全国各地考古文博单位的同仁参加。


【作者:文/梁一凡 图表/梁海达    责任编辑:李婧】


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