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梁海達教授談“從遙感到藝術史——敦煌壁畫斷代分析”
發布時間:2021年04月20日 19:26    點擊次數:


2021年4月11日晚,欧洲杯买球官网文化遺產研究院長風論壇(鰲山038期)之“從遙感到藝術史——敦煌壁畫斷代分析”講座順利舉辦。本次講座由英國諾丁漢特倫特大學考古、藝術史和文物保護的成像與傳感技術研究中心(NTU ISAAC)主任梁海達教授擔任主講嘉賓,欧洲杯买球官网文化遺產研究院王全玉教授主持。

本次講座,梁老師主要介紹了ISAAC的專業設備、光譜成像儀和OCT的案例分析及對莫高窟壁畫的研究方法及成果等內容。

第一部分,ISAAC移動實驗室的專業設備和技術手段。NTU ISAAC移動實驗室的專業設備具有可攜帶、應用范圍廣的優勢,包括光學相干層析成像儀(OCT)、激光誘導擊穿光譜儀(LIBS)、光纖反射光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀和紅外掃描顯微鏡、近距/遠距光譜成像儀(PRISMS)及機載高光譜成像儀、近距/遠距激光誘導熒光光譜儀(LIF)、近距/遠距拉曼光譜分析儀、微褪色光譜儀、X射線熒光光譜儀(XRF)等。絕大多數設備是根據文物保護和藝術史研究的需要自主研發設計,部分儀器是在已有的商業產品的基礎上進行針對性的改良,從而更好推動相關研究的開展。

梁老師提出,對儀器設備的設計,改進和研究至少有三方面優點:首先,通過儀器設備的光譜學研究有助于確認物質屬性,進而為藝術史研究和文物保護提供條件;其次,借助光學儀器可以發現成像方面的視覺信息和隱藏信息,有利于對遺產本身和所含信息進行保護和研究;再次,對實驗儀器的研發也會推動工業、醫學等其他學科的發展。


第二部分,光譜成像儀和光學相干斷層掃描儀的案例分析。反射光譜可以作為顏料或其他物質的指紋,告訴我們物質的具體屬性。通過這種方法,可以發現之前肉眼未發現的修復痕跡、蟲蛀和裂縫痕跡等。同時,梁老師也借助光學相干斷層掃描儀(OCT)對畫作顏料層進行研究,OCT的優勢在于不接觸文物本身,在上方三厘米左右進行激光掃描,局限是掃描深度不盡如人意。總之,借助OCT可以清晰發現不同深度顏料層的具體情況,即根據光子的飛行距離判斷每層的具體深度。鑒于畫作顏料的特殊性質,即高反射率和強散射率,醫學方面常用的OCT不能很好地研究藝術品,因此梁老師及其團隊研發出長波長(2微米)OCT,結合多波長范圍從可見光(VIS)到近紅外(NIR)的自主研發的OCT和常規OCT,更好開展對壁畫、油畫等藝術品的研究。

第三部分,莫高窟壁畫的研究方法及成果。本研究對莫高窟北區465窟前室和后室壁畫進行分析,通過微褪色儀、遠距離三維光譜成像儀、拉曼光譜儀、X射線熒光光譜分析儀和光學相干斷層掃描儀等設備分析了465窟壁畫隱藏信息和原料組合,并將分析結果同已知年代的相似洞窟的壁畫原料組合進行比較研究,從而推斷465窟壁畫的具體年代。

之所以選擇莫高窟北區465窟開展工作,是因為該窟很特殊,藏傳佛教和尼泊爾-印度風格強烈,且學者們對其具體時間眾說紛紜,有吐蕃、西夏和蒙元三種看法。465窟題記包括中文、西夏文、回鶻文、蒙文、梵文、藏文等文字。東披能看出畫上貼紙的痕跡;南、西、北壁分成三鋪,圖案成曼陀羅式。

梁老師提到,由于465窟長時間處于昏暗狀態,所以在開展工作前要利用微褪色儀測定壁畫顏料的光敏性。微褪色儀可以將白光聚焦到小于一毫米的范圍,而后反射光譜會傳導至光譜儀,一旦反射光譜發生變化,就說明顏料本體已發生損害。通過檢測15個顏色不同的點,未發現465窟壁畫顏料發生變化,從而確定窟內顏料對光已不敏感了。

為了更方便快捷地收集圖像資料,梁老師及其團隊研發了全自動的遠距離三維光譜成像儀,通過組合完成大面積的光譜成像,進而得到每一點反射光譜和整體圖像。例如壁畫上某種藍色顏料的反射光譜和靛藍的標準反射光譜基本符合,所以可以認定該種藍色顏料為靛藍。由于全自動光譜成像儀效率高,因此累計數據極多,以10平方米左右的465窟東披壁畫為例,共產生5000張高光譜圖、50億個點的反射光譜。借助數據的自動化處理,發現約300多個不同的反射光譜類型,即東披壁畫的顏料組合數量。也可以僅選擇一種顏料組合(同一反射光譜),進而獲知同一顏料組合的繪畫范圍。肉眼感知的同一顏色并不意味著同一顏料或顏料組合,通過光譜分析可以獲得更多細致信息,也可以引入統計學分析以增強科學性。

通過數學建模,反射光譜也可以被用于鑒定多種顏料的混合物,有助于獲悉顏料組合和顏色的對應關系。需要注意的是反射光譜不能確認全部物質,還需要結合其他互補的光譜分析方法,如拉曼分析、XRF等技術。拉曼分析、XRF分析等對位置較高的壁畫顏料無法開展研究,可以在能達到的位置選擇與高處光譜反射率相同的顏料來進行研究。

梁老師強調,有些顏料的顏色經過長時期已發生了改變,不能僅憑肉眼來判斷顏料成分,如XRF在壁畫上發現鉛的存在,且反射光譜與二氧化鉛反射光譜基本符合,所以推測原來可能有鉛丹,即原本橙紅色的朱砂和鉛丹混合物被氧化為棕黑色的二氧化鉛。還有某些壁畫上灰色的樹,經XRF分析有砷,拉曼分析判定為雌黃和靛藍的組合物,原本應呈綠色,如今部分雌黃已褪為灰色。

除此之外,為明確465窟的具體時代,團隊特選取吐蕃、西夏和蒙元三個時期的代表性石窟,對其壁畫顏料組合進行比較研究。159窟屬吐蕃時期、65和97窟屬西夏時期、95窟則為蒙元初期,三個窟內壁畫上的白色顏料最能區分時代,65窟和159窟的白色以滑石為原料,465窟和95窟、97窟的白色以白云石、方解石和石膏混合物為顏料。因而可以排除465窟屬吐蕃窟的可能性,65窟屬西夏時期的說法也可能存疑。總之,465窟白色顏料組合和95窟、97窟比較接近,即歸屬于西夏晚期、蒙元初期較符合。

 

在圖像研究方面,紅外光譜在900納米處的分析發現壁畫底稿線的存在;光學相干斷層掃描(OCT)在不同深度的掃描提供了定稿線和初稿線的確切證據,也可以區分開不同顏料層的裂紋;得益于大面積反射光譜掃描后的自動成像分析,發現壁畫人物的精制五官。在文字方面,465窟西披某粉紅色區域在光譜分析下隱約可見一張紙,采用自動處理PCA方法發現梵文題記的存在;窟頂部五方佛腳下均貼附紙張,數據自動處理發現是反向貼敷的梵文,經學者研讀認定為十二因緣咒。字體接近12世紀末年風格,從而提供了465窟斷代信息。結合顏料和文字信息,推測465窟年代為12世紀末期至13世紀前期。具體細節可參考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, 

除上述無損分析方法以外,還可以采取激光誘導擊穿光譜儀(LIBS)進行微損分析。另外,梁老師的團隊現已將上述不同的光譜儀研發成遠程型號,如遠程拉曼光譜儀、遠程LIBS等,以便直接用于高處壁畫。梁老師課題組對英國教堂壁畫展開過類似研究,利用遠程拉曼分析和遠程反射光譜可以在LIBS激光打制的小洞內進行顏料層的測量,而LIBS也可以認證全部元素,有效彌補XRF局限性。這種微損方法還未在敦煌壁畫上使用,但為日后研究提供了些許思路。

講座最后,梁老師對參會人員提出的問題進行了悉心的解答,王全玉老師對講座進行了簡要總結和致謝。本次講座采取線上形式,吸引了約220名欧洲杯买球官网考古文博專業師生及全國各地考古文博單位的同仁參加。


【作者:文/梁一凡 圖表/梁海達    責任編輯:李婧】


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