壁画是我国极为重要的文化遗产类型, 具有极高的历史价值、 艺术价值、 科学价值、 文化价值和社会价值。 颜料层作为壁画的核心价值所在, 包含古代历史文化、 宗教信仰、 政治经济、 科学技术等多方面的信息内涵。 常规的颜料层分析方法有原位无损和微损取样两种, 取样分析方法虽能满足这类珍贵、 脆弱文物的研究, 但获取样品数量有限且会对本体造成不可逆转的损伤。 综合运用数字成像以及光谱等分析技术对天水仙人崖石窟壁画颜料层进行工艺与制作材料研究。 结果显示, 正射影像图能够真实记录壁画当前纹理信息, 色度仪可以量化表征壁画颜料的颜色, 红紫外摄影可以提取可见光下不易探查的壁画绘制线稿、 修复痕迹等隐含信息, 高倍数码显微镜可观察壁画表面的微观形态及破损处的层次信息, 便携式X射线荧光光谱仪可检测出颜料中的元素由此判断主要显色元素, 高光谱采集所得数据与标准图谱比较后能够准确判定颜料的矿物种类。 因此, 多种原位无损分析方法的联合运用, 可以减少对文物的直接干预, 亦可达到对壁画颜料层认知的目的。 这些非接触式的无损检测方法, 可精细化研究壁画颜料层的色彩、 物理、 化学属性等内容, 是壁画现场分析的重要手段, 可在石窟寺、 寺观殿堂、 墓葬壁画的研究上进行推广, 发挥其应有之用。

青海省热贡地区是安多藏区藏式建筑彩画艺术的重要产地, 作为热贡艺术的重要组成部分影响甚广。 热贡地方建筑彩画不仅是附着建筑栋梁之上的艺术瑰宝, 更是一项延续至今的传统技艺, 至今仍有大批传统匠人画师从事相关行业。 热贡地方建筑彩画有独立的用色方法和颜料制作工艺, 对其所用传统颜料进行科学检测是系统研究该地区建筑彩画的基础性工作, 在进一步研究热贡地区建筑彩画的制作工艺和艺术特色, 传承地方建筑彩画技艺和完善保护政策等方面具有积极意义。 通过对同仁市隆务寺夏日仓行宫火供殿所用当地传统建筑彩画颜料的采样, 运用X射线荧光光谱、 X射线衍射分析、 激光显微拉曼光谱分析等多种实验分析方法, 对颜料样品进行分析, 测定其主要显色物质和成分占比。 结果表明, 热贡地方建筑彩画所用颜料多为无机颜料; 蓝色颜料主要是人造群青; 绿色颜料的主要矿物组成为绿土, 显色物质为蒙脱石, 存在将植物色染料加入当地所产的富镁蒙脱石中混合使用的可能性; 红色颜料的主要矿物组成为铁红(赭石类红土), 通过焙烧富铁矿土来人工合成, 材料来自于当地吾屯村所产红色赭石类粘土; 黄色颜料主要矿物组成为密陀僧、 硫磺及其他植物色染料制备而成; 黑色颜料为碳黑, 符合木炭黑的性状特征; 白色颜料主要为生石灰及氧化镁粉, 并在其他颜料中广泛使用石灰及氧化镁粉作为调色颜料; 推测部分样品中含有包金土及植物色素染料、 其他人工合成颜料的可能性。 整体来看, 热贡地区建筑彩画所用颜料成本价格较低, 制取难度不大, 来源大多是当地常见的矿土料和动植物染料, 传统的制料工艺较简单, 颜料多呈现为组分复杂的混合物状态; 密陀僧、 包金土和群青等颜料多来自于内地及国外, 颜料人工合成的历史较早, 反映出热贡地区建筑彩画在颜料使用上不仅使用本土材料制备, 也广泛使用外来颜料的历史传统, 为进一步研究热贡地区建筑彩画领域内汉、 藏等多民族文化交往、 交流、 交融历史提供了良好实证材料。

四川省邛崃市地处成都平原, 是成都地区发现的摩崖造像规模最大, 分布最集中的地区。 由于潮湿、 半露天的保存环境, 造像遭到严重破坏, 缺少相关的科学分析研究。 本文选用邛崃地区内花置寺摩崖造像、 临邛镇磐陀寺摩崖造像和大同乡石笋山摩崖造像三处共12件彩绘颜料样品, 通过超景深显微观察、 X射线荧光分析、 X射线衍射和显微激光拉曼光谱综合分析, 获取彩绘颜料信息。 结果表明红色颜料为赤铁矿[Fe₂O₃]和铅丹[Pb₃O₄]; 绿色颜料为砷酸铜[Cu(AsO₃)(OH)·2H₂O]和过硫酸三铜钠钾[KNaCu₃O(SO₄)₃]; 白色颜料为石膏[CaSO₄]; 黄色颜料为黄赭石[Fe₂O₃]; 黑色颜料为铅丹[Pb₃O₄]的变化产物, 蓝色颜料为青金石[Na₆Ca₂Al₆Si₆O₂₄(SO₄)₂]。 值得注意的是绿色颜料的分析结果, 其中检出的砷酸铜类物质在近年中国西南地区彩绘分析中较常见, 结合文献调研判断其为近现代人工合成颜料巴黎绿的变化产物, 进而推测此处有近现代重绘可能。 另外, 首次检出过硫酸三铜钠钾成分的绿色颜料, 丰富了古代彩绘颜料的分析实例, 判断可能是某种绿色含铜矿物的变化结果。 四川地区环境湿润, 一些不稳定的矿物颜料容易发生化学变化, 有的产生变色, 有的颜色变化不明显, 但成分已产生新的物质。 通过分析邛崃石窟彩绘颜料, 获取四川地区摩崖造像所使用颜料的相关信息, 为颜料复原提供科学依据, 同时也有利于文物工作者展开针对性保护工作, 为四川地区彩绘石窟的研究和保护提供参考。

故宫奉先殿是明清两代皇帝祭祀祖先的家庙, 地位仅次于太庙。 奉先殿始建于明成祖时期, 现存建筑主要建于康熙时期, 其上保留了为数不多的清初彩画, 是研究清初彩画的珍贵实物。 利用显微观察、 扫描电子显微镜能谱和激光拉曼光谱分析, 对取自奉先殿的彩画颜料进行分析鉴定。 结果表明, 奉先殿彩画中部分红色和蓝色颜料层存在分层现象, 表层颜色鲜艳明亮, 中层和下层颜色偏浅, 每层所用颜料配方不同。 红色颜料有朱砂、 铅丹和铁红, 绿色颜料均为氯铜矿, 蓝色颜料均为石青, 用铅白打底。 浅色颜料由主显色矿物颜料加入以铅白为主的白色颜料混合调制而成。 其中浅红色由铅丹与铅白调和而成, 浅绿色由氯铜矿与铅白调和而成。 浅蓝色颜料中未发现铅白, 但含有大量Al元素和Si元素, 推测含有高岭土。 浅蓝色颜料有可能是由石青与高岭土调制而成。 奉先殿彩画中未发现清晚彩画常用的合成群青、 巴黎绿等颜料, 反映出奉先殿彩画的绘制年代很有可能就是档案记载的康熙年间, 之后未有大修。 高岭土作为白色颜料调配浅色颜料在彩画制作中比较少见, 奉先殿彩画中高岭土的发现丰富了清代早期彩画颜料制作的资料, 具有一定的学术意义。

红色系矿物颜料曾被艺术家们大量地使用在古画和古建筑上。 正确地识别出不同种类的红色系颜料对于文物监测与修复具有重要意义。 传统的颜料识别主要依靠化学分析, 不仅识别速度慢、 识别范围小, 而且对文物进行取样操作会造成文物的永久损伤。 高光谱技术对颜料进行无损识别可以很好地解决这些问题。 选用辰砂、 胭脂、 银朱、 朱膘、 朱砂、 赭石、 赭粉、 铁红、 土红、 西洋红10种红色系矿物颜料作为研究对象, 使用地物光谱仪在暗室中获取这10种红色系颜料在350~2 500 nm波段内的高光谱数据原始数字(DN)影像, 经反射率校正, 得到可直接用于光谱分析的反射率数据及光谱曲线。 基于10种红色系颜料不同的光谱曲线特性, 分两步筛选获取被区分颜料即目标颜料的光谱特征波段。 取目标颜料光谱曲线的极值点作为特征波段, 可以筛选得到目标颜料的初选光谱特征波段。 将其余9种颜料在初选光谱特征波段上对应的反射率与目标颜料在此波段上的反射率做差, 对于差值, 筛去离群值后求平方和, 不同波段对应不同的差值平方和, 选取差值平方和较大的前4个波段作为优选后的光谱特征波段。 基于归一化光谱指数模型公式[NDSI=(R_a-R_b)/(R_a+R_b), R_a和R_b分别为目标颜料在光谱特征波段a和b处的反射率值]对10种红色系颜料分别构建归一化光谱指数, 将目标颜料与其余9种红色系颜料在同一光谱特征波段处计算得到的光谱指数进行对比分析, 计算目标颜料光谱指数与其余颜料光谱指数的区分度, 以此作为评价区分效果的指标。 对于最终优选出的4个光谱特征波段, 可构建6个归一化光谱指数, 选择最小区分度最大的归一化光谱指数作为目标颜料的光谱特征指数。 研究结果显示, 在通过各自的光谱特征指数进行区分时, 每种目标颜料与其他颜料的最小区分度都保持在0.7以上(大于0.5可认为区分明显), 说明上述方法可以对各红色系颜料进行准确区分, 对于文物颜料的快速准确识别具有实践意义。

由于受到现场条件和保护要求限制，对壁画进行光谱成像数据采集时需要快速完成，利用稀疏通道成像能够提高数据采集的效率，但其像元颜料光谱反射率曲线呈现非线性，影响壁画多光谱图像颜料分类精度。针对该问题，提出了基于空谱联合特征的壁画稀疏多光谱图像颜料分类方法，采用长短期记忆神经网络中的双曲正切激活函数提取非线性光谱特征，减小对分类精度的影响；针对多光谱成像空间分辨率较高导致相邻像元相关性较强的问题，利用卷积神经网络中线性整流函数把特征图映射到非线性空间，提高模型非线性特征的表达能力；最后使用多尺度融合策略将空间特征和光谱特征相加，消除光谱非线性和空间相关性的问题对分类结果的影响。实验结果表明，OA和Kappa系数分别达到了97%和0.97以上，有效提高了壁画稀疏多光谱图像的颜料分类精度。