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成像技术解开了17世纪艺术家的秘密

发布:opticsphotonics阅读:962时间:2017-11-23 12:55:04

图为佐治亚理工学院教授David Citrin展示太赫兹成像技术生成的图像。 研究人员使用太赫兹反射技术研究了一幅17世纪的绘画作品以分析各颜料层。 援引:佐治亚理工学院John Toon

现在十七世纪艺术家的秘密之所以得以揭晓,要归功于二十一世纪的信号处理技术。利用现代的高速扫描仪和先进的信号处理技术,佐治亚理工学院的研究人员正在通过颜料层来研究画家是如何准备画布,涂上底漆,然后排布层层叠叠的颜料来创作他们的杰作的。

运用太赫兹扫描仪产生的图像和主要为石油勘探开发的加工技术,他们找到了一个前所未有的视角以了解三个世纪前的艺术家们如何完成他们的作品。这种太赫兹反射技术所反映的细节水平可以帮助艺术品修复者发现以前的绘画修复, 突出潜在的损害, 并协助鉴定旧作品。

除了古艺术品之外,无损检测技术在检测皮肤癌,确保涡轮叶片涂层的适当粘附性和测量汽车涂料的厚度等方面也有潜在的应用。这项研究的报道见刊于11月8日的《Scientific Reports》杂志。

“这项技术使我们能够在高分辨率下看到一幅画的表层下面是什么, 深入评估使用了什么样的技术, 并确定可能存在什么缺陷,” 佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的副教授和位于法国梅斯的佐治亚理工学院-法国国家科学研究院国际实验室的研究员Alexandre Locquet如是说。“利用这一点,我们可以得到艺术历史研究者以前没有的信息,而且我们可以提供可能有助于保存和修复这些旧画的信息。”

研究人员研究了出自Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato画室的 “Madonna in Preghiera”这幅画,该画从位于法国梅斯的拉库尔德奥尔博物馆借出。这次测试中,他们把艺术作品正面朝下放在了一个设计用来支撑画布使之不会垂下的台架装置上。

使用商业太赫兹扫描仪,然后通过太赫兹辐射脉冲大约每200微米检测一次绘画。扫描仪由一个电磁波发生器组成,它发出的信号穿透画面的连续层。

图为Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato画室的 “Madonna in Preghiera”画作。这幅画通过太赫兹反射技术进行研究。援引:Alexandre Locquet

光束的一部分从颜料中反射回来,从每一层产生信号扫描整幅画,类似于用来制作电视图像的光栅图案。

计算机通过所谓的基于稀疏性的时域逆卷积的信号处理技术来处理数据,分离由每层反射的信号以构建图像的三维图。画布的支撑物,地面,不规则图案,底纹,图示和颜料层被确定,连同先前未知的颜料修复。

“我们的技术类似于地震学中可以用来识别地面上不同岩层的方法,” 佐治亚理工学院电气与计算机工程学院教授David Citrin如是说。“在这种情况下,地震学家发出一个声音脉冲,然后测量所得到的回波。同样地,我们使用约为一太赫兹频率的电磁辐射脉冲,然后观察各层的反射,这是一种被称为地层学的科学。”

如果没有信号处理, 研究人员可能只能识别100到150微米厚的层。但是通过这种先进的处理手段,他们就能够分辨出厚度仅为20微米的层。Citrin表示,18世纪以前完成的绘画一直是挑战性的研究,因为他们的颜料层往往很薄。虽然研究人员希望能够在将来获得这些信息, 但这种技术不能解决同种颜料。

“这是非常重要的,因为多年来人们一直试图使用原始数据,但是在不处理信号的情况下,你真的看不到这些数据,”他介绍道。“将太赫兹信号与信号处理耦合起来很有效果。”

太赫兹辐射也被称为亚毫米波辐射,频率极高。它可以很轻易地穿透颜料层,尽管它也会被碳黑等导电颜料阻挡。太赫兹成像技术可以作为传统艺术品分析技术的补充手段,如X射线,核磁共振成像和光学成像。

图为Giovanni Battista Salvi da Sassoferrato画室的 “Madonna in Preghiera”上反射的原始太赫兹信号。援引:David Citrin

包括研究生Junliang Dong及其合作者Marcello Melis在内的研究团队也研究了其他的绘画,并计划对12世纪的木版画中的一小部分成像。这项工作极具挑战性,因为涂料很薄且木材表面也遭受损坏。

Citrin认为这项研究是第一个在18世纪前的艺术作品中发现单个颜料层的研究。

“不同的技术提供了不同的信息,可能对艺术品修复者和历史学家有用,”他说。“太赫兹技术给了我们对大型物体成像相对快速和低成本的综合能力。我们已经证明,你不需要通过一个花哨的系统来提取有用的信息。”

除绘画之外,Citrin的研究小组还透过厚厚的氧化层对拜占庭帝国的硬币成像,并试图在中世纪的铅制十字架上读到一个被氧化层遮蔽的题字。他们也正与香港的一个研究小组合作,利用这项技术来鉴定皮肤层从而检测皮肤癌,并与另一个测量复合材料损伤的研究小组合作。

“太赫兹成像仍然是一个新兴的领域,必须寻求其最好的应用,” Locquet说。“我们希望为此做出贡献,并乐于运用于科学和工程学来支撑人文学科。”

来源: https://phys.org/news/2017-11-imaging-technique-secrets-17th-century.html

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