高光谱反射成像数据立方体包含大量数据中的丰富信息。因此，对自动化流程以管理和研究这些数据集的需求具有充分合理性。光谱角制图、数据处理与一种用户可调节的分析方法相结合，构成了探索实验结果的关键手段。
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摘要
摘要
反射光谱法（Reflectance Spectroscopy, RS）和光纤反射光谱法（Fiber Optics Reflectance Spectroscopy, FORS）是用于艺术品研究的成熟技术，尤其适用于绘画作品的分析。目前大多数现代博物馆为其研究团队配备了便携式设备，结合RS与FORS本身所具有的非侵入性特点，使得在不损害艺术品的前提下开展现场分析成为可能。 原位 从文物表面采集反射光谱。由颜料和绘画材料专家将实验数据与参考光谱数据库进行比对，从而实现对艺术家所用颜料色板及绘画技法的表征。然而，这种方法需要专业知识，且耗时较长，尤其当需要分析的光谱数量庞大时——例如高光谱反射成像（HRI）数据集的情况。HRI实验装置是多维相机，可将反射光谱提供的光谱信息与光谱在绘画表面的空间位置相关联。所得数据集为三维立方体（称为高光谱立方体或数据立方体），其中前两个维度表示光谱在画作上的空间位置，第三个维度为光谱本身（即该点绘画表面反射率随探测器工作波长范围内的波长变化情况）。探测器能够同时采集大量光谱（通常每个高光谱立方体包含远超10,000个光谱），使得HRI数据集成为信息丰富的资源，也因而有必要开发稳健且尽可能自动化的数据分析流程。在介绍数据采集流程之后，我们提出一种系统性挖掘高光谱立方体潜力的分析方法。该方法基于光谱角制图（Spectral Angle Mapper, SAM）及对采集光谱的处理，可同时处理和分析数千个光谱，并在此过程中提供支持 用户揭示所研究样品的特征。该方法的强大之处通过将其应用于 第四等级，意大利米兰（意大利）二十世纪博物馆收藏的朱塞佩·佩利扎·达·沃尔佩多的标志性杰作。
引言
反射光谱法（Reflectance Spectroscopy, RS）和光纤反射光谱法（Fiber Optics Reflectance Spectroscopy, FORS）基于检测物体表面在光源（通常为钨卤素灯）照射下反射的光。采集系统的输出为光谱数据，其中反射率作为波长的函数在特定波长范围内进行监测，该范围取决于所用实验装置的特性。1,2,3在过去的四十年中引入4,5，RS 和 FORS 通常与X射线荧光及其他光谱技术联用，以分析艺术家创作杰作所使用的材料和技法6,7,8,9反射光谱的研究通常通过将样品数据与用户在个人或公共数据库中选择的一组参考光谱进行比较来完成。一旦选定符合样品制作时期及其他相关条件的参考光谱，并与样品光谱特征相匹配，即可用于进一步分析。 运作方式 艺术家的身份已被确认后，用户能够识别反射光谱的主要特征（即，过渡带、吸收带和反射带）....
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方案
1. 设置超立方体的空间分辨率
- 对涂漆表面进行初步检查（图1由艺术专家支持以识别画作的主要特征。
- 识别艺术家在创作绘画时所采用的图像表现技法。
- 识别画布上不同的笔触。
- 定性估计笔画的特征，特别注意其尺寸大小。
- 模仿艺术家所使用的图示技法进行创作 临时的 笔触特征与该艺术家所用笔触相似的测试样本。
注意：佩列扎·达·沃尔佩多（Pellizza da Volpedo）是一位分色主义画家。已邀请一位修复师制备若干测试样本，以定性再现目标画布的笔触特征（图2，第 A 列). - 设置待测表面与采集设备之间的距离。
注意：距离决定了高光谱数据立方体的空间分辨率26 因此，有可能区分绘画表面图像和SAM图中的笔触。- 根据高光谱相机的特性，评估样品表面与采集设备之间的距离26 (材料表) 以及测试样本中绘制的笔触大小。
- 将采集平台和高光谱相机置于上一步骤确定的距离处。将测试样品放置在平台上，并确保样品表面 illumina....
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结果
本方案提出了一套用于管理与分析人机交互（HRI）数据的实用功能。在应用任何分析方法之前，原始数据的输入/输出（I/O，步骤 3.1）始终是首先需要解决的问题，而在处理大量数据时，这一问题可能尤为关键。在当前方案中，针对原始数据的唯一操作是将实验结果存储到一个专用文件夹中，并在运行读取代码时通过浏览硬盘选择该文件夹（步骤 3.1.1）。随后，裁剪与RGB重建代码可用于进一步细化待分析数据的选择（步骤 3.1.2），并检查在采集高光谱数据立方体时实验条件是否已正确设置（步骤 3.1.3，详见图4及讨论部分的详细说明）。
在确认数据立方体已正确采集后，该算法提供了多种选择端元以进行SAM分析20,21（步骤3.2）。前两种选项（步骤3.2.1和3.2.2）通过手动选择若干孤立的测量点（图5A），或通过自动采样画作表面，在.......
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讨论
高光谱反射成像数据集蕴含大量信息，因此开发稳健且可能实现自动化的数据分析协议，是充分发挥其潜力的关键环节15,17。本研究所提出的算法针对文化遗产领域，特别关注绘画颜料的表征，满足了这一需求。该算法基于SAM20,21，可在从实验条件设置到颜料分布评估的整个分析过程中为用户提供支持。尽管该算法目前尚不具备完整的图形用户界面，也未提供结果可视化工具（为此已采用一款开源软件31，并推荐使用，详见材料表），但其所实现的多种可调参数和分析策略在很大程度上弥补了这些不足。
该方案根据样品和探测器的特性设置采集系统。一方面，佩利扎·达·沃尔佩多采用的分色主义技法 第四阶级 要求高光谱数据立方体能够区分并列放置的不同颜料的小笔触。另一方面，高光谱相机的焦距范围为15.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由伦巴第大区政府资助，项目名称为MOBARTECH：一个用于历史艺术遗产的研究、保护与价值提升的移动技术平台、互动与参与式平台——研究与创新合作协议招标项目。
作者感谢二十世纪博物馆工作人员在研究期间提供的支持 原位 实验环节以及佩利扎·达·沃尔佩多协会对工作室博物馆的访问支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ImageJ/Fiji | Specim (芬兰奥卢) | N/A | 用于采集高光谱数据立方体的便携式反射率高光谱相机 |
| MATLAB 2019b | StellarNet 公司（美国佛罗里达州坦帕） | N/A | 用于采集独立反射光谱的便携式反射光谱仪 |
| Specim IQ 高光谱相机 | 美国国立卫生研究院（美国马里兰州贝塞斯达） | N/A | 开源的 Java 图像处理程序 |
| StellarNet BLUE-wave 微型光谱仪 | MathWorks 公司（美国马萨诸塞州纳蒂克） | N/A | 编程语言及数值计算环境 |
参考文献
- Picollo, M., et al. Fiber Optics Reflectance Spectroscopy: a non-destructive technique for the analysis of works of art. Optical Sensors and Microsystems. , Springer. 259-265 (2002).
- Bacci, M., et al. Non-destructive spectroscopic investigations on paintings using optical fibers. MRS....
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