制器為先，科研創新為文物保護帶來技術新突破

近年來，越來越多的科學技術手段被應用到文物保護中來。中國—希臘文物保護技術“一帶一路”聯合實驗室（以下簡稱“中希文保聯合實驗室”）堅持技術引進與自主創新相結合，研發出一批先進文物保護技術和設備，為文物保護工作帶來技術新突破。

鐳射清洗守護漢白玉的美

漢白玉是一種白色的大理石，在我國古建築中廣泛用於地面、臺基、樓梯、欄杆等處。經年累月，漢白玉很容易附著包括黑色結殼在內的各種污染物，不僅影響美觀，還會造成石材粉末化和表面脫落等不可逆轉的損傷，影響基材的壽命。

歐洲的文保工作者已開始廣泛使用鐳射清洗技術，清洗如希臘帕特農神廟石雕、法國亞眠大教堂石刻等石質文物表面的污染物，取得了良好效果。在國內，也有研究人員試驗用鐳射清洗雲岡石窟砂岩文物表面污染物。然而，這一技術在清洗漢白玉時卻遇到了問題。

“目前，國際上通常使用1064nm波長鐳射清洗石材表面的黑色結殼。然而，在使用1064nm波長鐳射清洗白色大理石時，其表面可能會發生顏色變黃的現象，這樣的處理結果是與文物保護的基本原則相違背的。”故宮博物院文保標準部副主任、研究館員劉建宇告訴《中國報道》記者。

針對這一問題，中希文保聯合實驗室結合國際先進經驗，展開多次實驗，確認同時輸出1064nm和355nm波長的鐳射可以在一定程度上抑制鐳射清洗石質文物時的變色效應，對其他多種類型污漬也有較好清洗效果，開創性提出了多參量調控文物鐳射清洗的方法。

2020年，中希文保聯合實驗室籌建之初，便全力投入相關裝置的研發任務。故宮博物院文保標準部副研究館員李晨毓告訴《中國報道》記者，相關裝置研發的難點在於實現多個鐳射波長的單一或混合輸出。故宮博物院、中國科學院空天資訊創新研究院和希臘電子結構與鐳射研究所（IESL）在內的中希文保聯合實驗室研究團隊經過技術攻關，最終在2021年底基本完成了多參量調控文物鐳射清洗裝置的研發。

據介紹，經過巧妙的搭建，這一裝置實現了1064nm、532nm和355nm三個波長鐳射的可控組合輸出，可以針對所要清洗的文物類型定制輸出多波長多參量的複合鐳射，並於2022年4月開始在故宮博物院調試。

中希文保聯合實驗室研究團隊分別針對石質、金屬和陶瓷等材質的模擬樣品和文物本體殘塊進行了鐳射清洗實驗，測定損傷閾值，開展文物的適用性研究，均取得了不錯的效果。其中，對石質樣品的清洗尤其成功，在清洗石質文物表面黑色結殼污染物、暗黃色污染物和油漆點時幾乎不會損傷基體。

目前，中希文保聯合實驗室已分別在故宮博物院和中國科學院空天資訊創新研究院搭建了一套納秒脈寬和一套皮秒脈寬範圍的多參量調控鐳射清洗設備，未來將研發更為先進的第二代裝置，屆時有可能在更大範圍示範應用，或將對我國古建築保護産生革命性影響。

高光譜成像為文保工作者添加“透視眼”

我國擁有極為豐富的書法繪畫類文物資源，承載著中華悠久的文明史與深厚的文化內涵。分析顏料成分和用法是古書畫文物的重要研究內容，但以往的技術手段少則要測幾十個點位，多則要測上百個點位，而且效果不是很好，無法準確識別混合顏料的成分。

“目前，將成像技術與光譜技術相結合的高光譜成像技術已成為古書畫文物保護的最新研究方向。”故宮博物院文保標準部標準檢測組組長、副研究館員李廣華告訴《中國報道》記者。

據了解，高光譜成像技術有三大優點。一是使用可見光和近紅外光譜，相較于拉曼光譜、紅外光譜等過去常用的光波，可以實現完全無損檢測；二是具有圖譜合一的特點，能極大提高文物分析的效率，在鑒別顏料成分的同時，還可以結合圖像資訊進行數據處理，得到顏料成分的濃度分佈圖，對於混合顏料的分析以及調色工藝的研究具有重要價值；三是近紅外波段能穿透大部分礦物顏料，探測到被顏料覆蓋的底層墨線，發現畫作中不易察覺的隱藏資訊。

該技術不僅適用於古書畫，也適用於壁畫、油畫等彩繪類文物。此外，在高光譜成像技術基礎上，通過數據增強處理，原本模糊不清的資訊可以轉化為更清晰的圖像，包括作畫時的塗抹痕跡、隱藏的文字、底稿以及後期修復的痕跡等。

基於高光譜成像技術，中希文保聯合實驗室聯合中國科學院空天資訊創新研究院共同研製了一款大幅面文物專用高光譜自動掃描系統。據了解，該系統可對文物進行全面掃描成像，最大掃描範圍為2m×2m，可滿足大部分大尺寸畫作的分析需求。

中希文保聯合實驗室使用該系統對紙本書畫《丁觀鵬畫不二尊者圖軸》、唐卡《吉祥天母畫佛像》等文物進行掃描和數據處理，得到許多新發現。如在《丁觀鵬畫不二尊者圖軸》用紙背面發現了一篇墨跡模糊的經文；在《吉祥天母畫佛像》某處並沒有畫馬蹄的地方，透過顏料涂層，發現了馬蹄輪廓的底稿線。

李廣華表示，該系統所帶來的技術優勢將文物的保護和研究提升到一個新的高度。目前，中希文保聯合實驗室基於這一系統正在開發用於書畫、青銅器等類文物病害識別與劣化程度評估的無損檢測方法及其技術標準，未來將在文物數字化存檔、文物診斷、文物修復等方面發揮重要作用。

鐳射全息散斑干涉診斷文物病害

從墻上的壁畫到繪于帆布的油畫，甚至是陶瓷等製品，在各種環境因素的作用下，其表面或內部都難以避免出現裂紋等病害，若放任其生長，將對文物保存帶來風險。如何監測病害並評估其對文物保存現狀的影響，是文物保護領域一個重要且經久不衰的課題。

李廣華告訴《中國報道》記者，文物上常見的裂縫、空鼓等結構性病害往往由微裂縫發展而來，肉眼觀察不到微裂縫的位置和形態。為此，研究者們想到了鐳射全息散斑干涉技術。

鐳射全息散斑干涉技術基於鐳射干涉原理，可記錄和重建三維物體的相位資訊，不僅能實現三維形貌檢測，同時也能結合外部激勵方式，通過干涉條紋的異常特徵檢測出被測物體表面或亞表面的微觀形變。

早在20世紀70年代，鐳射全息散斑干涉技術就被用在對壁畫文物的病害成像研究，但由於當時缺乏數字記錄設備，並未得到廣泛應用。近年來，隨著數字技術的發展，希臘電子結構與鐳射研究所（IESL）的研究人員利用鐳射全息散斑干涉方法，在檢測文物病害方面獲得顯著成效。

據上海大學教授周文靜介紹，該方法在應用上存在一個難點，即干涉條紋圖案中也包含了被測物體在激勵作用下發生整體形變形成的背景干涉條紋，需要擁有豐富的相關專業經驗才能分辨，不利於技術的推廣。對此，上海大學于瀛潔、周文靜團隊研究出一種可以簡便有效地分離複雜背景干涉條紋的新方法，並基於此方法與中希文保聯合實驗室聯合研製了一套文物專用鐳射全息散斑干涉設備。

   超高清三維數字化技術讓靈沼軒“重生”

文物三維數字化是通過數字技術將文物實體生成具有三維空間特徵的虛擬可視化數據形態。該技術在文物保護、研究、展示等方面發揮著越來越重要的作用，中希文保聯合實驗室也對此展開了相關研究。

故宮博物院文保標準部標準體系組組長、館員黃婧告訴《中國報道》記者，文物難免會因時間而發生各種變化，三維數字化可以留住其原來的樣態。對已經有缺損的文物，可以逆向推出破損部位的數據，建模出文物原貌。有需要時，還可以3D列印出缺損部位用於修補。

“中希兩國都擁有大量古建築遺跡以及青銅文物，因此中希文保聯合實驗室重點將這兩大類文物作為三維數字化研究的實體對象。”故宮博物院數字與資訊部副主任、中希文保聯合實驗室副主任、副研究館員黃墨樵介紹道。

為更好實現對文物的科學精細化保護，也為匹配新一代超高清顯示終端，需要採集兼具高精度幾何資訊和高還原度顏色資訊的文物超高清三維模型數據。傳統數據採集方法是用三維掃描和攝影測量，但這兩種方法各有不足。

故宮博物院數字與資訊部應用研究組副組長、高級工程師張沛沛告訴記者，三維掃描不能很好獲取文物顏色資訊，而攝影測量雖然能較好獲取文物顏色資訊，但在幾何精度方面又不及三維掃描。對此，中希文保聯合實驗室自主研究出一種將三維掃描和攝影測量相結合的新方法。

據了解，他們設計了一種帶二維碼的“一體化裝置”，掃描時“一體化裝置”和文物一起被掃描，形成空間坐標；攝影時二維碼又被相機識別，自動關聯到掃描數據，實現二者“對齊”，在提升效率和精度的同時，獲得高還原度的顏色資訊。

張沛沛告訴記者，中希文保聯合實驗室研究團隊以故宮博物院延禧宮靈沼軒作為石質古建築採集對象，傳統方法建模需要一個月的時間，新方法只用了一週，而且模型97%的點位偏差小于1毫米，石雕上深度0.3毫米的刻痕都能清晰還原，為未來文物修復提供毫米級數據支撐。此外，新的超高清三維數字化技術也為三星堆青銅器碎片修復工作提供了精準的數據支撐與方案制定。

故宮博物院數字與資訊部數字展示組組長、工程師張雨辰告訴記者，中希文保聯合實驗室研究團隊還研發了基於增強現實技術的導覽程式，遊客通過手機可以看到靈沼軒的虛擬復原樣貌，讓這座未能完工的西洋式建築實現了數字化“重生”。

據介紹，在研發過程中，故宮博物院與希臘德謨克利特國家科學研究中心、希臘研究和技術基金會（FORTH）電腦科學研究所（ICS）、雅典衛城博物館，以及伊拉克利翁考古博物館等希臘科研機構和博物館建立了聯繫，就加強文化遺産數字化領域合作達成共識。兩國專家還開展了面向文博從業人員的系列授課，為加強三維技術在文物保護工作中的運用提供助力。