浅谈艺术品多光谱再现技术

桑恺阳 林茂海 吴光远 刘奔

艺术品是人们在生产生活中对大自然以及人类自身的记录与体现，通过多种表现形式，诠释人们对美的理解与追求。艺术品作为我国古代文明和文化的重要载体，它为研究古代的文化、政治、科技、经济等方面提供了大量的实物素材，特别是其表面的颜色信息使其具有极高的艺术价值和研究价值。随着时间的推移，艺术品难免会出现风化、霉变、剥落等问题，导致艺术品的颜色信息存在褪色、掉色、变色等问题。鉴于艺术品表面颜色信息的珍贵性和损坏不可逆性，迫切需要对文物的颜色信息进行高保真、高品质地获取与再现。

艺术品再现技术

目前，艺术品再现有3种技术，如下：

①人工临摹。人工临摹必将会掺杂临摹者的笔墨个性，因此只能够取其大意，不能够完美地将其笔墨神韵呈现出来。

②传统雕版水印工艺的复制。传统雕版水印工艺的复制工艺繁杂，要求操作人员有极高的雕刻与绘画技能，因此费工费时、成本高，而且雕版也难以保存，更难以承担成百上千件作品的复制任务，而近代陆续出现的珂罗版技术、铜版印刷、丝网印刷和胶版印刷等方法，亦有难以克服的局限。

③数码仿真技术。色彩管理是采用数码仿真技术进行艺术品复制的关键和核心，是以色彩空间变化为核心的色彩控制技术。它通过色彩空间转换来实现色彩逼真地再现。由于可调性好，且最大可能追求与原作的一致性，因此是目前艺术品复制常用的技术。

艺术品多光谱再现技术

现有艺术品颜色信息的再现技术仅仅能够表示在特定外界观察环境和光源下艺术品表面的颜色信息，而当外界观察环境发生变化时，艺术品颜色与再现颜色就不再匹配，是因为艺术品颜色与再现颜色的光谱反射率存在差异，丢失了艺术品颜色的光谱信息，导致出现同色异谱问题。

1.艺术品多光谱再现技术的原理

多光谱颜色再现是指原图像颜色与复制品颜色具有完全一致的光谱反射率。基于多光谱的艺术品颜色信息再现方法以光谱反射率为媒介，能够实现在任意外界观察环境下艺术品颜色与再现颜色之间的匹配，进而有效地满足各种高精度颜色信息获取和高保真颜色再现的需求，从根本上保证艺术品颜色再现的一致性，其技术原理为：

首先，在多个滤色片对光线选择性透过的基础上，采用多光谱图像采集设备获取源图像，并获得源图像的多光谱数据，再利用光谱反射率重建算法获得源图像表面颜色的多光谱图像；然后，根据光谱降维技术构建光谱设备无关连接空间（ICS）解决高维光谱数据存在的信息冗余问题，在此基础上可对目标设备光谱域进行描述，将多光谱图像映射到目标设备光谱域范围内；最后，在不同的外界观察环境和光源下实现颜色精确匹配的艺术品颜色再现。

2.艺术品多光谱再现技术的流程

一个完整的基于多光谱的艺术品颜色信息获取与再现流程框架如图1所示。基于多光谱的艺术品颜色信息再现技术流程可分为多光谱图像获取（实例如图2）、光谱域映射以及多光谱图像输出（实例如图3）3个部分。

①多光谱图像获取是基于光谱的跨媒体颜色再现流程中关键技术和核心环节，其获取多光谱图像的准确度直接决定着最终多光谱图像的再现精度。通过多光谱成像系统对源图像进行采集，获得多通道相机响应信号，并对其中的光谱特征化参数进行测量。

②光谱域映射算法是整个光谱域映射的核心环节。光谱域映射采用在基于降维技术的ICS内进行，ICS的特性直接影响着设备光谱域描述的精度及可视化程度。由于ICS空间构建的机理是光谱降维技术，因此按照其降维原理可以分为两大类：一类是多元统计分析法，其主要是基于光谱数据之间的相关性或波段之间的相关性利用多元统计理论进行光谱数据降维。另一类是同色异谱黑补偿法，其主要是依据颜色光谱信息可分解成基本光谱和同色异谱黑光谱；基本光谱决定着颜色的色度信息，而同色异谱黑光谱决定着颜色的光谱精度，从一组具有相同色度的光谱中确定。

③多光谱图像经光谱域映射后需要通过打印机等设备输出才能最终实现其跨媒体光谱颜色再现，而在输出之前需要将多光谱图像中各个像素对应的光谱值转换输出设备驱动值。

3.艺术品多光谱再现技术的优越性

多光谱再现技术更好地解决了现今艺术品再现技术的根本缺陷，采用光谱数据对不同外界观察环境和光源下艺术品的颜色信息进行分析和修正，消除了外界因素导致的颜色信息的缺失问题；并利用光谱数据优化油墨集，扩大了印刷的色域，最大程度消除了印刷中出现的同色异谱现象，从而实现了艺术品的高保真再现。

艺术品多光谱再现技术的应用趋势

随着数字技术的发展以及介质的广泛使用和色彩控制能力的提升，喷墨打印登上艺术品再现的舞台。艺术品再现的关键之一在前端图像采集。电子文件的质量越高，复制出的产品越好。与多光谱图像密切相关的光谱颜色科学研究早已备受众多科学家的关注，并且多光谱再现技术在颜色科学领域的发展已经应用到了不同的行业，而艺术品再现就在其中。为了更好地服务于艺术品的再现，多光谱再现技术的应用趋势主要体现在高保真印刷和印刷色彩管理两个方向。

1.高保真印刷

进一步构建完善的光谱颜色再现理论体系，从多光谱反射率重构、多光譜反射率降维、低维连接空间建立、光谱域映射到光谱分色，有效地解决了传统颜色匹配导致的同色异谱问题，最大程度地保证颜色信息在多种媒体中的高保真再现。

2.印刷色彩管理

印刷色彩管理技术是实现高保真印刷的关键。当前颜色复制常用的ICC色彩管理技术，需要预定义参数且不能实现实时转换，从而限制了颜色转换的精度；而基于色貌模型的色彩管理技术虽然对ICC色彩管理机制进行了改进，但其模型过于复杂，参数众多，实际应用较困难。基于光谱的色彩管理系统可解决色貌模型不能真正实现颜色的精确再现的问题，并且提高复制精度，颜色数据标定唯一，为艺术品的高保真再现提供了保障。

作者单位：齐鲁工业大学