第一章 数字化设备与技术

一 图像采集设备

（一）胶片相机

1．发展历史

胶片相机，是一种利用光学成像原理形成影像并使用特殊光感材质制作的底片来记录信息的设备。早在公元前4世纪的战国时期，我国思想家墨子就已经发现了小孔成像，并记载在《墨经》中。这是人类关于光的直线传播的最早记录，同时期，古希腊思想家亚里士多德也从相同现象中归纳得出“光学法则”。1822年，法国发明家约瑟夫·尼塞费尔·尼埃普斯使用涂有柏油的玻璃板作为感光材料，成功获得世界上第一张照片。随后，法国美术家和化学家达盖尔发明了银版摄影法，摄影艺术由此诞生。后来，摄影的流行极大地推动了胶片相机的发展。1888年，美国柯达公司生产出了新型感光材料——柔软、可卷绕的“胶卷”。这是感光材料的一个飞跃，至此，胶片的形态固定下来。在之后很长的一段时间，胶片相机都是摄影界最主要的工具之一。

进入21世纪后，数字技术发展迅猛，数码相机便捷、随时拍摄、随时浏览、随时修改、随时分享的压倒性优势，让大多数用户站在了数码相机这一边。但在建筑摄影、电影拍摄尤其是文物摄影等领域，胶片相机依然发挥着重要作用。胶片相机的底片影像层次感强，色彩自然，图纸细腻，宽容度大，能更好地呈现亮部和暗部的细节，在画幅和质感等方面具有明显优势，加之胶片数字化的存在，胶片摄影将在相当长的一段时间内与数字摄影共存。文物保护的过程中，一般要留存文物的空间形态、表面纹理和成分等信息，其中纹理信息是反映文物色彩和直观形象最为主要的信息，因此胶片在文物摄影领域仍有不可替代的作用。

2．技术简介

小孔成像是相机成像的基本原理。所谓小孔成像，是指由于光的直线传播特性，光线穿过小孔时光源上下部分交换，但成像形状不变，像与光源形状相同，如图1.1所示。

一般来说，胶片相机的成像结构如图1.2所示，主要由凸透镜、快门、透镜组1、透镜组2以及底片组成。拍摄的影像光线穿过这些部件，投射到底片上从而成像。组件中的焦距调节系统与快门系统是由透镜组1和快门构成的，两者连接在一起。在电机的带动下，透镜组1和快门可以通过前后移动进行焦距调节，以获得最清晰的图像，并由快门控制曝光时间。

每种胶片（包括彩色胶片）包括一个单层或多层的感光乳剂层和它的支持体——片基。光线照射到乳剂层上后会发生晶体聚结（曝光越强，晶体聚结后的颜色越深），底片上将呈现出不同的层次，产生潜影，在进行显影操作后，便产生影像。彩色胶片有三层感光乳剂层，在这些乳剂层里同时含有彩色耦合剂（成色剂），这些彩色耦合剂在彩色显影时能与彩色显影剂的氧化物耦合成为有色的染料，从而形成彩色影像。

3．典型案例

中国历代绘画大系

由浙江大学、浙江省文物局共同编纂的“中国历代绘画大系”（简称“大系”）是习近平同志2005年批准，多年来一直高度重视、持续关注，并多次做出重要批示的一项规模浩大、纵贯历史、横跨中外的国家级重大文化工程。“大系”团队跋山涉水，共梳理、精选并高精度地拍摄、收录了海内外267家文博机构的纸、绢（含帛、绫）、麻等材质的中国绘画藏品12250余件（套），包括国内125家文博机构的9000余件（套）藏品和国外142家文博机构的3250余件（套）藏品，拍摄高精度底片23000余张，涵盖了绝大部分传世的“国宝”级绘画珍品。

在如此浩瀚的工程中，“大系”团队选择使用8英寸×10英寸的大画幅胶片相机记录中国画的原貌，这是因为胶片可以最大限度地还原中国画独特的水墨滋润感、层次感以及颜色的厚重感。中国画含有大量的中性灰色，这是中国画的重要特点。这种水墨画的灰色有无限的级数，而数码成像对次黑场至灰色部分的色彩层次表现能力较弱，胶片相机却拥有更高的色彩容忍度，从而让被岁月不断侵蚀的中国古画以目前最高精度、最高质量、最为真实的面貌永存。并且，大画幅的胶片可以原大甚至放大展示古画的局部，为研究者和学习者提供了纤毫毕现的古画细节。图1.3展示的是项目团队基于“大系”制作的书影。

哈佛大学利用玻璃底片相机进行考古记录

早在20世纪初，哈佛大学的研究人员就利用玻璃底片相机在埃及金字塔进行考古记录工作，图1.4是哈佛大学学者利用玻璃底片相机在吉萨金字塔拍摄的石质人首。

青州博物馆藏24号贴金彩绘石造像

浙江大学对青州博物馆藏24号贴金彩绘石造像使用8英寸×10英寸画幅的胶片相机和哈苏H5D-200C数码后背相机分别进行了拍摄。胶片相机拍摄的结果用海德堡DC3000扫描仪转化为数字图像，哈苏H5D-200C相机在2亿像素拍摄模式下工作。因采用了不同光源系统，在色温方面略有差异。图1.5、图1.6展示了整体和局部的对比效果。

（二）数码相机

1．发展历史

如果说胶片相机的发明带动了人类历史记载方式的进步，那么数码相机的普及无疑是另一场变革，使未来社会的历史考证变得不再模糊。自从20世纪80年代松下、COPAL、富士、佳能、尼康等公司纷纷推出各自的数码相机原型以来，数码相机几经演变，进入90年代后开始蓬勃发展。1999年，尼康公司发布了首款自行研制的单反数码相机D1。早期的数码相机均以CCD为感光元件，但其昂贵的成本使普通消费者望而却步。2003年，佳能公司的全新单反EOS 300问世，此款采用APS-C画幅CMOS图像传感器，因此成本大幅降低，首发售价低于1000美元，轰动整个数码单反相机领域，推动了单反数码相机平民化发展的进程。至此，CMOS开启了数码感光元件领域新的征程，如今CMOS已占据几乎整个数码相机市场，CCD已逐步消失。

数码相机的出现不仅在文化遗产信息留存的过程中，对于图像采集的工作起到了重要作用，同时也促进了文物数字化的发展进程。由于数码相机轻巧方便，在文物图像采集过程中，可使用它拍摄大量的文物图片。其优点首先在于拥有感光器件，在色彩和亮度的表现上相对出色。拍摄文物时，使用低ISO值设定，可提高画面清晰度。其次，数码相机通过白平衡的调节，可在不同光线照明条件下拍摄，极大地保持色彩平衡，很好地解决了在拍摄中出现的偏色问题。最后，数码相机在拍摄时由于拍摄者所看到的图像就是镜头捕捉到的画面，所见与所得基本上一致，所以画面的边缘设定更加灵活，画面结构相对完整，更能说明主题。

此外，数码相机还有开机速度快，省电，可以手动设置拍照参数、进行特殊拍摄等优点。文物图像有着重要的内涵与价值，这也是需要大量采集文物图像信息的主要原因，通过数码相机采集文物图像资料可以解决许多重要实际问题。

2000年，数码相机的技术达到了可以使用的最低要求，当时敦煌研究院的科研人员为了保证整体像素足够多，采用了小块拼接的方法，一面墙是由上千张小照片拼接起来的。这样的操作花费了大量的时间和精力。但数码相机不断的发展使得这一过程不断简化，到2005年，数码相机的像素达到了能够满足需求的水平，操作流程大大简化。敦煌研究院经过20多年的艰苦探索，如今已形成一套完整的数字化采集工作流程，截至目前已经完成了200多个洞窟的数字化采集工作。

2．技术简介

数码相机通过图像传感器将光学信号转变为电信号，再通过电路转换实现数字化，并经过图像处理器分析计算，最终通过显示器还原为我们肉眼看到的真实影像。

CCD和CMOS是数码相机中最常用的图像传感器，基于内部光电效应工作。在光电二极管 p-n 联结的耗尽区，有足够能量的入射光子将产生电子-空穴对，从而产生光电流。光电效应产生与辐射功率成线性比例的电流，曝光期间收集的电荷需要存储、放大并最终转换为数字信号。其中包含的微小光敏组件（像素）越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD和CMOS的作用就像胶片一样，能感应光线，并将影像转变成电信号。CCD可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和重现。CMOS是指互补金属氧化物半导体，作为一种低成本的感光元件，接收外界光线后将光能转化为电能，再通过芯片上的模-数转换器(ADC)将获得的影像信号转变为数字信号输出。

CMOS与CCD主要有以下不同：第一，成像过程中产生的噪声水平高；第二，集成性高；第三，读出速度快，地址选通开关可随机采样，获得更快的速度；第四，由于CMOS集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。CMOS电路消噪技术的不断发展为生产高密度优质的CMOS提供了良好的条件。

CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。CMOS的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声减少，需由高压差改善传输效果。但CMOS将电荷转换成电压，电源消耗量比CCD低。CMOS的另一个优点是整合性高，体积大幅缩小，且良品率高，并与计算机技术整合，实现了规模化生产，成本大幅降低。图1.7为CCD和CMOS信号转换示意。

H5D-200C以哈苏首款CMOS中画幅相机H5D-50C为基础，结合多重拍摄技术，将4、6张相片以每1或1/2像素移位合成得到一张2亿像素的照片。多重拍摄技术原理如图1.8所示。

由于文物的不可再生等特性，对文物保护工作而言，抢救性记录尤为重要。数码相机允许用户使用同一个传感器进行拍摄和分析，可以实时调整曝光及对焦，拍摄的图像“所见即所得”。这对文物保护工作而言具有得天独厚的优势，目前数码相机已被广泛应用于文物保护行业。同时，数码图像可以方便地存储在电脑上，专业级的数码相机拍摄后得到的RAW格式文件，还可以在Photoshop等软件中进行编辑，允许用户在出片前自行调节诸如对比度、饱和度和锐度等参数，大大提高了工作效率。目前的数码相机在图像分辨率和色彩容忍度等方面已经可以满足文物保护领域的绝大部分需求，已经逐渐成为文物数字化记录工作中的主流设备之一。

3．典型案例

中国美术史发展到南北朝时期，中原地区北朝壁画艺术的卓越代表就是距今1500余年的娄睿墓壁画，画作精美逼真，震惊美术界。此墓出土于 1979—1981年，轰动了整个中国文物考古界和绘画艺术界，被誉为当时国内十大考古发现之一，其壁画是上承魏晋、下启隋唐的代表作，填补了绘画史上的空白。

浙江大学采用基于多图像的三维重建技术对一组馆藏娄睿墓壁画（长1.7米，高1.6米）按照正射影像输出分辨率为350dpi进行技术实验，使用佳能 EOS-1Ds MarkⅢ相机共拍摄有效原始图像数据368张，完整重建出实验对象的三维模型，模型三角面片数为25904426个，数据量达4.42GB。三维数据清晰地反映了壁画画面内容、笔触、起稿痕迹、修复痕迹等整体内容。图1.9和图1.10为该组馆藏娄睿墓壁画部分结果展示。

（三）平面扫描仪

1．发展历史

平面扫描仪的发明主要应用了光电转化的技术原理。1884年，德国发明家尼普科夫设计了一个穿孔的扫描圆盘，当圆盘转动的时候，小孔把景物碎分成小点，这些小点随即转换成电信号，另一端的接收机把信号重组成与原来图像相同但粗糙的影像，这类似于早期电视的制作原理。到1939年，机械扫描系统逐渐被淘汰。经过技术的迭代与跨越式的发展，如今的扫描技术已与早先截然不同，但承接的脉络依然存在。

20世纪80年代出现了由扫描部件、控制电路和传动部件组成的数字扫描设备，它可采用连续逐行扫描的方式得到待扫描区域的数字信号，并对其进行加工处理，按扫描的先后顺序对这些数字信号加以排列，最后产生图像文件。此设备即为扫描仪。

随着生产加工技术的不断发展，为应对各种不同扫描对象的需求，扫描仪发展至今已经五花八门。我们通过功能来对扫描仪进行大致分类。

手持式扫描仪

原先的手持式扫描仪的主机是与扫描头分离的，其精度较差，一般扫描幅面较小并且难以操作，整体扫描质量不佳。随着技术发展，现在手持式扫描仪已经变为一体机，小巧轻便的设计以及精度的提高，满足了普通办公的需求，开始大量占据市场。但其技术突破主要发生在三维扫描技术方面，出现了许多创新产品，如手持式的三维激光扫描仪，可应用于文物的三维数据采集。

平板式扫描仪

平板式扫描仪又称平台扫描仪、台式扫描仪，主要应用于办公领域。一些专门用于扫描书籍的台式扫描仪可扫描一些书籍类的文物。

滚筒式扫描仪

滚筒式扫描仪主要应用于专业印刷领域，与平板式扫描仪的主要区别是它采用PMT光电传感技术，而平板式扫描仪采用的是CCD或CMOS的传感技术。

大幅面扫描仪

相比于平板式扫描仪，大幅面扫描仪的幅面更大，可达到A0、A1，甚至更大幅面。其主要应用于大幅面的书画或者工程图纸等。大幅面扫描仪适合书画等平面文物的数据采集，较为知名的企业有CRUSE等，其现有的大幅面设备扫描幅面可达1.5米×2.5米，在此幅面下的扫描精度为250dpi，国内很多博物馆都有CRUSE生产的扫描设备。

底片扫描仪

底片扫描仪又称胶片扫描仪，精度一般可达2500dpi。使用底片拍摄保存的珍贵文物资料需要使用此类扫描设备转换为高清图片，一些珍贵的文史类资料可能只存在于这些底片之中了。

还有一些专业领域应用的扫描设备如条形码扫描仪、卡片扫描仪等。

2．技术简介

市面上大部分的扫描仪为平板式扫描仪，其应用面也最广。

扫描仪主要由扫描平台、光学成像部分、机械传动部分、光电信号处理部分组成。扫描平台主要用来放置被扫描物，其四周设有标尺，有正向的非接触式扫描头，也有反向的接触式扫描头，通常有玻璃平板和盖板，可使被扫描物保持平整。机械传动部分可与扫描头相连接，也可与扫描平台连接，功能是使扫描头的扫描线与扫描平台在工作时保持相对垂直的运动，以达到扫描整幅被扫描物的目的。光学成像部分主要由光源、镜头以及电荷耦合器件(CCD)组成。平面扫描仪主要使用线状光源作为照明光源，一般采用冷光源，且需要在可见光波段具有良好的连续性，即光源的显色指数要高，这样被扫描物反射的光才可被镜头接收并成像在CCD上，使CCD采集到的电信号足够充分。镜头决定了最佳扫描距离，CCD与镜头共同决定了扫描仪的精度，而CCD的质量决定了最终扫描图像的成像质量。扫描仪采用逐行扫描的方式从被扫描物上采集信息，以e2v ELIIXA 16K彩色线扫相机作为非接触平板式扫描仪的图像采集模块，其CCD排列如图1.11所示。

其有4行带有滤色片的CCD，每行16384个像素，有两行是蓝红相间的传感器，另两行是绿色的传感器。传感器上使用的滤光片可消除其他波段的光而只保留某一波段的光通过，之所以绿色感光元器件较多是因为绿色光线能量较弱，需要布置更大面积的感光元器件来采集。数模转换器模把3通道的电信号转换成红绿蓝通道的数字图像信号，其再借助图像处理技术便可在计算机上显示。某一个点采集到的RGB通道信息为RG或者BG，另一个缺失的通道需要由左右两侧采集到的通道信号插值取得，如图1.12所示。

3．优势与局限

大幅面扫描仪的成像原理与相机类似又有所区别。扫描仪使用线阵传感器，而相机采用面阵传感器，如果采集对象幅面较大，且精度需求又非常高，那么大幅面扫描仪是最佳选择，原因在于扫描仪与相机中最为昂贵的单一部件为CCD，大面积的CCD非常贵，在高精度的数字化采集中，对成果图像要求的单边像素个数可能就是几万甚至十几万个，而目前市面上的高端相机传感器分辨率通常也只能达到8000像素×6000像素。扫描仪纵向像素是由机械结构带动扫描头获得的，可一次扫描几万行甚至十几万行，完全可以使图像像素达到精度要求。同时，横向像素只需3行CCD就够了，相比相机极大地降低了这部分的成本，使扫描仪的性价比变得更高。而相机想要达到相同的精度，还需要经过分块拍摄与拼接处理，图像也会产生畸变，所以大幅面扫描仪是高精度文物数字化采集的第一选择。另外，对于平整的被扫描物而言，扫描仪的光源经过调校之后，可以使图像照明非常均匀，整体图像质量得到明显提升，而在用相机拍摄前需要布光、测光，加大了工作量。

但大幅面扫描仪同样有其缺点：一是不易携带搬运，不利于快速响应，无法做到如相机一般上手即可使用。大部分扫描仪安装调试完成后便不会再移动，需要将被扫描物搬去扫描，利用率可能会有所不足。二是大幅面扫描仪对于被扫描物还有平整度方面的要求，由于一般使用的是线性光源，而如果被扫描物整体凹凸度过高，会导致照明均匀性不足，降低图像质量。且大幅面扫描仪一般扫描景深较小，清晰成像范围通常只有1厘米，超出部分会变得模糊。对于不平整的被扫描拍摄物，使用相机会是一个更好的选择。

4．典型案例

根据中国丝绸博物馆对丝绸文物保护的应用需求，浙江大学先后研发了第一代丝绸文物扫描设备（见图1.13，单次扫描幅面为10厘米×40厘米）、超大幅面丝绸文物扫描设备（见图1.14，单次扫描幅面为120厘米×240厘米）。上述设备已可完整覆盖以丝绸文物为代表的二维平面文物数字化采集需要，但受设备自动、对操作场地的要求限制，其更适合于在固定的实验室操作空间使用。

在此基础上，浙江大学于2015年为中国丝绸博物馆定制研发便携式丝绸文物扫描设备，该设备在保持扫描高分辨率的同时，还具有模块化设计、拆装简便、便于携带与部署等特点，可支持大型数字化工程实施（见图1.15）。

依托“新疆维吾尔自治区博物馆馆藏文物数字化建设项目”，浙江大学使用本设备完成了唐彩绘《伏羲女娲绢图》、唐彩绘《侍女双人图》、唐彩绘《双童图》、唐彩绘《仕女弈棋图》、“阿合买提江在三区革命时穿的驼色呢大衣”等190件（套）新疆维吾尔自治区博物馆馆藏一级文物二维数字化高保真采集工作，文物材质涉及纸、木、丝、绵、毛、碳、金、藤等。

新疆维吾尔自治区博物馆藏《仕女弈棋图》

《仕女弈棋图》是唐代佚名创作的绢本设色画，绢本设色，纵63厘米，横60厘米，现藏于新疆维吾尔自治区博物馆。此图是1972年出土于新疆吐鲁番阿斯塔那187号墓的屏风画，出土时已破碎，经修复，重现了大体完整的11位妇女儿童形象。画面以弈棋贵妇为中心人物，围绕弈棋又有侍婢应候、儿童嬉戏等内容，是描绘贵族妇女生活的一组工笔重彩风俗画。此图中贵妇发束高髻，额间描心形花钿，身着绯衣绿裙，披帛，手戴玉镯，做举棋未定、沉思状。她举棋欲置的手指和全神贯注的神情被刻画得惟妙惟肖，表现出作者对生活的深入观察和较高的绘画技巧。画面线条流畅，质感逼真，赋彩凝重，带有浓丽丰肥的周昉仕女画风格。扫描分辨率为1000dpi，数据量为3.79GB。图1.16、图1.17为其整体和局部图。

新疆维吾尔自治区博物馆藏《东晋墓主人生活图》

《东晋墓主人生活图》于1964年出土于新疆吐鲁番阿斯塔那东晋墓，纸本，纵46厘米，横105厘米，是分别绘在六张纸上拼合而成的一幅完整画面，反映了东晋时期豪门贵族的生活。画面上的形象稚拙简率，用笔粗放沉着，色彩单纯，仅用红、黑、蓝色，明快热烈。这是我国所见保存完好、时代最早的纸画，故弥足珍贵。扫描分辨率为1000dpi，数据量为2.96GB。图1.18为整体图，图1.19、图1.20和图1.21为局部图。

（四）光场相机

光场，指的是在空间中每一点向每个方向传播的光芒。捕捉这种多维信息场域可以通过使用一组安装在传感器前面的微透镜来实现。利用传统成像原理进行拍照的相机在拍照过程中会因被拍摄物体的高速运动或距离较远而失焦、散焦。为了解决这些问题，一种可以捕捉光场信息，在拍摄后灵活选择照片焦点并能完整记录拍摄光线颜色、强度和方向的相机应运而生。

1．发展历史

1903年，艾夫斯首次描述了使用相机内部针孔网格成像的方法，这是光场相机的雏形。1908年，李普曼又提出了在成像平面前使用微透镜的概念，解决了Ives的针孔网络成像会出现弥散斑的问题。1936年，格尔顺提出光场的概念，为视点密集的光场采样提供了灵感。同时，他还提出使用微积分和解析几何的理论来处理光场，但由于计算量庞大，当时缺少便捷的计算工具辅助，Gershun的理论举步维艰。

20世纪60—70年代，微透序列在成像方面的作用被不断强调。直到90年代，计算机的普及为斯坦福大学勒瓦教授带领的团队研究光场提供了帮助，他们提出了著名的光场双平面模型。光场双平面模型为之后第一台光场相机的出现奠定了基础。2005年，基于光场的双平面模型，勒瓦团队先后研制出了用于记录光场的单相机扫描台与阵列式光场相机。勒瓦教授的博士生吴义仁又于同年发明了第一台手持式光场相机。2011年，吴义仁自己创办的公司Lytro，先后推出了Lytro Ⅰ和LytroⅡ两款商业级手持式微透镜型光场相机，其“先拍照，后对焦”的光场摄影技术在当时来说是比较新鲜的黑科技。与Lytro几乎同时推出的光场相机还有2008年问世的Raytrix，其主要用于工业、军事等领域。Lytro和Raytrix两大生产商几乎垄断了这一时期的光场相机市场。

但很快，能提供类似拍照体验的功能被移到了多款智能手机上，Lytro的消费级相机产品（见图1.22）由于高昂的价格和有限的功能，最终并没有取得很好的市场表现。

2．技术简介

光场相机是在传统相机的镜头与传感器之前加入了微镜头阵列来捕捉不同来源和不同角度的光线，再通过后期算法实现数字变焦的，如图1.23和图1.24所示。

经过主镜头一个区域的光线必定通过微镜头阵列而照射到相应的像素上，这样，光线通过主镜头后，打到微镜头阵列上，并再次成像。由此，使用者通过调节主镜头及微镜头的光圈，可以使得每个微镜头都在传感器上形成一块子图像，而此子图像内的每个像素都可以对应主镜头的一个小区域，这也就达到了记录光线的方向的目的。在后期处理时，只需要对光线重新追迹即可完成重聚焦。

3．优势与局限

光场相机的优势

相对于传统相机只能储存二维的数据（也就是每个像素对应的辐照），光场相机的优势在于它不仅能储存每个像素对应的照度，还能记录到达该像素的光线的方向。

光场相机致力于让整张照片的每个点都极度清晰，因此其捕捉有关场景光线方向的信息，记录下所有方向光束的数据。这样就可以“聚焦”照片中的任何深度，允许使用者根据实际的画面需要在电脑上利用自带的编辑软件进行对焦，从而获得更清晰的画面效果。即便是在拍照数年后，对照片进行重新构思，仍然可以获得理想的照片。

另外，一般相机在使用时，需要先选定焦点，而光场相机在低光及影像高速移动的情况下，依然能准确地对焦，拍出清晰的照片。其对使用者技术水平的要求也不会很高。有些光场相机如Lytro的相关产品，在后期可以调整光圈到F16，从而获得大景深图片，有很强的灵活性。

光场相机的局限

首先，照片像素偏低是光场相机最需要突破的技术点之一。如Lytro的光场相机导出图片的大小为2450像素×1634像素，刚好400万像素，跟现在动辄2000万像素的单反数码相机比起来，清晰度就逊色很多。

其次，光场相机数据需配套软件才能处理。如Lytro配套的图像文件有同名的两张，一张后缀为．LFR，另一张后缀为．LFP。其中LFR文件较大，LFP文件则较小，较小的LFP文件可在Lytro专用软件上进行编辑调焦，并最终导出成普通的图片格式用于分享。Lytro产品提供的导出文件格式除了TIF、JPG、PNG等常见图像格式外，还有XRAW、可编辑动态照片等，这些也都是仅Lytro产品支持的格式（见图1.25）。

最后，不同光场相机的重新对焦范围有限。如Lytro产品的重新对焦功能非常明显，但并不是任意的，而是局限在一个范围内，这个范围称作重新对焦范围。如图1.26所示，以Lytro官方给出的对焦范围为例，在相机焦平面的前后，分别有相应的近重新对焦范围和远重新对焦范围，两者合起来构成重新对焦范围。照片中处在范围内的物体就可以被重新对焦，超出则不能被重新对焦。影响重新对焦范围大小的参数，主要是镜头的焦距和拍摄时的对焦点距离。镜头焦距短，焦点离镜头近，重新对焦范围也相对大些。因此，不同光场相机所能提供的重新对焦范围也会相对有所偏差。

4．典型案例

光场相机如若能继续升级优化，它在文物领域将会有广泛的应用前景：

第一，重新对焦功能可用于提高三维模型纹理映射的清晰度，对提升场景的三维信息采集质量有很大的帮助。

第二，用于三维建模摄影测量数据采集时，光场相机可降低对现场工作人员技术的要求水平，降低了采集的难度，省略了现场烦琐的对焦环节，提高了采集效率。

第三，光场相机应用于文化遗产展示中的VR（虚拟现实）和AR（现实增强）场景，可以随着观察者的移动，动态调节视野内的光线信息，从而达到真实的光影效果。

第四，重新对焦可以得到文物不同视角的照片，再通过后期调整可以仅通过一张照片得到多角度的文物对象信息，有“拍一张得多张”的效果，即在后期可根据研究需要对照片在一定范围内进行重新对焦（见图1.27、图1.28、图1.29、图1.30）。

（五）显微镜

显微镜(microscope)一词来源于古希腊词语mikrós和skopeîn，分别意为“小”和“看”。显微镜的历史最早可追溯到公元前5世纪，古希腊人发现了水滴具有独特的光学性质，透过水滴看到的物体要比实际的物体大。但是，直到13世纪，随着眼镜的发展，简易的显微镜（放大镜）才得到了广泛的应用。

1．早期发展历史

1620年，现代显微镜的模型在欧洲被发明了出来，至于发明者是谁这个问题，到现在还众说纷纭。1644年，显微镜首次用于对有机组织进行显微解剖。17世纪60年代，列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)将显微镜的放大倍率提升到了300倍。

20世纪初，生物学领域的蓬勃发展使得越来越多的科学家不满足于显微镜当时的放大倍数。1931年，由德国物理学家恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)和电气工程师马克斯·克诺尔(Max Knoll)合作发明的第一台电子显微镜——投射电子显微镜问世。1935年，马克斯·克诺尔(Max Knoll)又发明了扫描电子显微镜(SEM)。以之为基础，科学家们开始研究并发现了400多种形态各异的病毒，尺寸介于10到250纳米之间。

1981—1983年，格尔德·宾宁(Gerd Binnig)和海因里希·罗雷尔(Heinrich Rohrer)发明了一种全新的显微镜，一种基于量子隧道理论的显微镜——扫描探针显微镜(SPM)。他们也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

2．光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜

普通光学显微镜的原理比较简单：物体经过物镜形成倒立的实像，经过目镜进一步放大成像（见图1.31）。

光学显微镜的分辨率远远不如电子显微镜，因为光学显微镜的分辨率受衍射极限的限制，所以它的分辨率不可能小于入射光波长的一半。但是由于其可以进行实时、动态观察，在文物研究领域中的地位是无可比拟的。

电子显微镜分为两类：扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。SEM是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品表面结构有关，次级电子由探测器收集，信号经放大用来调节荧光屏上电子束的强度，使之显示出与电子束同步的扫描图像。TEM是以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束透过样品，经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上供使用者观察。电子束的波长短，并且波长与加速电压（通常为50千~120千伏）的平方根成反比。SEM和TEM广泛应用于材料科学、化学领域。一般而言， SEM主要用于表征材料形貌，TEM主要用于表征材料内部结构，尤其是晶体结构信息。

电子显微镜分辨率高，光学显微镜的分辨率为0.2微米，透射电子显微镜的分辨率为0.2纳米，也就是说透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。但是，大部分电子显微镜只能在真空下工作，同时，只能观察很薄的样本，导致制样过程复杂、困难。

扫描探针显微镜(SPM)作为第三代显微镜，采用了与前面两种显微镜完全不同的技术。区别于光学显微镜和电子显微镜这些利用光子、电子的远场显微镜（样品离成像系统有一定的距离），扫描探针显微镜是利用原子之间强相互作用力等微观粒子之间的作用力形成的近场显微镜。如果说光学和电子显微镜是“看”到了物体表面的样子，那扫描探针显微镜就是“摸”出了物体表面的样子，所以分辨率相较这两种显微镜更高。

不同于电子显微镜只能提供二维图像，扫描探针显微镜提供真正的三维表面图。同时，扫描探针显微镜不需要对样品做任何特殊处理。但扫描探针显微镜成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

3．超景深显微镜

实际上，传统材料分析中使用到的显微镜，并不能满足文物研究的所有需要，主要原因有两方面：一方面，文物本身是脆弱的不可再生资源，往往不能大量采样进行观测，同时还要考虑观测方法对文物的损伤；另一方面，文物的取样观测往往比较困难，多数情况需要原位（现场）分析，而现场的条件往往比较恶劣，未必允许使用高精度的显微镜进行测量。在这种情况下，超景深显微镜应运而生。

景深是评价显微镜的一个重要指标，是指在固定像平面上成像清晰对应的物方深度范围，也就是说在保证得到清晰成像的同时，物体能够在物方空间前后移动的最大距离。传统的光学显微镜只能对一个对焦的平面成像清晰，而超景深显微镜可以形成多个成像清晰的平面，再结合计算机技术，对图片进行降噪、增强等处理，利用三维成像技术，形成三维图像。

超景深显微镜的主要优点在于：第一，相对于电子显微镜和扫描探针显微镜，光学检测不会对文物表面造成伤害，为文物的检测分析提供了安全保障。第二，超大距离景深可以让我们清晰地观测到不同平面的表征。第三，微曲形貌的三维建模和测量功能，利用计算机技术，形成三维图形。第四，设备易于携带。第五，相比于电子显微镜和扫描探针显微镜而言，不需要对样本进行过多的处理。

超景深显微镜的主要应用方向包括：玉器打磨工艺鉴定、珠饰制作加工工艺分析、陶瓷器釉面及断面显微结构特征分析、青铜器修复及腐蚀机理分析、古代字画修复等。

4．典型案例

扫描电子显微镜也被广泛地应用于文物分析领域。扫描电子显微镜及能谱仪可以在对文物材料微观形貌进行观察的同时进行元素定性分析。利用这种设备，2017年，研究人员对尼雅出土文物进行检测分析。尼雅遗址位于现今新疆尼雅镇以北115千米处，塔里木盆地的南部边缘。该遗址是西汉的精绝国古城遗址，东汉时隶属于鄯善（楼兰），曾是丝绸之路南端上的商业中心。在古代，骆驼商队会经过这里，将货物送往中亚地区，所以尼雅遗址曾是中西方文化重要交流地之一。

如图1.32所示，研究人员使用三维超景深显微镜成功地采集了纱线结构、编织结构、微观形貌等组织结构信息。

（六）光谱相机

1．发展历史

20世纪60年代，随着遥感技术兴起，空间探测和地表探测成为科学家研究的热点，人们希望同时得到地物的影像信息和光谱信息，这一需求引导了成像技术和光谱技术的结合，催生出了光谱成像技术。光谱成像技术是使用单个或多个光谱通道进行光谱数据采集、处理和分析的技术，融合了光谱技术和成像技术，能够同时获得目标物的空间几何信息和光谱信息。光谱相机是利用光谱成像技术的采集仪器，也称为光谱成像仪，根据其光谱分辨率分为多光谱(multi-spectral)、高光谱(hyper-spectral)以及超光谱(ultra-spectral)相机。考虑当前文物数字化工程实践，本部分主要以高光谱相机为例进行说明。

高光谱相机是最近发展起来的，其光谱分辨率在10-2λ数量级范围内。高光谱成像技术是在紫外到近红外（200~2500纳米）的光谱范围内，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像，在获得目标区域空间几何信息的同时，也获得其光谱信息。

目前，高光谱成像技术在食品安全、精细农业、医学诊断、航空航天等领域有着广泛应用，并因其具有无损、非接触、快速成像以及“图谱合一”的特点，已逐渐成为文物保护研究领域关注的热点技术之一。图1.33为国产GaiaField便携式地物高光谱仪。

2．技术简介

目前高光谱成像技术发展迅速，主要成像技术包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。高光谱相机主要成像方式包括基于滤波片成像和推扫型成像等。目前，在文物保护领域常见的高光谱扫描设备是推扫型光栅分光成像系统，其技术原理为：扫描目标物体的一条线带，光线首先通过光谱仪前置狭缝，然后经过一组透镜后成为垂直于狭缝方向的平行光，光线继续通过分光光栅并在垂直于狭缝方向发生色散，变为随波长展开的单色光，最后该组单色光经过成像系统成像到探测器的不同位置上；继续按照垂直于狭缝的方向对目标物进行逐行扫描，最终得到目标物的二维空间信息与光谱信息（见图1.34）。

图1.35为高光谱成像系统。系统主要由高光谱相机、成像光谱仪、卤素灯、步进电机及计算机等五部分构成。卤素灯是高光谱成像系统的一个重要部分，它为整个成像系统提供照明。成像光谱仪是高光谱成像系统的核心元件之一，其中分光设备通过光学元件把宽波长的混合光分散为不同频率的单波长光，并把分散光投射到高光谱相机上。高光谱相机是高光谱成像系统的另一个核心元件，卤素灯产生的光与被检测对象作用后成为物理或化学信息的载体，然后通过分光元件投射到高光谱相机上。计算机用来控制高光谱成像系统以采集数据，并针对特定的应用进行图像和光谱数据的处理与分析，还可以为高光谱图像提供存储空间。

文物高光谱数据同时具备文物的光谱和空间信息，其中图像维展示了目标物的空间几何特征，而光谱维是目标物的光谱反射特征。这不仅为研究分析文物的物理、化学特性提供了较多的信息，而且纳米级的光谱分辨率也为分析文物的细微特征提供了可能（见图1.36）。

高光谱相机在文物保护工程应用中有着独特的优势，高光谱数据不仅在信息丰富程度方面有了极大的提高，并且在处理技术上融合了图像分析处理的方法，使得数据分析更加直观和准确。但是因其光学系统较复杂，高光谱相机的体积、重量以及成本仍制约着其在文物数字化中的应用。

3．典型案例

当前文物保护分析的新技术中，高光谱成像技术以其无损、非接触、快速成像以及“图谱合一”的特点逐渐成为关注的热点。针对文物保护领域高光谱技术的应用，已有不少学者进行了颜料分析、隐藏信息挖掘和颜色校正等多方向的探索与研究。

有研究人员通过高光谱成像技术对古代书画、石碑等文物进行了颜料、隐藏信息等的分析和研究，推动了高光谱技术在文物研究领域的应用。也有研究人员针对文物的细微特征进行研究和分析，比如分析被青铜锈斑等遮掩的青铜战车的表面图案、污渍或涂鸦等遮挡信息的虚拟去除以及对画作中小裂缝信息的分析提取等。

彩绘文物在成像过程中往往面临颜色失真的问题，借助高光谱相机可以采集其光谱反射率信息，从而得到文物真实的色彩信息，根据此信息校正文物数字化过程中的颜色失真问题。

书画是人类文明的重要组成部分，蕴含丰富的历史与艺术价值，但因书画文物较脆弱且难以进行取样工作，大量的书画作品缺乏全面科学的材质与工艺分析。高光谱成像技术可以同时获取书画的图像和反射光谱信息，通过数据降维、光谱解混合、数据分类等高光谱数据分析方法，可以对书画涂抹修改信息、颜料类别以及病害等方面进行全面研究分析（见图1.37）。该类研究充分发挥了高光谱成像技术在书画作品研究分析中的优势，也为书画作品的真伪鉴定提供了科学依据。

（七）透视相机

透视相机利用相关技术对人肉眼看不到的物体进行成像，一般适用于物体内部或被挡住的物体，现如今的透视相机主要利用的是X射线相关技术。

1．发展历史

德国维尔茨堡大学校长兼物理研究所所长伦琴教授，在他从事阴极射线的研究时，发现了X射线。自从伦琴发现X射线后，许多物理学家都积极地进行研究和探索。1905年和1909年，巴拉克曾先后发现X射线的偏振现象和标识X射线；1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生的衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性；1912年11月，年仅22岁的劳伦斯·布拉格向剑桥哲学学会报告了X射线晶体衍射的形成；1913年，亨利·布拉格设计出第一台X射线光谱仪，并利用这台仪器，发现了特征X射线；1912—1913年，美国科学家威廉·考林杰发明了热阴极管，即真空X射线管；在20世纪前中期，莫塞莱、凯·西格班和康普顿相继发现了X射线光谱、X射线光电子谱、X光散射。1971年，豪斯菲尔德成功研制出世界上第一台X射线计算机断层扫描机(computerized tomography,CT)，其随后在伦敦的一家医院投入使用，扫描技术得到了更新。它解决了图像重叠的问题，大大提高了医学诊断的可靠性和准确性，使医学成像技术向前迈进了一大步。

在文物领域，随着文物保护“不受干涉”观念的确立，现代检验技术不断发展，经济基础不断提高，X射线照相技术以其非破坏性和直观性等优势，越来越受到文物研究者的关注。X射线照相作为文物检验的日常手段，已经在我国文物科学技术研究中日益受到重视和推广，为文物研究提供了良好的技术支持。

2．技术简介

X射线在穿透物质时，会因物质的吸收和散射作用而降低强度。X射线的入射强度与透射强度关系式如下：

式中，I透为透射射线强度，I入为入射射线强度，e为自然对数，μ为物质对射线的衰减系数，T为物质的厚度。

可见，当I入、T一定时，μ的大小就决定了I透 的大小，而衰减系数μ由下式决定：

式中，λ为射线波长，Z物为被穿透物质的原子序数，ρ为被穿透物质的密度。当被检物原子序数（Z物）密度(ρ)较大时，则需要选择波长(λ)值较小，即能量较高的射线，使μ保持一个适当的值，以获得必要的穿透射线强度；反之，则应选择λ较大即能量较低的射线。

被检异物与本体材料的原子序数差别越大，即衰减系数差别越大时，则越容易被检测出来，如书画上的朱砂印章、青铜器皿内部的气孔和缩孔等；而当两者接近时，则影像对比度较小甚至难以识别。被检异物的厚度越大，越易检出，而某些镶嵌物的厚度约为零，因此无法正确识别。

X射线的强度直接影响曝光量，从而决定底片的黑度。通常在确保能穿透物质的情况下，不要使用过高电压来增加曝光量，这会导致对比度下降，应该通过增加管电流或曝光时间来增加曝光量，从而获得最佳的对比度。

基于文物的材质、厚度、结构及检测目的的多样性、复杂性，合理地选择X射线的种类及相应地调整管电压是至关重要的。射线能量太低，则不能穿透被检物质，能量太高又会过度穿透，两者均不能获得理想的影像。

3．典型案例

2012年12月至2013年11月，由南京博物院、扬州市文物考古所和苏州市考古所组成的考古工作队在扬州市西湖镇司徒村曹庄发掘了两座古代砖墓，考古发掘和研究证明为隋炀帝萧后墓。其中，在萧后墓棺椁的东侧出土一件保存比较完整的冠，这是目前考古发现等级最高、保存最完整的冠，应为隋唐时期的命妇礼冠。研究人员通过X光探伤技术等现代分析手段对萧后冠进行检测分析（见图1.38、图1.39、图1.40）后，成功揭示其纹饰特点、结构特征、材料属性和加工工艺等，确定了萧后冠的组成结构和制作时使用的材料，为考古学、技术史、艺术史等深入研究提供了诸多科学依据。图1.41为文物保护工作者在研究基础上仿制的萧后冠。