способ диагностики скрытых изображений в художественных картинах

Формула изобретения

1. Способ диагностики скрытых изображений в художественных картинах, включающий зондирование оптическим излучением поверхности художественных картин, спектральное измерение интенсивности отраженного назад оптического излучения, отличающийся тем, что зондирование производят с помощью пространственно-когерентного широкополосного оптического излучения видимого диапазона 400-750 нм или ближнего инфракрасного диапазона 1200-1500 нм, при этом зондирование осуществляют путем деления излучения на два пучка - измерительного и опорного, фокусируют измерительный пучок на поверхность анализируемой художественной картины, а отраженное назад от картины излучение смешивают с отраженным назад от широкополосного зеркала излучением опорного пучка и с помощью дисперсионного элемента и фотодетектора измеряют спектральную зависимость интенсивности отраженного от художественной картины оптического излучения с заданной глубины из фиксированного объема, определяемого произведением длины продольной когерентности излучателя L_c на размер фокального пятна измерительного оптического пучка D, устанавливают режим послойного сканирования измерительного пучка по двум поперечным координатам (х,у) для каждой фиксированной настройки оптической длины (z) в опорном пучке, дискретно перестраивают оптическую длину в опорном плече на минимальную величину z, определяемую длиной продольной когерентности излучателя L_c, производят сравнение измеренной спектральной интенсивности излучения, отраженной от внешней двумерной поверхности картины, со спектральной интенсивностью излучения, отраженного от анализируемых внутренних слоев в каждой поперечной координате в пределах фокального пятна, по которому судят о наличии скрытого изображения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптического излучения используют широкополосное пространственно-когерентное излучение видимого диапазона с максимумом длины волны в трех спектральных диапазонах, соответствующих синему (440-500 нм), зеленому (500-550 нм) и красному (600-750 нм) свету, а измерение интенсивности отраженных интерферирующих оптических полей опорного пучка и зондирующего производят при последовательном включении каждого из трех диапазонов длин волн для фиксированной глубины зондирования либо производят объемное трехмерное зондирование картины на отдельных длинах волн.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании излучения ближнего инфракрасного диапазона измерение интенсивности отраженных интерферирующих оптических полей опорного пучка и зондирующего производят для каждой фиксированной глубины зондирования, а для определения цветов в видимой области спектра необходимо предварительное измерение спектральных коэффициентов отражения для типичных красной, зеленой и синей красок в видимой области спектра и в ближней ИК в диапазоне длин волн (400-1500 нм).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области реставрационной и криминалистической техники и может быть использовано для бесконтактного и неразрушающего анализа скрытого цветного или черно-белого изображения как в художественных картинах, так и документах.

Изобретение предназначено для идентификации художественных картин, икон на основе получения трехмерного цветного или черно-белого оптического изображения слоистых структур краски с помощью технологии оптической низкокогерентной томографии.

Известен способ диагностики и идентификации художественных картин, основанный на зондировании изображения в УФ-области излучения. Флуоресценция под действием УФ-излучения используется для общей оценки степени сохранности картин (см. Сильченко Т.Н. Исследование картин рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами. В кн. Реставрация и исследование художественных памятников. М., 1955, с.6-21). С помощью данного метода возможно выявить обесцвеченные или потускневшие пигменты, наличие реставрационных вмешательств.

Однако ультрафиолетовое излучение даже длинноволнового диапазона (УФА - диапазон длин волн 320-400 нм) проникает в краску на глубину менее 100 микрон, кроме того, ультрафиолетовое излучение вызывает фотохимическое обесцвечивание красок (фотобличинг), т.е. способ является разрушающим.

Известен способ диагностики и идентификации художественных картин, основанный на зондировании изображения, получаемого при использовании рентгеновского излучения, что позволяет судить о материале основы, пигментов, изменениях и повреждениях живописного полотна, реставрационных вмешательствах (см. Башмакова Л.И. Рентгенографическое исследование произведений живописи. Сообщения/ВЦНИЛКР. М., 1971, т.27, с.2-26). В настоящее время используемое оборудование, например, фирмы «Gilardoni» позволяет проводить рентгенографические исследования картин любого типа, в том числе, написанных пигментами с низким уровнем поглощения (акриловые красители).

Однако даже при использовании рентгеновских томографов невозможно извлечь информацию о пространственном распределении красок по глубине картины из-за пространственного разрешения, не превышающего несколько миллиметров, кроме того, рентгеновская диагностика не позволяет идентифицировать цвет красок.

Известен способ диагностики при использовании электронного микроскопа, позволяющий получать информацию о качественном и количественном составе материалов неорганической природы (пигменты, сплавы, керамика и т.д.) с одновременным построением изображения лишь поверхности образца (Центр Экспертизы Антикварно-Аукционного Дома «Гелос» http://www. gelos.ru/; E-mail: expert@gelos.ru).

Однако основным недостатком данного способа электронной микроскопии является невозможность идентификации без разрушения анализируемой части картины.

Наиболее близким к предлагаемому является способ диагностики скрытых изображений художественных картин, основанный на оптическом зондировании изображения в ближней ИК спектральной области (Технология, исследование и хранение произведений станковой и настенной живописи. Под. ред. Гринберга Ю.И. Изобразительное искусство. 1987, с.89-117; Б.В.Жданов, Г.Н.Горохова, М.Г.Кононович (ВХНРЦ им. И.Э.Грабаря), Л.А.Пирогова (см. Представительство фирмы Перкин-Эльмер в Москве). Исследование состава микропроб грунтов картин некоторых русских художников XVIII-XIX веков с использованием метода ИК-спектроскопии. Симпозиум Экспертиза и атрибуция произведений изобразительного и декоративно-прикладного искусства , М., 2006.

Метод ИК-рефлектографии позволяет выявлять скрытые подписи и изображения, предварительный рисунок. Использование, например, ИК-камеры Hamamatsu позволяет обнаруживать на полотне скрытые подписи и изображения (ИК-рефлектография. http://www.gelos.ru/).

Однако использование ИК-спектрометров не позволяет анализировать цветное слоистое (объемное) изображение художественных картин.

Задачей настоящего изобретения является повышение однозначной идентификации художественных картин на основе бесконтактного определения трехмерной цветной структуры художественных картин при измерении спектральных коэффициентов отражения не только внешних поверхностных слоев красок, но и внутренних.

Технический результат заключается в цифровой оптической диагностике не только поверхностных слоев красок, но и внутренних слоев красок до глубины в 1-2 миллиметра с анализируемой толщиной одного слоя, определяемого длиной когерентности зондирующего оптического излучения, которая может составлять величину порядка от десятка до несколько микрон. Данный способ позволяет неразрушающим образом оценить внутренние слои красок и выявить скрытые объемные изображения.

Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики скрытых изображений в художественных картинах, включающем зондирование оптическим излучением поверхности художественных, спектральное измерение интенсивности отраженного назад оптического излучения, согласно решению зондирование производят с помощью пространственно-когерентного широкополосного оптического излучения видимого диапазона с шириной спектра (400-750 нм), при этом зондирование осуществляют путем деления излучения на два пучка - измерительного и опорного, фокусируют измерительный пучок на поверхность анализируемой художественной картины, а отраженное назад от картины излучение смешивают с отраженным назад от широкополосного зеркала излучением опорного пучка и помощью дисперсионного элемента и фотодетектора измеряют спектральную зависимость интенсивности отраженного от художественной картины оптического излучения с заданной глубины из фиксированного объема, определяемого произведением длины продольной когерентности излучателя L_c на размер фокального пятна измерительного оптического пучка D, устанавливают режим послойного сканирования измерительного пучка по двум поперечным координатам (х, у) для каждой фиксированной настройки оптической длины (z) в опорном пучке, дискретно перестраивают оптическую длину в опорном плече на минимальную величину z, определяемую длиной продольной когерентности излучателя L_c, производят сравнение измеренной спектральной интенсивности излучения, отраженной от внешней двумерной поверхности картины, со спектральной интенсивностью излучения, отраженного от анализируемых внутренних слоев в каждой поперечной координате в пределах фокального пятна, по которому судят о наличии скрытого изображения.

В качестве оптического излучения используют широкополосное пространственно-когерентное излучение видимого диапазона с максимумом длины волны в трех спектральных диапазонах, соответствующих синему (440-500 нм), зеленому (500-550 нм) и красному (600-750 нм) свету, а измерение интенсивности отраженных интерферирующих оптических полей опорного пучка и зондирующего производят при последовательном включении каждого из трех диапазонов длин волн для фиксированной глубины зондирования, либо производят объемное 3-мерное зондирование картины на отдельных длинах волн.

В качестве зондирующего оптического излучения используют пространственно-когерентное широкополосное излучение ближнего инфракрасного диапазона (1200-1500 нм), измерение интенсивности отраженных интерферирующих оптических полей опорного пучка и зондирующего производят для каждой фиксированной глубины зондирования, а для определения цветов в видимой области спектра необходимо предварительное измерение спектральных коэффициентов отражения для типичных красной, зеленой и синей красок в видимой области спектра и в ближней ИК в диапазоне длин волн (400-1500 нм).

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения скрытых объемных изображений в слоях краски художественных картин, где:

1 - суперлюминесцентный диод (SLD) со спектральной полосой в красной области (600-750) нм;

2 - суперлюминесцентный диод (SLD) со спектральной полосой в зеленой области (500-550) нм;

3 - суперлюминесцентный диод (SLD) со спектральной полосой в синей области (450-500) нм;

4, 5, 6 - оптическая система ввода красно-зелено-синего излучения SLD в одномодовый волоконно-оптический X разветвитель с помощью микролинз и трех одномодовых волокон;

7, 8, 14, 15 - одномодовый волоконно-оптический X разветвитель с входным 7, измерительным 8, смесительным 14 и опорным каналом 15;

9 - X-Y сканер поперечного смещения измерительного оптического пучка;

10 - длиннофокусная оптическая система;

11, 12, 13 - диагностируемая картина или тестовый объект с различной комбинацией последовательно нанесенных слоев масляной или акварельной красок (красной, зеленой и синей);

16 - оптический дифракционный элемент типа дифракционной решетки;

17 - ПЗС фотоприемная матрица или линейка с электронным усилителем и аналого-цифровым преобразователем;

18 - оптико-механическая система продольного (z) сканирования оптической длины в опорном канале;

19 - персональный компьютер.

На фиг.2 представлена типичная спектральная зависимость коэффициента отражения (в процентах) от длины волны в видимом диапазоне (400-800 нм) при зондировании тестовых мазков масляных красок и темпера ПВА красного, зеленого и синего цвета, где:

20 - один слой зеленой масляной краски (окись хрома);

21 - один слой зеленой темпера ПВА краски (окись хрома);

22 - один слой красной темпера ПВА краски (кадмий светлый);

23 - один слой красной масляной краски (кадмий темный);

24 - один слой синей масляной краски (церулиум);

25 - один слой синей темпера ПВА краски (ультрамарин).

На фиг.3 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения от длины волны для трехслойных структур, содержащих последовательно нанесенные слои масляной краски: синей, зеленой и красной при различной их комбинации; где:

26 - три слоя масляной краски: верхний - красный, средний - зеленый, нижний - синий;

27 - три слоя масляной краски: верхний - красный, средний - синий, нижний - зеленый;

28 - три слоя масляной краски: верхний - зеленый, средний - красный, нижний - синий;

29 - три слоя масляной краски: верхний - зеленый, средний - синий, нижний - красный;

30 - три слоя масляной краски: верхний - синий, средний - зеленый, нижний - красный;

31 - три слоя масляной краски: верхний - синий, средний - красный, нижний - зеленый.

На фиг.4 представлена типичная спектральная зависимость коэффициента отражения от длины волны от тестовых одно и трехслойных мазков масляных красок синего, зеленого и красного цвета в ультрафиолетовом (200-400 нм), видимом (400-750 нм) и ближнем инфракрасном диапазоне (750-1500 нм).

На фиг.5, 6, 7 представлен измеренный с помощью низкокогерентного оптического томографа (ОКТ) цифровой двумерный скан по глубине (1 мм) соответственно зеленой, красной и синей масляных красок при зондировании на длине волны в ближнем ИК (максимум длины волны соответствует 810 нм, ширина анализируемого слоя краски по глубине L_c=10 микрон, размер пикселя по горизонтами D=20 микрон). При этом псевдоцвета на фиг.5, 6, 7 отражают логарифмический коэффициент отражения в дБ (белый - 1 дБ, красный - 10 дБ, зеленый - 20 дБ, синий - 30 дБ, черный - 40 дБ; для черно-белого изображения диапазон серого, пропорциональный логарифмическому коэффициенту отражения, составляет диапазон в 40 дБ).

На фиг.8, 9 представлено цифровое двумерное изображение скана по глубине трехслойной структуры с верхним отражающим слоем из красной масляной краски и последующих слоев зелено-синего и синего и зеленого соответственно, измеренное с помощью низкокогерентного оптического томографа.

Способ осуществляется следующим образом.

В соответствие с фиг.1 пространственно-когерентное оптическое излучение суперлюминесцентных диодов (SLD) 1, 2, 3 с широкополосным спектром в синей, зеленой и красной областях с помощью оптической системы 4, 5, 6, состоящей из микролинз и трех одномодовых световодов, вводится во входной канал 7 одномодового волоконно-оптического X разветвителя, в котором после оптического деления часть излучения направляется в измерительный канал 8, где с помощью длиннофокусной оптической системы 10 зондирующее излучение фокусируется на поверхность диагностируемой картины с диаметром фокального пятна D, a X-Y сканер 9 поперечного смещения измерительного оптического пучка позволяет осуществлять сканирование измерительного пучка по поперечным координатам X и Y с помощью управляющего сигнала с персонального компьютера 19. Оптическое излучение последовательно включенных суперлюминесцентных диодов (SLD), обратноотраженное из анализируемой глубины мазков краски зондируемой картины в пределах фиксированного объема когерентности, смешивается с обратноотраженным оптическим излучением опорного канала 15, состоящего из оптико-механической системы продольного сканирования оптической длины 18, перестраивающей продольную координату Z с помощью подачи управляющего сигнала с персонального компьютера 19. Отраженные оптические поля измерительного и опорного каналов интерферируют в смесительном канале 14 и с помощью дифракционного элемента типа дифракционной решетки 16 детектируются с помощью ПЗС фотоприемной матрицы или линейки с электронным усилителем и аналого-цифровым преобразователем 17, что позволяет измерить спектр отраженного оптического излучения из заданной глубины в пределах фиксированного объема краски исследуемой картины. При сканировании длины в опорном канале 18 для каждой поперечной настройки оптического пучка в измерительном канале измеряется интенсивность отраженного света только из объема когерентности V_c, определяемого поперечным размером фокального пятна D и продольной длиной когерентности L_c излучателя. Длина продольной когерентности L_c оптического излучателя определяется спектральной шириной зондирующего излучения , в частности шириной спектра суперлюминесцентного диода (1, 2, 3), имеет вид

где - длина волны центра линии излучения.

Минимальный объем когерентности V и соответственно максимальная трехмерная разрешающая способность метода ограничиваются длиной когерентности зондирующего излучения. Если использовать пространственно-когерентное излучение с шириной видимого спектра, то в соответствии с соотношением (1) величина L_c составит значение порядка микрона при размере фокального пятна длиннофокусной оптической системы с диаметром, составляющем 10-20 микрон. При последовательном зондировании излучением суперлюминесцентного диода (SLD) со спектральной полосой красной, зеленой или синей области видимого спектра длина когерентности составит 2-3 микрона.

Режим объемного сканирования можно осуществлять отдельно для красного суперлюминесцентного диода (SLD), потом зеленого и синего и получить трехмерную картину отражения для трех спектральных областей, а далее, используя стандартные алгоритмы восстановления цвета типа RGB, получить трехмерные цветные структуры анализируемой картины (см. Панов Е.А. Познание цвета: Равнозначность цвета в цифровых системах. 2009. 240 с.). При зондировании пространственно-когерентным широкополосным оптическим излучением с помощью предлагаемого метода измеряется в каждой пространственной точке спектр отражения во всей видимой области, что позволяет определять соответствующий цвет. Поиск цветных скрытых изображений заключается в дискретном (в пределах размера фокального пятна D) по поперечным координатам сравнении спектральной интенсивности излучения отраженной от внешней двумерной поверхности картины с отражением от анализируемых внутренних слоев.

Экспериментальные измерения зависимости спектральных коэффициентов отражения в видимой и ультрафиолетовой и инфракрасной области, представленные на фиг.2-4, показали, что традиционные оптические методы измерения спектров отражения с помощью спектрометров в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной спектральной области позволяют определять только спектральные характеристики верхнего поверхностного слоя красок на картинах и невозможность зондирования внутренних цветных слоев не только масляных красок, но и акварельных.

Проведенные нами тестовые измерения, представленные на фиг.5-7, полученные при зондировании пространственно-когерентным излучением суперлюминисцентного диода с длиной волны 810 нм, диаметром фокального пятна, составляющем 20 микрон, и длиной продольной когерентности, равной L_c=10 микрон, показали, что возможно получать двумерные срезы по глубине при толщине масляной краски толщиной до миллиметра. Измерения трехслойных структур при зондировании пространственно-когерентным широкополосным излучением в ближнем ИК в области 810 нм, представленные на фиг.8-9, показали чувствительность к внутренним слоям, только для идентификации цветов в видимой области с помощью низкокогерентного томографа необходимо проводить при зондировании в ближней ИК-области в спектральном диапазоне 1200-1500 нм.

Уровень зондирующей мощности LSD не превышал сотни мкВт. Такой уровень мощности используется при зондировании сетчатки глаза человека, поэтому для диагностики художественных картин такой уровень оптического излучения является не повреждающим. При этом уровень зондирующей мощности на 1-2 порядка меньше величины интенсивности солнечного излучения.