Multispectral 3D mapping on a Roman sculpture to study ancient polychromy

📄 arXiv: 2501.18786v1 📥 PDF

作者: Francesca Uccheddu, Umair Shafqat Malik, Emanuela Massa, Anna Pelagotti, Maria Emilia Masci, Gabriele Guidi

分类: cs.CV, eess.IV

发布日期: 2025-01-30

备注: 14 pages, 5 figures, to be published in the proceedings of "Heri-Tech - The Future of Heritage Science And Technologies" Conference by Springer, 29-30 April 2024, Florence, Italy (https://www.florenceheritech.com/)

💡 一句话要点

提出一种基于多光谱3D建模的罗马雕塑色彩分析方法，用于研究古代雕塑的多彩性。

🎯 匹配领域: 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)

关键词: 多光谱成像 3D建模 文物保护 色彩分析 摄影测量

📋 核心要点

  1. 现有方法难以充分评估复杂雕塑表面上原始色彩的分布范围，限制了对古代雕塑色彩的全面理解。
  2. 该方法利用可见光反射成像(VIS)和紫外诱导荧光成像(UVF)数据，通过摄影测量构建3D模型，并映射多重纹理。
  3. 通过像素级对应和分类算法，将不同光谱信息映射到3D模型表面，从而更深入地了解文物保存和材料分布。

📝 摘要（中文）

对希腊和罗马雕塑色彩的研究激增，旨在探索古代雕塑最初并非纯白色而是装饰着颜色的假设。多光谱和多模态成像技术对于研究绘画表面至关重要，即使在痕迹中也能揭示色彩。事实上，反射和荧光等成像技术可以识别不同的材料并绘制不均匀性，指导进一步的研究，如拉曼光谱、X射线荧光光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)来研究残留的颜色。然而，这种方法可能低估了原始色彩在雕塑表面的复杂结构上的范围。本研究提出了一种方法，利用基于现实的3D模型和纹理来分析古代雕塑的原始外观，这些纹理不限于肉眼可见的纹理。我们采用可见光反射成像(VIS)和紫外诱导荧光成像(UVF)。从UVF和VIS数据集中，通过摄影测量构建了底层3D模型。通过原始数据处理，使用不同照明源拍摄的图像被成功对齐和处理，创建了一个具有多个纹理映射到同一二维空间的单个3D模型。不同纹理的像素到像素的对应关系允许实现一种分类算法，该算法可以直接将其结果映射到3D模型表面。这使得文物保护人员能够加深对文物保存的理解，详细观察材料分布，并将其与3D几何数据相关联。在本研究中，我们在意大利格罗塞托的马雷玛考古与艺术博物馆(MAAM)保存的一尊古罗马阿尔忒弥斯雕塑上试验了这种方法。

🔬 方法详解

问题定义：本论文旨在解决古代雕塑色彩研究中，传统方法难以准确评估原始色彩在复杂雕塑表面分布范围的问题。现有方法，如光谱分析，通常只能分析局部区域，难以将色彩信息与雕塑的整体几何结构联系起来，从而低估了原始色彩的真实范围和分布。

核心思路：论文的核心思路是利用多光谱成像技术获取雕塑表面的多种纹理信息，并将其与高精度的3D模型相结合。通过将不同光谱下的图像数据对齐并映射到3D模型上，可以实现对雕塑表面色彩分布的全面可视化和分析。这种方法能够克服传统方法在处理复杂几何结构时的局限性，更准确地还原古代雕塑的原始色彩。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 数据采集：使用可见光反射成像(VIS)和紫外诱导荧光成像(UVF)技术获取雕塑表面的多光谱图像数据。2) 3D模型构建：利用摄影测量技术，从VIS和UVF图像中重建雕塑的3D模型。3) 图像对齐与纹理映射：将不同光谱下的图像数据进行像素级对齐，并将纹理信息映射到3D模型表面。4) 色彩分类与可视化：利用分类算法对多光谱数据进行分析，并将分类结果映射到3D模型表面，实现色彩分布的可视化。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将多光谱成像技术与3D建模技术相结合，实现了对古代雕塑表面色彩分布的全面可视化和分析。与传统方法相比，该方法能够更准确地还原原始色彩的范围和分布，并将其与雕塑的几何结构联系起来，为文物保护和研究提供了新的视角。

关键设计：在数据采集方面，选择了VIS和UVF两种成像技术，以获取不同光谱下的表面信息。在3D模型构建方面，采用了摄影测量技术，以保证模型的精度和细节。在图像对齐方面，采用了像素级对齐算法，以保证不同光谱图像之间的对应关系。在色彩分类方面，采用了合适的分类算法，以区分不同的材料和色彩。

📊 实验亮点

该研究成功地将多光谱成像与3D建模相结合，应用于古罗马阿尔忒弥斯雕塑的色彩分析。通过该方法，研究人员能够观察到肉眼无法直接看到的色彩信息，并将其与雕塑的几何结构相关联。实验结果表明，该方法能够更准确地还原古代雕塑的原始色彩，为文物保护和研究提供了新的视角。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于古代雕塑、壁画等文物的色彩分析与复原，帮助考古学家和文物保护人员更深入地了解古代艺术品的原始面貌。此外，该方法还可用于检测文物表面的材料分布和劣化情况，为文物保护提供科学依据。未来，该技术有望推广到其他文化遗产领域，如古代建筑、纺织品等。

📄 摘要（原文）

Research into the polychromy of Greek and Roman sculptures has surged to explore the hypothesis that ancient sculptures were originally not pristine white but adorned with colors. Multispectral and multimodal imaging techniques have been crucial in studying painted surfaces, revealing polychromies even in traces. In fact, imaging techniques, such as reflectance and fluorescence, can identify different materials and map inhomogeneities, guiding further investigations such as Raman, XRays Fluorescence, and Fourier Transform InfraRed Spectroscopy (FTIR) to investigate residual colors. However, this approach may underestimate the original polychromies' extent over the complex articulation of a sculptured surface. This study proposes a methodology to analyze the original appearance of ancient sculptures using reality-based 3D models with textures not limited to those visible to the naked eye. We employ Visible Reflected Imaging (VIS) and Ultraviolet-induced Fluorescence Imaging (UVF). From the UVF and VIS datasets, the underlying 3D model is built by means of photogrammetry. Through raw data processing, images taken with different illuminating sources are successfully aligned and processed, creating a single 3D model with multiple textures mapped onto the same bi-dimensional space. The pixel-to-pixel correspondence of different textures allows for the implementation of a classification algorithm that can directly map its outcome onto the 3D model surface. This enables conservators to deepen their understanding of artifact preservation, observe mate-rial distribution in detail, and correlate this with 3D geometrical data. In this study, we experiment with this approach on an ancient Roman sculpture of Artemis, conserved at the Archeological and Art Museum of Maremma (MAAM) in Grosseto, Italy.