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A Comparison of Small-Aperture and Image-Based Spectrophotometry of Paintings

2005; Taylor & Francis; Volume: 50; Issue: 4 Linguagem: Inglês

10.1179/sic.2005.50.4.253

2047-0584

Roy S. Berns, Lawrence A. Taplin, Francisco H. Imai, Ellen A. Day, David Day,

Cultural Heritage Materials Analysis

AbstractAn experiment was performed that compared conventional small-aperture and image-based reflection spectrophotometry of paintings. The imaging system used a liquid-crystal tunable filter, resulting in 31 spectral bands evenly sampled between 400 and 700 nm and ranging in bandwidth between 10 and 60 nm. The small-aperture spectrophotometer had a constant bandwidth of 10 nm. Test targets consisting of chromatic and neutral samples of various colors and spectral properties were used to derive a calibration transformation between the two technologies. Three paintings were analyzed: Saint Jerome Reading by Alvise Vivarini, Murnau by Alexej von Jawlensky and Pot of Geraniums by Henri Matisse, all from the collection of the National Gallery of Art, Washington, DC. Average colorimetric accuracy varied between 2.0 and 3.2 ΔE00 units and the average spectral accuracy varied between 1.0 and 2.1% spectral root-mean-square. Two drawbacks are that the imaging system has a high uncertainty at short wavelengths, and the spectral matches for samples with flat spectra are slightly worse than for other samples. Both limitations can be corrected by changes in lighting, the calibration target, and the method of deriving the transformation matrix. Nevertheless, the imaging system has the advantage of no moving parts and may not require image registration, making it well suited to perform scientific imaging of cultural heritage. Furthermore, the image-based spectra have sufficient accuracy for pigment identification and mapping.An experiment was performed that compared conventional small-aperture and image-based reflection spectrophotometry of paintings. The imaging system used a liquid-crystal tunable filter, resulting in 31 spectral bands evenly sampled between 400 and 700 nm and ranging in bandwidth between 10 and 60 nm. The small-aperture spectrophotometer had a constant bandwidth of 10 nm. Test targets consisting of chromatic and neutral samples of various colors and spectral properties were used to derive a calibration transformation between the two technologies. Three paintings were analyzed: Saint Jerome Reading by Alvise Vivarini, Murnau by Alexej von Jawlensky and Pot of Geraniums by Henri Matisse, all from the collection of the National Gallery of Art, Washington, DC. Average colorimetric accuracy varied between 2.0 and 3.2 ΔE00 units and the average spectral accuracy varied between 1.0 and 2.1% spectral root-mean-square. Two drawbacks are that the imaging system has a high uncertainty at short wavelengths, and the spectral matches for samples with flat spectra are slightly worse than for other samples. Both limitations can be corrected by changes in lighting, the calibration target, and the method of deriving the transformation matrix. Nevertheless, the imaging system has the advantage of no moving parts and may not require image registration, making it well suited to perform scientific imaging of cultural heritage. Furthermore, the image-based spectra have sufficient accuracy for pigment identification and mapping.On a mené une expérience pour comparer la spectrophotométrie de réflexion à petite ouverture conventionnelle à celle basée sur l'imagerie pour l'examen des peintures. Le système d'imagerie comprenait un filtre à accord variable à cristaux liquides produisant 31 bandes spectrales régulièrement échantillonnées entre 400 et 700 nm et ayant une largeur de bande variant entre 10 et 60 nm. Le spectrophotomètre à petite ouverture avait une largeur de bande constante de 10 nm. On a utilisé des cibles-tests consistant en des échantillons chromatiques et neutres de couleurs variées et les propriétés spectrales ont servi à établir une transformation de calibration entre les deux technologies. Trois peintures ont été analysées : Saint Jérôme lisant, d'Alvise Vivarni, Murnau, d'Alexej von Jawlensky, et Pot de géraniums, d'Henri Matisse, toutes provenant de la collection de la National Gallery of Art de Washington D.C. La précision colorimétrique moyenne variait entre 2,0 et 3,2 unités de ΔE00 et la précision spectrale moyenne entre 1,0 et 2,1 % de moyenne quadratique spectrale. Le système d'imagerie possède deux inconvénients : il y a un haut degré d'incertitude aux courtes longueurs d'onde, et l'accord spectral est légèrement moins bon dans le cas des échantillons ayant un spectre plat. Ces deux restrictions peuvent être corrigées par des modifications de l'éclairage, de cible de calibration et de méthode de dérivation de la matrice de transformation. Néanmoins, le système d'imagerie possède l'avantage de ne pas comporter de parties mobiles et peut ne pas nécessiter de superposition d'images, ce qui en fait un outil bien adapté pour l'imagerie scientifique dans le domaine du patrimoine culturel. En outre, les spectres obtenus par cette méthode sont suffisamment précis pour identifier et cartographier les pigments.Zum Vergleich eines konventionellen niederapperturigen und eines bildbasierten Spektrophotometers wurde an Gemälden Experimente durchgeführt. Das Abbildungssystem nutzte einen einstellbaren Flüssigkristallfilter, mit Hilfe dessen zwischen 400 und 700nm 31 spektrale Banden mir Bandweiten zwischen 10 and 60 nm aufgenommen werden konnten. Das niederapperturige Spectrophotometer hatte eine konstante Bandweite von 10nm. Die Testobjekte bestanden aus chromatischen und neutralen Proben verschiedener Farben und spektraler Eigenschaften. Sie wurden zur Ableitung einer Übertragungsmöglichkeit der Kalibration zwischen den beiden Technologien genutzt. Drei Gemälde wurden untersucht: Der Lesende Hieronimus von Alvise Vivarini, Murnau von Alexej von Jawlensky und Schale mit Geranien von Henri Matisse, alle aus der Sammlung der National Gallery of Art, Washington DC. Die durchschnittliche kolorimetrische Genauigkeit lag zwischen 2.0 und 3.2 ΔE00 Einheiten und durchschnittliche spektrale Genauigkeit zwischen 1.0 und 2.1% spektraler Effektivwert. Die Nachteile Bildsystems liegen in der hohen Ungenauigkeit bei kurzen Wellenlängen und darin, daß bei flachen Spektralkurven die Übereinstimmung der Spektren schlechter als üblich ist. Beide Beschränkungen können durch Veränderung der Beleuchtung, der Kaibrationsobjekte und der Methode der Ableitung der Transformationsmatrix korrigiert werden. Indessen, hat das Bildsystem den Vorteil, daß keine beweglichen Teile vorhanden sind, weshalb keine Bilderfassung notwendig ist. Dies macht es gut geeignet für wissenschaftliche Untersuchungen an unserem Kulturerbe. Darüber hinaus haben bildbasierte Spektren eine hinreichende Genauigkeit, für Pigmentbestimmung und -kartierung.En la presente investigación se ideó un experimento que comparaba, en pinturas reales, espectrofotometría convencional de baja apertura con espectrofotometría de reflexión basada en la imagen. El sistema de imagen usaba un filtro de cristal líquido regulable, obteniéndose así 31 bandas espectrales muestreadas uniformemente entre 400 y 700 nm, en un rango de ancho de banda entre 10 y 60 nm. El espectrofotómetro de pequeña apertura tenía un ancho de banda constante de 10 nm. Los test de prueba, que consistían en muestras cromáticas y neutras, de varios colores y propiedades espectrales, fueron usados para derivar una transformación en la calibración entre las dos tecnologías. Se analizaron tres pinturas: San Jerónimo leyendo por Alvise Vivarini, Murnau por Alexei von Jawlensky y Vaso con geranios por Henri Matisse, todas ellas de la colección de la National Gallery of Art, Washington DC. El valor medio de precisión colorimétrica variaba entre 2.0 y 3.2 ΔE00 unidades y el valor medio de precisión espectral (en raíz cuadrada) variaba entre el 1.0 y el 2.1%. Hay dos inconvenientes debido a que el sistema de imagen tiene una alta incertidumbre en los resultados de cortas longitudes de onda, y que las combinaciones de los espectros para muestras con espectro plano son peores que con otras muestras. Ambas limitaciones pueden ser corregidas mediante cambios en la iluminación, en el objetivo de calibración y con el método de derivación de la matriz de transformación. De cualquier manera, el sistema de imagen tiene las ventajas de no presentar partes móviles y de que no requiere procesos de registro de imagen, haciéndolo perfectamente apto para estudio científico por imagen del patrimonio cultural. Aún es más interesante el hecho de que los espectros basados en la imagen tienen suficiente precisión para utilizarlos en la identificación de pigmentos y obtenciones de "mapas".