ハイパースペクトル撮像が切り開く文化遺産の新たな観点

グレッグ・ベアーマン、クリストファー・ヴァン・ヴィーン

詳細スペクトルを用いて、ハイパースペクトル撮像が古代芸術やテキストの組成、文化遺産の構造に関する情報を明らかにする。

過去四半世紀でイメージング技術の性能は大きく向上し、アート、古代文書、一般的な文化遺産への応用という、今までない対象への拡大につながっている。スペクトル撮像や反射変換撮像のように、ほぼルーチンとなった手法もある。本記事では、文化遺産向けに使われているスペクトル撮像に焦点を当てるが、その基礎は過去数十年にさかのぼり、軍事、防衛、遠隔諜報・監視・偵察用アプリケーションに使われていた。これらは本質的には、衛星や高高度偵察機に搭載されている技術と同じものである。
　ハイパースペクトル撮像は、撮像デバイスの視野にある全空間の全スペクトルデータをキャプチャーする。この新たな目によって、どんな種類の反射素材でも、より完璧に近い画像が得られる。さらに、博物館、図書館、大学内だけでなく、自国の地上の上空数百マイルからでも見渡す。ミネラルや化学的性質を示すスペクトル上の特徴があれば、作物科学者は果樹の上空から作物病の状況に気付くだろう。地質学者は鉱床を見つけ、地図に書き加えることができる。養鶏家は家禽の異常や疾患を、精度高く、早く検査できる。保護・保全の専門家は、絵画作品や文化遺産品を調べ、その起源、製造技術、現在の状況を知るだけでなく、保護にもつなげることができる。
　米ヘッドウォール社（Headwall）は、ハイパースペクトル撮像技術を軍事分野で使っていたが、小さなサイズ、低コスト、使いやすさが考慮される多くの商業利用に転用した。これにより、Hyperspecという名称の機器を製造することになった。この機器は、紫外線・可視光（UV-VIS）に重点を置いたもので、波長が900〜2500nmである短波赤外線（SWIR）や、それを超える短い波長もサポートする。それを超える機器は飛行機や衛星、無人航空機（UAV）にしばしば搭載される。さらには、見えないものを見る性能が認められ、図書館、博物館、大学、研究室でも見かける。

データの取得と処理

スペクトル撮像は、ある画像における全ピクセルのスペクトルを作り出す。考え方としては、データは次元（x、y、λ）でイメージキューブに積み重ねられ、イメージキューブを通じて、あらゆる点におけるスペクトルが得られる。
　空挺部隊や衛星ベースのアプリケーションでは、センサーは視野の上空を飛行してデータを取得する。文化遺産向けのアプリケーションでは、センサーは固定され、センサーの下や前で視野を動かす。この種のデータを取得する他の方法には、センサーヘッドをパンさせる、傾ける、あるいはミラー以外何も動かさない光学スキャンを使うというものがある。図1では、スターターキットを接続したハイパースペクトルセンサーを示す。ここでは、このタイプのアプリケーション技術における共通の配置を示している。
　一度スペクトルを取得すれば、そのスペクトルを基にピクセルを分割、分類、処理できる。初期のスペクトル撮像の研究や開発のほとんどは、リモートセンシングや、NASAの惑星探査プログラムに由来する。リモートセンシングに由来する多くの方法は文化遺産にも利用でき、商業ソフトウエアや一部のフリーウエアで使われている。イメージ分析アルゴリズムは簡単に借用できる。
　文化遺産のスペクトル撮像は急速に変わりつつある。アプリケーションは、古代文書の解明から、保護管理者が目的物の変化や保全中の場所を検出、測定、マッピングに役立てるための定量的なデータの入手までできる。いずれも重要な用途であり、同じ装置とデータセットで両方の目的に利用できる。
　ほぼ全ての作業が可視光・近赤外線（VNIR）におけるものであるのに対して、比較的新しい装置では、SWIRにおける撮像を行い、文化遺産の化学的イメージを作製することが、技術的にも費用的にも実現できるようになっている。これにより、文化遺産の製造技術、構成物の化学的性質、アイデンティティを理解するという、全く新しい領域が開かれた。また、よりよい修理、復元、経時変化の観察も可能になる。
　ほとんどのスペクトルデータが、テキストの分析や分類に使われているということもまた事実である。定量的なスペクトル撮像に対する近年のデータ処理は、保存管理者が変化、特に目に見える前の変化を見つけるのに有用な道具であることを示している。

テキストの初期スペクトル撮像

最初にテキストのスペクトル撮像を行ったときに、フィルムによる赤外線写真によって、判読が困難だった古代テキストが読めるようになったことは、今なおよく知られた事実である。しかし、必ずしも常に成功するとは限らなかった。
　これの最もいい例は、死海文書だろう。最初に撮像が行われたのは1950年代で、文書のテキストを判読するために大判の赤外線フィルムを使用していた。そして、1990年代の前半になって、視認性の問題は基本的にインクと羊皮紙とのコントラストであるということが、スペクトル撮像によって明らかになった。視覚的に読みやすい部分では、インクと羊皮紙の反射率が大きく異なるため、ヒトの目や色、あるいは白黒フィルムで判読できる。一方、判読しにくい部分では、羊皮紙の反射率が大きく低下しており、視覚上コントラストがほぼなくなっている。ところが、原理はわかっていないのだが、赤外線
における反射率が羊皮紙では大きく上昇するため、インクと羊皮紙とのコントラストがより大きくなる。この初期のデータは、液晶可変フィルタ（LCTF）を利用した撮像システムによって取得された。文書のデータはスペクトル的には非常に単純であり、この手法の有効性が示された。さらに、パリムスセストや、損傷したり消去されたりした文書のような、より複雑な状態のテキストを扱えるようになった。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2015/07/LFWJ1507_ft2.pdf