ハイパースペクトルカメラ　～芸術作品・文化財～

　ハイパースペクトルカメラは、文化遺産、絵画、工芸品、歴史的文書の分析や、偽造文書の検査などに使用されています。
どのようなデータが取れるのか、どのように見えるのか、いくつかの例を紹介します。

・印刷物の測定

・偽造文書の測定

　最初の画像では「05898(塗りつぶし)」と見えていますが、ハイパースペクトルカメラで分析していくと、「irsystem」と書いてあったことがわかります。この様に、変造された文字の発見、インクの種類や黒塗りされた文字の判別も可能です。

・絵画(油絵)の測定

　左上は、油絵の可視画像です。左下は、その油絵の様々な場所のスペクトルです。任意の場所のスペクトルを比較して表示できます。

　その他の4枚が、ハイパースペクトルカメラで撮影した画像です。波長によって見え方が変わるので、肉眼（左上の画像）ではわかりにくい違い、絵の具の違いや下塗りなども見えてきます。

　この様に絵画を測定することで、材質成分の分析や経年変化を推定することができ、その絵画の分析・評価や修繕に役立てることができます。

　光をRGBよりも細かく分ける分光。分光して得られるデータは物質ごとに特有の値を示す為、人間の目では同じに見える物の違いを見分けられることがあります。カメラと同じように画像が撮影出来て、分光も行える装置。それがハイパースペクトラル イメージングシステムです。つまり、測定した物に含まれる物質や成分の空間的な分布を判別することができます。

　そのハイパースペクトルイメージングは、ここ30年ほどの間に、リモートセンシング、食品・農産物評価、法医学等の様々な用途でスマートな分析手段として発展を遂げています。文化遺産、また考古学関連のコミュニティでは、20年ほど前から歴史的文書、芸術作品、彫刻やレリーフの検査にハイパースペクトルイメージングが採用されています。

　基本的なハイパースペクトルの技法は、材質成分やその空間的分布を特定することができる分光特性の空間的なマップを作ることです。このマップデータは、工芸品・文化遺物の物質に一切触れることなく、光学的な方式で作成されます。このような特性により、ハイパースペクトルイメージングは歴史的文書や芸術作品の評価において、重要な分析手段の一つとなりました。何故なら、波長特性は物質の「指紋」であり、それ故にスペクトルイメージングは歴史的工芸品の光学特性の変化を検知、測定及び可視化することにおいて、高度に定量的で、繊細なアプローチとして発展してきたためです。光学的な分光計測、特にハイパースペクトルイメージングは、非破壊、非接触なだけでなく、リアルタイムで同時に複数のパラメーターを測定することのできる為、このフィールドにおいて大きな成功を収めています。

　大きさ、形状、色、表面の質感であれば、カラーカメラを用いた従来のマシンビジョンで計測することができます。さらにハイパースペクトルイメージングを用いることにより、芸術作品中の化学組成、人間の目では検出できないレベルでの経年劣化や成分の変化などの他の要素の推定を、測定結果から導き出すことができます。

　ClydeHSI社製品は、絵画、3次元物体などの大型の芸術構造物や文書において、ロバスト性、信頼性、正確性、そして再現性に優れたハイパースペクトル計測を可能にする完成されたエンドツーエンドソリューションとしてデザインされています。システムは、スペクトルカメラを含むハードウェアと、データ取得、表示、分析を行う専用のソフトウェアからなるハイパースペクトル計測の完全なターンキーソリューションです。

　４種のスキャニングユニット、及び5種のスペクトルカメラが選択可能です。スキャナには、三脚やテーブルの上に素早くセットアップすることができるものや、広範囲の高解像度スペクトル画像を数秒で取得できるものがあります。全てのスキャナは最大2台までのスペクトルカメラを搭載可能で、VNIR、NIR、SWIRなどの異なる波長範囲を同時にカバーすることができます。各スペクトルカメラには選択したスキャナに応じた専用レンズが附属します。

　使いやすさと素早いデータ取得は、ClydeHSI社製システムの最も重要な特徴です。スペクトルイメージングや、そのセッティングを用いれば、リアルタイムプロセスモニタリングも簡単に実現できます。

・主要機能及び特長

・スキャナ概要

　回転型スキャナは、他のスキャナと組み合わせるのは難しい望遠レンズやUVハイパースペクトルカメラを用いて、広範囲の景色を撮影する場合に理想的なソリューションです。位置基準センサを搭載しており、「ゼロ」の基準点から水平、垂直両方向にスキャンすることができます。そしてVNIRカメラとSWIRカメラのデュアルシステムを含む全てのハイパースペクトルカメラと組み合わせる構成が可能です。

　スキャナはコンパクトで、素早く簡単にセットアップすることができ、通常測定が困難な場所でも活躍します。

　FOV（カメラの視野）とIFOV（1ピクセルの視野）は使用中のレンズに合わせて自動的に算出され、これにより、常に均一で正方形のピクセルで撮影できるよう、スキャナを適切な回転スキャンスピードに調整することができます。

　A4、A3サイズの文書のスキャンに最適です。1台のスペクトルカメラではもちろん、2台を組み合わせて400~2500 nmに渡る波長範囲で撮影することもできます。スキャナは、IFOV（1ピクセルの視野）を確認するセンサ付きで高精度で高さ調節可能な、カメラを支える頑丈なアームを搭載しています。文書や書籍、絵画やその他のサンプルを固定できるホルダー及び、反射率自動確認用の基準反射板(白)とフォーカス確認用のターゲットも付属します。

　美術品などの測定対象を高度に安定し、常に高精度でスキャンできるシステムです。5μm刻みでスキャンを行うことが可能で、マクロモードでは25μmの空間分解能の撮影ができます。ClydeHSI社のユニークな表面曲率形状モニター・補正システムにより、測定対象の形状が変化しても、全スキャンエリアに渡って均一なフォーカスと撮影スポットサイズを維持できます。

Zmマクロステージ（撮影距離調節）

　絵画の測定上共通して問題となることは、絵の具の厚み等により表面が平らではないため、撮影距離の変動が生じてしまうことです。特にマクロ撮影においては、これが無視できない影響となります。例えば、どのような画角での測定であっても、測定スポットの大きさは測定対象とカメラの距離に応じて変化してしまいます。また、被写界深度が足りずにフォーカスが合わなくなってしまいます。その為、測定システムで補正することが重要となります。

　そこで、ClydeHSI社では非常に低出力で高精度のレーザ距離計で対象物の表面形状を測定しています。それに応じて、Zmマクロステージが測定対象の形状に合わせてリアルタイムで撮影距離を調整します。この機能により、測定対象物に常にフォーカスし、一定のスポットサイズで計測できるだけでなく、対象物の表面の形状地図を作成することができます。

レーザ距離計（撮影距離測定）

仕様		単位	絵画表面(解説図)
精度	± 0.5	mm
再現性	± 0.3	mm
測定範囲	0.05 to 50	m
最速測定速度	50	Hz
高精度のレーザ距離計による暫定最適距離(レッドライン)の設定で、スキャン時フォーカス、スポットサイズ維持をサポートします。

　対象美術品への適切で安定した照射は測定成功への絶対条件です。光源において目指すべきことは、測定に必要な波長範囲をカバーすることはもちろん、可能な限り低照度を保ちながら撮影時のカメラでのSN比を可能な限り良いものにすることです。