CC BY
228МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПАМЯТНИКОВ
Н. п. КОРНЫШЕВ, Е. А. ЛЯХОВИЦКИй, И. С. РОДИОНОВ
оптико-электронные и телевизионные методы и средства в исследовании рукописно-книжных памятников
введение
Оптико-электронные и телевизионные методы и средства широко используются при исследовании исторических документов с целью установления их подлинности, определения датировки, оценки технологических характеристик бумажной основы, исследований почерка, кожаных переплетов, прочтения поврежденных и угасших текстов, выявления различий красящих веществ и т.п.
Под термином «оптико-электронные методы исследования» понимаются методы, в основе которых лежит фотоэлектронное преобразование с последующим измерением параметров электрического сигнала, несущего информацию об оптических характеристиках исследуемого объекта. Под термином «телевизионные методы» понимаются методы, предусматривающие развертку изображения и получение видеосигнала.
В настоящей статье приводятся основные характеристики предназначенных для этих целей методов и аппаратуры, которые представляют практический интерес для пользователей.
оптико-электронные методы и средства оценки технологических характеристик исторических бумаг
Одной из важнейших характеристик исторических бумаг при их технологических исследованиях (в рамках историко-документ-ной экспертизы) является характеристика светового пропускания в видимой области спектра («просвет»). Эта характеристика относится к исторически сложившимся характеристикам качества бумажного листа (может быть отнесена к традиционным сортовым характеристикам бумаги). Контроль светового пропускания является элементом комплекса неразрушающих методов технологического анализа исторических бумаг, в который входят: оценка цвета бумаг, белизны, пропускания в различных зонах спектра (анализ спектра пропускания), характеристика видимой люминесценции и ряд других показателей (толщина, масса и т.д.). При анализе технологических характеристик бумаги особое значение имеет объективность контроля и описания результатов и их воспроизводимость в условиях других исследовательских лабораторий и хранилищ. Этим требованиям полностью соответствуют относительно дешевые портативные измерители типа «Свет», основным назначением которых является измерение коэффициента прозрачности стекла с толщиной от з до 6 мм в диапазоне волн 380-780 нм в соответствии с гост 27902-88 (1) и гост 5727-88 (2).
Прибор «Свет» (рис. 1) представляет собой переносной комплект с питанием от штатного аккумулятора. Источником излучения служит лампа накаливания оп 6,3-0,22. Приемником излучения служит фотодиод фд 263-01, перед которым установлен светофильтр сзс-21, корректирующий диапазон спектральной
чувствительности фотоприемника в видимой области спектра. Измеренная величина светового коэффициента пропускания выводится на цифровой индикатор.
Для оценки эффективности применения измерителя светового пропускания «Свет» к технологическому исследованию исторических бумаг в Лаборатории кодикологических исследований и научно-технической экспертизы документа Отдела рукописей Российской национальной библиотеки (далее — лкиинтэд ор рнб) было проведено три вида исследований:
1) контроль светового пропускания модельного бумажного клина;
2) контроль светового пропускания исторических бумаг xvI-xvп вв.;
3) контроль светового пропускания исторических бумаг (образцы бумаг 1830-1880-х гг.).
Основной формой исследования было соотнесение данных приборных измерений с характеристиками модельного бумажного клина. Модельный клин (разработанный и изготовленный заведующей лабораторией Федерального центра консервации документов рнб Е. М. Лоцмановой) состоит из 20 образцов бумаги, отлитых ручным способом из тряпичной бумажной массы (полученной в результате переработки русских бумаг конца XVIII - первой половины XIX в.).
Результаты измерений (рис. 2) позволяют сделать вывод об их однозначной корреляции с массой образца, что подтверждает возможность и эффективность применения прибора «Свет» в технологическом исследовании исторических образцов писчих бумаг.
После анализа модельного клина был проведен анализ характеристик пропускания исторических бумаг собрания польских автографов из коллекции П. П. Дубровского (ор рнб. Ф. 971. Оп. 1). Были исследованы 68 документов 1535-1585 гг. из автографа № 62, выполненных на бумаге польско-литовского и западноевропейского производства. Результаты применения прибора «Свет» имели положительный характер. Анализ проводился как с калибровкой прибора «на самого себя» — для получения абсолютных значений светового коэффициента пропускания, так и с калибровкой по наиболее прозрачному образцу — для повышения «чувствительности метода» при контроле сравнительных характеристик бумаг.
Анализ различий бумаг по значениям светового коэффициента пропускания позволил объективно различать бумаги с различными техническими характеристиками (например, произведенные разными бумажными мельницами) при наличии у этих бумаг маркировочных знаков (филигранен) одного сюжета (например, «двойная линия в щите под короной»). Это обстоятельство еще раз подтверждает то, что контроль пропускания в видимой области является потенциально важной технологической характеристикой при комплексном неразру-шающем технологическом исследовании исторических бумаг,
Рис. 1. Структурная схема и внешний вид измерителя светового пропускания «Свет»
уточняющей показания маркировочных знаков бумаги (традиционно используемых для определения времени и места производства бумажного листа).
Кроме апробации прибора в исследовании бумаг ручного отлива (автограф № 62 из коллекции П. П. Дубровского), прибор «Свет» был использован и для анализа исторических бумаг машинного производства. Для этого с его помощью был проанализирован световой коэффициент пропускания исторических бумаг. В качестве объекта исследования использовалась коллекция бумажных штемпелей русских документов 1832-1896 гг. П. А. Картавова (ор рнб. Ф. 341. Ед. хр. 85), насчитывающая 600 образцов (в основном бумага машинного отлива, но с присутствием образцов и ручного отлива). В результате были обнаружены связи значений коэффициента пропускания с данными о сорте, месте и времени производства бумаги (устанавливаемыми на основании данных штемпеля и датировки документа, из которого были взяты образцы). Полученные результаты позволяют говорить о необходимости обязательного введения в технологическое описание исторических бумаг объективного аппаратного контроля пропускания. Однако следует отметить, что бумаги, произведенные с использованием древесной целлюлозы, имеют тенденцию к резкому изменению своих характеристик по цвету и белизне в процессе старения. Данные характеристики оказываются связанными с характеристиками пропускания бумаги в видимой области спектра. Соответственно, при контроле пропускания с помощью прибора «Свет» бумаги одного сорта, места и времени производства, прошедшие разный процесс старения, имеют существенные различия в коэффициенте светового пропускания. Поэтому данные измерения коэффициента пропускания требуют обязательного соотнесения с данными о цветовых характеристиках бумаг.
телевизионные методы и средства исследования исторических бумаг
Спектрозональные (мультиспектральные) методы
Данные методы предполагают получение сигнала яркости от выделенного участка спектрального диапазона чувствительности фотоприемника, который, как правило, занимает область от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Фактически производится преобразование выделяемого участка спектра в видимый свет, что расширяет возможности зрения человека. В этой связи в настоящее время часто применяется термин «телевизионная визуализация», поскольку в данном случае именно телевизионные методы делают доступным зрительному восприятию целый ряд невидимых невооруженным глазом особенностей изображений объектов. Спектрозональное наблюдение может осуществляться двумя способами:
- путем освещения объекта светом в требуемом участке диапазона спектральной чувствительности фотоприемника при наличии защиты объекта от внешних засветок;
- путем установки отрезающих светофильтров перед фотоприемником при наличии внешнего освещения объекта во всем диапазоне спектральной чувствительности фотоприемника. Освещение в требуемом участке диапазона спектральной чувствительности может создаваться также двумя способами:
- при помощи узкополосных излучателей, например, светодиодов;
- при помощи широкополосных излучателей с установкой перед ними отрезающих светофильтров.
Спектральные характеристики некоторых светодиодов приведены на рис. 3 и 4.
Рис. 2. Зависимости коэффициента светопропускания от массы бумаги и концентрации при отливе
Рис. 3. Спектральные характеристики светодиодов, используемых при спектрозональной подсветке в видимой области спектра
Рис. 4. Спектральные характеристики светодиодов, используемых для спектрозональной подсветки в красной и инфракрасной областях спектра
Люминесцентный макроанализ
При люминесцентном макроанализе осуществляется визуализация люминесценции исследуемого объекта под воздействием возбуждающего излучения. В основе методов телевизионной визуализации люминесценции лежит структурная схема, показанная на рис. 5.
В качестве ивл используется источник света со светофильтром, выделяющим спектр поглощения, а в качестве пл — матричный фотоприемник со светофильтром, выделяющим спектр люминесценции исследуемого вещества.
Получаемый видеосигнал используется для дополнительной аналоговой и/или цифровой обработки с целью повышения контрастности и уменьшения уровня шумов. Под устройством аналоговой обработки подразумевается устройство коррекции видеосигнала, в качестве устройства цифровой обработки выступает эвм со специализированным программным обеспечением, в которую вводится преобразованный в цифровую форму видеосигнал и отображается на экране телевизионного или компьютерного монитора.
При визуализации фотолюминесценции необходимо минимизировать паразитные фоновые засветки, возникающие из-за неидеальности спектральных характеристик светофильтров, а также из-за возможной собственной люминесценции фона. Так, например, метод возбуждения ультрафиолетовыми лучами люминесценции меток, размещенных в денежных знаках
фотография. изображение. документ. Вып. 4 (4)
квл Объект ЕЛ
Устройства аналоговой и цифровой обработки
—► Монитор
Рис. 5. Структурная схема телевизионной системы, визуализирующей люминесценцию (ивл — источник возбуждения люминесценции; пл — приемник люминесценции)
и ценных бумагах, основан на вторичной люминесценции, поскольку ультрафиолетовые лучи поглощаются целлюлозной основой документа и вызывают ее свечение в сине-голубой области спектра, которое, в свою очередь, возбуждает свечение меток различного цвета.
Фоновая составляющая дает дополнительный паразитный световой поток, проникающий в фотоприемник и ограничивающий контрастность получаемого изображения. Таким образом, перевод спектра ивл на участок, согласованный непосредственно со спектром поглощения исследуемого вещества, т.е. на метод возбуждения первичной люминесценции, является одним из способов повышения чувствительности системы.
Рассмотрим далее принципы построения систем для визуализации фотолюминесценции различных типов с использованием стандартных светофильтров. Принцип визуализации цветной люминесценции показан на рис. 6, на котором приведены спектральные характеристики компонентов системы в соответствии с ее моделью. Возбуждение люминесценции осуществляется ивл с уф источником света на основе ртутной лампы, имеющей линейчатый спектр излучения и снабженной светофильтром типа уфс. С точки зрения оптимального сочетания максимума полезного пропускания УФ-излучения и минимального паразитного «красного хвоста», свойственного данному типу светофильтров, предпочтительно применение стекол типа уфс-2, УФС-5. Материал стекла трубки также оказывает фильтрующее действие на коротковолновую часть излучения. При этом наименьшее влияние оказывает кварцевое стекло. В зависимости от типа люминофора, получают различные характеристики свечения. Покрытие трубки ртутной лампы изнутри
люминофором сдвигает коротковолновое газоразрядное свечение ртути в длинноволновую область спектра и преобразует спектр из линейчатого в более сплошной.
Спектр люминесценции выделяется светофильтром СЗС-23. Принцип визуализации люминесценции в выбираемых участках видимой области спектра под воздействием УФ-лучей показан на рис. 7.
Участки спектра выбираются стандартными отрезающими светофильтрами типа жс, ос, КС, имеющими достаточно крутые границы, отсекающие коротковолновую часть спектра. Для устранения нежелательного влияния паразитной засветки в области «красного хвоста» фильтра типа уфс отрезающие светофильтры могут использоваться в комбинации со светофильтром СЗС-23.
Принцип телевизионной визуализации инфракрасной (ик) люминесценции показан на рис. 8. Источником света с широким спектром (видимый и инфракрасный диапазоны) служит галогенная лампа. Участок спектра поглощения в видимой области спектра (сине-зеленая область спектра) выделяется светофильтром С1 (Л) типа сзс-21. Для снижения тепловой нагрузки, создаваемой галогенной лампой, сзс-21 целесообразно использовать в комбинации со светофильтром сзс-26, подавляющим ик-излучение.
Участки спектра люминесценции выделяются светофильтрами типа КС-19, икс-1, икс-2, икс-з, имеющими крутые фронты, отсекающие коротковолновую часть спектра. При этом следует иметь в виду уменьшение коэффициента пропускания светофильтров по мере увеличения длины волны, соответствующей границе раздела. Спектральная чувствительность Ш (А) для стандартной пзс-матрицы ограничивает диапазон в ик области
Ю
0,5
1,0
0,5
УН* } • • * • [кС'Н [ СгГ») ГксЧ9 / 'ИКС-1 ] •г(>У/
а (*) \ • • 1 • 1 • 1 *
з 00 Ьоо 500 £00 700 800 900 1000
ш-гп с,с» СгЬ) ГКС'19
7
Рис. 6. Компоненты системы для визуализации цветной люминесценции: С1 (Л) — спектральная характеристика светофильтра уфс-2, выделяющего спектр поглощения; С2 (Л) — спектральная характеристика светофильтра сзс-23, выделяющего спектр вторичной люминесценции цветных красителей
Рис. 7. Спектральные характеристики компонентов системы визуализации люминесценции в видимой области спектра под воздействием УФ-излучения
Рис. 8. Спектральные характеристики компонентов системы визуализации люминесценции в инфракрасной области спектра под воздействием сине-зеленого света
спектра длиной волны порядка 1000-1100 нм Для получения сдвига чувствительности в длинноволновую область спектра необходимо использовать специальные пзс-матрицы.
При небольшом поле зрения для возбуждения люминесценции весьма эффективно могут быть использованы источники света на светодиодах (рис. 9, 10). При использовании светодиодов отпадает необходимость в использовании в ивл светофильтров С1 (Л). Задача согласования спектральной мощности излучения Р (Л) со спектром поглощения исследуемого вещества в этом случае решается путем подбора светодиода с соответствующей длиной волны. Тем не менее, светодиоды обладают
фотоприемника, так и источников света различных спектральных диапазонов, что позволяет не только наблюдать спектральные изображения исследуемых объектов криминалистики, но и обнаруживать их люминесценцию. Данные системы получили название телевизионных спектральных систем (тсс), а в зарубежной литературе в этой связи используется название видеоспектральные компараторы (в английской аббревиатуре уэс).
Вот основные этапы развития данного вида аппаратуры. Этап 1: 1988-1993 гг., создание первой телевизионной спектральной системы тсс-1 и модификаций на ее базе. Отличительные особенности аппаратуры этапа 1:
1,0
0.5
00*11 Г кс-п
* \ 1. ЬЬ)
Рис. 9. Пример
спектральных
характеристик
для визуализации
люминесценции
в видимой области
спектра при
использовании
ультрафиолетового
светодиода
Рис. 10. Пример спектральных характеристик для визуализации люминесценции в красной и инфракрасной областях спектра при использовании в качестве ивл светодиодов сине-зеленого диапазона
дополнительными полосами излучения в инфракрасной области спектра и могут создавать паразитные засветки в области спектральной чувствительности фотоприемника.
Весьма эффективным методом возбуждения люминесценции является импульсный метод, позволяющий сгенерировать большую мощность в момент вспышки. Особенностью метода является необходимость фиксации одиночного информационного кадра, содержащего люминесцентное изображение и следующего непосредственно после кадра импульсной засветки.
Как правило, при визуализации люминесценции одновременно с включением источника возбуждающего излучения, соответствующего области поглощения люминесцирующего вещества, автоматически обеспечивается ввод перед фотоприемником светофильтра, выделяющего спектр люминесценции. Так, например, для выделения люминесценции в видимой области спектра под воздействием ультрафиолетового света обычно используется светофильтр типа жс-4, а для выделения инфракрасной люминесценции под воздействием сине-зеленого света — светофильтр типа кс-19.
Видеоспектральные компараторы (телевизионные спектральные системы)
Телевизионные системы, предназначенные для технических исследований документов, являются специфическим классом аппаратуры прикладного назначения, характеризующимся возможностью интеграции в них как спектрозонального
- ТВ-камеры на базе видиконов;
- ртутные лампы высокого давления для возбуждения люминесценции;
- стандартные светофильтры 40х40 и 80х80 мм;
- стационарный вариант исполнения;
- импортозамещающая техника по отношению к зарубежному аналогу уэс-1 (Р&Р, Великобритания). Отечественный аналог — ВСК1 (нпо «Спектр», Москва).
Этап 2: 1993-2003 гг., создание номенклатуры телевизионных спектральных систем (ТСС2, ТСС3, ТСС2М, ТСС3М, ТСС3Ц, ТСС «Эксперт», ТСС «Эксперт-Ц», тсс «Радуга»), а также приборов дооснащения к ним и аппаратно-программных комплексов (АПК) на их базе (УСИ7, УСИ9, ВМ1, ВМ2, макропроектор, КВС26, ТСМ1, ТМ1, ТМ2, КТП171, КТП171-1, КТП171-2, КТП171-3, УВВИ, программное обеспечение TSS32 и TSS32GS). Отличительные особенности аппаратуры этапа 2:
- ТВ-камеры на пзс;
- люминесцентные лампы для возбуждения ультрафиолетовой (уф) люминесценции;
- малогабаритные галогенные лампы для возбуждения инфракрасной (ик) люминесценции;
- дополнительные источники света на светодиодах;
- уменьшение массы и габаритов, возможность переноса аппаратуры;
- специализация систем (для экспресс-анализа и углубленных криминалистических исследований);
- аппаратно-программные комплексы и автоматизированные
рабочие места экспертов-криминалистов;
- импортозамещение по отношению к зарубежным аналогам VSC-1, vsc-4 (F&F, Великобритания), dvc-1 (ces, Германия), Docubox, Docuzenter (Projectina, Швейцария). Отечественные аналоги: вск-1 (нпо «Спектр», Москва), Эксперт-К («эвс», Санкт-Петербург). Этап 3: 2004-2008 гг., совершенствование приборов и систем (ТСС3М-1, тсс «Радуга-2», тсс «Криминалист-2», тл-2, программное обеспечение Videomix, «Радуга», «Криминалист-2»). Отличительные особенности аппаратуры этапа 3:
- тв-камеры на базе пзс повышенной чувствительности и разрешающей способности;
- широкое применение светодиодов в качестве источников освещения как в видимом, так и в уф и ик-диапазонах спектра;
- наличие встроенного микропроцессора и программного управления источниками света на светодиодах (тсс «Криминалист-2»);
- программно управляемые источники света на базе импульсных ламп повышенной мощности (тсс «Радуга-2»);
- применение вариофокальной оптики;
- малые габариты и масса, возможность использования при
выезде на место происшествия (тсс «Криминалист-2»);
- импортозамещающая техника по отношению к зарубежным аналогам VSC-2000, VSC-5000 (F&F, Великобритания), Docuzenter500S (Projectina, Швейцария), ED-1100 (Regula, Беларусь). Отечественные аналоги — вск-1 (нпо «Спектр», Москва), Эксперт-К («эвс», Санкт-Петербург), VC-20.1 (зао «Вилдис», Москва).
Анализ этапов развития, а также изучение зарубежных и отечественных аналогов позволяют выделить такие основные тенденции совершенствования аппаратуры для криминалистических исследований, как повышение разрешающей способности, чувствительности, избирательности и интеллектуализация оборудования [1, 2].
Принцип построения тсс характеризуется приведенной на рис. 11 структурной схемой. В данной схеме спектрозональ-ное наблюдение может быть реализовано либо при подсветке объекта источником света с широким спектром (например, без использования С1) и установкой перед фотоприемником светофильтра из набора С2, выделяющего необходимый участок спектрального диапазона, либо подсветкой объекта в выбранном спектральном диапазоне при помощи светофильтра из набора С1 без установки С2. При визуализации люминесценции
необходимо использовать оба набора светофильтров, причем С1 согласуется со спектром поглощения исследуемого объекта, а С2 — со спектром его люминесценции. Назначение уквс — аналоговая яркостная коррекция видеосигнала. В качестве уви обычно используется стандартное устройство видеозаписи, подключаемое к эвм для оцифровки и ввода изображения.
На базе тсс строятся аппаратно-программные комплексы (апк). Примером апк расширенной комплектации, предназначенного для углубленных исследований документов в специализированных центрах и лабораториях, является комплекс на базе тсс «Радуга», внешний вид которого приведен на рис. 12. В состав апк дополнительно к тсс входит телевизионная камера, устанавливаемая на стандартный микроскоп, телевизионная лупа вм-1, макропроектор, коммутатор видеосигналов, выход которого подключается к стандартному устройству видеозаписи. Кроме этого, в апк решается задача управления от эвм импульсным источником света при визуализации слабо люминесцирующих объектов, как в режиме одиночного экспонирования, так и в режиме накопления серии кадров изображения.
На рис. 13 приведен внешний вид мобильного апк на базе тсс «Криминалист-2». апк отличают малые габариты и масса, возможность питания от аккумулятора 12В, наличие встроенного микроконтроллера, позволяющего управлять режимами работы комплекса как автономно, так и от пэвм.
В 2011-2012 гг. в лкиинтэд ор рнб осуществлялась тестовая эксплуатация телевизионной спектральной системы «Криминалист-2Ц-2» (рис. 14). Основными объектами исследований в ходе тестовой эксплуатации стали русские рукописно-книжные памятники и архивные материалы XVI -хх вв.: рукописные тексты, выполненные железо-галловыми и анилиновыми чернилами, пастами для шариковых ручек, тушью, графитовым карандашом; машинопись; миниатюры, выполненные с использованием минеральных и растительных красок; бумаги ручного и машинного отлива; переплеты с блинтовым тиснением по коже; металлическая переплетная фурнитура; разлиновка (давленые следы и наколы); фотодокументы XIX - первой половины хх вв.
Рис. 11. Обобщенная структурная схема тсс: С1 и С2 — наборы светофильтров; ис — набор источников света; фп — фотоприемник; ивл — источник возбуждения люминесценции; пл — приемник люминесценции; уквс — узел коррекции видеосигнала; уви — устройство ввода изображений
Рис. 12. Внешний вид апк на базе тсс «Радуга»
Рис. 13. Внешний вид мобильного апк на базе тсс «Криминалист-2»
Рис. 14. Вариант установки тсс «Криминалист» в лкиинтэд ор рнб для проведения исследования рукописно-книжных памятников
Тестовая эксплуатация системы показала ее высокую эффективность для применения при экспресс-исследованиях в области историко-документной экспертизы и предреставра-ционного обследования исторических документов, а также для контроля работ в процессе реставрации документов в архивно-библиотечных учреждениях.
Основные направления использования тсс в изучении рукописно-книжных памятников и архивных документов (апробированные в результате работ, проведенных в лкиинтэд): - выявление и визуализация различий красящих веществ, получение спектральных характеристик этих веществ;
Рис. 15. Запись железо-галловыми чернилами, закрашенная самим писцом (вверху), прочтение закрашенной записи в ближней ик области, 870 нм — комбинация снимков (в центре); визуализация включений в бумажную массу, неравномерности поверхностной проклейки и т.п. при контроле технологических характеристик бумажного листа XVI в. в отраженном ультрафиолете, 375 нм (внизу)
Рис. 16. Усиление зон повреждений текста (контроль в отраженном уф — 375 нм)
- визуализация слабовидимых следов блинтового тиснения;
- выявление зон неоднородности вещества бумаги и ее обработки;
- диагностика изменений документа (подчистки, смывания, удаления листов и т.п.), включая частичную визуализацию первоначального состояния объекта;
- выявление и фиксация следов бытования документа (загрязнения, потертости покровного материала и т.п.);
- контроль следов биологических повреждений (плесени) в ультрафиолетовой (уф) области спектра;
- усиление «угасших» текстов и изображений (включая усиление «угасших» фотоизображений в отраженном уф).
На рис. 15 и 16 приведены некоторые из изображений, полученных в ходе опытной эксплуатации аппаратуры.
Телевизионные лупы
Телевизионные лупы незаменимы при проведении криминалистических экспертиз документов и иных вещественных доказательств, они обеспечивают визуализацию в различных участках видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра фрагментов с минимальными размерами от зх4 мм,
фотография. изображение. документ. Вып. 4 (4)
что соответствует, примерно, увеличению в 60х при выводе на монитор с размерами экрана 12". Телевизионные лупы (тл) представляют собой малогабаритные устройства, выполненные конструктивно в виде манипулятора типа «мышь». Исследование документа производится путем непосредственного перемещения телевизионной лупы по его поверхности. тл имеет фиксированную наводку на резкость в плоскости документа, а также переключатели режимов работы. В настоящее время номенклатурный ряд тл определяется конкретными решаемыми задачами криминалистических исследований:
- цветная телевизионная лупа с режимом прямого или косопа-дающего освещения поверхности документа;
- черно-белая телевизионная лупа с режимом прямого или косопадающего освещения поверхности в красной и зеленой областях спектра;
- телевизионная лупа для спектрозональных исследований в видимой и инфракрасной (ик) областях спектра с возможностью обнаружения ик-люминесценции;
- цветная телевизионная лупа с режимом прямого или косопадающего освещения поверхности документа и возможностью визуализации цветной люминесценции под воздействием ультрафиолетового (уф) света;
- телевизионная лупа исследования документов в инфракрасной области спектра с возможностью визуализации антистоксовой (ас) люминесценции;
- черно-белая телевизионная лупа с режимом прямого или косо падающего освещения поверхности в красной и зеленой областях спектра и оптическим масштабированием.
В лкиинтэд была проведена опытная эксплуатация цветной телевизионной лупы типа вмц и спектрозональной телевизионной лупы типа тл-3, которая показала, что данные приборы (рис. 17) могут успешно применяться в следующих основных направлениях изучения исторических документов:
- в исследованиях в области историко-документной экспертизы (включая решение задач исторического почерковедения);
- при археографической обработке исторических документов (подготовке описаний исторических документов и для прочтения текста рукописи при подготовке ее к изданию);
- в предреставрационном исследовании документов.
Рис. 17. Телевизионные лупы вмц и тл-3
Кроме этих основных направлений, возможно использование приборов и в других областях изучения рукописно-книжных памятников: в палеографическом изучении документов, в искусствоведческом анализе и т.п.
Для всех указанных направлений применение приборов имеет несколько типовых предметно-ориентированных областей задач: исследование штрихов и трасс от орудий производства документа, исследование красящих веществ, исследование бумаги, исследование кож и пергамена, исследование следов
бытования и функционирования документа и т.п. Приборы были «интегрированы» в текущую работу по основным направлениям экспертного исследования рукописно-книжных памятников. При проведении тестовых испытаний оценивались следующие области применения:
- исследование кож переплетов;
- исследование письма;
- исследование материального носителя текста — бумаги.
Объектами тестового применения приборов стали русские рукописи XVII в. из собрания Отдела рукописей Российской национальной библиотеки (Основного собрания рукописных книг (осрк), Софийского и Соловецкого собраний).
В исследовании исторических переплетов наибольший эффект дает работа с телевизионной лупой (тл-3) в инфракрасной области спектра (Л=940 нм) при прямом падающем освещении. Увеличение лупы в 40х позволяет четко видеть волосяные сумки, а окраска кожи (включая и ее загрязнения) является проницаемой для ик области спектра. Вид и размер волосяных сумок, конфигурация их группировки позволяет надежно устанавливать вид животного (и тип кожи с точки зрения кожевенной номенклатуры), а также делать дополнительные выводы о характере воздействия на кожу при производстве переплета. В результате
ийиииермла!
Рис. 18. Пример визуализации поверхностной структуры кожи переплета
экспериментального применения прибора было обследовано 43 древнерусских переплета с установлением вида животного и типа кожи, использованной при создании переплета (рис. 18).
В исследовании письма рукописей при историко-почер-коведческом исследовании наибольший эффект дает работа с телевизионной лупой (тл-3). Основная задача, которая решается с помощью данного прибора,— это установление последовательности выполнения элементов письменных знаков относительно друг друга, определение точек начала и конца движения при выполнении элементов и определение направления выполнения элемента. Для тестового исследования было обработано 60 образцов русского письма XVII и XIX вв. (полуустав и скоропись). При работе с железо-галловыми чернилами наиболее эффективным является анализ:
- в инфракрасной области спектра при прямом освещении
с Л=810 нм — основной вид исследования (рис. 19);
- при косопадающем свете видимого спектра (белые светоди-оды) — вспомогательный вид исследования.
Рис. 20. Пример изображений, получаемых в видимой области спектра при прямом (слева) и косопадающем (в центре) освещении и при ультрафиолетовой люминесценции (справа)
В исследовании материального носителя текста — бумаги в рамках историко-бумаговедческого исследования эффективным оказывается одновременное применение телевизионной лупы (тл-з) и видеомыши (вмц). Видеомышь обеспечивает возможность получения цветного изображения с увеличением в 70х в видимой области спектра (400-700 нм) при прямом и косопадающем освещении, а также наблюдение ультрафиолетовой люминесценции (возбуждается ультрафиолетом 365-375 нм) (рис. 20).
Эти возможности необходимы при осуществлении сравнения технологических параметров исторических бумаг, с точки зрения оценки их сортовых характеристик и решения вопроса о принадлежности к одному или различным производственным регионам (Голландии, Франции, Польши, Швейцарии и т.п.).
Наблюдение в видимой области спектра при прямом освещении дает возможность сравнительной оценки цвета и белизны бумаг, позволяет оценить количества крупных включений в бумажную массу (костра, щепки от оборудования). В сочетании с наблюдением в косопадающем свете оно позволяет характеризовать гладкость бумаги и специфику ее лощения, уточнять характеристику крупных включений. Наблюдение ультрафиолетовой люминесценции с возможностью накопления позволяет в общих чертах охарактеризовать проклейку бумаги и подробнее оценить характер включений и добавлений в бумажную массу (в том числе и получение их количественных характеристик — размер и количество на заданную площадь) (рис. 21).
Интеграция данных, собранных с помощью видеомыши и телевизионной лупы, с показаниями маркировочных знаков бумаги (филиграней) и с характеристикой сеток листоотливной формы позволила в ходе экспериментального исследования 100 листов западноевропейской бумаги xvii в. (из русских рукописных документов) получить надежную группировку листов по их технологическим характеристикам. В результате при работе с листами, не имеющими маркировочных знаков бумаги и находящимися в составе одних и тех же кодексов, удается уверенно
относить эти листы (по их технологическим характеристикам) к тем или иным группам листов с филигранями, что, в свою очередь, позволяет строить точные кодикологические схемы рукописей, уточняя их датировку и историю формирования.
Рис. 21. Пример изображений, получаемых при люминесцентном макроанализе
Кроме применения в исследованиях переплетов, письма и бумаги, телевизионные лупы показали хорошие результаты в исследовании красителей, использовавшихся в орнаментальном украшении и миниатюрах рукописей. Осуществлялось разделение близких по цвету красителей по их сравнительным характеристикам в разных зонах спектра и по характеристике их люминесценции (уф).
методы и технические средства гиперспектральной визуализации
В настоящее время намечается переход от традиционных мультиспектральных (многозональных или спектрозональных) методов визуализации к гиперспектральным, что позволит более точно дифференцировать исследуемые объекты по спектральным
1 2 5 Ь 1
Рис. 22. Схема гиперспектрометра: 1 — входной объектив; 2 — щель; 3 —диспергирующий элемент; 4 — оптическая система; 5-6 — приемник; 7 — монитор
отличиям за счет большего числа спектральных каналов (до нескольких сотен) и лучшего спектрального разрешения
(до единиц нм и менее). Гиперспектральным анализом называется спектральный анализ, проводимый для числа спектральных каналов (числа длин волн, для которых измеряется интенсивность) от нескольких сотен до тысяч. Телевизионные гиперспектральные системы (тгс) производят одновременное измерение интенсивности излучения сигнала для длин волн, регистрируемых приемником (матрицей) и пространственной координаты исследуемой поверхности. Пока гиперспектральные системы в основном существуют на уровне проекта, т.е. создания схемотехнических решений или отдельных их элементов. Это делает особенно важной разработку нового класса аппаратуры — тгс, сравнимых с зарубежными аналогами и даже превосходящих их по своим параметрам.
Интенсивность отраженного сигнала зависит от интенсивности сигнала подсветки, в качестве которой могут быть использованы как естественные источники света, так и искусственное освещение. С естественным освещением удобно работать при проведении натурных измерений, тогда как использование искусственного освещения удобно для создания спектральной библиотеки образцов и проведения лабораторных исследований. Поскольку сложно произвести натурные измерения при одинаковых условиях, то необходима калибровка получаемых данных с учетом интенсивности и спектра падающего света.
Основными величинами, подлежащими измерению при спектральном анализе, являются длина волны, интенсивность отраженного сигнала и пространственная координата исследуемой поверхности. Результатом гиперспектральной видеосъемки является гиперкуб — трехмерный массив данных, две из координат которого соответствуют пространственным координатам, а третья — номеру спектрального канала. Формирование изображения исследуемой поверхности может осуществляться либо путем сканирования поверхности за счет перемещения самого прибора, либо за счет использования матричных преобразователей «свет — сигнал».
Вариант структурной схемы тгс [3] приведен на рис. 22. тгс работает следующим образом. Отраженный от объекта исследуемый сигнал попадает на входной объектив (1), фокусирующий его на щель (2). Щель, установленная перпендикулярно направлению движения носителя с гиперспектрометром, «вырезает» узкую полосу снимаемой поверхности. По направлению движения носителя вводится ось координат, вдоль которой отсчитыва-ется пространственная координата получаемого спектрального изображения. Далее вырезанная полоса попадает на диспергирующий элемент (3) (например, призму), расположенный так, чтобы плоскость разложения света была перпендикулярна щели. Таким образом полоса света раскладывается по длинам волн, образуя спектральную координату изображения. Разложенный сигнал попадает на оптическую систему (4) (выходной объектив), проецирующую его на приемник цифровой камеры, где изображение фиксируется и сохраняется в виде непрерывной последовательности видеокадров или одного или нескольких кадров видеозаписи в задаваемый программой или же оператором, производящим работу, момент времени. Так на матрице формируется срез гиперкуба для определенной
пространственной координаты х. Затем уже оцифрованный
сигнал записывается управляющим компьютером на жесткий диск, флэш-карту или другое устройство для долговременного хранения и последующего воспроизведения или обработки.
Для каждого пикселя полученного изображения таким образом определена яркость, являющаяся третьей «координатой» точки в гиперкубе. По мере перемещения тгс над исследуемой поверхностью снимается новая полоса поверхности, создавая последовательность кадров, позднее объединяемых в цельное изображение снятой поверхности — спектральное изображение. В качестве диспергирующего элемента обычно применяется призма или дифракционная решетка. Наиболее распространенные усовершенствования этого элемента — система фильтров и электронно-оптический усилитель. Система фильтров, расположенная за входным объективом, выделяет в падающем свете один или несколько спектральных диапазонов, в соответствии с поставленными перед прибором задачами, а также позволяет пропускать каждый спектральный диапазон через отдельную оптическую систему, повышая точность измерений.
выводы
1. Оптико-электронные методы и средства оценки технологических характеристик исторических бумаг, безусловно, имеют положительный потенциал для использования в экспресс-контроле их технологических характеристик при решении задач экспертного, реставрационного и историко-бумаговедческого исследований рукописно-книжных памятников.
2. Телевизионные методы и средства исследования исторических бумаг являются незаменимыми при проведении почерковедческих экспертиз, кодикологических исследований и реставрационных работ рукописно-книжных памятников.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Корнышев Н. П. Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине.— Новгород: Новгу им. Ярослава Мудрого, 2004.— 226 с.
2. Корнышев Н.П. Телевизионная визуализация: учебное пособие.— Новгород: Новгу им. Ярослава Мудрого, 2010.— 164 с.
3. Орлов А. Г. Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ик диапазонов: автореф. дис. ... канд. техн. наук.— М., 2008.— 26 с.
