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化學與藝術的融合:國寶 「康熙臺灣輿圖」實體絹本重建技術
陳鴻興
國立臺灣科技大學
光電工程研究所、色彩與照明科技研究所
n 前言
「康熙臺灣輿圖」是目前已知現存最早的單幅彩繪卷軸臺灣全圖(圖1),繪製於清康熙38至43(1699-1704)年間,全圖絹本設色,是以傳統山水技法繪製,描繪出17、18世紀之際,臺灣西半部從北到南的山川地形、行政兵備部署、道路與城鄉生活等景觀,可說是清初對臺灣地理與社會文化生活的一個縮影。此圖兼具地理圖、兵備圖與風俗圖之功能,被認為國立臺灣博物館最重要的鎮館之寶(國立臺灣博物館,2016),日本的歷史學者伊能嘉矩曾將之譽為「臺灣古圖之最」(翁佳音等,2007)。為了長久保護原輿圖,未來不再受到不適當環境溫度、濕度及光照之影響,以及希望未來能夠得到輿圖最佳展示效果之考量下,本研究預定以多圖層式之數位修復方式進行輿圖修復,並進行高品質之數位噴墨輸出原尺寸複製畫作,可有效提供作為修復、展示與教育研究之用途。目前學術界與博物館界對於「康熙臺灣輿圖」之描繪背景仍缺乏了解,為了解讀康熙臺灣輿圖當時之描繪背景以及臺灣當時之民俗風貌,本研究除了進行輿數位模擬重建之外,並將邀請國內歷史學家與修復專家諮詢及共同參與,廣泛並深入進行康熙時代相關史料之考查,期望能夠還原300年前臺灣歷史、地理與住民(平埔族與漢民族)社會風俗的原貌。
本研究主要介紹彩色影像處理與照明技術如何應用在博物館典藏品(古地圖)數位修復的一件代表案例,由於時代的快速變遷,博物館數位修復逐漸成為一門跨領域學門,除了美感訓練之外,有關色彩科學、照明科學以及化學專業知識的養成亦不可欠缺,希望能夠藉由本文之介紹,對於年輕學子融合藝術與科學跨領域的視野養成有所幫助。
圖1 「康熙臺灣輿圖」原圖局部:上圖為台灣北部至中部,下圖為台灣中部至南部
(國立臺灣博物館典藏)
n 基礎原理
1. 色彩度量學
色彩度量學(Colorimetry)為現代色彩科學的基礎。人類經過漫長的摸索,終於了解色彩的形成需要經過三階段:物理階段、生理階段與心理階段(圖2)。物理階段是指在「物體」、「照明」或「色覺」,可以利用光譜的方式來描述,即在可見光波長範圍(380 nm-780 nm),描述物體的反射或透射特性用光譜反射率或光譜透射率,描述照明光的能量特性用光譜能量分布,描述人眼中三色感色細胞(錐狀細胞)的感色特性用色匹配函數(Color Matching Functions,由國際照明委員會進行標準化定義之)。生理階段是指在人眼外界之色光,進入人眼錐狀細胞進行光電轉化之後,會形成紅色訊號、綠色訊號、藍色訊號等三色訊號,再經由視神經進行傳遞。心理階段是指視神經中的紅、綠、藍三色訊號傳遞進入大腦特定區域之後,會形成色彩之感覺,此色彩之感覺可用色彩三屬性來描述之,即色相(hue)、明度(lightness)、彩度(chroma)。色相是大腦對對象物(物體或光源)感覺之色名,明度是大腦對對象物感覺之明暗程度,彩度是大腦對對象物感覺之鮮豔程度(陳鴻興、陳詩涵,2008)。
圖2 色彩形成原理 (自行繪製)
色彩度量學是研究人的色覺規律、色彩測量理論與技術的科學,它是由國際照明委員會CIE (International Commission on Illumination)所制定。其中,最重要的一個觀念是三刺激值(tristimulus values)。人眼的三個色彩訊號一般我們描述為三刺激值XYZ。一個物體的顏色,其三刺激值的形成,可視為它的物體光譜反射率(如果是透明物體,則描述為物體光譜透射率)、照明光譜分布與色匹配函數(正常人眼中三色感色細胞之感度分布曲線,由國際照明委員會CIE所制定),三者在可見波長範圍內積分作用後所得的面積值。試以圖3的例子來說明;如果有一個藍色物體的光譜反射率(寫作R,例如,藍莓),此物體在光源光譜(寫作P,例如,D65日光)的照射條件下,在兩者先進行作用後,這時我們可當作「白光」照射該物體後,從該物體反射之「藍光」,再進入人眼視網膜上之感色細胞(錐狀細胞)再次進行作用,產生對應之彩色訊號。在計算過程中,我們可以採用光源光譜P與物體光譜反射率R在各個波段進行相乘產生藍光。這束藍光進到人眼的色覺系統後,讓它與三色錐狀感色細胞(CIE色匹配函數)分別再進行相乘,最後所得到的PRX、PRY、PRZ的積分面積值,即分別稱為三刺激值X, Y, Z。以圖3來說明的話,即一個物體具有R的光譜反射率,在具有照明光光譜能量P的光照射下,所產生的色光進到人眼色覺系統的色匹配函數、
、
作用產生三個色彩訊號量,稱為三刺激值(陳鴻興、陳詩涵,2008)。
圖3 三刺激值形成原理 (陳鴻興、陳詩涵,2008)
2. 色度圖
接下來我們要介紹色彩度量學的另一重要觀念:色度圖,它可以將一個物體(光)的三刺激值資訊進行色度與亮度的分離,如將一個色刺激之三刺激值X, Y, Z,其三刺激總和(X+Y+Z)當作分母,個別元素X, Y當作分子,這樣得到一個新的座標圖稱為CIE xy色度圖。一個顏色如果有它的x, y色度座標值的話(例如,x=0.6, y=0.3),對照色度圖就可以知道這個顏色是什麼色名(例如,紅色),其它顏色都可以以此類推。在CIE xy色度圖上,可以定義幾個常用的名稱;一個叫做光譜軌跡。在光譜軌跡上,長波長到短波長的色相順序為紅–橙–黃–綠–藍–藍紫,如果把可見波長的長波長端(紅色端)與短波長端(藍紫色端)連成一線會產生純紫邊界線。還有一個定義叫做等能量白點,它是X=Y=Z計算成為x=1/3,
y=1/3所得到的色度結果。藉由x, y的色度組合,我們可以看到一個物體或色光的色度,再配合上刺激值Y的話,就可以知道該物體或該色光的色度與亮度特徵(圖4)(陳鴻興、陳詩涵,2008)。
(a) CIE xy色度圖 (b)CIE a*b*圖
圖4 CIE色彩系統 (陳鴻興等,2018)
3. 色差
接下來我們要講在色彩度量學在工業上的一個重要應用:色差,即利用色彩測量的手段比對顏色並分析一對色樣本之間的顏色差異,這裡簡單介紹最基本的色差公式:1976年CIE定義的色差公式,寫作△E*ab,例如說,我們眼前看到一對不同顏色,要如何去描述這對的顏色差異呢?首先我們要決定其中的基準色並測色計算找出它們的L*a*b*值,比如說基準色稱為L*1、a*1、b*1,測試色稱為L*2、a*2、b*2,這二個色樣本之色差可視為它們在CIELAB色彩空間中產生二個色點座標之後,兩色點在CIELAB色彩空間中之歐幾里得距離。色差△E*ab是它們之間的明度差△L*,紅綠色差△a*與黃藍色差△b*之平方值再開平方根,△E*ab這個數值越大,就代表這二個顏色越不同,數值越小就代表這二個顏色越接近(陳鴻興、陳詩涵,2008)。CIE除了公布1976年色差公式之外,為了更精準描述顏色差異,另外還公布有1994年及2000年色差公式,基本上都維持著1976年色差公式之架構,再加以改良。
4. 光度學
光度學(photometry)是根據人眼的敏感度,測量及量化可見光光強弱程度的一項領域。光度學除了要確定相應的測量單位之外,還要研究測量儀器的設計、製造和測量方法。廣泛應用於建築設計、光學工程、照明工程及影像顯示等領域。例如,在照明工程領域中,需要對各種光源進行光度的特性測量。描述光的照明單位需要從「光源」、「人眼」與「物體」等三方面的關係一起考量(圖5),包含光通量(光源)、發光強度(光源與人眼)、照度(光源與對象物)與亮度(人眼與對象物)。即當一光源從發射到物體表面時,到被人眼看見的過程中,在不同階段有其不同的定義與單位(圖6),分述如下:
(1) 光通量
光通量(luminous flux)單位為流明(lm),是單位時間內光源所發出的可見光能量。新購的投影機說明書上,常會標示該投影機具有多少流明數,即是指它的光通量。
(2) 照度
照度(illuminance)單位是勒克司(lux; lx; lm/m2),是每單位面積所吸收可見光的光通量,用於入射表面的光。照度的大小取決於光源的發光強度,以及被照體和光源之間的距離。在我國國家照度標準CNS的照度標準中,均有對常用的室內工作場所(例如:教育建築、辨公室、餐廳、圖書館等)制定有適度照明的照度規範。
(3) 發光強度
發光強度(luminous intensity)單位為燭光(cd; lm/sr),是一光源在特定方向上所放射出單位立體角內的光通量。在1單位立體角內其強度為1/683瓦特時的光源發光強度,稱為1燭光。像是在LED照明領域中,產品出廠前,需要對各種生產LED光源進行各個角度下發光強度特性分布之測量,取得配光曲線圖。
(4) 亮度
亮度(luminance)單位為cd/m2 (或cd/(sr·m2)),是一光源單位在給定方向上單位面積、單位立體角內所發出的光通量。像是在影像顯示領域中,產品出廠前,需要對各種生產的液晶顯示面板進行亮度特性之測量,衍生包含最大亮度、最小亮度、對比與畫面均勻度等。
圖5 光度學四大單位關係圖 (陳鴻興等,2018)
圖6 光度學四大單位示意圖 (陳鴻興等,2018)
n 研究方法
臺灣博物館接收自日治時期的臺灣總督府博物館典藏之「康熙臺灣輿圖」,有三個版本,其中之一被判定可能是「原圖」,另外兩個版本則應是在日治時期依「原圖」所臨摹的第一、第二摹本。目前市面上所見的「康熙臺灣輿圖」,均是根據第一摹本再製而成。「原圖」因年代久遠,已有部分材質破損與顏料脫落,為了慎重保存起見,近年來該「原圖」則未有過再進行公開展示。「原圖」上文字多以記述地名與行程聯絡之用,是以毛筆直接書寫於絹本上,全體字數共約3,515個字。圖7為原圖、第一摹本與第二摹本描繪相同位置(今基隆區)之對照例,整體來說,原圖的繪製內容較第一摹本與第二摹本為細緻,但已有相當程度老化褪色與剝落損傷,第一摹本與第二摹本的描繪內容不見得與原圖完全一致,但整體保存狀態較佳,因此,該兩版本內容可作為原圖數位修復與重建之參照依據。本研究「康熙臺灣輿圖」數位重建作業之實施步驟包含:「分類輿圖元素」、「軟體數位重建」與「展示品色彩評價」等三項內容,說明如下:
(a)原版 (b)臨摹版1 (c)臨摹版2
圖7 康熙臺灣輿圖三種版本對照(今基隆區)(國立臺灣博物館典藏)
1. 分類輿圖元素
由於目前輿圖上文字相當一部份已剝落不明,為了完整重建文字原貌,決定採用委託書法專家以毛筆書寫臨摹於紙本之後,再以數位掃描之方式來進行文字重建,圖8表示輿圖內文字重建之一例,包含有(a)原圖文字、(b)臨摹掃描及(c)重建文字,子圖(d)與子圖(e)另外表示輿圖內文字原稿(黑字)與數位重建結果(紅字)之2個圖例。本研究完成輿圖內所有構成元素之分類,整理如表1,共包含以下18種構成元素:(1) 文字、(2) 竹叢、(3) 樹林、(4) 水田、(5) 旱田、(6) 石城、(7) 兵營、(8) 草屋、(9) 土屋、(10) 山脈、(11) 河川、(12) 人物、(13) 牛、(14) 馬、(15) 犬、(16) 兔、(17) 鹿及(18) 船等。
(a)原圖文字 (b)臨摹掃描 (c)重建文字
(d) 文字原稿(黑字)與數位重建(紅字)-例A (d) 文字原稿(黑字)與數位重建(紅字)-例B
圖8 文字原稿、臨摹與重建結果
表1 輿圖構成元素的分類與命名
2. 軟體數位重建
本研究進行輿圖之數位重建工作,係採用Adobe Photoshop CC影像編輯軟體之影像處理相關工具,進行輿圖內容之數位重建,以下整理選用Adobe Photoshop軟體之應用程式選單(選單)及工具面板(工具)中,應用於本輿圖數位重建之相關指令操作。
(1) 「變形、旋轉、放大、縮小」操作
(2) 「模糊化、銳利化」操作
(3) 「仿製印章工具」操作
(4) 「圖樣印章工具」操作
(5) 「橡皮擦」操作
(6) 「筆刷」操作
(7) 「快速選取工具」操作
(8) 「魔術棒工具」操作
表2與表3分別整理了針對「竹叢」、「樹林」元素,與「石城」、「兵營」元素,在重建前與重建後的對照結果。
表2 「竹叢」、「樹林」元素重建圖例
表3 「石城」、「兵營」元素重建圖例
3. 展示品色彩評價
表4整理選定之展示作品色彩重建之評價圖像,它們是選自於數位重建後輿圖的局部圖像後進行絹本材料上之噴墨打樣,圖像周圍自行增加了24色色彩導表(黃日鋒等,2011),以作為測色基準之測色判定。子圖(a)為複製原圖,子圖(b)至子圖(g)分別代表依據表4所示之亮度及飽和度調整條件(條件A~條件F),製作輸出6張色彩重建評價用樣本(樣本A~樣本F,A4尺寸),將6張色彩重建評價用樣本整體調亮一定比例之後、再依不同增加鮮艷程度進行些微調,這些評價用樣本整體彩度之增加程度,是按照子圖(b)圖至子圖(g)的順序微量增加,在特定展示LED照明的條件下,這些評價用樣本之專家視覺評價結果將可作為決定完整複製展示品何者為最適當色彩重建之判定依據。
為了精確模擬臺灣博物館輿圖展示的照明環境,我們導入多頻道光源LED光箱系統進行展示照明光之重建模擬作業,該照明系統可以用來重建博物館預定展示LED用燈的照明光特性(照明光之色溫、照度、光源演色性及光譜功率分布)。圖9顯示使用多頻道光源系統(Thouslite LEDView光箱)重建博物館展示用燈的示意圖,該系統中包含的11種特定LED光譜功率分布曲線,能夠精準重建任何展示照明之光譜功率分布,目前所測試的兩種LED照明展示照明包含「LED照明1」與「LED照明2」,它們是表示在臺博館內部實際展示場所之中的兩種照明光譜功率分布(圖10)。經過光譜輻射儀光譜測量之後,我們將「LED照明1」分類為低演色性(CIE Ra=62),「LED照明2」分類為中演色性(CIE Ra=80)。
藉由多頻道光源LED系統之使用,接著將此二種展示LED燈之照明光進行重建之後,在這些選定的照明條件下,進行前述選定評價用樣本色彩重建之專家視覺評價作業,即在光箱內擺放一系列色彩評價用的作品影像(即表4:子圖(b)~子圖(g)的樣本A~F輸出絹本打樣),邀請9名臺博館的專業工作人員(專家)作為色彩評價受測者,對這些評價用樣本進行視覺評價。
表4 設計色彩重建評價用樣本:(a)圖為原圖局部,(b)圖至(g)圖分別代表整體調亮一定比例(調亮1級)後、再依不同增豔程度(鮮豔1級至鮮豔3級)的調整結果
圖9 利用多頻道光源系統重建博物館展示照明光箱
圖10 臺博館展示場所的2種照明光光譜功率分布曲線
n 研究結果
在完成9名受測者評價作業之數據分析後,分析結果均顯示:無論在哪一種展示照明(展示光源1與展示光源2)照射下,展示品色彩重建之評價結果均顯示樣本C在所有6件評價用樣本(A~F)中,得到最佳的色彩評價結果(圖11)。所有受測者在兩種展示光源照明下。我們進一步對各個評價用樣本上24色色彩導表進行色彩量測,分析其中之6個主色(紅色R, 黃色Y, 綠色G, 青色C, 藍色B, 洋紅色M),色彩測量採用分光光度計(X-rite i1 pro),所測量CIE色彩值包含明度L*值, a*值, b*值及彩度C*ab值。圖12顯示在二種展示照明下,樣本A~F之CIE a*b*色域圖,其中,紅色實線為的複製原圖,藍色實線為評分最高的樣本C(即以Adobe Photoshop進行「調亮+1級、調飽和度+2級」操作之樣本),結果顯示樣本C中黃色系與綠色系之色彩再現結果,較複製原圖(紅色實線)之彩度值提升。
圖11 展示作品色彩重建之視覺評價結果:(a) 展示LED燈1,(b)展示LED燈2
圖12 二種展示照明下評價用樣本A~F之CIE a*b*色域:(a) 展示LED燈1,(b)展示LED燈2
(藍色實線為評分最高的樣本C)
本研究另外進行之科學檢測項目包含有「X光透視圖」與「紅外線反射檢視」等項目,以下為檢測結果與圖例:
(1) X光透視圖:《康熙臺灣輿圖》是以傳統礦物顏料在絹上彩繪,其顏料層稀薄,而絹布為有機質,基本上須以能量較低,波長較長的軟X光透視,本次利用X光透視檢視輿圖,嘗試從材料的殘留或分布,找出因老化或劣化而質變或缺損而消失的訊息。以下為表5分析一例之說明。X光影像是X光穿透檢測物件的過程與組成材料原子交互作用的結果,顏色淺即表是抵達偵測面板的X光光子數較多,換句話說就是材料密度較低或是原子量較輕的元素。在上圖可以看見有較淺色的線條存在,可能是舊有的摺痕,造成的缺損。也可以看到部分色彩在X光影像中消失,譬如:書法文字於X光影像並沒有呈現,可以推論標註之文字的材料是輕元素的成分,也可以再進一步推論標註文字的黑色材料就是碳,因為傳統的墨是以松煙製得,其主成分就是碳黑。
表5 X光透視檢測之一例
原圖 |
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(2) 紅外線反射檢視:本研究使用之紅外線反射攝影,為使用飽含紅外光的鎢絲燈為光源,將EOS 60D (Canon)數位單眼相機改裝為接收光波長範圍從可見光至近紅外光1,100 nm,並配合850 nm~1,050 nm帶通濾鏡,以獲得近紅外光影像。以下為表6分析一例之說明。因傳統繪畫是以墨色為主的水墨畫,而墨本身是以松煙製作而得,松煙的主成分是碳黑,其分子吸收紅外線,所以若是拍攝紅外線反射影像,可以明顯見到以墨描繪之線條。
表6 紅外線攝影檢測之一例
n 結論
本研究完成臺灣博物館典藏「康熙臺灣輿圖(原圖)」之數位重建與複製品評價與輸出,本研究完成輿圖內整體元素之數位重建工作,並導入多頻譜LED光源系統重建模擬臺灣博物館常設展展場之展示照明,進行何種顏色之複製展示品,會具有最佳展示效果之色彩評價作業。最後將數位模擬與重建的最適當版本,委託以高階數位噴墨印刷進行原寸絹本輸出。針對臺灣博物館館方典藏之「臺灣康熙輿圖」三種版本(即「A版(原圖)」,「B版:(臨摹版1)」及「C版(臨摹版2)」),將其輿圖內容之文字與圖形元素進行交叉比對,完成輿圖史料調查。
本研究設計之「康熙臺灣輿圖」數位重建作業之實施步驟包含:(1) 分類輿圖元素」、(2)軟體數位重建,以及(3) 展示品色彩評價等三項內容。在分類輿圖元素方面,本研究完成輿圖內所有構成元素之分類,共包含18種構成元素:(1) 文字、(2) 竹叢、(3) 樹林、(4) 水田、(5) 旱田、(6) 石城、(7) 兵營、(8) 草屋、(9) 土屋、(10) 山脈、(11) 河川、(12) 人物、(13) 牛、(14) 馬、(15) 犬、(16) 兔、(17) 鹿及(18) 船等。在軟體數位重建方面,本研究係採用Adobe
Photoshop CC影像編輯軟體之影像處理相關工具,完成輿圖內整體內容之數位重建工作。在展示品色彩評價方面,本研究導入多頻譜LED光源光箱系統,重建模擬館方常設展展場之兩種照明展示光源,進行何種複製展示品具有最佳展示效果之色彩重建評價作業,並決定出最為適當的色彩重建展示版本。最後將數位模擬與重建的最適當版本,委託以高階數位噴墨印刷方式進行列印輸出,按照原寸比例,噴墨輸出重建於絹本材料上。
本研究針對國寶「臺灣康熙輿圖」原圖進行全面性科學性檢測,檢測方法包含「X光透視圖」、「XRF分析顏料」、「紅外線反射檢視」與「拉曼光譜檢測顏料」等四項,進行輿圖上顏料之元素分析與非可見光影像之鑑定,對於臺灣的歷史研究與古代輿圖的科學考證上具有相當劃時代的意義。本研究成果「康熙臺灣輿圖重建版本」(「康熙臺灣輿圖數位/夢幻重建D版」)於2020/03/10 至2020/08/30期間在臺灣博物館館內公開展示(《夢幻古圖-康熙臺灣輿圖總動員,圖13),以下展示說明文字介紹:(國立臺灣博物館,2022)
「《康熙臺灣輿圖》家族總動員:
本展為《康熙臺灣輿圖》數位重建(D)版完成後的首度公開現身。為使本版在視覺上盡量貼近「原版」的色彩效果,團隊以模擬的展示光源,選出最適的色彩重建版本,再依原寸比例以噴墨輸出,並參照原版裱褙方式進行裱褙,而完成了《康熙臺灣輿圖》D版的實體紙本重建。
配合《康熙臺灣輿圖》數位重建(D)版的首度現身,本展亦同場展出《康熙臺灣輿圖》前面三位「前輩版本」,即列為「國寶」的《康熙臺灣輿圖》「原版」(或稱A版),列為「重要古物」的《康熙臺灣輿圖》(B版) 與「第二摹本」(C版),此為歷史上第一次《康熙臺灣輿圖》三版「全員到齊」聯展,再加上第四個版本:《康熙臺灣輿圖》數位/夢幻重建(D)版,堪稱是《康熙臺灣輿圖》家族總動員。」
本研究建議之實體絹本重建與複製品評價技術,可提供博物館、美術館未來展示古地圖、書畫等典藏作品的一項新觀念。
圖13 臺灣博物館《夢幻古圖-康熙臺灣輿圖總動員》
n 參考資料
翁佳音、石文誠、陳佳慧(2007)。康熙臺灣輿圖歷史調查研究報告。國立臺灣博物館。
國立臺灣博物館(2016)。康熙臺灣輿圖(局部)。網址:https://kangxitaiwanmap.ntm.gov.tw/
國立臺灣博物館(2022)。《夢幻古圖-康熙臺灣輿圖總動員》特展,臺灣博物館1樓東展廳,2020/03/10 ~ 2020/08/30. 網址:https://event.culture.tw/NTM/portal/Registration/C0103MAction?useLanguage=tw&actId=00017&request_locale=tw
陳鴻興、陳詩涵(譯)(2008)。色彩工程學:理論與應用。(原作者:大田登)。全華。
黃日鋒、詹文鑫、陳鴻興、胡國瑞、徐道義、孫沛立、羅梅君(2011)。顯示色彩工程學(二版)。全華。
n 附註
本文為作者執行「康熙臺灣輿圖數位修復委託案」(2016.8.2 ~ 2017.8.1)之部分研究成果。本修復計畫之完成,特別感謝以下人員之參與:李子寧副研究員、呂孟璠組員、曾沛婷組員(以上國立臺灣博物館)、羅鴻文助理教授(臺南藝術大學博物館學與古物維護研究所)在計畫進行上之協助、翁佳音老師(中央研究院臺灣歷史研究所)提供專業歷史之建議,以及林震煌老師(臺灣師範大學美術系)、曾永寬老師(雲林科技大學文化資產維護系)、周靜茹博士生(臺灣科技大學應用科技研究所)、林韻丰博士生(臺北藝術大學文化資產與藝術創新博士班)在本修復計畫協助參與相關研究項目,並感謝登華資訊張秉君經理提供多頻道光源系統(Thouslite LEDView光箱)之使用,使本計畫得以順利進行。