（考古学及博物馆学专业论文）越窑青瓷显微科技气泡测定研究.pdf

摘要 摘要 鉴于古陶瓷高仿品充斥市场的现状，引入现代科技手段、建立科学的古陶瓷 鉴定体系势在必行。目前，国内外的科研单位已广泛开展古陶瓷科技测定的研究， 但多数集中在化学元素的分析，对于古陶瓷显微结构的研究，还仅是肉眼观察的 延伸，尚未建立起可供检测对比的信息数据库。 本研究以越窑青瓷标本为研究对象，旨在建立一个古代越窑青瓷气泡特征数 据库，通过对越窑青瓷标本气泡特征数据的统计检验，为传统古陶瓷鉴定提供参 考佐证。整个研究过程采用显微科技的观察手段，综合数学和物理学的相关理论， 建立气泡测定模型，并编写适用的分析软件，在对晋、唐、五代、北宋各时期共 4 0 0 多件古代越窑青瓷标本的釉层气泡进行实验分析的基础上，提取其气泡分布 特征数值，如各气泡直径、平均直径、气泡大小差异度，初步建立了古代越窑青 瓷气泡信息数据库。 整个研究过程表明，我们提取气泡特征数值并作统计估计，找出各时期气泡 平均直径和气泡差异度的置信区间，是为古陶瓷鉴定提供的一个可靠的参考依 据。作为现代科技介入古陶瓷鉴定的辅助手段，显微科技气泡测定法是切实可行 的一种方法，相信随着数据库容量的不断增大，由气泡表达的陶瓷征象，在对古 陶瓷年代的判断上将会有非常突出的作用。 关键词：显微科技测定气泡越窑青瓷 中图索引号：k 8 5 4 2 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ha i m sa t e s t a b l i s h i n g a l la i r - b u b b l et r a i td a t a b a s ei no r d e rt o c o m p l e m e n tt h ed i s c r i m i n a t i o n o fy u ee e l a d o n 1 1 l e p r e s e n ta r t i c l e b a s e d o n m i c r o - t e c h n o l o g i c a lm e n s u r a t i o n , m a t h e m a t i ct h e o r ya n dp h y s i c a lt h e o r y , a n a l y z e s t h ea i r - b u b b l e si ng l a z ef i o mm o r et h a n4 0 0a n c i e n ty u ee e l a d o ns a m p l c so ff o u r d y n a s t i e s , j i n ，t a n g , w a ia n dn o a hs o n g ，a n dp r o v e st h a ta i r - b u b b l e sd of o l l o w s o m er u l e s t h eo u t c o m ei n d i c a t e st h a tm i c r o - t e c h n o l o g i c a la i r - b u b b l em e n s u r a t i o ni s f e a s i b l ef o ra n c i e n tp o r c e l a i na u t h e n t i e a t i o n i ti sb e l i e v e dt h a tt h i sm e t h o dw i l lp l a ya m o r ei m p o r t a n tr o l ea l o n gw i t ht h ee x t e n s i o no fd a t a b a s e k e yw o r d s ：m i c r o - t e c h n o l o g i c a lm e n s u r a t i o n ；a i r - b u b b l e ：y u ee e l a d o n c l a a s i f i c a t i o nc o d e s ：k 8 5 4 2 4 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：监日期： 论文使用授权声明 山一7j 仉 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名导师签名 日期：瑚：三 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 古陶瓷显微科技气泡测定研究背景和意义 古陶瓷是中华民族智慧的结晶，蕴含了丰富的文化、科技内涵，是宝贵的历 史文化遗产，兼具学术价值和收藏价值。 我国古陶瓷制作源远流长，种类繁多、风格各异。目前对古陶瓷的鉴定，主 要从瓷器的造型、纹饰、胎釉、款识以及查阅文献资料了解文化背景等几个主要 方面着手，运用传统上的归纳和类比的方式，在大脑中建立相应的古陶瓷信息资 料库。传统鉴定方法对器形、胎釉，甚至纹饰的叙述均无量化标准，鉴定结果的 可靠性主要依赖于鉴定者接触到古陶瓷标准器的多寡以及对古陶瓷宏观表象规 律的认识理解和掌握程度。 近年来，随着文物收藏市场的热潮方兴未艾，文物的价值急剧飙升。在高额 利润的驱动下，各种赝品充斥市场。在现代高科技手段的帮助下，赝品的仿制效 果到了几可乱真的程度，经验鉴定显然已力不从心。因此，如何准确地、无损伤 地鉴别它们是仿制品、出土品、传世品，以维护国家和个人利益，打击不法行为， 已迫在眉睫。 魔高一尺，道高一丈，合理地将现代科技手段和方法运用于古陶瓷鉴定是形 势所趋。传统宏观鉴定方法与现代科学技术手段相结合，将使古陶瓷鉴定的结论， 更具客观性、科学性和说服力。可以说，科技将会是未来中国古陶瓷鉴定的发展 方向，建立科学的古陶瓷鉴定体系势在必行。 本研究以越窑青瓷标本为研究对象，采用显微科技的观察手段，综合数学和 物理学的相关理论，在通过对晋、唐、五代、北宋各时期4 0 0 多件古代越窑青瓷 标本的釉层气泡进行数理论证、定量分析以及计算机编程，旨在建立一个古代越 窑青瓷气泡特征数据库，通过比对不同时代越窑青瓷标本的气泡特征，为传统古 陶瓷鉴定提供参考佐证。 本文第一部分论述了越窑青瓷气泡测定的理论基础，包括人文科学基础和自 然科学基础。人文科学基础，是从概述越窑的发展历史、烧制工艺到论述气泡的 形成机理，为使用科技手段进行越窑气泡测定并建立数据库提供人文指导；自然 科学的理论基础涵盖了气泡测定法的数学建模原理和过程，以及统计原理在气泡 测定中的应用，并介绍了直接间接两种气泡信息提取方法：直接法是进行气泡识 别后对气泡数值特征的统计，包括气泡直径、气泡直径的平均值、气泡差异度( 方 差) ，在现有的实验条件下，已经可以成功建立起越窑气泡信息数据库并建立统 第1 章绪论 计模型；间接法是对气泡图像进行傅立叶转换，提取傅立叶频谱特征值，还有待 进一步测试和优化。 本文第二部分运用越窑青瓷气泡直接法测定对4 0 0 多个越窑青瓷标本进行 测定，提取其气泡特征数值，包括气泡最大直径、最小直径、平均直径、方差等 数值，并将数据以关系型数据库形式存储，按照晋、唐、五代、宋四个时期，建 立气泡信息数据库。利用数据库中的上述统计量进行正态分布型的模型参数估 计，建立统计模型，找出各时期越窑青瓷气泡直径值和气泡大小差异度( 方差) 的置信区间。并选取一待测器物，进行气泡特征数据的提取，与置信区间相比对， 作出判断。 学术界对越窑的研究成果非常丰富，但是通过显微科技手段进行气泡的研究 分析还很少。本研究虽已历时两年不断测试完善气泡测定的软件分析系统，并初 步建立起越窑青瓷的气泡信息数据库和统计模型，但仍嫌租陋，今不惴鄙陋，还 请各位专家斧正。 1 2 传统目鉴与科技测定的关系 传统目鉴法与科技测定方法如何结合而建立起科学的鉴定体系来，双方的地 位关系如何，历来有不同的见解。科技界的专家学者大多认为，随着技术手段的 不断进步，标本数据库的不断丰富、完善，科技鉴定方法必将居于主导地位，是 鉴定结论的最终给出者；而传统目鉴法，将逐步成为科技鉴定体系中的一个基础 步骤，一项前期工作。对此，文博界的专家则认为，科技鉴定方法不可能独立于 传统鉴定方法之外，只能是科学鉴定体系中的一个辅助手段，一种补充。 就两者关系问题，汪庆正先生曾有论述。汪先生认为：两者不可偏废。过 去传统鉴定方法主要是靠眼光、凭手摸、靠古代文献资料、靠新出土的一些实物 傍证。现在一定要靠自然科学的测定。但是单纯自然科学测定是不可取的，因为 标本的取舍要靠人文科学、靠考古发掘来决定。自然科学手段只能是补充，不能 独立，所谓鉴定，不仅仅是断真伪。都是真的，还要鉴定它是好的，还是一般的， 是精还是粗，这都是鉴定，离不开人文科学。但仅凭地层关系、靠眼看、手摸、 翻资料、搞排比，依然解决不了问题时，就非得需要自然科学测定手段不可。鉴 定需几个方面工作：一是掌握历史上已经有的资料；二是要有新考古发掘的资料， 如窑址的新考古发现等情况；三是传世品的排比、分类；四是自然科学手段的测 定；五是进行模拟实验。 本文所讨论的越窑显微科技气泡测定方法，就是汪先生所说的自然科学手段 的测定方法之一，是作为古陶瓷鉴定的一个辅助手段，为鉴定提供科学的参考依 2 第1 章绪论 据，并不能取代传统鉴定方法。另外，显微科技气泡测定法研究本身也必须以传 统人文科学为依托，利用考古发掘资料和文献资料，采集来源可靠的越窑青瓷标 本、分析测定数据，才能建立科学可靠的越窑显微科技气泡信息数据库，为越窑 青瓷的测定提供可靠的判断依据。 1 3 古陶瓷科技鉴定研究的现状 古陶瓷的科技鉴定始于1 9 世纪六、七十年代的法国，是有关圣陶里地区出 土陶器的化学成分研究2 。国内引入科技手段进行古陶瓷测定研究，是在2 0 世纪 5 0 年代，由中国科学院上海硅酸盐研究所第一任所长周仁先生开立先河的。 目前，国内已开展的古陶瓷科技鉴定，主要是对陶瓷胎、釉成分、烧成温度、 烧制时问、显微结构等方面进行测定、分析，其主要采用同步辐射x 荧光、p i x e 和x 荧光、热释光、x r f 定量分析等方法。而这些方法的使用，是需要标本数 据库及一整套先进设备支持的。所以，此项工作多集中于科研院校，主要有以下 几处： ( 1 ) 中国科学院上海硅酸盐研究所已建立约含有2 0 0 0 个标本的数据库。其 中景德镇瓷器胎、釉的主、次、微量元素数据比较多，可以作为鉴定景德镇瓷器 的仞步依据。现仍在收集相关标本进行测试。 ( 2 ) 中国科学技术大学于2 0 世纪9 0 年代初开展文物产地及其矿料来源的 研究。最初，几乎所有的工作都与探索文化交流相关，其研究对象也主要是古陶 器。重要研究成果之一是根据贾湖遗址出土古陶和有关粘土的分析，发现当时是 以家庭为单位进行陶器制作的3 4 。利用古陶产地分析的信息来探索古代社会的 经济结构，这在国际上还是第一次。近两年来，中科大和中国科学院上海硅酸盐 研究所合作，在李家治教授的指导和支持下，业已开展了汝瓷微结构5 和景德镇 官窑青花瓷器的研究o 。 ( 3 ) 中国社会科学院考古研究所、中国科学院高能物理研究所都利用核技 术进行古陶瓷化学元素的分析，建立了实验参数可控的专用装置，对无损测试的 实验参数进行了分析探索，以便确定最佳实验条件，并将n r f 和s r x r f 等无 损方法和i n a a 等有损方法，通过对相同古瓷样品的测试，进行了初步的对比研 究，旨在确立不同方法间测试数据的转换关系“8 。此外，他们也开展了古陶瓷 标准参考物质的研究工作。 ( 4 ) 陕西科技大学( 原西北轻工业学院) 于9 0 年代初期初步建成“中国古 陶瓷胎釉化学组成数据库”9 ，随后又与中国科学院上海硅酸盐研究所合作对其进 行了完善和补充。与此同时他们利用x r f 测定了耀州窑出土的历代瓷片和陕西 3 第1 章绪论 汉阳陵出土的陶俑的微量元素组成，并通过多元统计分析对不同类古陶瓷的微量 元素特征及判别函数进行了研究1 0 。 陕西科技大学与考古人员合作，通过对耀州窑、长沙窑、磁州窑以及越窑等 窑口不同时期逾千种典型器物的复原图进行的扫描或数字照相数字化一建库 工作，初步建立了中国古陶瓷器型结构数据库，并利用多元统计分析方法对耀州 窑出土的碗与钵的器型结构参数进行处理，分别研究了它们的演变规律，并得到 了依据器型结构参数进行辅助断代的判别函数”。 ( 5 ) 复旦大学现代物理研究所利用p i x e 方法开展了中国古陶瓷、古玉器 和古代书画印章的分析和鉴定工作1 2 1 3 。 ( 6 ) 上海博物馆从1 9 7 5 年开始研究古陶瓷热释光测定年代，先后从英国和 丹麦引进了国际上最先进的热释光测量装置。王维达研究员一手创建了国内第一 个“古陶瓷热释光测定年代实验室”，经过3 0 年的潜心研究，建立起一套完整 的古陶瓷热释光测量系统。 1 4 古陶瓷科技鉴定具体方法浏览与反思 由上所述，经过几十年的发展，国内各科研单位进行的古陶瓷科技鉴定研究 己取得了一定的成果，运用各种方法、手段建立了一套完整的实验流程，并在数 据库建设方面也有了一定的进展。但是，我们也看到，在目前所进行的各种研究 方法中，面对现实的古陶瓷鉴定时，都有着先天的缺陷。 1 4 1 碳- 1 4 年代测定法 碳1 4 年代测定法是运用碳1 4 衰变原理，检测器物中碳1 4 浓度，推算出器 物烧造年代。但是由于从碳1 4 半衰期为5 7 3 0 年，在以百年计的时间单位内的浓 度变换也是极其微弱的，因此这种测年方法误差太大，极不适用于瓷器鉴定，目 前主要用于石器时代的陶器断代。 1 4 2 热释光断代法 热释光断代是利用绝缘结晶固体的热释光现象1 4 进行断代的技术。上海博物 馆与香港城市大学对此项技术的研究取得了一定的成果1 5 。几十年来的实验证 明，热释光在考古检测方面是一个很好的科技手段。但是这种测试方法用于古陶 瓷鉴定就不是那么理想了。首先是环境因素，在高度工业化发展的今天，各种辐 射无处不在，加上环境污染，臭氧层破坏，宇宙射线加强，这些都是难以避免的， 若被测物经高温受日晒或接触放射性物质，那检测结果就不具可靠性；另外现代 的造假者为牟取暴利，对现代仿古陶瓷进行人工辐射，扰乱热释光断代结果，现 4 第1 章绪论 代仿古陶瓷一变而成“古代真品”，身价不可同日而语。如何识别器物是否经过 人工辐射，上海博物馆进行a 剂量识别法研究1 6目前还处于探索阶段。 另外，以上两种直接测年法部是需要从待测物上取样，会对器物造成损伤， 属有损分析，这对于珍贵的古陶瓷待测物来说，即使是再微小的损伤也是让人 难以接受的，物主极少会愿意冒此风险。 1 4 3 化学元素分析 化学元素分析是目前最主要的古陶瓷科技鉴定技术，主要运用核技术得到 古陶瓷胎、釉各组成元素的特征谱线，再根据谱线的强度计算出元素的含量。 常用的核技术有：仪器中子活化( i n a a ) 、x 射线荧光光谱分析( x r n 、能量 色散x 射线荧光光谱分析( e d x r f ) 、质子束激发x 荧光光谱分析( p d 匝) 和同步辐射x 荧光分析( s l r f ) 、电感耦合等离子体光谱或质谱( i c p m s ) 等1 7 1 8 伸。 其中仪器中子活化分析( i n a a ) 和电感耦合等离子体光谱或质谱( i c p m s ) 是上海硅酸盐研究所主要采用的元素分析手段，需要一定可称量的样品，属有 损分析。因此以上两种分析方法极不适于古陶瓷鉴定的实际应用孤2 1 。 另外的x 射线荧光光谱分析( x r f ) 、能量色散x 射线荧光光谱分析 ( e d x r f ) 、质子束激发x 荧光光谱分析( p i x e ) 和同步辐射x 荧光分析 ( s r x r f ) 是中科院高能所、中国科技大学等科研院所广泛采用的科技手段， 现今已能达到无损分析的要求，不需要破坏样本，进行分析时，只需将碎片或 整器直接放入仪器中即可，对待测物的形状、大小、材料没有任何要求2 。但 是如果要分析胎，而样品没有露胎部分，则需将釉磨去一部分，这就又是有损 分析了，此为缺憾之一。 然而，即使能做到完全的无损分析，在古陶瓷鉴定的操作过程中，也暴露 出很大的缺陷。首先以化学元素来推断产地，就有一个先决条件，即每个窑场 都是使用当地的原料，但事实并非如此。其次，即使这个前提成立，元素分析 法测定的是原料中元素构成，虽然现在技术发展从原来的主要元素构成分析到 现在的指纹元素。分析，但是仍只能判断产地，而不能判断年代，因为一个地 区制瓷原料的天然构成具有较高的稳定性，并不会随时间的改变而发生变化。 若造假者在古代真品窑口所在地取用元素含量相同、没有受到现代污染的原 料，那就真伪难辨了。而经过核技术进行元素分析的待测物，由于已受到辐射 污染，已不能再采用热释光断代。 1 4 4 显微结构分析 显微结构分析是利用低倍或高倍光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显 微镜、x 一射线衍射仪等设备，对古陶瓷胎釉中存在的结晶、气泡、未熔物料的 5 第1 章绪论 形貌、数量、大小及其分布进行观察、照相和分析研究的方法2 i 。目前对古陶瓷 显微结构分析大多数停留在观察描述推测的层面2 5 ，如中科院与上海硅酸盐研究 所合作进行的杭州凤凰山麓老虎洞窑的出土瓷片显微结构研究，从釉的析晶和分 相的物理化学基础入手，描述了显微结构和相组成，但是并没有进一步有效的将 信息转换成可供分析对比的数据，更没有建立可存储大量样本信息的数据库基 础，运用显微结构分析方法进行古陶瓷科技鉴定也就无从说起了。 科技测定方法科研单位 损伤性 c 1 4 年代测定法有损 上海博物馆、香港城市大学、中国社会科有损 热释光断代法学院考古研究、北京大学考古系、上海硅 酸盐研究所 仪器中子活化中科院高能所、中国社会科学院考古研究有损 ( i n a a ) 所、中国科技大学、郑州大学 x 射线荧光光谱分析中科院高能所、中国科技大学，上海博物无损 ( x r f ) 馆、山西科技大学、广州分析测试中心 能量色散x 射线荧光中科院高能所、中国科技大学无损 化学元光谱分析( e d x r f ) 素分析 质子束激发x 荧光光中科院高能所、中国科技大学，复旦大学 无损 谱分析( p i x e )现代物理研究所 同步辐射x 荧光分析中科院高能所、中国科技大学 无损 ( s r x r f ) 电感耦合等离子体光中科院高能所、中国科技大学 有损 谱或质谱( i c p m s ) 显微结构分析中科院、上海硅酸盐、中科大 无损 表1 1 古陶瓷科技测定研究分布表 综观目前各科研院所进行的古陶瓷科技鉴定研究，主要的问题在于研究队伍 的技术构成相对单一，仅有专业的古陶瓷专家或仅有科技研究人员，没有搭建起 一个古陶瓷学科与理工类学科交叉互补的研究平台，由此带来了种种弊端： 首先，缺乏古陶瓷知识的专业指导，使得提取研究对象信息出现困难，研究 所采用的标本就往往有缺陷，从而导致后续的研究工作产生了根本性的颠覆； 其次，研究方法、手段偏于狭隘，各研究单位各自为战，未形成综合学术优 势，很多研究方法仅是肉眼的延伸，获得更清晰的视觉观察，没有获取科学可靠 6 第1 章绪论 的数据信息； 再者，没有建立起系统的古陶瓷信息数据库，无法建立统计模型，缺乏实践 意义，仅停留在学术科研的层面。 解决这一问题的关键在于建立符合实际需求的研究模型，开发操作性强、适 用性强的专门分析软件，有效的提取古陶瓷数据信息并合理的组织起来。目前， 国内外大多采用s p s s 软件包。该软件包是通用性的，并非为中国古陶瓷测试数 据专门编制的，使用效果并不理想。尽管陕西科技大学罗宏杰教授等已为中国古 陶瓷分析编制了主因子分析的专门软件，经实际使用，取得了一定成果2 6 。但是 此项工作还需要进一步拓展，针对不同的测定手段，在古陶瓷知识人员的专业指 导下开发分析软件系统，建立科学实用的古陶瓷信息数据库和统计模型。本研究 就是沿着这样的方向，不断努力，取得了初步的成效。 7 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 2 i 越窑青瓷气泡测定基础 任何一种科技鉴定方法都离不开人文科学的支撑，本研究更是如此。在运用 气泡测定法对越窑青瓷进行研究实验之前，我们必须了解掌握越窑青瓷的历史发 展、生产工艺以及气泡的形成机理，这些都是进行气泡测定研究的重要基础。掌 握了可靠的考古材料和相关文献材料，才能采集来源可靠的越窑青瓷标本、分析 测定数据，建立科学可靠的越窑显微科技气泡信息数据库，为越窑青瓷的测定提 供判断依据。 2 i 1 越窑青瓷简述 越窑自东汉开始生产，经三国、两晋、南朝、唐，一直到宋，延续千余年， 经历了创造、成熟、发展、繁荣和衰落几个大的段落，它是我国南方青瓷生产的 重要产地，在国内外享有盛誉。 1 、起源阶段东汉时期 大量的考古资料表明，越窑瓷器出现于东汉。从东汉起，在浙江北部杭州湾 内宁绍平原上的绍兴、上虞、慈溪、余姚、宁波等地出现一种器表施青釉的瓷器， 这就是东汉青瓷。 中国科学院上海硅酸盐研究所对浙江省上虞县上浦乡小仙坛东汉晚期瓷窑 遗址出土的青釉标本进行过多项物理和化学测试，表明这些瓷器“具有瓷质光泽， 透光性较好，吸水率低，在1 2 6 0 一1 3 1 0 的高温下烧成，器表通体施釉”等瓷 器所具有特性。 东汉越窑瓷器在上虞出现并不是偶然的。首先，这里蕴藏着大量的优质瓷土 资源；其次，这里山峦起伏、森林密布，有丰富的烧瓷燃料；再次，上虞地处杭 州湾南岸，曹娥江纵贯全境，水运交通十分便利。正是基于这三点，上虞越窑成 为中国瓷器的发祥地。 2 、发展阶段六朝时期 越窑青瓷自东汉刨烧以后，到三国、两晋，南北朝时期得到了迅速发展。绍 兴、上虞、余姚、宁波、奉化、i 临海、萧山、余杭、湖州等市县都发现了瓷窑遗 址。六朝时期的越窑是我国最早形成窑场众多、分布地区很广、产品风格一致的 瓷窑体系，而中心窑场仍然集中于上虞县。六朝晚期( 从南朝起) 越窑的制瓷中 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 心逐渐转移到余姚县的上林湖地区( 今属慈溪县) 。 3 、鼎盛阶段唐五代时期 唐代越窑制瓷作坊仍集中在上虞、余姚、宁波等地。随着瓷器质量的提高和 需求量的增加，瓷场迅速扩展，胎质更加细腻，釉色更加清纯，并具有玉质感， 形成了“南青北自”的局面。唐代的越窑还首次进入宫廷，开始成为“贡品”。 1 9 8 7 年陕西省扶风县法门寺唐代塔基地宫中曾经出土了1 4 件唐代越窑青瓷。 五代越窑瓷器的生产被钱越国垄断，且继续生产秘色瓷。五代秘色瓷在浙江钱越 国贵族墓中有大量出土，如1 9 6 6 年杭州市玉皇山发掘的五代天福七年钱元瑾( 钱 越国第二代国君) 墓；1 9 8 0 年临安县明堂山发掘的唐天复元年水邱氏( 钱越国 开国国君钱缪的母亲) 墓和1 9 9 6 年临安县玲珑镇五代天复四年马氏( 钱元瑾之 妃) 墓等，曾出土过精美的晚唐、五代越窑秘色瓷，其中还有当时仅限于皇室使 用的龙纹瓷器。 4 、衰落阶段北宋时期 北宋时期越窑继续烧造青瓷。据文献记载，宋朝立国初期，从开宝到太平兴 国十余年间( 9 6 8 9 8 4 年) ，钱越国控制下的越窑曾为北宋朝廷烧制青瓷贡品达 1 7 万件之多，说明北宋初年越窑生产的青瓷不仅质精而且量大，许多珍品还作 为礼品被宋廷赠与辽国，所以在北方辽代贵族墓葬中也常有越窑瓷器出土。后龙 泉窑兴起，越窑逐渐衰落。 可以说，越窑青瓷生产的旺盛期在两晋至宋初，在这个时间段内，越窑青瓷 的数量众多、工艺成熟，也是现代高仿的主要目标时期，因此，本研究主要选取 这个时间段的越窑青瓷标本作为标准器研究，最终建立晋、唐、五代、宋四个时 期的越窑青瓷气泡信息数据库。 2 1 2 越窑青瓷生产工艺 越窑青瓷胎釉特点是：胎土致密细腻，呈色从糙米黄至灰白，瓷化程度明显 提高，器壁薄而均匀，声音脆亮，硬度大大提高，吸水率大大降低。釉质莹润， 具有玉质感，釉色深绿，色泽纯正，坯釉结合紧密。 三国、两晋、南北朝时期南方各地的青瓷窑场使用的都是石灰釉，具有光泽 好，透明度高等特点。因为透明度高，所以胎的色泽对釉色的影响很大。越窑瓷 胎色灰，釉呈青灰色，施釉普遍使用浸釉法，釉层厚而均匀。 西晋的越窑瓷器有意识地选用了铁、钛含量较高的瓷土作为坯料，瓷胎呈色 较深，普遍作灰色，对釉起衬托作用，使釉青中带灰，色调比较沉静。器物成型 采用拉坯方法，使器形规整。瓷釉的调制也是重要因素。青瓷釉最初是用瓷石与 草木灰混制而成，风化程度差的瓷石一般含有大量助熔剂，常用来做釉，草木灰 9 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 的作用是引入c a o 成份，经过商温烧制与瓷石相互作用形成钙质釉。青瓷自东汉 晚期出现以后，经过三国、两晋、南北朝，在坯、釉质量上产生了不同程度的提 高，但由于瓷石原料分布地域广泛，原料成份含量多有不同，所以这一时期的瓷 器釉色和质感有较大差异。 南北朝时期早期越窑的釉色，由于火候提高，瓷釉中的氧化铁还原过程较好， 与三国时期的色泽相比，青色较深，黄色减少。 初唐时期的越窑，基本上保持了前代风格，胎质灰白而松，釉色青黄，容易 剥落。产品种类和造型的变化不大。 中晚唐时期越窑瓷器，原料加工的制作都很精细。瓷土经过很好的粉碎和淘 洗，坯泥在成型前经过揉练，所以瓷胎细腻致密，胎骨精细而轻盈，不见分层现 象，气孔少，呈灰或淡紫等色。器形规整，釉层均匀，开细碎纹和剥釉现象少见， 呈色黄或青中泛黄，滋润而不透明。 五代越窑青瓷质地细腻，原科处理精细，多呈灰或淡灰色。胎壁较薄，表面 光滑，器型规整，施釉均匀。釉色以黄为主，滋润光泽，呈半透明状，青绿色泽 在晚唐有所增加。五代越窑制瓷工艺的另一成就是缸、瓶等大件瓷器的烧成。 2 1 3 气泡形成机理 现代由于技术的进步，人们对瓷器表面釉层中的气泡及其所携带的信息产生 了浓厚的兴趣。如同业已成熟的指纹、声音和虹膜身份识别技术一样，气泡所携 带的特征能否为瓷器提供身份识别成为了研究的热点。从瓷器釉面的显微偏振照 片中，我们可以看出其中分布着大大小小的气泡( 图2 1 ) 。为什么气泡的特征 和瓷器烧制年代与窑口成对应关系，这要从气泡的起源谈起。 研究表明，气泡内的气体主要来自于釉质中汽化的液态水和结晶水。在瓷器 烧制中，当环境温度超过水的汽化温度时，水分逐渐从釉质中脱离出来，形成气 体。由于釉质表面张力的作用，分散的水汽逐渐聚集成大大小小的气泡。过小的 气泡由于流动性大，易于与其他气泡溶合，形成更大的气泡。而过大的气泡一旦 超过釉质所能提供的表面张力束缚时就会爆裂坍缩而消失。因此稳态时，大多数 气泡会处于一个合适的与釉质表面张力相平衡的大小。不同的釉质配方( 包括釉 质成分比例和釉质与水之间的比例) 会有不同黏度，而不同的黏度就会有不同的 表面张力。因此，釉质配方和气泡总体大小之间有着对应关系。另外，由于烧制 过程中环境温度逐渐升高，釉质的黏度也在随之增加，因此，气泡平衡的条件也 在变化。总体来说，气泡的特征取决于两方面因素，即釉质配方和烧窑程序。在 同一个窑口，瓷器的釉质配方和烧窑程序必然具有一定的标准，因此，烧制出的 瓷器釉层内气泡分布就有了一定的稳定性。气泡的特征和瓷器的窑口和烧制年代 1 0 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 也就形成了一定的对应关系。 现阶段，我们还无法说明气泡特征和釉质配方、烧窑程序等因素的具体关联， 即在什么样的配方、烧窑条件下呈现什么样的气泡特征。但是，这并不妨碍我们 运用气泡特征与瓷器的窑口和烧制年代之间的对应关系来进行古陶瓷气泡测定 研究，建立古陶瓷气泡信息数据库，为古陶瓷的科技鉴定提供一个科学可靠的参 考依据。 图2 1 气泡观测图像 2 2 越窑青瓷气泡测定模型建立 本文所研究的越窑青瓷显微科技气泡特征鉴定是一个复杂的系统工程，要科 学有效的表述、研究，就必须建立数学模型。 2 2 1 建模的目的和意义 数学模型一般是实际事物的一种数学简化。它常常是以某种意义上接近实际 事物的抽象形式存在的，但它和真实的事物有着本质的区别。要描述一个实际现 象可以有很多种方式，比如录音，录像，比喻，传言等等。为了使描述更具科学 性，逻辑性，客观性和可重复性，人们采用一种普遍认为比较严格的语言来描述 各种现象，这种语言就是数学。使用数学语言描述的事物就称为数学模型。 建立教学模型的过程，是把错综复杂的实际问题简化、抽象为合理的数学结 1 1 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 构的过程。要通过调查、收集数据资料，观察和研究实际对象的固有特征和内在 规律，抓住问题的主要矛盾，建立起反映实际问题的数量关系，然后利用数学的 理论和方法去分折和解决问题。 气泡测定研究就是需要科学，系统的建立一个气泡特征信息数据库和可供对 比检验的统计模型。因此，我们的研究思路简单来说就是收集、计算大量标准器 气泡分布的特征值，如气泡分布位置、气泡直径、平均直径、气泡差异度等数据， 将数据以关系型数据库形式存储，然后利用数据库中的大量数据，运用一定的数 学理论和方法建立统计模型，并进行检验分析。 2 2 2 建模过程 数学建模一般可分为建模准备、建立模型、模型检验和模型应用等步骤。结 合越窑青瓷显微科技气泡测定的实际问题和需要，建模过程分析如下： 要建立现实问题的数学模型，首先要明确研究、解决的问题是什么? 针对本 研究的背景和目的，我们研究的对象是瓷器和瓷片中的气泡，明确气泡的特征信 息是模型的主要研究对象：另外，我们要提供科学的、可操作的越窑青瓷气泡测 定方法，必须取得大量的、可靠的气泡多样特征信息数据，并提出可供对比的统 计模型。 然后，建立模型就是针对实际问题，引入一定的数学理论确定研究方法和研 究过程。我们就是需要一定的研究方法来收集、计算大量标准器气泡分布的特征 值，如气泡分布位置、气泡直径、平均直径、气泡差异度等数据，将数据以关系 型数据库形式存储，然后利用数据库中的大量数据，主要运用统计学理论和方法 建立统计模型，并对气泡各特征参数的统计规律作出分析推断。具体的研究方法 将在2 - 3 一节详细阐述，统计原理和统计模型的建立将在2 2 3 一节中介绍。 建立越窑青瓷气泡测定模型是需要取得大量气泡分布特征值，并在此基础上 对气泡分布特征、分布规律给出一定的推断，并且这个推断是可检验的。在检验 过程中，观察和研究实际气泡图像，对模型进行不断修正，使之能更准确的反映 气泡分布规律，可以用科学的语言进行解释。具体本研究的假设检验的理论阐述、 实际应用详见2 2 3 2 一节。 在建立了气泡测定模型的基础上，本研究目前已对晋、唐、五代、宋四个时 期共计4 0 0 多个越窑瓷片标本进行了研究实验，包括气泡图像的采集、气泡特征 信息的提取、气泡信息数据库的建立以及统计模型的建立与检验。具体实验过程、 实验数据和统计结果的论述与讨论将在本文的第三章详细论述。 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 越窑青瓷气泡测定方法建模思路见表2 1 。 集丈量标准瓷器显微气泡图像 一定的方法提取气泡特征信息 气泡信息数据库和统计模型 集待鉴定瓷器显微气泡图像 一定的方法提取气泡特征信息 选择目标模型，给出判断 吻合，为目标数据库瓷器 表2 1 气泡测定法建模思路 2 2 3 统计原理在气泡测定中的应用和统计模型建立 不吻合，非目标数据库瓷器 统计学是一门研究如何合理有效地收集受到随机性影响的数据，和如何对所 获得的数据进行整理和分析，从而为随机现象选择合适的数学模型并提供检验的 方法，并在此基础上对随机现象的性质、特点和统计规律作出推断和预测。 本研究所需要采集、提取的大量气泡特征信息以关系数据库的形式存储，但 是数据库并不能直接用于待测器物气泡特征的比对，我们就需要引入统计原理， 对数据库内的大量相关联的数据进行整理分析，建立符合测定需要的统计模型， 并可以据此对气泡分布的特征作出推断。 气泡的产生过程是一个受到釉质配方和烧制程序制约的过程，同时也是一个 随机过程。世上没有任何一对瓷器的釉层气泡分布式相同的，甚至于仅仅是局部 的特征( 给图) 。要想得到气泡的分布规律必须借助于数理统计这个数学工具。 运用数理统计的语言，我们称釉层中所有气泡的全体为总体( 或母体) ，单个气 泡称为个体。这里所研究的是一个有限总体的问题，即总体中有有限个个体。数 理统计所关心的并非每个个体的所有属性，而是它的某一项或若干数量指标x 和该数量指标x 在总体中的分布情况。在我们的研究中，有两个基本的数量指标 x ，分别是气泡直径和气泡位置，相应的总体则是由指标x 可能取值的全体组成 的集合。抽取不同的个体( 气泡) ，则会得到不同的数量指标x ( 直径、位置) ， 因而数量指标x 是一个随机变量( 和抽取过程有关) ，于是总体的分布就是随机 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 变量x 的概率分布。 从总体中抽取一部分个体，这一部分个体称为样本。样本中的每个个体称为 样品。样本中的个体数目称为样本容量。取得样本的过程即抽样。 样本是推断总体特征的依据，但在获得样本之后并不能由样本直接进行统计 推断，需要先对样本进行加工和提炼，把样本中所含的总体的相关信息集中起来， 针对问题构造出样本的适当函数。这样的样本函数就称为统计量。因此，构造统 计量是本研究的关键所在。 在完成以上对问题的模型化处理后，真正需要做的事情是统计推断。统计推 断包含两个方面的工作，统计估计和检验。无论是统计估计还是检验，都是利用 抽样调查获得样本信息，构造样本数量指标和统计量，对总体的某些性质或数量 特征展开的推断。 2 2 3 i 统计估计 统计估计是以抽样样本为依据，根据样本计算统计量，并以这些统计量作为 总体的参数估计值，来推断总体的某个树枝特征。在我们的研究中，我们认为某 一年代，某一窑口的瓷器的釉质有着稳定的配方和烧制程序。因此，气泡的直径 总体上分布在某一个稳定的值附近。基于此，我们可以用一个正态分布( n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) 模型来描述气泡直径分布的情况。另外，着我们给定一个范围， 称为置信区间，使得每件同年代、同窑口的瓷器的数值统计量气泡直径一 落在这个范围内的概率为一个定值。那么，我们就可以利用这些信息来估计一件 瓷器的特征符合已知正态分布模型的概率。 气泡直径符合正态分布函数，记为， d ( ，仃2 ) ， 其中，d 为气泡直径，脚和仃2 分别是其期望和方差。正态分布的概率密度 函数曲线为一对称的钟形曲线。图像以d 一为对称轴；盯2 越大，图像越平缓。 这个图像反映了自然界大多数随机变量的特征，即随机变量出现的值总是分布在 某个值附近，出现极大的值和极小的值的概率都是非常小的。 置信区间的数学表达为， p 饥啤l 一，x 。j d d h 1 “，x 。”i - 口， 其中，p 为概率函数，d ，为置信区间的下边界，d 。为上边界，1 一口称为置 信度，撑为样本容量。可见，置信度越大，直径落在这个范围内的概率越大，置 信度表达了区间的可靠度或可信程度。区间估计的精确度常用置信区间的平均长 度忙。- d 。) 来表示，e ( d 。一d 。) 越小，精确度越高。我们当然希望e 忙。- d 。) 尽可能地小，而p ( d ，t dc d 。) 尽可能地大。但是当样本容量，l 固定时，精确度 1 4 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 与可靠度不可能同时提高。因为，当精确度提高，即区间0 。，d 。) 的平均长度变 小时，d l ，d 。) 覆盖d 的可能性也交小，从而降低了可靠度。反之，增大可靠度 必然降低了精确度。在我们的实际应用中，一般采用以下策略，先保证置信度 1 - 口，在此前提下寻找精确度尽可能高的区间估计。 具体地，我们按照如下思路来寻求参数d 的置信区间， ( 1 ) 对一批可靠的瓷器样品抽样撑次，得到样本x 。x ：，x 。，由此计算随机 变量气泡直径d 伍l ，x 2 ，x 。) 。 ( 2 ) 对给定置信度1 一a ，由等式 p p 【d ( 墨，x 。j d h - l 一口 适当地确定常数d 。和d 。这样即可找到d 的置信度为1 一口的置信区间p 。，d 。) 。 2 2 3 2 假设检验 假设检验( t e s to fh y p o t h e s i s ) 是指，先对总体( 某个年代某个窑口的瓷 器) 或总体的性质提出某项假设，再利用样本所提供的信息对假设进行检验，以 判断假设是否成立。设总体的分布函数为d 一如，盯2 ) ，提出假设“d 缸；，d 。) ”， 以。表示这一假设，并称之为原假设a 如果检验的结果拒绝了原假设，那就意 味着接受了另一个假设“d 圣缸。，d 。) ”。以h 。表示这一假设，并称之为备择假 设。 2 3 气泡信息测定方法研究 要建立起一个可以进行科学统计的气泡特征信息数据库，首先就必须找到一 个可以准确有效的提取气泡特征信息的方法、手段。我们研究测试了两种不同的 方法，按照分析对象的不同，分别称为间接法、直接法。简单的说，间接法的分 析对象不直接针对气泡本身，而是气泡图像，间接的提取气泡图像频谱特征；直 接法的分析对象就是气泡本身了，提取的是气泡的数值特征。 气泡信息测定方法关系图见表2 2 。 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 采集大量标准瓷器显微气泡图像 间接法：图像傅立叶分析 根据大量傅立叶频谱分析数据建 立气泡信息数据库和统计模型 直接法：气泡识别，提取特征信 计算统计量：气泡直径、直径平 均值、气泡差异度( 方差) 、分布 密度和气泡标准化径向分布函数 根据大量统计量建立气泡信息 库和统计模型 表2 2 气泡信息测定方法关系图 2 3 1 间接法傅立叶分析 2 3 1 1 原理阐述 图像的特征一般是指其本质的特征，在一定程度上这样的特征可以从视觉上 分辨出来，但相似的图像需要准确描述其存在的特征差别，就需要通过某些变换 产生的人为特征。经二维傅立叶变换的空间频谱就属于图像的人为特征，通过提 取气泡整体图像的这一特征，而不是具体气泡的数值特征的这种傅立叶分析方 法，我们就称之为间接法。 纹理是图像分析中常用的概念，纹理一词最初指纤维物的外观，一般来说， 可以认为纹理是由许多相互接近的、互相编织的元素构成，它们富有周期性。有 些将纹理定义为“任何事物构成成分的分布或特征，尤其是涉及外观或触觉的品 质”。与图像分析直接有关的定义为“一种反映一个区域中像素灰度级的空间分 布的属性”。人工纹理是某种符号的有序排列，如点、线、字母、数字等，是有 规则的。自然纹理是具有重复性排列现象的自然景象，往往是无规则的，如草地， 海浪。纹理分析已经在很多领域广泛应用，如对红、白细胞和细菌、染色体的分 析，及军事与安全系统中运用的指纹掌纹识别都是我们可借鉴的案例。另外还有 一些不被人熟悉的的领域，比如在纺织品行业，通过对羊毛图像分析其卷曲特征 1 6 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 以作为羊毛品质的评定参数；在木材科学中，对木材横截面细胞捧列图像分析得 到解剖特征，进行木材鉴别、分类及演化规律的研究。按照前述定义，我们的分 析对象一一气泡显微图像也属于自然纹理的范畴，亦可运用纹理特征分析方法讨 论气泡分布特征。 一幅图像的纹理特征在空间域表现为黑白明暗的变化，在频域则表现为空间 频域特征。由于傅立叶变换具有明确的物理意义，同时有快速算法f f t ，因此被 普遍采用作纹理分析。 傅立叶变换将图像的每个像素变成一系列空间频谱值和它们的振幅、相位。 二维的傅立叶变换用下面的等式表示： 嘶) - 专篓孰y k 埘( 竽) e 删( 等) 一c o s ( 纫竿) 哨抽( 新竿) 酬。毙孰以格) 、 。 i t 轴表示原图像x 轴的空间频谱，v 轴表示原图像y 轴的空间频谱。 2 3 1 2 理想案例 用图2 2 、2 3 分别示意不同分布特征的理想状态下的气泡图像，运用二 维傅立叶变换得到图2 4 所示的两条不同特征图谱。 图2 2 理想气泡图像1图2 3 理想气泡图像2 1 7 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 8 3 0a t o 图2 4 理想气泡图像的傅立叶频谱曲线 图2 2 、2 3 、2 4 说明： 气泡图像( 如图2 2 ，2 3 ) 的纹理特征在空间域表现为黑白明暗的变化， 基于m a t l a b 上的二维傅立叶变换图像表示为不同特征的曲线( 图2 4 ) ，该曲 线表示图像由不同的周期性成分组成，横轴表示了不同的周期，纵轴表示该周期 性成分所占的比重，即强度 可以这样理解，基于二维快速傅立叶变换的程序运算方法是采用辐射状扫 描，即以气泡图像的中心为原点，以同心圆或以直线的形式向外作辐射状扫描， 求出一定半径r 的圆周上各次谐波( 即像素点值) 的总和，从而分布得出气泡分 布特征图谱。如图2 - - 5 所示。 ；，如l钒，娃l；稚；懿l；麓i；畦；oo 第2 章越窑青瓷气泡测定原理与方法 气泡照片 图2 5 说明： 图2 5 傅立叶运算示意图 谱线 图中实线圆圈表示气泡分布，虚线圆圈表示以原点为圆心，以r 为半径的圆 周上各点的像素值求和，得到的值就是该半径上气泡的强度值q ，即构成径向分 布曲线曲线上的点坐标( r ，q ) 径向分布曲线峰位表示了气泡的密集程度，峰位越高则气泡越密集，反之则 疏松；峰数表示了气泡分布有序的程度，蜂数越多表示气泡排列较为有序；峰的 宽度和气泡大小差异情况有关，峰越宽，表示气泡大小差异越大。 以上讨论的是理想状态下的气泡图像的傅立叶分析，要将这种分析方法应用 到现有手段采集到的气泡图像的特征信息提取，还有大量的工作要进行。要解决 的问题主要有两个：一是现实状况下采集到的气泡图像有杂质缺陷等，这些杂质 的灰度对图像傅立时变换结果有很大影响。使得频谱曲线不能准确反映出气泡特 征信息，需要对傅立叶变换程序进一步优化；二是图像进行傅立叶变换后得到的 频谱曲线虽然在理论上能够反映气泡的特征信息，但是要将曲线特征准确的解释 说明，转换成一一对应的量化的气泡特征数据，还有一定的困难，需要在进行大 量实验的基础上，对研究方法不断的修正、检验。 2 3 2 直接法气泡数值特征提取和统计 2 3 2 1 原理阐述 越窑青瓷气泡信息测定直接法就是直接以釉层内的气泡为研究对象，有效的 提取气泡的分布数值信息，如气泡分布位置、气泡直径、气泡的差