Raman and x-Ray Fluorescence Spectroscopy Data Fusin for Identification of Pigments in Works of Art.

Abstract

Since the mid 1980s, Raman and X-ray fluorescence spectroscopy have become instrumental techniques that can be easily and successfully applied to chemical analysis. In this respect, scientific studies of works of art and the materials used in their creation are one of the fields that have received great impulse. <br/>Several reasons for the spectroscopic investigation of antiquities and art objects can be pointed out. One of them is the interest in the materials and techniques in use during a certain period or region. This knowledge may be utilized for roughly dating the art object (retrieving pigments with a known date of invention may indicate that the artifact dates from a more recent period). Another reason is that this analysis is a useful source of information during a restoration or conservation treatment, and signs of a previous restoration, retouching or even forgeries can be found. <br/><br/>At the beginning of this century investigation in cultural heritage became an important research field that posed great scientific interest, requiring unprecedented interdisciplinary knowledge of a wide spectrum of areas such as history, archaeology, physics, chemistry, engineering, chemometrics and many other disciplines. On the other hand, improvements in the instrumental techniques used have been the goal of many important studies. Even more, in this decade the investigation has been focalized on the development of a new generation of instruments which allows the combination of complementary analytical techniques along with the advantage of portable instrumentation. Both improvements permit a robust and non-destructive chemical analysis of works of art which are difficult or impossible to study in a laboratory (highly valuable masterpieces, large paintings, and wall paintings). <br/>Chemometrics methods are the necessary complement to these instrumental improvements. In order to maximize the robustness of these instruments, automatic and robust data processing tools are needed to obtain the maximum possible information from a work of art. <br/>This doctoral thesis presents a framework to perform data-fusion systems for classification analysis of pigments investigated in the field of cultural heritage. These systems were developed and evaluated within a European Community research project, the main objective of which was to develop a portable micro Raman and micro X-ray fluorescence instrument (PRAXIS). <br/><br/>The general aim of this doctoral thesis is to study different strategies for the implementation of Raman-XRF data-fusion systems, in order to improve classification analysis of pigments investigated in the field of cultural heritage. This study takes into account the nature of the different interferences usually encountered in these types of signals and its elimination by developing dedicated algorithms. Moreover, this study evaluates automation in classification analysis by developing inference systems.<br/><br/><br/>In order to reach that global aim these particular objectives are defined:<br/><br/>1) To study the nature of stochastic events and signal interferences present in Raman and XRF spectroscopy in order to enable the implementation of chemometrics techniques for classification. This is done in more detail for Raman data, due to the fact that this technique is mainly used in this field for "fingerprint" analysis. The methodology used is Wavelet transform and the improvements achieved in this area are presented in a paper entitled Noise and background removal in Raman spectra of ancient pigments using wavelet transform. <br/>2) To establish the capabilities of a fuzzy logic system for automatic pigment identification. This issue is presented in a paper entitled Fuzzy logic for identifying pigments studied by Raman spectroscopy.<br/>3) To review the current state-of-art of data-fusion in analytical chemistry and to establish actual data-fusion methodologies onto a Raman-XRF sensor fusion system. The performance of each data-fusion architecture is discussed in a paper entitled Micro Raman and X-ray fluorescence spectroscopy data fusion for the classification of ochre pigments. <br/>4) To improve data-fusion methodologies by dual-domain analysis achieved by Wavelet transform. The achievements are presented in two papers Data fusion and dual-domain classification analysis of pigments studied in works of art and Data fusion in the wavelet domain by means of fuzzy aggregation connectives.<br/>5) To define the necessary parameters and propose a methodology to implement data-fusion strategies in Raman and XRF spectroscopy. <br/><br/>Structure<br/><br/>The thesis has been structured in different chapters, each one containing the following information:<br/><br/>Chapter 1 is a theoretical chapter; the first part gives an overview of the basic concepts and latest advances in the fields of micro-Raman spectroscopy and micro-X ray fluorescence spectrometry. The characteristics of a new instrument which combines both techniques are presented along with the improvements achieved in that area. In the second part, the background of chemometrics techniques used in this work is presented.<br/><br/>Chapter 2 introduces the framework for the study of ancient pigments. It describes the nature of samples analyzed and gives an overview of the different techniques used in the creation of works of art throughout the years. Finally, the instruments used in this doctoral thesis for preliminary and final validation analysis are described.<br/><br/>Chapter 3 deals with the data pre-treatment needed before applying chemometric techniques, both for classification and data-fusion. In that respect, the first part focuses on the principles of Wavelet transform as a tool to eliminate signal interferences. This chapter includes a paper in which the development of an innovative method to eliminate noise and background signals from Raman spectra simultaneously is presented. It has been successfully applied for Raman spectra of ancient pigments. <br/><br/>Chapter 4 presents a preliminary study of automatic analysis of pigments by means of soft computing solutions such as Fuzzy logic. A published paper is presented in which Fuzzy logic is used to perform an automatic system for pigment identification. This study is extended to a fusion model and X-ray fluorescence analysis data is incorporated in the developed identification system. The ability of fuzzy logic to process imprecise information is described in the last part of this chapter.<br/><br/>Chapter 5 deals with three data-fusion architectures and their analysis by means of hard computing solutions as Principal components analysis (PCA) and Partial least squares - discriminant analysis (PLS-DA). The models are implemented for the classification of a set of ancient pigments from Byzantine iconography. Benefits and drawbacks of each method are pointed out. <br/><br/>Chapter 6 incorporates a new innovative strategy for data-fusion. The fusion of data in the wavelet domain is discussed and two approaches are presented for Raman and X-ray fluorescence data-fusion: Mid-level and High level dual domain data-fusion. Both are used and successfully applied for the automatic identification of pigments in classification problems with different levels of difficulty. Two papers are included in which both methods are used for the classification of ancient pigments, which face difficult identification problems. These two methods combine the benefits described in the previous chapters of this thesis with the consequent improvement of classification results. The developed systems are suitable to perform a rapid and automatic classification of ancient pigments.<br/><br/>Chapter 7 presents a review of the state of the art regarding data-fusion. The different steps necessary to achieve a proper data fusion are discussed. <br/><br/>Finally, Chapter 8 presents the conclusions of the thesis and suggests some possible issues for future research.<br/> <br/><br/><br/> <br/>Fusión de datos en espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X para la identificación de pigmentos en trabajos de arte

Desde mediados de los años 80s, las espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X (XRF) se pueden considerar técnicas instrumentales de fácil aplicación en el análisis químico. Uno de los ámbitos de gran aplicación de dichas técnicas se centra en el estudio científico de una obra de arte y de los materiales utilizados en su creación. <br/>Existen varias razones para la investigación de antigüedades y objetos de arte por medio de técnicas espectroscópicas. Una de ellas es el estudio de los materiales y técnicas aplicados durante un cierto período o en una determinada región. Este conocimiento puede ser muy útil para ubicar aproximadamente un objeto de arte en una determinada época o periodo. Otra razón es que este análisis es una importante fuente de información para la restauración o el tratamiento de conservación, y permite encontrar señales de una restauración anterior, de repintado o de falsificaciones. <br/> <br/>Desde el comienzo de este siglo, la investigación en el patrimonio cultural se sitúa como un campo de la investigación importante con un gran interés científico. Esta investigación, requiere un importante trabajo multidisciplinario que implica a especialistas en áreas como historia, arqueología, física, química, ingeniería, quimiometría y otras disciplinas. Por otro lado, el objetivo de muchos trabajos científicos y estudios importantes, ha sido el desarrollo y las mejoras en estas técnicas instrumentales de análisis. Más aun, en esta década la investigación está enfocada en el desarrollo de una nueva generación de instrumentos que permiten la combinación de técnicas analíticas complementarias junto con la ventaja de una instrumentación portátil. Ambas mejoras permiten un análisis químico robusto y no destructivo de los objetos de arte, en especial de aquellos en los que resulta difícil o casi imposible de estudiar en un laboratorio. Como por ejemplo obras de arte de gran valor y pertenecientes al patrimonio cultural del país, pinturas de grandes dimensiones y pinturas realizadas en murales. <br/><br/>Los métodos Quimiométricos de análisis son el complemento necesario a estas mejoras instrumentales. Con objeto de aumentar al máximo la robustez de estos instrumentos, es necesario proveerlos de herramientas de procesamiento automáticas y robustas para obtener el máximo de información del objeto bajo estudio. <br/>Esta tesis doctoral, presenta un marco de referencia para realizar fusión de datos para la clasificación e identificación de pigmentos estudiados en el campo de patrimonio cultural. Estos sistemas se desarrollan y evalúan dentro de un proyecto de investigación de la comunidad europea. El objetivo principal de este proyecto ha sido desarrollar un instrumento portátil para realizar espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos-X (PRAXIS). <br/> <br/>El objetivo general de esta tesis doctoral es estudiar diferentes estrategias para el desarrollo de sistemas de fusión de datos Raman y XRF para mejorar la clasificación de pigmentos. Este estudio contempla la naturaleza de las distintas interferencias que habitualmente se encuentran en estos tipos de mediciones (espectros) y su eliminación por medio del desarrollo de metodologías adecuadas. También, se evalúa la posibilidad de automatización en el proceso de clasificación. <br/> <br/> <br/>Para alcanzar este objetivo global, se definen los siguientes objetivos particulares: <br/> <br/>1) Estudiar la naturaleza de eventos estocásticos (ruido) e interferencias habitualmente presentes en espectroscopia Raman y XRF, con el fin de facilitar la aplicación de técnicas quimiométricas de clasificación. Este estudio se realiza más profundamente para los espectros obtenidos por espectroscopia Raman, ya que es la técnica principalmente utilizada en este campo para una identificación del tipo "huella digital." La metodología usada es la transformada Wavelet y las mejoras logradas se presentan en un artículo titulado "Ruido y eliminación de señales de fondo en espectros Raman de pigmentos antiguos por medio de la transformada Wavelet". <br/>2) Establecer un sistema de lógica difusa para la identificación automática de pigmentos. Este estudio se presenta en un articulo titulado "Lógica difusa para identificar pigmentos estudiados por espectroscopia Raman". <br/>3) Estudiar la situación actual de aplicaciones y desarrollos de fusión de datos en química analítica y establecer las metodologías de fusión de datos reales en un instrumento Raman-XRF. Los resultados obtenidos en distintos modelos de fusión de datos se discute en un articulo titulado "Fusión de espectros Raman y de fluorescencia de rayos X para la clasificación de pigmentos ocres". <br/>4) Mejorar las metodologías de fusión de datos por medio del análisis en el dominio dual dado por la transformada Wavelet. Los logros obtenidos se presentan en dos artículos "Fusión de espectros y análisis de clasificación en el dominio dual de pigmentos estudiados en obras de arte" y "Fusión de datos en el dominio Wavelet por medio de conectores de agregado difuso". <br/>5) definir los parámetros necesarios y proponer a una metodología llevar a cabo las estrategias de fusión de espectros en espectroscopias Raman y XRF. <br/> <br/>Estructura <br/> <br/>La tesis ha sido la estructura en capítulos diferentes, donde cada uno contiene la siguiente información: <br/> <br/>El capítulo 1 es un capítulo teórico; donde en una primera parte se da una apreciación global de los conceptos básicos y de los últimos adelantos en espectroscopias Raman y de fluorescencia de rayos X. Las características de un nuevo instrumento que combina ambas técnicas se presentan junto con las mejoras logradas en él. En una segunda parte, se describen las técnicas quimiométricas usadas en este trabajo. <br/> <br/>El capítulo 2 describe la naturaleza de las muestras estudiadas y de su uso en la creación de obra de arte. Finalmente, se describen instrumentos Raman y XRF usados en esta tesis doctoral. <br/> <br/>El capítulo 3 presenta el tratamiento necesario en los datos antes de aplicar las técnicas quimiométricas, ya sea para la clasificación y/o fusión de datos. En ese sentido, se presenta un estudio de la aplicación de la transformada Wavelet como una herramienta para eliminar las interferencias señaladas. Este capítulo incluye un artículo en el que nosotros presentamos el desarrollo de un método innovador para eliminar simultáneamente las señales de ruido y fondo es espectros Raman. <br/> <br/>El capítulo 4 presenta un estudio preliminar del análisis automático de pigmentos por medio de la lógica difusa. Se presenta artículo donde la lógica difusa es utilizada para realizar un sistema automático de identificación de pigmentos. Este estudio se extiende a un modelo de fusión y por el cuál la información obtenida por XRF es incorporada en el sistema de identificación desarrollado. <br/> <br/>El capítulo 5 presenta tres arquitecturas de fusión de datos y el posterior análisis por medio de técnicas quimiométricas como el análisis de componentes Principal (PCA) y la regresión por mínimos cuadrados parciales para análisis discriminante (PLS-DA). Los modelos se llevan a cabo con el estudio de pigmentos antiguos referidos a la iconografía bizantina. Esta parte acaba señalando los beneficios y desventajas de cada método. <br/> <br/>El capítulo 6 presenta una nueva estrategia para la fusión de datos, que es la fusión de datos en el dominio del wavelet. Se discuten los fundamentos y se presentan dos modelos de fusión de datos Raman y XRF en el dominio wavelet: El nivel medio y el nivel alto, ambos se aplican a la identificación automática de pigmentos. Dos artículos son incluidos, donde se describen ambos métodos y se presenta su aplicación para la clasificación de pigmentos antiguos. <br/><br/>El Capítulo 7 presenta un estudio sobre el estado actual en la investigación de fusión de datos y su aplicación en química analítica. Las etapas necesarias para desarrollar métodos apropiados de fusión de análisis. <br/> <br/>Finalmente, en el capítulo 8 presenta las conclusiones de la tesis y propone posibles trabajos de investigación futura.