祁赟鹏¹, 赵希利², 周亚军¹, 李玉虎¹, 邢惠萍¹, 汪泳¹, 伍楠¹
1. 陕西师范大学 历史文化遗产保护教育部工程研究中心, 陕西?西安 710119;
2. 西安博物院, 陕西?西安 710068
2018-10-19 收稿, 2018-11-21 录用
陕西师范大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（GK201703080，2017TS050）、陕西师范大学大学生创新训练计划项目（CX17020）和陕西师范大学2018年大学生暑期社会实践项目（SJXY2018003）资助
^*通讯作者: 周亚军, E-mail: zhouyajun@snnu.edu.cn

摘要: 醋酸综合症是醋酸纤维素酯电影胶片特有病害现象，是威胁其安全保存的主要因素。醋酸综合症导致电影胶片的几何尺寸改变、机械强度降低、影像信息严重受损。本文采用基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜研究了醋酸综合症电影胶片片基层表面粗糙度；采用X-Rite Model VS450分光光度计研究了其表面对可见光的反射率。实验结果表明胶片发生醋酸综合症之后，其表面粗糙度增大，对可见光的漫反射增强。由此可以说明醋酸综合症发生之后，胶片表面析出的增塑剂形成粗糙界面，对可见光的漫反射增强，在放映过程中透射光减弱，这是胶片记载影像受损的主要因素。
关键词: 电影胶片醋酸综合症表面粗糙度电影影像清晰度
Effects of Acetic Acid Syndrome on Film Images
QI Yunpeng¹, ZHAO Xili², ZHOU Yajun¹, LI Yuhu¹, XING Huiping¹, WANG Yong¹, WU Nan¹
1. Engineering Research Center of Historical Cultural Heritage Conservation, Ministry of Education, Shaanxi Normal University, Xi'an 710119, Shaanxi, P. R. China;
2. Xi'an Museum, Xi'an 710068, Shaanxi, P. R. China
^*Corresponding author: ZHOU Yajun, E-mail: zhouyajun@snnu.edu.cn
Abstract: Acetic acid syndrome is a special disease phenomenon of cellulose acetate film, and is the main factor threatening the safety of cellulose acetate film. Acetic acid syndrome caused the change of size, brittleness of the film base, severe damage of the image. In this paper, the Keyence VK-X250K shape measurement laser microscope was used to study the surface roughness of the base of syndrome acetate film, and the X-Rite Model VS450 spectrophotometer was applied to study the reflectivity of the film surface to the visible light. The experimental results show that the surface roughness and reflection to visible light increase when the acetic acid syndrome occurs. Thus, it can be explained that when the acetic acid syndrome occurs, the rough interface is formed due to precipitation of the plasticizer, which leads to the enhancement of the reflection to visible light. The attenuation of transmission light is the main factor leading to the damage of the recording image.
Key words: filmacetic acid syndromesurface roughnessfilm imagesclear rate
醋酸纤维素酯电影胶片是馆藏数量最多的一类电影胶片^[1]，承载着大量的历史、艺术信息，是一类重要的历史文化遗产。然而，其片基材料三醋酸纤维素酯分解引起的醋酸综合症是其长久保存最大的威胁之一。醋酸综合症表现为胶片释放出刺鼻的醋酸气味、表面析出白色晶体、尺寸收缩、扭曲变形、乳剂层液化脱落等^[2]。在醋酸综合症发生过程中，胶片片基层表面析出大量的白色晶体(见图 1)^[3]，研究表明此晶体为胶片片基材料在生产过程中添加的增塑剂磷酸三苯酯^[4]。醋酸纤维素酯胶片发生醋酸综合症之后，在放映过程中，画面上出现大量的黑色斑块(见图 2)，导致其记载的影像模糊不清，画面完整性与清晰度严重受损。
图 1

图 1 醋酸综合症电影胶片 Acetic acid syndrome film

图 2

图 2 醋酸综合症电影胶片影像 Acetic acid syndrome film image

电影胶片在使用过程中，其影像信息的获取依靠穿过胶片的透射光。放映过程中，放映机的光源发射出的可见光照射电影胶片，不同波长可见光在穿透胶片的过程中被胶片记载影像的染料吸收，吸收强度取决于影像染料形成颜色的深浅，入射光经过吸收后剩余的透射光在银幕上形成影像。醋酸纤维素酯电影胶片发生醋酸综合症之后，电影胶片记载影像上产生的大量黑色的斑点与其在放映过程中可见光穿透胶片过程中发生变化存在必然内在的联系，因此本文采用基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜分析测试了醋酸综合症电影胶片表面形貌与粗糙度，采用X-Rite Model VS450分光光度计研究了其表面可见光的反射率。研究结果表明醋酸纤维素酯电影胶片发生醋酸综合症之后，由于其表面析出增塑剂晶体导致胶片表面产生不均匀的凹凸不平的界面，形成大量不规则偏离胶片表面的斜面。由于这些斜面的存在，在放映过程中，放映机光源照射到胶片的可见光在其表面的传播路径发生改变，导致漫反射光增强，透射光减弱，在其画面上产生黑色斑块，导致影像的清晰度与原始信息严重受损。
1 实验部分1.1 实验仪器基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜；X-Rite Model VS450分光光度计。
1.2 实验样品醋酸纤维素酯电影胶片样品由中国电影资料馆西安电影资料库提供，其中发生醋酸综合症的醋酸纤维素酯电影胶片为西安电影资料库征集到的样片，经鉴定由于醋酸综合症此胶片已报废。
1.3 实验测试条件及其相关参数1.3.1 测试条件实验样品采用基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜直接测试，激光光源为408 nm，采用20X光学镜头获得测试样品表面2D、3D形貌，测试结果采用基恩士多文件分析软件VK-H1XMC进行校正处理后获得样品表面粗糙度参数S_a、S_z、S_tr、S_pc、S_dr等^[5]，此测试方式参照国际标准ISO25178-2: 2012 Geometrical product specifications (GPS) - Surface texture: Areal—Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters；样品表面可见光反射采用X-Rite Model VS450分光光度计测试，测试范围为350~750 nm^[6]。
1.3.2 表面粗糙度参数① 算数平均高度(S_a)：定义区域中每一点的绝对高度值的平均值，为表面性状的高度参数，其计算公式如下：
② 最大高度(S_z)：定义区域中最大山峰高度(S_p)和最大地坑高度(S_v)的和为表面性状的高度参数，其计算公式如下：
其中。
③ 表面性状的高宽比(S_tr)：表示表面性状的各向同性、各向异性，为表面性状的空间参数。S_tr取值区间(0, 1]，接近0时表示样品表面存在条纹等，接近1时表示样品表面性状不依赖于方向，S_tr计算公式如下：
其中，**表示在连接原点和点(t_x，t_y)的直线上的任意点处f_ACF≥s成立，其中f_ACF为样品表面空间参数的自相关函数，计算公式如下：
④ 算数平均山峰曲率(S_pc)：表示定义区域中山峰主曲率的算数平均值，为表面性状的复合参数，数值小表示与其他物体接触的点较圆润，数值大表示与其他物体接触的点较尖锐，S_pc计算公式为：
⑤ 界面展开的面积比S_dr：表示定义区域展开面积与定义区域的面积相比增大了多少，为表面性状的复合参数。如果表面是与高度方向完全垂直的平面，则为0，S_dr计算公式为：
2 结果分析与讨论2.1 胶片表面形貌图 3、图 5为采用基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜获取的未病变醋酸纤维素酯电影胶片表面2D、3D形貌，图 4、图 6为发生醋酸综合症电影胶片表面2D、3D形貌。从2D形貌图可以看出，未病变胶片表面有少量的划痕，这是胶片在保存或运输过程中产生；发生醋酸综合症的胶片表面有大量的不规则棱状晶体，此晶体为其在发生醋酸综合症过程中的析出物，经分析测试为胶片片基材料增塑剂磷酸三苯酯；从3D形貌可以看出，未病变电影胶片表面相对比较均一光滑，胶片表面高度起伏介于-0.16~0.20 μm之间；而发生醋酸综合症的电影胶片高低起伏较为显著，高度介于-7~10 μm之间。从未病变胶片与发生醋酸综合症电影胶片表面形貌比较可以看出，发生醋酸综合症之后，其表面粗糙度显著增大。
图 3

图 3 未病变电影胶片表面2D形貌 2D morphology of film surface without lesions

图 4

图 4 醋酸综合症电影胶片表面2D形貌 2D morphology of film surface with acetic acid syndrome

图 5

图 5 未病变电影胶片表面3D形貌 3D morphology of film surface without lesions

图 6

图 6 醋酸综合症电影胶片表面3D形貌 3D morphology of film surface with acetic acid syndrome

2.2 胶片表面粗糙度表 1、表 2分别为采用基恩士VK-X250K形状分析激光显微镜获取的未发生与已发生醋酸综合症醋酸纤维素酯电影胶片表面的信息，并采用基恩士多文件分析软件VK-H1XMC进行校正处理后获得样品表面粗糙度参数，测量区域为537 μm×716 μm，表中胶片表面2D形貌为测量区域胶片表面状况，胶片表面高度图为测量区域胶片表面高度起伏状况。
表1

表 1 未病变电影胶片表面粗糙度测试结果 Surface roughness test results of film without lesions 编号 胶片表面2D形貌 胶片表面高度图 胶片表面粗糙度参数 Sa/μm Sz/μm Str Spc/mm-1 Sdr 1 0.033 1.16 0.025 118 0.0013 2 0.028 1.26 0.020 95 0.00080 3 0.0027 0.43 0.017 116 0.0012 4 0.042 0.99 0.017 210 0.0040 平均值 0.026 0.96 0.020 135 0.0018

表 1 未病变电影胶片表面粗糙度测试结果 Surface roughness test results of film without lesions

表2

表 2 醋酸综合症电影胶片表面粗糙度测试结果 Surface roughness test results of film with acetic acid syndrome 编号 胶片表面2D形貌 胶片表面高度图 胶片表面粗糙度参数 Sa/μm Sz/μm Str Spc/mm-1 Sdr 5 2.59 17.68 0.85 2380 0.57 6 3.57 56.26 0.77 2042 0.57 7 2.33 39.64 0.68 1107 0.35 8 1.84 21.80 0.21 1304 0.26 平均值 2.58 33.85 0.63 1708 0.44

表 2 醋酸综合症电影胶片表面粗糙度测试结果 Surface roughness test results of film with acetic acid syndrome

从表 1、表 2中数据可以看出，实验所测量的未病变胶片样品表面算数平均高度S_a介于0.0027~0.042 μm之间，平均值为0.026 μm，而发生醋酸综合症的电影胶片表面算数平均高度介于1.84~3.57 μm之间，平均值为2.58 μm，发生醋酸综合症之后，其值增大约99倍；未病变胶片样品最大高度S_z介于0.43~1.26 μm之间，平均值为0.96 μm，发生醋酸综合症的样品介于17.68~56.26 μm之间，平均值为33.85 μm，其值增大约35倍；未病变胶片样品表面性状的高宽比S_tr介于0.017~0.025之间，平均值为0.020，发生醋酸综合症的样品介于0.21~0.85 μm之间，平均值为0.63，其值增大约31.5倍；未病变胶片样品算数平均山峰曲率S_pc介于95~210 mm^-1之间，平均值为135 mm^-1，发生醋酸综合症的样品介于1107~2380 mm^-1之间，平均值为1708 mm^-1，其值增大约13倍；未病变胶片样品界面展开的面积比S_dr介于0.0008~0.0040之间，平均值为0.0018，发生醋酸综合症的样品介于0.26~0.57之间，平均值为0.44，其值增大约244倍。
醋酸纤维素酯电影胶片发生醋酸综合症之后, 表面算数平均高度、最大高度显著增大, 说明发生醋酸综合症之后析出的晶体导致其表面粗糙度增大。表面性状的高宽比与其表面的均匀性相关，测量数值愈接近0说明其表面均匀，表面山峰起伏具有一定的方向性，而测量数值愈接近1说明其表面均匀性差，表面山峰起伏不具有方向性^[7]；实验结果表明，胶片表面析出的晶体在其表面的分布不均匀；算数平均山峰曲率与表面山峰的尖锐程度相关，其值愈大则表面形成的山峰愈尖锐；测试结果说明电影胶片发生醋酸综合症之后，其表面析出的晶体产生较为尖锐的山峰。界面展开的面积比与其偏离基准面的面积相关，其值实为偏离基准水平面的斜面相对于基准面的增加比率，数值越大说明其产生的斜面越大；实验结果说明，胶片发生醋酸综合症之后，表面析出的晶体产生大量偏离胶片表面的斜面。
2.3 胶片表面可见光反射率图 7为采用X-Rite Model VS450分光光度计测得的未病变与发生醋酸综合症醋酸纤维素酯电影胶片对可见光(波长350~750 nm)的反射率，图中a₁~a₄为未病变醋酸纤维素酯电影胶片表面对可见光的反射曲线，b₁~b₄为发生醋酸综合症电影胶片表面对可见光的反射曲线。从测试结果可以看出，发生醋酸综合症之后，胶片表面对可见光的反射率显著增大。
图 7

图 7 胶片表面可见光反射率 Visible light reflectance on film surface

通过对发生醋酸综合症电影胶片表面粗糙度进行测试发现，胶片发生醋酸综合症之后，表面粗糙度参数(算数平均高度、最大高度等)显著增大，说明其表面粗糙度明显增大，其中表面性状的高宽比增大约31.5倍，说明其表面产生规则的凹凸不平的几何界面；算数平均山峰曲率增大约13倍，说明其表面产生较为尖锐的山峰；界面展开的面积比增大约244倍，说明其表面产生了大量的偏离胶片界面的斜面。通过对其表面对可见光的反射率测试发现，在可见光范围内，发生醋酸综合症之后，胶片对可见光的漫反射明显增强。电影胶片在放映过程中，其影像的呈现主要依赖于透过胶片的可见光，胶片表面对可见光的漫反射增强必然导致透射光的减弱，从而导致影像模糊不清，画面上产生黑色斑块等附加影像。结合醋酸综合症电影胶片表面粗糙度与可见光的反射率测试结果，可以说明电影胶片发生醋酸综合症之后，由于其表面析出增塑剂晶体导致胶片表面产生不均匀的凹凸不平的界面，形成大量不规则偏离胶片表面的斜面；由于这些斜面的存在，在放映过程中，放映机光源直射到胶片的可见光在其表面的传播路径发生改变，导致漫反射光增强，透射光减弱^[8]，因此在影像上产生黑色斑块，由于其表面粗糙界面的不均匀性，产生的黑色斑块分布不均一，从而导致其影像的清晰度与原始信息严重受损。
3 结语电影胶片是一类重要的历史文化遗产，由于数字电影的快速发展，电影胶片虽然停止生产和使用，但其在电影事业的发展历程以及科技发展的历程中仍具有重要的价值，无论从电影胶片记载的历史、文化、艺术信息还是其自身的组成结构反映当时科技发展水平的角度来讲，保护和修复因醋酸综合症而受损的电影胶片具有重要的意义。本文通过对发生醋酸综合症电影胶片表面粗糙度以及可见光的反射率的研究，定量地证实了醋酸纤维素酯电影胶片发生醋酸综合症之后由于其表面析出的增塑剂晶体导致其粗糙度增大，表面产生凹凸不平的界面，形成大量偏离胶片表面的斜面；在放映过程中透射光减弱，使其影像的清晰度与原始信息严重受损。因此对于发生醋酸综合症的电影胶片，去除其表面析出的增塑剂晶体，消除表面形成的粗糙界面，可有效恢复其记载影像的完整性。

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