Цифровое воссоединение: как 3D-технологии возвращают голос безмолвным древностям

Сегодня мир египтологии переживает молчаливый кризис – кризис не разграбления, хотя и оно играет свою роль, а кризис разобщенности. Зайдите в любой крупный музей, от Копенгагена до Калифорнии, и вы увидите витрины, заполненные тем, что можно назвать «осиротевшими артефактами»: замечательные предметы, часто приобретенные в XIX — начале XX века, которые были полностью лишены своей истории. Вы можете видеть, что это такое — раскрашенный футляр для мумии, золотая маска, — но мы понятия не имеем, откуда они взялись. Они прекрасны, но исторически они безмолвны.

Иногда предмет в музейной коллекции может быть практически целым, но сведений о его происхождении сохранилось крайне мало.
Карло Ринди Нуццоло

Многие предметы попали в музейные собрания во времена, когда методы раскопок и комплектования коллекций сильно отличались от сегодняшних. В прошлом найденные при раскопках предметы часто распределялись между учреждениями по всему миру, а демонстрация ценилась выше документации. Со временем связи между предметами были утеряны. В результате музеи по всему миру хранят удивительные артефакты, чья предыстория скудна, фрагментарна или утрачена полностью.

Археологи, работающие сегодня в поле, такие как я, регулярно находят фрагменты: разбитые части предметов, некогда составлявших нечто большее. В некоторых случаях эти фрагменты могут иметь ту же базовую геометрию, что и предметы, уже хранящиеся в музеях. Например, футляр для ноги мумии и недавно найденный осколок могли быть изготовлены с использованием одной и той же формы, поэтому они имеют согласованную трехмерную форму, даже если сейчас их разделяют время, расстояние и отсутствие документации.

Традиционно оценка того, соответствует ли фрагмент конкретному музейному предмету, основывалась на визуальном суждении и неполных записях, а не на количественном сравнении формы.

Этот разрыв между полевой археологией и музейными коллекциями — одна из самых серьезных проблем в нашей области. Мое исследование задает простой вопрос: можем ли мы использовать цифровые инструменты, чтобы проверить, могут ли фрагменты и музейные предметы быть связаны, и, тем самым, восстановить части их истории, которые ранее были недоступны?

Переиспользование с течением времени и разграбление изменили и повредили содержимое древнеегипетской гробницы. Эта перемещенная погребальная маска может иметь отношение к другим артефактам, уже находящимся в музеях по всему миру.
Карло Ринди Нуццоло

Давняя проблема в археологии

Археология по своей природе фрагментарна. Предметы ломаются, разрушаются или перемещаются веками. Традиционно археологи полагались на визуальный осмотр, стилистическое сравнение и письменные источники, чтобы предполагать связи между фрагментами и предметами. Эти подходы по-прежнему необходимы, но у них есть и ограничения. Визуальные суждения могут быть субъективными, а архивная документация часто неполна или противоречива.

В результате многие потенциальные связи между раскопанным материалом и музейными артефактами оставались предположительными или вообще никогда не устанавливались. Предмет в музее может казаться целым, но при этом иметь фрагментированную историю. Без возможности систематически проверять взаимосвязи, фрагменты часто остаются на вторых ролях, считаясь второстепенными или малоинформативными.

Более века назад археолог Флиндерс Петри утверждал, что ценность предмета заключается не в его красоте, а в информации, которую он несет. Ничем не примечательный фрагмент с известной историей, считал он, может быть важнее, чем искусно изготовленный предмет без истории. Сегодня цифровые инструменты дают археологам новые способы воплотить эту идею на практике.

Археологи могут использовать портативные 3D-сканеры для неинвазивного картирования объектов с очень высокой детализацией.
Карло Ринди Нуццоло

Превращение объектов в данные, которые можно сравнивать

Одним из таких инструментов является 3D-сканирование. С помощью портативных сканеров теперь можно с высокой точностью зафиксировать полную геометрию поверхности объекта, не прикасаясь к нему и не повреждая его. Каждая кривая, контур и изменение толщины могут быть записаны в цифровом виде.

После сканирования артефакт становится больше, чем просто изображением. Он становится данными: детальной цифровой моделью, которую можно вращать, измерять, сравнивать и анализировать. Важно, что этот процесс является неинвазивным. Хрупкие предметы не нужно перемещать, разбирать или подвергать физическим испытаниям.

Для археологов и музейных кураторов этот процесс открывает новые возможности. Объекты, хранящиеся в разных учреждениях, или фрагменты из архивов раскопок можно сравнивать в цифровом формате, даже если оригиналы никогда не покидают своих мест.

Сканирование — это только первый шаг. Настоящая задача заключается в сравнении. Вместо того чтобы спрашивать, похожи ли два куска визуально, компьютерный анализ формы позволяет исследователям задать более точный вопрос: насколько похожи их формы?

Простыми словами, компьютер сравнивает геометрию двух поверхностей. Он изучает кривизну, толщину и пространственные соотношения, измеряя, насколько точно одна поверхность соответствует другой. Это похоже на сравнение своего рода геометрического отпечатка пальца.

Этот подход не заменяет экспертное мнение. Напротив, он дополняет его, предоставляя измеримые доказательства, которые могут подтвердить, уточнить или оспорить визуальные впечатления. Это позволяет археологам перейти от интуиции к проверке.

Когда фрагмент встречает музейный предмет

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Heritage Science, я применил эти методы к изучению древнеегипетских погребальных артефактов греко-римского периода, изготовленных из картонажа — композитного материала из льна, гипса и краски.

Я создал высокодетализированные 3D-сканы фрагментов картонажа, найденных при раскопках, и сравнил их с целой погребальной маской из музейной коллекции. Цель состояла не в том, чтобы физически реконструировать предмет, а в том, чтобы проверить, совместимы ли их формы значимым образом.

Сравнение фокусировалось на трехмерной геометрии, а не на декоре. Это важно, потому что картонажные маски часто формовали в матрицах: если два предмета были изготовлены в одной и той же форме, они могут иметь очень схожие параметры кривизны и толщины, даже если их раскрашенные поверхности различаются.

Эталонная поверхность маски показана серым цветом, а выровненный фрагмент окрашен в зависимости от расстояния между поверхностями в каждой точке. Зеленый цвет указывает на хорошее совпадение с минимальным расстоянием. Более холодные цвета показывают области, где фрагмент находится ниже эталонной маски, а более теплые — где он выступает над ней.
Карло Ринди Нуццоло

Я использовал метод картирования отклонений, называемый deviation mapping. После выравнивания 3D-модели найденного фрагмента по соответствующей области целого музейного предмета, алгоритм вычисляет расстояния между двумя поверхностями в тысячах точек. Области, где расстояния были стабильно малы, геометрически очень похожи. Области со стабильно большими расстояниями указывают на то, что форма фрагмента отличается от эталонной поверхности.

В данном случае поверхности очень точно соответствовали друг другу, с расхождениями обычно менее миллиметра — уровень совпадения, характерный для изготовления в одной форме, а не для случайного визуального сходства.

Самым важным был не сам факт «совпадения», а возможность оценивать взаимосвязи прозрачно и воспроизводимо, используя общие цифровые данные.

Одним из самых мощных аспектов этого подхода является то, что он работает на расстоянии. Исследователи могут легко обмениваться цифровыми моделями, позволяя сравнивать фрагменты и предметы, хранящиеся в разных учреждениях, без транспортировки хрупких артефактов. Архивы раскопок, музейные коллекции и исследовательские институты могут начать говорить на одном цифровом языке, восстанавливая связи, которые долгое время были разорваны географией и историей.

Фрагмент маски очень точно соответствовал целой маске, что позволяет предположить, что они были изготовлены в одной форме.
Карло Ринди Нуццоло

Цифровые инструменты меняют подход к исследованию коллекций

Работа, которую я здесь описываю, часть моего недавнего проекта CRAFT, не использует искусственный интеллект или машинное обучение. Она опирается на компьютерное сравнение форм и тщательную интерпретацию метрологических результатов. Но она находится в русле более широкого движения в области исследований культурного наследия.

По всему миру исследователи и учреждения начинают сочетать 3D-сканирование с машинным обучением для изучения коллекций новыми способами. Например, финансируемый ЕС проект RePAIR использует ИИ и робототехнику, чтобы помочь воссоединить фрагментированные археологические артефакты, а такие крупные институции, как Смитсоновский институт, экспериментируют с анализом больших 3D-коллекций на основе ИИ.

Вместе эти проекты указывают на будущее, в котором цифровые инструменты будут играть все более активную роль в том, как музеи и археологи понимают прошлое.

Цифровая археология иногда ассоциируется с эффектными реконструкциями или виртуальными экспозициями. Но ее истинная ценность лежит глубже. Предоставляя фрагментам новую аналитическую роль, цифровые методы позволяют археологам восстанавливать связи, которые долгое время считались безвозвратно утерянными.

Новые цифровые методологии вдохновляют к жизни давний археологический принцип: скромные фрагменты могут нести в себе огромное значение, когда они проясняют происхождение объекта и его утраченный контекст, наконец позволяя ему найти путь домой.