Pärandkultuuri uurimine erinevate tehniliste meetodite abil, Niguliste kiriku peaaltari näitel

Number: 
Anno 2015
Rubriik: 
Uuringud ja materjalid
TrükiPDF
ill 1. Photographing the altar of St Luke in St Ann’s Church, Lübeck.

ill 1. Püha Luukase altari pildistamine St. Annen-Museum’is Lübeckis

© 2014 H. Pagi, Archaeovision R&D

ill 2. Archaeovision R&D team tested 3D scanning of the wooden sculpture in Tallinn St Nicholas’ Church.

ill 2. Archaeovision R&D meeskond testis Niguliste kiriku peaaltari puitskulptuuri 3D skaneerimist. 

© 2015 V. Plink

ill 3. Multispectral photography obtains information first of all by the UV-A, visible light and near infrared wavelengths but also on X-ray and Terahertz radiation frequency.

ill 3. Multispektraalfotograafias kogutakse informatsiooni eeskätt UV-A, nähtava valguse ja lähi-infrapuna lainealades, aga vajadusel ka röntgeni- ja terahertskiirguse sagedusalades.

© 2015 Andres Uueni

ill 4. Detail of the Lübeck altar – the image in high resolution on the left, the near infrared image on the right. H. Rode’s workshop-period base drawings are visible. St Luke’s altar, St Annen-Museum, Lübeck, Hermen Rode, 1484 (?).

ill 4. Detail Lübeckis asuvalt altarilt: kõrgresolutsiooniga kujutis vasakul, lähi-infrapuna kujutis paremal. Näha on H. Rode töökoja-aegsed alusjoonistused. Püha Luukase altar, St. Annen-Museum, Lübeck, Hermen Rode, 1484 (?). 

© 2014 H. Pagi, A. Uueni, Archaeovision R&D

ill 5. Detail of the high altar in Tallinn St Nicholas’ Church – the UV-A image. Later repairs are visible. Niguliste Museum.

ill 5. Detail Tallinnas asuvalt Niguliste kiriku peaaltarilt: UV-A kujutis. Näha on hilisemad parandused. Niguliste Muuseum. 

© 2014 H. Pagi, A. Uueni, Archaeovision R&D

ill 6. Detail Püha Nikolausest, Niguliste kiriku peaaltar. Video link avaneb tekstis.

ill 6. Detail Püha Nikolausest, Niguliste kiriku peaaltar. Video link avaneb tekstis.

© 2015 H. Pagi, A. Uueni, Archaeovision R&D

ill 7a. The light bounces from the surface of the object so that the falling and reflecting rays (marked in yellow) form equal angles with the normal (marked in red). As the camera is in a fixed position and the direction of light onto every object is known, the RTI software allows calculations ab  surface’s normal for every pixel on the object.

ill 7. Valgus põrkub objekti pinnalt tagasi nii, et langevad ja peegelduvad valguskiired (tähistatud kollasega) moodustavad pinnaga risti oleva normaali (tähistatud punasega) suhtes võrdsed nurgad. Kuna kaamera on fikseeritud asendis ja on teada, kust tuleb iga kujutise puhul valgus, siis on RTI tarkvaraga võimalik välja arvutada pinnanormaal iga piksli kohta kujutisel. 

© 2015 Cultural Heritage Imaging

ill 7b. Figure shows the reflection information captured in the RTI.

ill 7b. Skemaatiline selgitus, kuidas esitatakse peegelduva valguse informatsiooni RTI meetodi abil.

© 2015 Cultural Heritage Imaging

ill 8. Detail of the sculpture of St Gertrude in the high altar of St Nicholas’ Church in Tallinn – the  RTI image is easily observed on the web as well. Surface cleaning is noticeable.  Niguliste Museum.

ill 8. Detail Püha Gertrudi skulptuurist Tallinna Niguliste kiriku peaaltaril: RTI kujutis on hõlpsasti ka veebis vaadeldav. Näha on pinnapuhastus. Niguliste Muuseum. 

© 2014 H. Pagi, A. Uueni, Archaeovision R&D

ill 9. Webpage screenshot. Web based application about scientific research methods are presented in international exhibition “Lübeck 1500. Metropolis of Art in the Baltic Region”, focusing on Hanseatic art, culture and identity.

ill 9. Ekraanivaade teadusuuringuid tutvustavast veebilahendusest. Lahendus on osaks Hansa kunsti, kultuuri ja identiteediga tegeleva rahvusvahelisel näitusel „Lübeck 1500. Metropolis of Art in the Baltic Region“.

© 2015 H. Pagi, A. Uueni, Archaeovision R&D

Tehniliste uuringute taust

Kaasaegses kultuuripärandi halduses ja uuringutes on olulisele kohale tõusnud tehniliste rakenduste ning pärandi säilitamise-uurimise ja populariseerimise puutepunktid. Viimase paarikümne aasta jooksul on instrumentaaluuringud, pildindus (imaging) ja mõõdistamine arenenud tänu infotehnoloogilistele lahendustele väga kiiresti ja saanud üha olulisemateks töövahenditeks erinevate objektide ja materjalide uuringutel.

Mitmeid tehnilisi lahendusi on loodud värvuste mõõtmiseks, aga sarnaselt on arenenud ka geomeetrilisteks mõõdistamisteks vajalikud lahendused, mis võimaldavad hinnata objekti suurust ja kuju ning mahu jaotumist. Antud suuna arendused võimaldavad kasutada laialt kättesaadavaid lahendusi, mis on võrreldes varasemate erilahendustega oluliselt odavamad ja universaalsemad. Hoolimata sellest, millist pildindus-tehnoloogiat kasutatakse, on väga tähtis, et kogutav informatsioon oleks täpne ja mõistetav.

Seetõttu on projekti „Rode altar lähivaates“ käigus meie poolt kasutatud pildinduslahendustes

oluline osa laiemalt kättesaadavate vahendite kasutamisel, millega on võimalik talletada uuritavast objektist võimalikult palju informatsiooni igasse väikseimasse pildiühikusse – pikslisse.

Piksli väärtus on tavaliselt kogum erinevaid optilisi omadusi nagu peegeldumine, fluorestsents, geomeetrialt peegelduv valgus ja spektraalne tundlikkus. Täpne piksli väärtuste „koostis“ (1, 2) sõltub piksli asukohast. Neil teemadel teostatakse tänapäeval põhjalikke uuringuid. Kuigi multispektraalsed ja geomeetrilised mõõdistamised on keerukamad tavapärasest fotograafiast, pakub nende lahenduste kasutamine ja võimalusel ka ühildamine väga laialdasi kasutamisvõimalusi.

Pildindus- ja infotehnoloogiate rakendamine nii terves pärandkultuuri valdkonnas kui ka „Rode altar lähivaates“ projekti raames on ühelt poolt uurimuslik (nt multispektraal- ja külgvalgusfotograafia jmt), mille abil avada objektide neid tasandeid, mida tavavalguses vaatlused ei võimalda (nt ettevalmistusjoonistus, erinevad ennistamisega seotud tööde järgud, peidetud inskriptsioonid jne). Teisalt annab infotehnoloogia võimaluse koondada, kontekstualiseerida, visualiseerida ja arhiveerida pärandi uurimisega kaasnevaid mahukaid ja erilaadilisi andmeid. Saadud tulemusi on võimalik kasutada nii teadustöös kui ka populariseerimisel.

Eesti Kunstimuuseumi poolt käivitatud projektis on Archaeovision R&D alustanud laiemapõhjalist tegevust, kus ühe kunstiteosega seotud uuringute puhul testime ja kasutame erinevad pildinduse ja infotehnoloogia võimalusi, mida saab tulevikus kasutada muuseumide ja muinsuskaitse maastikul, eeskätt meie pärandi paremaks dokumenteerimiseks.

Niguliste peaaltari dokumenteerimisest

Kultuuripärandi dokumenteerimisel tuleb optimaalse meetodi valikul lähtuda eeskätt objekti omadustest, uuringu eesmärkidest, vajalikest uuringutest, samuti sellest, et tulemused oleks korratavad ja jälgitavad.

Kahe tiivapaariga, Hermen Rode töökojale omistatud altar on üks suurimaid ja paremini säilinud hiliskeskaegseid Põhja-Saksa altariretaableid Euroopas: avatuna on selle laius üle 6 meetri ning kõrguseks ligi 3,5 meetrit. Teosel on kujutatud rohkem kui neljakümmet erinevat pühakut ja piiblitegelast.

Mõõtmetelt mastaapne Niguliste altar on suurepärane testimise objekt, kombineerides tasapinnalise ja kolmemõõtmelise kunsti eripärad ning on tiivapaaride avamisel ja sulgemisel eksponeeritav erinevates asendites. Nii annab H. Rode töökojas tehtud altar hea võimaluse keeruka objekti dokumenteerimise ja informatsiooni kogumise ning kaardistamise tulemuste analüüsiks.

Projekti „Rode altar lähivaates“ üheks oluliseks uurimis- ja konserveerimistöid saatvaks tegevuseks on erialase teabe ja kogemuse arendamine ning levitamine eeskätt Eestis, aga ka välismaal. Tulemuste tutvustamiseks on korraldatud mitmeid loenguid ja spetsialistidele suunatud rahvusvahelisi õpitubasid, mis tegelevad seotud uuringute kõigi aspektidega nagu konserveerimine, analüütiliste instrumentaaluuringute meetodid, dendrokronoloogia ning pildindustehnoloogiad. Läbi sellise trans- ja interdistsiplinaarse lähenemise, mis annab võimaluse tutvuda erinevate uurimismeetoditega ja luua erinevate valdkondade spetsialistide sünergiaid, saab ka pildindus- ja infotehnoloogialahendusi täiendada ja uurijatele ning laiemale kasutajate ringile kättesaadavamaks teha.

Sarnaseid tehnoloogiaid kasutasime ka Püha Luukase altari dokumenteerimisel ja uuringute läbiviimisel St. Annen-Museum’is, Lübeckis, Saksamaal [ill 1].

Dokumenteerimise lahendustena kasutati käesoleva projekti käigus erinevaid meetodeid nagu

fotogramm-meetria, 3D- ja laserskanneerimine, multispektraaluuringud (lähi-infrapuna, ultraviolett, röntgen) ja animeeritud külgvalgusfotograafia.

Lähtusime põhimõttest, et kultuuripärandi objektide dokumenteerimine on kestev protsess ning selle haldamine ja säilitamine on oluline samm kultuuripärandi kui terviku säilitamisel.

Kultuuripärandi 3D dokumenteerimine

Kultuuripärandi dokumenteerimisel on erinevad 3D tehnoloogiad ja nende kombinatsioonid olnud aktiivsemalt kasutuses alates 1990. aastate algusest. 3D dokumenteerimine on meetod, kus andmete kogumise esimeses faasis, kasutades nt 3D skanneerimist (3) või fotogramm-meetriat (4), konverteeritakse füüsiline objekt punktipilveks, millest on hiljem võimalik luua digitaalne 3D-mudel. Kaasaegne 3D dokumenteerimine on interdistsiplinaarne, lihtsalt kättesaadav ja praktiline viis objekti informatsiooni talletamiseks. Üks olulisemaid väärtusi on täpse mõõdistamise puhul see, et objekt on terviklikult digiteeritud ning mõõtkavas.

Käesoleva projekti käigus kasutasime 3D andmete kogumisel valdavalt fotogramm-meetrilist meetodit. Süsteemselt tehtud fotodest ruumiliste andmete loomiseks kasutatakse mitmeid algoritme. Tulemuste põhjal saab määrata objekti mõõtmeid, kuju ja asendit – koordinaate. Fotogramm-meetria võimaldab saavutada väga täpseid tulemusi, sh talletada maalipinna faktuuri väiksemaidki erisusi. Lisaks fotogramm-meetrilisele  mõõdistusele testisime ka 3D skanneerimise võimalusi [ill 2]. Kaasaegse 3D dokumenteerimise meetodid võimaldavad teiste andmetega kombineeritult aidata oluliselt kaasa uuringute läbiviimisele ja teose kohta käiva informatsiooni paremale säilitamisele. Nii on võimalik 3D mudelil täpselt kaardistada altariga seotud teave – varasemad uuringud, instrumentaalanalüüsi tulemused, alusjoonised, ülemaalingud, dendrokronoloogia jm. Korduvaid mõõdistusi teostades on võimalik lisada 3D dokumentatsioonile ajatelg, et fikseerida võimalikud muutused ajas ja keskkonnas (5).

Multispektraaluuringud

Multispektraalanalüüsi (multispectral imaging, MSI) kasutatakse väga erinevatel elualadel: ravimite ja meditsiiniseadmete järelevalve teostamisel, kriminalistikas, erinevate toodete nagu toidu, nahakaupade, taimede seemnete, trükiste, metallitööstuse kvaliteedi kontrollis, aga ka kultuuripärandi uurimisel. Multispektraaluuringuid, kus võib vajadusel talletada kuni mitusada lainepikkust, nimetatakse hüperspektraalseks analüüsiks. Multi- ja hüperspektraaluuringud on oluliseks teabeallikaks konservaatoritele, muuhulgas aitab see otsustada, mida ja kuidas konserveerida (6). Analüüsis on oluline osa pildindusel, kus informatsiooni kogutakse selleks kohandatud kaameratega – objekte pildistatakse erinevatel lainepikkustel ja erineva intensiivsusega [ill 3].

Multispektraalfotograafia käigus saab eristada uuritava objekti struktuuri. Isegi kui materjali värvus on visuaalselt sarnane, on analüüsi käigus võimalik tuvastada selgeid erinevusi, sh ka keemilisi, või teisi materjali omadusi (7). Väga oluline on seejuures seadistuste talletamine, et hiljem oleks võimalik tulemusi korrata.

On arendatud ka keerukamaid ja kallimaid lahendusi, nagu nt multispektraaluuringutes kasutatavaid indium-gallium-arseniid (InGaAs) infrapuna reflektograafe, mis on tundlikud lainepikkustel 1000–2000nm, kuid käesoleva projekti juures seda tüüpi seadmeid ei kasutatud.

Tänapäevaste spetsiaalselt kohandatud digitaalsete peegelkaameratega, mille sensorid on tundlikud lainepikkustel 230–1040nm, on võimalik optiliste lisafiltrite abil talletada informatsiooni nii ultravioleti, nähtava kui infrapuna (IP) valgusspektri alal.

Lähi-infrapuna fotograafia (720–1060nm) abil on võimalik talletada maalikihi all olevaid süsiniku sisaldusega alusjooniseid, mis võivad olla loodud erinevaid tehnikaid kasutades: nt pliiatsi-, söe- või tindijoonis [ill 4].

Projektis kasutasime IP kujutise kuvamiseks kohandatud kaamerat, mille objektiivi ees on spetsiaalne filter. Valgusallikaks on lähi-infrapuna fotograafias sobilikud soojust kiirgavad valgustid, nagu näiteks hõõgniidiga lambipirn.

Ultraviolett fluorestsents kuvamine (360–400nm) võimaldab koguda informatsiooni hilisematest maalikihi muudatustest ja materjalidest. Selle abil on võimalik leida tõendeid maalikihi ennistamisest, parandustest ja ka autorluse muutmisest. Ultraviolettkiirgus põhjustab materjalide luminestsentsi (helendumist) ja sõltuvalt objekti materjalide olemusest võivad need pikema aja jooksul järelhelenduda (fluorestsents, fosforestsents). Lakke ja värvi pigmente uurides saab UV-kuvamist kasutada pinnal esinevate erisuste kindlakstegemiseks. Näiteks fluorestseeruvad lakid vastavalt nende koostisele ja vanusele erinevalt – vananenud loodusliku vaiguga lakid on nähtavad rohekaskollasena, samas kui uuemad sünteetilised lakid võivad ilmuda ekraanile piimvalgest kuni lilla toonini (8).

Ultraviolettfotode tegemiseks kasutasime tavalist kaamerat, kuid valgusallikaks oli kontrollitud spektri ja spetsiaalse pirni ning katteklaasiga välk, mis töötab materjalidele kõige ohutumas ultraviolettkiirguse UV-A vahemikus 370–390nm [ill 5],[ill 6].

Röntgenvõtete tegemisel kasutasime Eesti Maksu- ja Tolliameti portatiivset ja Tallinna Ülikooli Eesti Ajalooinstituudi statsionaarset röntgen-aparatuuri. Röntgeni abil oli võimalik valgustada läbi huvipakkuvad altari osad ja puidust figuurid, mis võimaldasid saada täiendavat informatsiooni H. Rode töökojas kasutatud töövõtete kohta.

RTI pildistamine

RTI (Reflectance Trasformation Imaging) on saripildistamise meetod, mis kasutab pildistatava eseme pinnamuudatuste esiletoomiseks peegeldavat külgvalgust. Meetod on kasulik erinevate objektide, näiteks müntide, skulptuuride, kudumite või vanade kirjatahvlite detailseks uurimiseks ja esitlemiseks. RTI meetod põhineb matemaatilisel algoritmil, mis kalkuleerib pinnalt valguse peegeldumist iga piksli jaoks ette antud piltide kogumil [ill 7a] ja [ill 7b]. Meetodi töötas välja Tom Malzbender Hewlett Packardi Laboratooriumist 2001. aastal. Nüüdseks on lisaks Malzbenderi Polynomial Texture Mapping (PTM) algoritmile veel teisigi, nagu näites Hemisperical Harmonics (9).

Pildistamiseks on vajalik tavaline fotokaamera ning eraldiseisev valgusallikas (välk). Kaamera ja valgusallika puhul on ainsaks nõudeks see, et neid saaks juhtida manuaalselt, st teravustamine, ava ja säriaeg seadistakse käsitsi. Tähtsateks abivahenditeks on nöörijupp ja piljardikuul – esimene neist tagab valgusallika muutumatu kauguse pildistatavast esemest ning teine talletab valgusallika suuna peegeldusena sfäärilisel pinnal. Ülesvõetud 30 kuni 70 fotot töödeldakse tarkvaraga ja  lõpptulemuseks on interaktiivne foto. Nii töötlus- kui ka kuvamistarkvarad on vabavaralised ja tasuta.

“Rode lähivaates” projekti raames kasutasime RTI meetodit puuskulptuuride dokumenteerimiseks kui ka ornamentide uurimiseks maalipindadel [ill 8].

Andmete visualiseerimine

Tänapäeval on olulised just andmete esitamise ja töötlemise veebipõhised lahendused, sh juurdepääs ja võimalus andmeid taaskasutada, mis on äärmiselt tähtis laiapõhjalise analüüsi, interpreteerimise ja tõlgendamise juures. Eriti oluline on see 3D andmete puhul, sest andmemahud on suured ning lahendustest sõltuvalt võivad need vajada spetsiaalseid (ja sageli kalleid) server-lahendusi. Kogutud andmete visualiseerimisel on oluline teada, kuidas andmed on kogutud, milline osa on interpretatsioonil ja milline on mõõtmistulemuse alusel saadud informatsioon. Enamasti jäävad tulemused uurija(te) personaalarvutitesse, paremal juhul asutuse arhiivi ja andmete esitamine ning interpreteerimine toimub kas kirjaliku teadusartiklina või mõne populariseeriva näitusena.

Käesoleva projekti raames loodi konserveerimis- ja uurimistegevuse käigus suurel hulgal erinevas formaadis andmefaile: analüütiliste uurimismeetoditega kaasnevad kvantitatiivse andmestiku tabelid-graafikud; videofailid; erinevate meetoditega loodud fotod, sh erinevate valgusrežiimide pildikihistused (ultraviolett, lähi-infrapuna); mikroskoopiliste pigmendi- ja sideaineuuringute tulemused nii numbrilise, pildilise kui tekstilise kirjeldusena, ikonograafilised kirjeldused jne. Projekti käigus oli meie eesmärk luua standardseid lahendusi kasutades veebikeskkond, mis koondab kogu konserveerimis- ja uurimistegevusega kaasneva mahuka ning eriilmelise informatsiooni  [ill 9]. Tulemustega saab tutvuda Niguliste muuseumi ajaveebis ja andmed on kättesaadavad aadressilt http://nigulistemuuseum.ekm.eehttp://rode.ekm.ee.

Viited: 

  1. Robert Carroll, Ravi Ramamoorthi, Maneesh Agrawala, Illumination Decomposition for Material Recoloring with Consistent Interreflections, 2011
  2. http://graphics.berkeley.edu/papers/Carroll-IDM-2011-08/Carroll-IDM-2011...
  3. Ying Wang, Sheping Zhai, Zhongmin Wang, Multispectral Image Reproduction via Color Appearance Mapping. – International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition Vol.7, No.4 (2014), pp.65-72, http://dx.doi.org/10.14257/ijsip.2014.7.4.06
  4. Laser scanning,  http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_scanning/
  5. Photogrammetry, http://en.wikipedia.org/wiki/Photogrammetry/
  6. Andres Uueni, Kultuuripärandi 3D dokumenteerimine, 2012, http://www.kanut.ee/Renovatum/Anno_2012/pdf/renovatum_2012_a.pdf
  7. Franz Mairinger. UV-, IR- and X-ray imaging. Non-destructive microanalysis of cultural heritage materials, Elsevier, 2004, http://goo.gl/avbZ8c
  8. Joanne Dyer, Giovanni Verri, John Cupitt. Multispectral Imaging in Reflectance and Photo-induced Luminescence modes: A User Manual, 2013, https://www.britishmuseum.org/pdf/charisma-multispectral-imaging-manual-...
  9. Warda, J., Frey, F., Heller, D., Kushel, D., Vitale, T., Weaver, G. The AIC Guide to Digital Photography and Conservation Documentation, 2nd Edition. 2011.
  10. Malzbender, Tom, Dan Gelb, and Hans Wolters. "Polynomial texture maps." – Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM, 2001.