ALMA – Akademická laboratoř materiálového průzkumu
malířských děl,
společné pracoviště Akademie výtvarných umění v Praze a Ústavu anorganické
chemie Akademie věd ČR
Ústav teorie informace a automatiky Akademie věd ČR
Při restaurování malířských uměleckých děl vzniká restaurátorská zpráva, obsahující zpravidla také materiálový průzkum odebraných mikrovzorků. Cílem každého materiálového průzkumu je identifikace anorganických a organických komponent v podkladových a barevných vrstvách exaktními přírodovědeckými metodami a popis stratigrafické výstavby díla. To potom vede k interpretaci malířské techniky originální malby a přemaleb a také ke zjištění druhotných mechanických a chemických změn materiálu. Co nejpřesnější a podrobný materiálový průzkum je důležitý pro umělecko-historické hodnocení malby (datace, autentifikace, komparace autorských stylů), také ale přispívá k šetrnému zacházení s uměleckým dílem při restaurování (např. vhodná volba činidla při snímaní jednotlivých vrstev apod.).
Materiálový průzkum obsahuje obrazové, textové a analytické informace. Obrazovou informací je zpravidla náhled na příčný řez malířskými vrstvami v odraženém bílém a ultrafialovém světle a v elektronovém mikroskopu (SEM).
V odraženém
světle (obr. 1) lze v optickém mikroskopu studovat pouze fyzikální vlastnosti
látek (barvu, velikost a tvar částic), nikoliv vlastnosti optické. Dopadajícím
ultrafialovým světlem lze však vyvolat jev zvaný luminiscence (světélkování,
obr. 2). Barevný odstín luminiscence závisí na chemickém složení ozařované
látky, kterou lze podle zjištění odstínu a intenzity luminiscence někdy
předběžně identifikovat. Dopadající ultrafialové záření je totiž zkoumanou
látkou zčásti absorbováno a zčásti přeměněno v energii světelnou, vždy
v definované spektrální oblasti –
1 ▪ Nábrus příčného řezu malbou v odraženém bílém světle. Foto Janka Hradilová
pro každou látku je
tak charakteristická barva v UV. V našem případě je výsledná luminiscence
barevné vrstvy dána součtem luminiscencí jednotlivých složek směsi – pigmentů a
pojiv. Vzájemné ovlivnění tak může způsobovat chyby v detekci. S výhodou se však
luminiscence používá při čtení stratigrafické výstavby malby, k odlišení
přemaleb, lakových vrstev apod. V elektronovém mikroskopu je pro čtení statigrafie užitečný tzv. chemický
kontrast, kdy se látky s vyšší atomovou / molekulovou hmotností zobrazují
světlejšími odstíny (obr. 3). Chemický kontrast tak může odlišit vrstvy stejné
2 ▪ Nábrus příčného řezu malbou v dopadajícím UV světle (UV luminiscence). Foto Janka Hradilová
barevnosti (např. typické vrstvení směsí moderních bělob díky rozdílné atomové
váze Pb, Zn, Ba a Ti), vrstvy s vyšším obsahem organických látek (díky obsahu
chemicky lehkého uhlíku) apod. Elektronový mikroskop lze také použít ke studiu
velikosti a tvaru jednotlivých pigmentových částic, které souvisejí s jejich
přírodním nebo syntetickým původem a se způsobem jejich mechanické úpravy.
3 ▪ Nábrus příčného řezu malbou v elektronovém mikroskopu (SEM snímek). Foto
Veronika Grünwaldová
Textové informace materiálového průzkumu obvykle shrnují veškeré výsledky mikroskopických pozorování a měření různými mikroanalytickými metodami v uceleném technologickém popisu malířských vrstev, který by měl být srozumitelný restaurátorům a historikům umění. Právě s ohledem na srozumitelnost průzkum již zpravidla neobsahuje analytickou dokumentaci měření – číselná data. Nebývá tedy možné zpětně některé výsledky ověřit a případně přehodnotit jejich interpretace ve světle novějších poznatků a s ohledem na neustálý vývoj analytických metod1.
K identifikaci pigmentů dnes zpravidla používáme prvkové složení zjištěné elektronovou mikroanalýzou (SEM/EDX), v některých případech doplněné přímou fázovou analýzou práškovou RTG-mikrodifrakcí. Na rozdíl od dříve používané citlivé ale destruktivní emisní spektrální analýzy SEM/EDX respektuje stratigrafii a bez nutnosti pokovovat povrch vzorku v moderním nízkotlakém režimu je i zcela nedestruktivní. Prášková RTG-mikrodifrakce zase rozliší různé strukturní a mineralogické modifikace pigmentů a je tak užitečná k rozlišování různých přírodních proveniencí a způsobů výroby. K nedestruktivní analýze pojiv lze zatím použít jen IČ spektroskopii, často doplňovanou mikrodestruktivními mikrochemickými a histochemickými zkouškami. Mikrotomové řezy z nábrusu vzorku umožňují měřit transmisní IČ spektra, která nejsou na rozdíl od reflexních deformována a snáze se interpretují. Polarizační mikroskop se používá k popisu materiálů podložky (plátno, dřevo) a někdy ke studiu optických vlastností separovaných pigmentových částic v procházejícím světle.
Nutnost archivace zpráv, analytických výsledků, měřených nábrusů i sypkých vzorků se tak stává stále naléhavější jak pro účely zpětného ověřování tak i vývoje a testování nových metod. Spojení obrazového, textového i analytického materiálu v jedné databázi by umožnilo efektivně studovat historii malířské techniky v kontextu tvorby jednotlivých období a autorů.
Vývoj takové databáze probíhá na AVU již od roku 2000, tempo se však výrazně zvýšilo až po navázání spolupráce s Ústavem teorie informace a automatiky AV ČR. Matematický základ databáze je součástí diplomové práce, zpracované na Matematicko-fyzikální fakultě UK Praha v r. 20052.
Systém Nephele, jak byl výsledný produkt databáze nazván, má za úkol umožňovat požadovanou archivaci výstupů materiálového průzkumu a zároveň by měl nabízet různé možnosti vyhledávání a spravování existujících vložených databázových karet. Realizace systému má také nabízet možnost vzdáleného přístupu (internet, intranet) s odpovídajícím zabezpečením víceúrovňového charakteru proti možnému zneužití citlivých dat, které se mohou v takovéto databázi vyskytovat. V další fázi bude Nephele rozšířen o možnost semiautomatického zpracování vkládaných dat, které nabídne systém deskriptorů a následné klasifikace vkládaných vzorků. Navrhovaný systém by měl splňovat úlohu znalostní báze informativního charakteru.
4 ▪ Ilustrativní příklad okna uživatelského rozhraní systému Nephele. Na obrazovce je prezentován celkový pohled na restaurované malířské dílo spolu se snímky ve viditelném světle, UV luminiscenci a odražených elektronech (SEM). Uvedené podrobné snímly pocházejí z jednoho analyzovaného mikroskopického řezu. V levé části okna se nacházejí ovládací prvky
Hlavní idea při návrhu systému se opírala o snahu zpřehlednit a zjednodušit archivaci vytvořených zpráv o výsledcích a získaných dat, které vzniknou během materiálového průzkumu malířských děl (obr. 4). Kromě samotného těla databáze se návrh Nephele intenzivně věnoval také implementaci kvalitních vyhledávacích metod, které zjednoduší následné vyhodnocování a využívání uložených informací. Ve výsledném systému je obsaženo jak standardní textové vyhledávání podle klíčových slov, založeného pouze na textové informaci, tak se podařilo zahrnout také vyhledávací funkce pracující přímo s obrazovou informací (content-based image retrieval).
Posledně jmenované metody pracují nad databází snímků (jednotlivé mikroskopické řezy), obsažených ve zprávách o výsledcích materiálového průzkumu. Pro vyhledávání nepoužívají textové popisy, ale hodnoty podobnostních metrik počítají přímo z obrazové informace. Takovéto vyhledávání umožní k řezu na vstupu (řez_dotaz; nově zadaný obrázek) nalézt nejpodobnější řezy, které jsou již v databázi obsažené (řez_odpověď; obrázky zadané dříve, součást dřívějších zpáv). Určení, které snímky jsou podobné řezu_dotazu, je založeno na heuristických přístupech, kopírujících lidské chápání hledání podobností.
Pro kompozici systému se vycházelo ze stávající používané metodiky pro vytváření zpráv o materiálovém průzkumu. Tak byly definované požadované položky pro vkládání a jejich vzájemné struktury. Navíc byl systém navržen dostatečně pružně tak, aby bylo možné rozšiřovat seznamy používaných materiálů spolu s jejich parametry a charakteristikami podle toho, jak se bude vyvíjet výzkum těchto materiálů.
Analýzou požadavků se dospělo k následujícímu návrhu systému. Během návrhu bylo přihlíženo k použití relační databáze s implementovaným dotazovacím jazykem SQL. Podrobněji se problematice návrhu věnuje práce M. Beneše2.
|
headers dupl |
informace z hlavičky, které mohou být ve více instancích – např. fotodokumentace |
|
headers dupl img |
celkové náhledy na dílo |
|
samples |
informace o jednotlivých vzorcích, tj. snímky, interpretace vrstev a pod. |
|
data edax |
EDAX výsledky |
|
data difrakce |
výsledky difrakce |
|
data difrakce subs |
látky které se mohou ve výsledcích difrakce objevit |
|
data ftir |
výsledky FTIR |
|
data ftir subs |
látky které se mohou ve výsledcích FTIR objevit |
|
data maldi |
výsledky MALDI |
|
data maldi subs |
látky které se mohou ve výsledcích MALDI objevit |
|
addends |
přílohy |
Tabulka 1 ▪ Uložení výsledků materiálového průzkumu
Systém Nephele má v sobě implementovány následující operace, které dohromady nabízí požadovanou funkčnost:
vložení zprávy
editace zprávy
tisk zprávy
export zprávy
vyhledávání na základě klíčových slov
vyhledávání na základě obrazové podobnosti
systémové operace
Pro vytvoření představy o použitelnosti se nyní budeme jednotlivým položkám věnovat podrobněji. Dohromady uvedené operace spolu s možností vzdáleného přístupu a víceúrovňovým zabezpečením dat tvoří pracovní nástroj požadovaných kvalit.
Postup
vkládání zprávy odpovídá zkušenosti odborných pracovníků s dosavadním vytvářením
zpráv o výsledcích materiálového průzkumu malířských děl. Umožňuje zadávat
veškerou potřebnou textovou část zpráv spolu s doprovodnou obrazovou informací.
Výsledky získané z jednotlivých měření jsou přehledně zadávány do tabulek, navíc
tam kde je možno, jsou implementovány seznamy možných látek, ze kterých
si uživatel vybírá. Tyto seznamy mohou být operativně rozšiřovány (obr. 5).
5 ▪ Struktura pro vkládání. Ukázka
datové struktury pro vkládání nové zprávy.
Tento strom je zobrazen v levé části uživatelské obrazovky
Vložené zprávy se dají pomocí operace editace prohlížet a upravovat. Je třeba vést v patrnosti, že možnost přistupovat k jednotlivým položkám a k jejich případné editaci může být omezena přístupovými právy uživatele – viz sekce 7 – systémové operace.
Zvolené zprávy mohou být vytištěny nebo nahrány na požadované archivační zařízení (disketa, USB paměťové médium, CD a pod.). Stejně jako v předchozím případě může být přístup jednotlivých uživatelů omezen jejich přístupovými právy.
Jak již bylo dříve řečeno, navrhovaný systém by měl splňovat úlohu znalostní báze informativního charakteru. Pro snadné a efektivní použití takovéto databáze je důležité být schopen rychle a spolehlivě vyhledat archivovanou informaci / zprávu o průzkumu, která splňuje zadaná kritéria. Skupiny kritérií, podle kterých se vyhledává, se mohou navzájem velmi lišit – od jednoduchých jako je například jméno autora nebo restaurátora až po složitější situace, kdy máme možnost specifikovat například skupinu požadovaných použitých materiálů u malířských děl. Seznamy, podle čeho všeho můžeme vyhledávat, byly sestaveny ve spolupráci s odborníky a odpovídají jejich běžné praxi.
6.
vyhledávání na základě obrazové podobnosti Vedle klasického vyhledávání podle textové informace systém Nephele obsahuje také možnost vyhledávání na základě vizuální obrazové podobnosti (obr. 6). Doposud byly implementovány dva přístupy, jeden vycházející ze snímků řezů v ultrafialovém a viditelném světle, v druhém případě se využívají SEM snímky řezů. Podrobnější popis vyhledávacích podsystémů je možno nalézt v literatuře3,4.
6 ▪ Ukázka vyhledávání podle obrazové podobnosti. Vlevo je řez_dotaz, vpravo je odpověď systému – vizuálně nejpodobnější řez z databáze. Systém na základě obrazové podobnosti vybere automaticky ze všech snímků a všech archivovaných zpráv vizuálně nejpodobnější řez. Vyhledávání nepracuje s žádnými textovými anotacemi ani jinou než obrazovou informací
7.
Systémové operaceTato skupina operací zahrnuje funkce, týkající se vzdáleného přístupu, správy uživatelů a jejich práv. Systém Nephele umožňuje vzdálený přístup k databázi výsledků materiálového průzkumu prostřednictvím intranetu nebo Internetu. Systém je postaven na architektuře klient–server. Vlastní systém je takto rozdělen na dvě autonomní části – server, který se stará o správu dat v databázi, vyhledávání, správu uživatelů a podobně. Druhá část – klient – se zabývá komunikací s uživatelem a poskytuje grafické rozhraní. Server běží v jedné instanci jakožto pasivní centrální uzel, ke kterému se připojuje větší počet klientů. Funkce správy uživatelů a jejich práv umožňuje správci systémů zakládat a rušit povolené uživatele databáze a jednotlivým uživatelům nastavovat jejich osobní detaily. Každý uživatel je jednoznačně definován uživatelským jménem a heslem. V rámci vytvoření nového uživatele se také nastavuje jeho množina práv, která jednoznačně definuje, co dotyčný uživatel bude a nebude smět v databázi provádět (obr. 7). Navíc jednotlivé operace uživatelů jsou archivovány spolu s uživatelským jménem toho, kdo je prováděl. Tato zabezpečení jsou nutná z důvodu možné citlivosti archivovaných dat a jejich zneužitelnosti.
7 ▪ Nastavení práv uživatele. Ukázka možnosti nastavení práv uživatele. Uživatel je zařazen do skupiny s předem nastavenými právy. Tyto je možno nastavit podle konkrétních požadavků
Představený systém Nephele nabízí možnost efektivní archivace výsledků materiálového průzkumu malířských děl. Struktura popsané databáze byla navržena v součinnosti s odborníky a odráží používané postupy pro zaznamenávání výsledků. Kromě archivace poskytuje možnost vyhledávání v již vložených zprávách jak podle klíčových slov (textová informace), tak podle vizuální podobnosti (obrazová informace). Databáze spolu s implementovanými vyhledávacími funkcemi tvoří znalostní bázi informativního charakteru. Navíc je díky zvolené architektuře systému umožněn vzdálený přístup pomocí intranetu / internetu. Jednotliví uživatelé systému mají přiřazeno jednoznačné uživatelské jméno a sadu práv, která definuje kam mají v databázi přístup. Důkladné víceúrovňové zabezpečení je nutné z důvodu možné citlivosti archivovaných dat.
Další plánované fáze prací na systému Nephele se budou zabývat rozvojem semiautomatického předzpracování obrazové informace, vytvořením systému předklasifikátorů se začleněním expertních znalostí a dále se také budeme věnovat vlastní databázi a jejímu obhospodařování.
Vývoj systému Nephele byl finančně podpořen grantem GAČR 203/04/2091, výzkumným centrem MŠMT 1M0572 a výzkumným záměrem MŠMT 6046144603.
As a part of restoration process, materials research is usually provided. The aim of the materials research of painting layers is to identify inorganic and organic compounds (pigments and binders) using microanalytical methods and to describe stratigraphy and morphology of layers in light and electron microscopes. The results are used to interpret the painting technique of original paint and re-paints and also to describe secondary changes of painting materials. The materials research report usually contains images, texts and analytical data. For the future comparisons, historical evaluations, dating and authentication, the comprehensive elctronic database all these results would be very helpful.
In our paper we introduce comprehensive solution for processing and archiving information about artwork specimens used in the course of art restoration – Nephele. The Nephele system is the database system for painting materials research reports, extended with the image preprocessing modules and the image retrieval facility. The reports describe the whole process of the painting materials research on the artwork. A report contains general information about the artwork, its author, and used art technique. The information about each studied specimen from the artwork with its localization is included, along with all undertaken analyzes and their results together with estimated color layers and used materials. All taken images are included (for example VS, UV, SEM images, to name the most usual). In addition to the traditional database functions (text-based search, archiving), advanced report retrieval is supported; based on the similarity of image data, comparing either the ultraviolet and visual spectra images ( using co-occurence matrices and color similarity functions), or the electron microscopy images (using features computed from the wavelet decomposition of the data).
[1] Hradilová J., Hradil D., Bezdička P., Grygar T.:
Nové analytické metody a přístupy v analýze barevné vrstvy, Sborník z
konference konzervátorů a restaurátorů, Liberec 2004, Technické muzeum Brno,
2004, 54-57
[2] Beneš M., Zitová B.: Nephele: Databáze
restaurátorských zpráv s možností vyhledávání podle textové obrazové informace, Interní publikace DAR–ÚTIA AV ČR 2005/43, ÚTIA AV
ČR, Praha 2005, 53 pp
[3] Kašpar R., Petrů L., Zitová B., Flusser J.,
Hradilová J.: Microscopic cross-sections of old artworks. In: Proceedings of the
12th IEEE International Conference on Image Processing. ICIP'05.
IEEE, Los Alamitos 2005, pp. 578-581
[4] Beneš M., Zitová B., Flusser J., Hradilová J.,
Hradil D.: The image processing system for art specimens: Nephele, to appear at
the 14th European Signal Processing Conference EUSIPCO 2006,
Florence, Italy