Rekonstrukcja 3D małopolskiej ceramiki neolitycznej

Pierwszy wpis dotyczył będzie tematyki dokumentacji 3D, rekonstrukcji i wizualizacji zabytków na przykładzie znalezisk ceramiki neolitycznej z terenu Małopolski. Realizacja opisanego projektu pozwoliła mi zdobyć wiele umiejętności pod względem technicznym, ale także – może przede wszystkim – wymagała zmierzenia się z wyzwaniami natury metodycznej. Większość publikacji na temat cyfrowego obrazowania zabytków odnosi się do reliktów architektury bądź dokumentacji na stanowiskach archeologicznych, a obiekty ruchome cieszą się w tym kontekście mniejszą popularnością. Punkt ciężkości kładziony jest zwykle na zastosowane odpowiedniej metody pomiaru, natomiast trudno szukać wytycznych i standardów dotyczących właściwej wirtualnej rekonstrukcji i wizualizacji obiektu zabytkowego. Jednocześnie prace digitalizacyjne prowadzone są na coraz większą skalę, co umożliwia popularyzację wyników badań i promocję idei dziedzictwa archeologicznego za pomocą nowoczesnych technologii na nieosiągalną wcześniej skalę.

ZAŁOŻENIA

Projekt badawczy Narodowego Centrum Nauki (2013/09/B/HS3/03334) Ceramika jako nośnik idei i znaczeń w społecznościach wczesnorolniczych w dorzeczu górnej Wisły. Studia w skali mikro- i makroskopowej w wykorzystaniem metod badawczych z zakresu nauk przyrodniczych i technik cyfrowych realizowany był przez zespół pod kierownictwem prof. dr hab. Sławomira Kadrowa w ramach Instytutu Archeologii i Etnologii PAN. Jego celem było przeprowadzenie szeregu badań nad małopolską ceramiką neolityczną, w tym technologicznych i surowcowych, a jednym z ważniejszych elementów wyselekcjonowanie cech zabytków o istotnych funkcjach społecznych i symbolicznych. Obok innych działań przeprowadzono prace związane z digitalizacją i modelowaniem 3D, wykonane w Laboratorium Bio- i Archeometrii IAE PAN, z których większość miałem przyjemność wykonać. Wyniki zostały podsumowane w artykule opublikowanym w Raporcie (12, 2017) NID. Pełna dokumentacja, w tym surowe wyniki pomiarów i rekonstrukcje zabytków, a także część wizualizacji udostępnione zostały na stronie Muzeum Archeologicznego w Krakowie, które jest dysponentem znacznej części materiałów. Niniejszy wpis ma na celu przede wszystkim zaprezentowanie materiałów niedostępnych w publikacji. Większość obiektów umieściłem także na platformie Sketchfab.

Celem „cyfrowej” części projektu było zeskanowanie zbioru zabytków neolitycznych z terenu Małopolski, wykonanie rekonstrukcji 3D części z nich oraz udostępnienie uzyskanych wyników zarówno w formie danych pomiarowych, przydatnych do ewentualnych przyszłych prac, jak i wizualizacji, umożliwiającymi zapoznanie się z wynikami szerszemu gronu odbiorców. Zbiór wyselekcjonowanych zabytków związanych z kręgiem neolitycznych kultur naddunajskich objął 59 obiektów, w tym 42 naczynia, 14 figurek ceramicznych, 2 zabytki kamienne oraz 1 krzemienny. Zabytki ceramiczne wiążą się z osadnictwem wczesnoneolitycznym kultur malickiej i lendzielskiej oraz, w paru przypadkach, kultury ceramiki wstęgowej rytej. W przybliżeniu można je datować na 5 tysiąclecie p.n.e.

SKANOWANIE

Główne narzędzie przewidziane do digitalizacji obiektów stanowił skaner białego światła strukturalnego Smarttech archeo 5MPix LED. Wykorzystywany system pomiarowy składa się z cyfrowego projektora, rzutującego określony obraz rastrowy oraz detektora, odczytującego ten obraz po zdeformowaniu przez powierzchnię badanego obiektu. Analiza deformacji pozwala na określenie współrzędnych (X, Y, Z) punktów danej powierzchni i uzyskanie cyfrowego odwzorowania obiektu. Wybrane zabytki zadokumentowane zostały za pomocą oprogramowania fotogrametrycznego Agisoft Photoscan, pozwalającej na uzyskanie modelu 3D z sekwencji zdjęć cyfrowych. W przypadku tej technologii algorytmy programu poprzez analizę charakterystycznych fragmentów obrazu rastrowego, występujących na kolejnych ujęciach, ustalają wzajemną względną orientację aparatu, a następnie, po rozpoznaniu tożsamych elementów obrazów, tworzą chmurę punktów, opisującą geometrię obiektu.

Przy digitalizacji 3D za właściwy, „obiektywny” wynik pomiaru uznawać należy chmurę punktów, która w założeniu pozbawiona jest subiektywnego wpływu badacza i z tego względu zawsze powinna być archiwizowana w celu ewentualnej przyszłej weryfikacji. Dane te dostępne są na stronie Muzeum Archeologicznego w Krakowie. Siatka poligonowa (mesh) stanowi w kontekście dokumentacji element wtórny, który generowany jest z określonym poziomem szczegółowości, zależnie od potrzeb, w celu wizualizacji. W tym projekcie skany fragmentów naczyń w postaci mesh okazały się jednak bardzo przydatne przede wszystkim w procesie rekonstrukcji pierwotnej formy kształtu zabytku.

REKONSTRUKCJA 3D

W trakcie prac pojawił się szereg pytań natury metodycznej. Zaletą skaningu i rekonstrukcji wirtualnej jest nieinwazyjność badań i brak ingerencji w oryginalną substancję zabytkową, co jest wartością postulowaną w wielu dokumentach doktrynalnych dotyczących zarządzania dziedzictwem (m.in. Karta wenecka, Karta lozańska). Ważną kwestią jest sposób wizualnego odróżnienia oryginalnych, zadokumentowanych cyfrowo fragmentów od tych zrekonstruowanych. Zgodnie z treścią Karty londyńskiej, podstawowego dokumentu określającego metody tworzenia komputerowych wizualizacji obiektów dziedzictwa kulturowego, należy dołożyć wszelkich starań, aby forma prezentowania wyników badań odzwierciedlała rzeczywisty stan wiedzy historycznej, z uwzględnieniem mechanizmów kontroli, umożliwiających weryfikację ich wiarygodności historycznej i spójności merytorycznej. Bezpośrednio do kwestii tworzenia wirtualnych rekonstrukcji odnosi się punkt 4.4, zgodnie z którym cel wizualizacji zabytku powinien być przedstawiony w sposób niebudzący wątpliwości co do tego, czy jej założeniem było odzwierciedlenie stanu istniejącego, odtworzenie fazy historycznej w oparciu o materiały źródłowe, czy też domniemana rekonstrukcja.

 

W ramach przyjętej metodyki pracy zabytki zachowane fragmentarycznie modelowane były w 2 wersjach: (1) zrekonstruowanej w dużym stopniu ogólności białej bryły, z zatopionymi wewnątrz oryginalnymi fragmentami, na podobieństwo naczynia uzupełnienia gipsem oraz (2) proponowanej rekonstrukcji pierwotnego wyglądu obiektu. Rozwiązanie to ułatwia jednoznaczne określenie które fragmenty zrekonstruowanego zabytku zostały dodane na podstawie danych innych niż pomiar zachowanych fragmentów, bez konieczności stosowania dodatkowych oznaczeń – w rodzaju obrysu bądź innej barwy dla części dodanych – obniżających wartość estetyczną finalnego produktu.

Pierwszym etapem rekonstrukcji było określenie przybliżonej formy przedmiotu na podstawie zachowanych fragmentów i analogii oraz wykonanie technicznych rysunków. Pomimo wysokiej szczegółowości skanów 3D, organoleptyczny kontakt z obiektem pozwalał w tym wypadku szybciej dopasować do siebie fragmenty i określić ich przybliżone umiejscowienie w pierwotnej bryle, niż operowanie cyfrowymi odwzorowaniami. Następnie po zeskanowaniu fragmentów zabytku każda z brył była upraszczana do kilku-kilkudziesięciu tysięcy poligonów w programie Zbrush. Po zaimportowaniu ich do oprogramowania wektorowego (w tej roli wykorzystywałem głównie Blendera) i wzajemnym zorientowaniu pozwalało to na kształtowanie rekonstrukcji wprost na zeskanowanych fragmentach. Dzięki temu błędy przy wyprowadzaniu kształtu obiektu były od razu widoczne podobnie, jak miałoby to miejsce przy wykonywaniu rekonstrukcji gipsowej (zeskanowane fragmenty wystające pod niewłaściwym kątem z bryły) i mogły być weryfikowane. Naczynia tworzone bez użycia koła garncarskiego posiadały nieregularne kształty, odbiegające od pionowej osi symetrii, często posiadały także asymetrycznie rozmieszczone elementy zdobnicze. Z tego względu wykorzystanie do rekonstrukcji 3D jedynie obrazów zabytku w dwóch rzutach i zastosowanie półautomatycznych narzędzi w rodzaju bryły obrotowej powodowałoby duże uproszczenia.

W niektórych przypadkach odtworzenie formy obiektu nie byłoby możliwe jedynie o oparciu o zachowane fragmenty. Czołowym przykładem takiej sytuacji jest amfora z przedstawieniem antropomorficznym ze stanowiska Targowisko 14-15, w przypadku której tylko 4 spośród 13 zeskanowanych fragmentów można było umiejscowić orientacyjnie w bryle naczynia. Pozostałe były w złym stanie zachowania, nie posiadały pasujących do siebie zamków ani cech charakterystycznych, jak elementy dna lub wylewu. Na pobliskim stanowisku Targowisko 10-11 znaleziona jednak została dobrze zachowana amfora z bardzo podobnym przedstawieniem. Taka forma naczynia w kulturze malickiej nie należy do rzadkich, wcześniej jednak nie została znaleziona żadna z podobnym ornamentem. Bryła, wymodelowana na podstawie wspomnianej lepiej zachowanej analogii po niewielkim zwiększeniu rozmiarów pasowała pod względem krzywizny ścian do 4 charakterystycznych fragmentów interesującego nas naczynia i w takiej formie została zaakceptowana.

Modele wykańczane były w programie Zbrush, który dzięki swojemu rzeźbiarskiemu charakterowi dobrze nadaje się do nanoszenia zdobień i drobnych defektów powierzchni. Teksturę, pozwalającą odzwierciedlić fakturę powierzchni, tworzyłem z wykorzystaniem fotografii oryginalnych pozostałości ceramicznych.

WIZUALIZACJA

Zarówno surowe wyniki pomiarów, modele mesh jak i rekonstrukcje zostały udostępnione do pobrania na wspomnianej stronie MAK. Umożliwia to weryfikację prac, dokonywane samodzielnych analiz, pomiarów, etc. Trwałe, instytucjonalne udostępnienie wyników badań stanowi jeden z filarów realizacji tego rodzaju projektów. Realnie jednak konieczność ściągania plików o dużej wadze, których obsługa wymaga zastosowania specjalistycznego oprogramowania działać będzie zniechęcająco na zainteresowane tematem osoby spoza środowiska specjalistów. Parę lat temu głośne były badania świadczące o tym, że współcześnie czas skupienia uwagi u statystycznego użytkownika internetu spadł do 8 sekund, czyli poniżej możliwości złotej rybki. Choć wnioski te są obecnie poddawane w wątpliwość (również ze względu na zaniżenie potencjału złotych rybek), nie zmienia to faktu, że upowszechnianie wiedzy, czyli sprzedaż produktu edukacyjnego wymaga – podobnie jak w przypadku każdego innego produktu – atrakcyjnej formy, zdolnej przyciągnąć i utrzymać choćby przez krótki czas uwagę odbiorcy. Tutaj pojawia się pytanie dotyczące akceptowalnej naukowo formy wizualnego przedstawienia.

 

 

Kwestia właściwych metod wizualizacji cyfrowego modelu zabytku to szeroki i słabo opracowany temat, na który, jak sądzę, intensywna dyskusja w środowisku czeka nas w niedalekiej przyszłości. Zasadniczy problem tkwi w tym, że z jednej strony uzyskanych w wyniku dokumentacji 3D informacji jest zdecydowanie zbyt dużo, aby można je było zaprezentować – ze względu na potężne rozmiary plików konieczne jest drastyczne upraszczanie modeli wykorzystywanych w renderze filmu czy udostępnianych interaktywnie na platformach w Sieci. Z drugiej strony dane pomiarowe zawierają informacje jedynie o geometrii oraz barwie powierzchni przedmiotu zapisanej w określonych warunkach ekspozycyjnych. Nie obejmują danych na temat współczynnika załamania, odbicia i pochłanianiu światła (a więc w odbiorze oka ludzkiego połysku i przezroczystości) oraz o fakturze powierzchni (tak szczegółowe informacje o geometrii tracone są przy uproszczeniu bryły). Aby wizualizacja wyglądała realistycznie, wszystkie te parametry muszą być zdefiniowane w ustawieniach oprogramowania – podobnie jak cechy otoczenia, oświetlenie czy charakterystyka kamery.

Abstrahując od walorów marketingowych, celem cyfrowej rekonstrukcji pierwotnego wyglądu zabytku jest iluzja przeniesienia odbiorcy w czasie poprzez przedstawienie obiektu w sposób jak najbardziej realistyczny – do przekazania w suchej formie stanu wiedzy wystarczyłyby bowiem rysunki techniczne, z których nadal korzystają specjaliści. To oznacza, że w promocji dziedzictwa archeologicznego – i kulturowego w ogóle – z wykorzystaniem cyfrowych technik wizualizacji element kreacji artystycznej jest nieunikniony. O wiarygodności pracy decydować może czytelność zastosowanej metody badawczej oraz dostęp do wykorzystanych źródeł.