Как 3D-сканирование помогает археологам восстанавливать утраченные истории артефактов

Сегодня мир египтологии столкнулся с тихим кризисом — не из-за мародёрства, хотя оно тоже играет свою роль, а из-за разрыва связей. Зайдите в любой крупный музей, от Копенгагена до Калифорнии, и вы увидите стеклянные витрины, заполненные тем, что можно назвать «артефактами-сиротами»: удивительными предметами, приобретёнными в XIX или начале XX века, которые полностью лишились своей истории. Вы видите, что это такое — расписной футляр для мумии или золотая маска, — но понятия не имеете, откуда они взялись. Они прекрасны, но исторически они безмолвны.

Многие объекты попадали в музейные коллекции в те времена, когда практика раскопок и коллекционирования сильно отличалась от современной. В прошлом найденные при раскопках предметы часто распределялись между учреждениями по всему миру, а экспонирование ставилось выше документирования. Со временем связи между частями были утрачены. В результате музеи по всему миру хранят замечательные артефакты, чьи предыстории скудны, фрагментарны или вовсе отсутствуют.

Археологи, работающие сегодня в поле, регулярно находят фрагменты: разбитые части предметов, которые когда-то были частью чего-то большего. В некоторых случаях эти фрагменты могут иметь ту же геометрию, что и объекты, уже хранящиеся в музеях. Например, футляр для стопы мумии и найденный черепок могли быть изготовлены с использованием одной и той же формы, поэтому они обладают одинаковой трёхмерной структурой, даже если сейчас их разделяют время, расстояние и отсутствие документации.

Традиционно оценка того, совпадает ли фрагмент с конкретным музейным объектом, опиралась на визуальное суждение и неполные записи, а не на количественное сравнение формы.

Этот разрыв между полевой археологией и музейными коллекциями — одна из самых упорных проблем в данной области. Моё исследование задаётся простым вопросом: можем ли мы использовать цифровые инструменты, чтобы проверить, связаны ли фрагменты с музейными объектами, и тем самым восстановить части их историй, которые ранее были недоступны?

Давняя проблема в археологии

Археология по своей природе фрагментарна. Объекты ломаются, разрушаются или перемещаются на протяжении веков. Традиционно археологи полагались на визуальный осмотр, стилистическое сравнение и письменные записи, чтобы предположить связи между фрагментами и объектами. Эти подходы по-прежнему важны, но у них есть ограничения. Визуальные суждения могут быть субъективными, а архивные документы часто неполны или противоречивы.

В результате многие потенциальные связи между найденным материалом и музейными артефактами остаются умозрительными или вовсе не рассматриваются. Объект в музее может казаться целым, но иметь фрагментарную историю. Без возможности систематической проверки связей фрагменты часто остаются на обочине как второстепенные или неинформативные.

Более века назад археолог Флиндерс Питри утверждал, что ценность объекта заключается не в его красоте, а в информации, которую он несёт. Он считал, что неприметный фрагмент с известной историей может быть важнее, чем изящно сделанный объект без таковой. Сегодня цифровые инструменты дают археологам новые способы воплотить эту идею в жизнь.

Превращение объектов в данные для сравнения

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

После сканирования артефакт становится чем-то большим, чем просто изображение. Он превращается в данные: подробную цифровую модель, которую можно вращать, измерять, сравнивать и анализировать. Важно отметить, что этот процесс неинвазивен. Хрупкие объекты 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, хранящиеся в архивах раскопок, можно сравнивать в цифровом виде, даже если оригиналы никогда не покидают своих мест.

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

Проще говоря, компьютер сравнивает геометрию двух поверхностей. Он анализирует кривизну, толщину и пространственные отношения, измеряя, насколько точно одна поверхность соответствует другой. Это похоже на сравнение своего рода геометрического отпечатка пальца.

Этот подход не заменяет экспертное суждение. Напротив, он поддерживает его, предоставляя измеримые доказательства, которые могут подтвердить, уточнить или опровергнуть визуальные впечатления. Это позволяет археологам перейти от интуиции к тестированию.

Когда фрагмент встречается с музейным объектом

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Heritage Science, я применил эти методы к греко-римским египетским погребальным артефактам из картонажа — композитного материала из льна, гипса и краски.

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

Сравнение было сосредоточено на трёхмерной геометрии, а не на декоре. Это важно, потому что маски из картонажа часто изготавливались в формах: если два объекта были сформированы в одной и той же форме, они могут иметь очень схожие паттерны кривизны и толщины, даже если их расписные поверхности различаются.

Я использовал подход картирования расстояний, называемый анализом отклонений. После совмещения 3D-модели фрагмента с соответствующей областью неповреждённого музейного объекта 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 отклоняется от эталонной поверхности.

В данном случае поверхности соответствовали друг другу очень близко, с различиями, как правило, менее миллиметра — уровень совпадения, соответствующий изготовлению в одной и той же форме, а не случайному визуальному сходству.

Важнее всего было не само «совпадение», а способность оценивать отношения прозрачно и воспроизводимо, используя общие цифровые доказательства.

Один из самых мощных аспектов этого подхода заключается в том, что он работает на расстоянии. Исследователи могут легко обмениваться цифровыми моделями, что позволяет им сравнивать фрагменты и объекты, хранящиеся в разных учреждениях, без транспортировки хрупких артефактов. Архивы раскопок, музейные коллекции и исследовательские институты могут начать говорить на одном цифровом языке, воссоединяя доказательства, которые долгое время были разделены географией и историей.

Цифровые инструменты меняют исследования коллекций

Работа, которую я описываю здесь, являющаяся частью моего недавнего проекта CRAFT, не использует искусственный интеллект или машинное обучение. Она опирается на компьютерное сравнение форм и тщательную интерпретацию метрологических результатов. Но она вписывается в более широкое движение в исследованиях культурного наследия.

По всему миру исследователи и учреждения начинают сочетать 3D-сканирование с машинным обучением, чтобы исследовать коллекции по-новому. Например, финансируемый ЕС проект RePAIR использует ИИ и робототехнику, чтобы помочь собрать воедино фрагментированные археологические артефакты, в то время как крупные учреждения, такие как Смитсоновский институт, экспериментируют с анализом больших 3D-коллекций на основе ИИ.

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

Цифровая археология иногда ассоциируется с яркими реконструкциями или виртуальными экспозициями. Но её более глубокая ценность заключается в другом. Давая фрагментам новую аналитическую роль, цифровые методы позволяют археологам восстановить связи, которые долгое время считались безвозвратно утраченными.

Новые цифровые методологии вдыхают новую жизнь в давний археологический принцип: скромные фрагменты могут иметь огромное значение, когда они проясняют происхождение объекта и его утраченный контекст, наконец позволяя ему найти путь домой.