Санкт-Петербургский институт истории РАН
Применение методов инфракрасной визуализации в современном источниковедении
А.А. Калашникова
Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
В статье представлен анализ применения методов инфракрасной визуализации в источниковедении и искусствоведении для исследования письменных исторических источников и предметов изобразительного искусства (термография, ИК-рефлектография, съемка в ближнем ИК-диапазоне, мультиспектральный и гиперспектральный анализ). Эти методы позволяют восстанавливать плохо читаемые тексты и изображения, расшифровывать палимпсесты, выявлять правку в тексте, получать точные снимки филиграней. Автор акцентирует внимание на актуальности съемки бумажных документов и кодексов в ближнем ИК-диапазоне как элемента базового источниковедческого анализа, позволяющего получить изображения водяных знаков, а также выявить следы правки текста или его фальсификацию. В статье представлены технические рекомендации по сборке простейшего оборудования для съемки материалов исследования в ближнем ИК-диапазоне.
Ключевые слова: филигранология, инфракрасная визуализация, водяные знаки, рефлектография, термография, манускрипты, мультиспектральный анализ, гиперспектральный анализ
Abstract
Use of Infrared Imaging in Contemporary Source Studies
A. A. Kalashnikova
St. Petersburg Institute of History of the RAS St. Petersburg, Russian Federation
The paper gives a brief overview of infrared (IR) imaging techniques and the cases of their applying to the study of ancient manuscripts and objects of cultural heritage. The method of IR reflectography is used in fine art research, which allows the visualization of details hidden by the paint layers with the help of a scanner. There are also the cases, when IR reflectography is implemented into papyrology with the purpose to make ancient papyri, that turned dark-brown, more legible. Thermography is also used both in studies of cultural heritage and written documents, such as research of bookbinding and supports. Multispectral analysis is a well-proven method of text visualization and digital restoration of ancient manuscripts, which usually is applied in palimpsest decipher. Than the paper considers the method that includes part of IR spectrum is hyperspectral analysis. It is also used in papyrology. Finally, the author observed method of near-infrared imaging (NIRI) and its use for different purposes of the source studies. The paper concludes by arguing the relevance of near-infrared analysis of paper-based historical documents as a key-element of source study. NIRI allows researchers to obtain digital copies of watermarks and investigate corrections of the text made with different inks. The paper provides reader with the technical recommendations on basic NIRI equipment. To sum up, the author declares that there is a possibility for NIRI to become an everyday routine practice for researchers in near future due to its ability to provide a basic analysis of paper, watermarks and ink.
Keywords: watermarks, infrared visualization, ancient manuscripts, reflectography, termography, hyperspectral analysis, multi- spectral analysis
Различные исследовательские методики с применением инфракрасного (ИК) излучения успешно используются в самых разных дисциплинах, в том числе в искусствоведении и источниковедении. Хотя основы метода ИК-визуализации были разработаны почти 100 лет назад [Clark, 1939], они и по сей день остаются востребованы учеными. В статье будет представлен анализ таких неразрушающих методов исследования в ИК-диапазоне, как рефлекто- графия, термография, мультиспектральный и гиперспектральный анализ, а также визуализация в ближнем ИК-диапазоне.
В источниковедении ИК излучение еще с конца 1950-х гг. используется для визуализации утраченных фрагментов текста и снимков водяных знаков. Д. П. Эрастов в Лаборатории консервации и реставрации документов АН СССР разрабатывал методы фотоанализа для выявления угасших текстов (спектрозональное фотографирование, фотографирование в ультрафиолетовых, инфракрасных лучах, видимой и инфракрасной люминесценции), а также занимался контактной бета-радиографией для воспроизведения филиграней [Эрастов, 1958; 1960; 1963]. В статье мы остановимся на методах, применяемых в течение последнего двадцатилетия, когда широкое использование получили цифровые камеры и компьютерные технологии. Поскольку многие современные методики исследования, в том числе с использованием ИК-излучения, применяются в разных дисциплинах, нам кажется полезным включить в статью несколько кейсов из искусствоведения, аналитический инструментарий которого наиболее близок источниковедению.
В анализе живописных произведений ИК-визуализация успешно применяется благодаря тому, что некоторые пигменты прозрачны в ИК-волнах. Прозрачность пигментов зависит от того, как пигмент поглощает свет, и того, как частицы пигмента свет рассеивают. Эффект рассеивания зависит от коэффициентов преломления пигмента и связующего вещества краски. Краски, у которых связующее вещество и пигмент имеют равные или близкие показатели преломления, прозрачны. И наоборот, чем больше разница этих коэффициентов, тем больше кроющая способность краски. Электромагнитные волны, которые имеют длину больше, чем у волн видимого спектра, меньше подвержены эффекту рассеивания. Поэтому в ИК-спектре некоторые краски становятся прозрачными, что позволяет раскрывать наслоения в живописных произведениях и исследовать изменения композиции. Например, благодаря тому что у графита высокая степень поглощения, в ИК-спектре под слоями краски иногда можно обнаружить карандашные наброски или подписи [Gavrilov et al., 2014. P. 344-346; Alexopoulou, Kaminari, 2014. P. 62-65].
ИК-визуализация успешно применяется и при работе с письменными историческими источниками. Чернила, которые в видимом спектре имеют очень схожие фотометрические характеристики, в ИК-спектре различаются [Psarrou et al., 2011. P. 138]. Прозрачность железо-галловых чернил возрастает, а углеродные чернила, поглощающие ИК-излучение, напротив, становятся более видимыми. Железо-галловые чернила с различным химическим составом также по-разному выглядят в ИК-спектре, что наглядно визуализируется с помощью гистограмм. Прозрачность железо-галловых чернил используется для того, чтобы получать снимки филиграней, свободные или почти свободные от текста [Tsypkin, 1999. P. 245], а непрозрачность углеродных чернил - для выявления угасающего текста [Gargano et al., 2014. P. 518]. ИК-визуализация применяется также для расшифровки палимпсестов [Knox, 2008], для выявления исправлений и фальсификаций текста [Ляховицкий, Цыпкин, 2019. С. 154155], для анализа техники письма [Там же. С. 151-153; Psarrou et al., 2011], для расшифровки изображений и текстов, находящихся под чернильными пятнами [Kim et al., 2011].
В исследованиях объектов культурного наследия используются: ближняя инфракрасная область спектра (NIR) с длиной волны 0,74-1,1 мкм, коротковолновая (SWIR) с длиной волны 1,1-2,5 мкм и средняя (MWIR) с длиной волны 2,5-50 мкм [Gavrilov et al., 2014. P. 344; Orazi, 2020. P. 2].
Для исследований живописи применяется ИК-рефлектография, которая позволяет воссоздать точную карту поновлений картины и увидеть наброски, находящиеся под слоями краски. Для этих целей создаются специальные сканеры, работающие в коротковолновом диапазоне (1-2 мкм) [Consolandi, Bertani, 2007. P. 239]. В основе многих рефлектографических систем лежат PbS-видиконы (передающие телевизионные трубки) [Consolandi, Bertani, 2007]. Эта система была разработана еще в 1960-х гг.; более современным является сенсорное оборудование, основанное на использовании датчиков InGaAs. Сегодня также ведутся и новые разработки по созданию рефлектографических сканеров. Так, Исследовательский центр Фраскати (Италия) занимается разработкой лазерного ИК-сканера, независимого от системы освещения и не требующего дополнительного монтажа специальных конструкций, который мог бы производить съемку произведений изобразительного искусства на расстоянии 5-10 м [Ceccarelli et al., 2018].
ИК-рефлектография, но в ближнем диапазоне, применяется также при изучении письменных источников - это распространенный метод анализа, практикуемый исследователями, изучающими папирусы. Папирус темнеет со временем, и написанное на нем в видимом спектре становится неразличимо, но благодаря тому, что углеродсодержащие чернила, использовавшиеся для письма на папирусе, поглощают ИК-излучение, тексты становится возможно прочесть [Gargano et al., 2014. P. 518].
К работе в среднем ИК-диапазоне относится ИК-термография, применяемая в исследовании предметов искусства и объектов культурного наследия. Термография нацелена на анализ свойств, структур и состояний тестируемых образцов путем анализа их температуры и температурной динамики; а ИК-термография основана на обнаружении инфракрасного излучения от тестируемого объекта. Это излучение улавливается при помощи датчика, анализируется и предоставляется исследователю в виде картины распределения температурных полей [Gavrilov et al., 2014. P. 350]. Термографическая установка состоит из камеры (тепловизора), источника теплового возбуждения и компьютера для визуализации и обработки данных. Иногда ИК-термография используется при исследовании древних кодексов, в частности их переплетов, позволяя получить информацию о структуре и повреждениях переплета, например, от древесного червя, а также о способах крепления к нему тетрадей, без расплетения рукописи. Термография также применяется при изучении таких переплетов, для укрепления которых использовались фрагменты более ранних книг, и позволяет прочесть эти тексты, не прибегая к разрушению переплета [Orazi, 2020. P. 4-5]. Наконец, термография применяется для визуализации текстов, поврежденных водой. Благодаря разнице температурных значений участков, покрытых и не покрытых чернилами, текст становится более читаемым [Ibid. P. 8].
ИК-визуализация является составной частью мультиспектрального (MSI) и гиперспектрального анализов. Мультиспектральный анализ применяют для реконструкции текстов манускриптов плохой сохранности, создавая серии изображений одного и того же объекта с использованием различных узких полос электромагнитного спектра [Миклас и др., 2017; Giacometti et al., 2015.]. Использование нескольких узких спектральных полос позволяет обнаруживать различную реакцию писчих материалов на конкретные длины волн, которые либо невидимы, либо неразличимы человеческим глазом. Полученные снимки при помощи программного обеспечения затем собираются в единое изображение, представляющее собой цифровую реконструкцию текста плохой сохранности. На мультиспектральном анализе и цифровой реставрации сегодня специализируется Межвузовский центр изображений и анализа материалов в культурном наследии (The Centre of Image and Material Analysis in Cultural Heritage (CIMA)) (Вена, Австрия), основанный в 2014 г. ЦКЪ: http://hrsm.caa.tuwien.ac.at/ (дата обращения 25.04.2020).
Наиболее ранний и один из самых известных проектов, в котором успешно использовался мультиспектральный анализ, - исследование палимпсестов Архимеда 2007 г. Официальный сайт проекта. ЦКЪ: http://www.archimedespalimpsest.org/ (дата обращения 25.04.2020). В 1998 г. манускрипт XIII в. на 177 листах, содержащий литургические тексты, был продан из частной коллекции и передан на хранение в Художественный музей Уолтерс (Балтимор, США), после чего началось его научное исследование и реставрация. Палимпсест был написан железо-галловыми чернилами, поэтому при исследовании наиболее результативной оказалась съемка в ультрафиолетовой части спектра и рентгенофлуоресцентный анализ. Ученые обнаружили под слоем текста XIII в. ранее неизвестные стертые тексты Х в.: два трактата Архимеда («Метод» и «Стомахион»), речи Гиперида и комментарий к «Категориям» Аристотеля [Knox, 2008].
Ближняя (и иногда коротковолновая) часть ИК-спектра захватывается гиперспектральными камерами. В гиперспектральном (HSI) анализе визуализация выполняется за счет захвата очень узкой спектральной полосы электромагнитного излучения (меньше 0,01 мкм), когда фильтр помещается перед источником света и блокирует все, кроме выбранной полосы электромагнитного спектра. Это позволяет собирать больше информации об объекте с высокой степенью дискретности. Результатом измерений является так называемый гиперспектральный куб данных, который содержит одно изображение спектральной отражательной способности для каждого диапазона длин волн [Padoan et al., 2008].
Гиперспектральный анализ позволяет получать подробные количественные измерения спектральной отражательной способности документа в видимой и невидимой (ультрафиолетовой и инфракрасной) части спектра [Kim et al., 2011]. Эти данные важны для консервации документа, оценки его повреждений, а также для анализа отдельных характеристик документа, таких как, например, чернила и пигменты.
В качестве примера успешного применения гиперспектрального анализа можно упомянуть исследования папируса из «могилы музыканта» 420/430 гг. до н. э., обнаруженной в 1981 г. в ходе археологических раскопок в Афинах. Этот папирус является древнейшим греческим текстом, найденным на территории Греции. Ранее считалось, что он не подлежит транскрибированию и восстановлению; он превратился в массу полусгнивших волокон, сложенную в несколько слипшихся слоев. Лаборатория физических и химических методов диагностики и документирования (Laboratory of Physical and Chemical Methods for Diagnosis and Documentation) Технологического образовательного института Афин (Technological Educational Institute of Athens) в 2012 г. исследовала папирус с целью выявить текст на нижних спрессованных слоях. В работе использовался гиперспектральный анализ, дополненный основным компонентным анализом (PCA) Основной компонентный анализ (PCA) - метод неконтролируемого машинного обучения. Используется также для обработки мультиспектральных изображений [Миклас и др., 2017]., который решал проблему разделения информации, находящейся на разных слоях [Alexopoulou, Kaminari, 2014. С. 65-76]. В результате исследования удалось распознать фрагменты текста и ноты.
Схожие методы работы используются в новейших исследованиях папирусов Геркуланума. Эти папирусы были найдены во время раскопок середины XVIII в., а затем наклеены на бумажную основу при помощи особого механизма (машины Пьяджо). Все, что было написано на обороте этих источников, известно нам только по транскрипциям рисовальщиков, сделанным во время раскопок. Отклеить папирусы от бумажной основы не представляется возможным. Папирусы Геркуланума исследовались в ближнем ИК-диапазоне, что позволило улучшить прочтение текста на лицевой стороне. Однако излучения в ближнем диапазоне оказалось недостаточно для прочтения оборотной стороны папируса. Поэтому исследователи применили гиперспектральный анализ в коротковолновом диапазоне в сочетании с основным компонентным анализом. Названные методики позволили ученым выявить неизвестные ранее участки оборотной стороны выбранного для исследования папируса, заполненные текстом [Tournie et al., 2019]. Исследователям еще предстоит расшифровать обнаруженные фрагменты текста, как и изучить другие папирусы Геркуланума. инфракрасный источниковедческий гиперспектральный