Mara, Hubert

Sänger, Patrick

Heidelberger Dokumentenserver

HUBERT MARA – PATRICK SÄNGERPRÄZISE BESTIMMUNG VON MATERIALSTRUKTUREN BEI PAPYRIMIT 3D-MESSTECHNIKaus: Zeitschrift für Papyrologie und Epigraphik 185 (2013) 195–199© Dr. Rudolf Habelt GmbH, Bonn195PRÄZISE BESTIMMUNG VON MATERIALSTRUKTUREN BEI PAPYRIMIT 3D-MESSTECHNIKDer Papyrologe ist es gewohnt, bei seiner Arbeit immer wieder mit fragmentarischen Papyrustexten oder solchen konfrontiert zu werden, deren Oberﬂ äche stark abgerieben ist, so daß die Schrift bzw. Linienfüh-rung nicht mehr erkennbar ist. Vor diesem Hintergrund sind freilich jegliche neu entwickelte Hilfsmit-tel willkommen, die bei der Vervollständigung fragmentarischer Papyri oder Entzifferung beschädigter Stellen behilﬂ ich sein können. In diesem Kontext ergab sich die Fragestellung, ob die 3D-Meßtechnik im Bereich der Papyrologie als ein zukunftsträchtiges und nutzbringendes Arbeitsinstrument Verwendung ﬁ nden kann. Die folgenden Ausführungen versuchen, einen ersten Eindruck über die derzeitigen Möglich-keiten, die die 3D-Meßtechnik dem Papyrologen eröffnet, zu vermitteln.Eingesetzt wird die 3D-Meßtechnik bereits in der Assyriologie, denn durch die große Anzahl an schwer lesbaren Keilschrift-Dokumenten wurde ein Verfahren entwickelt, das 3D-Modelle benutzt, um einerseits die Objekte in ihrer Gesamtheit zu erfassen und andererseits die Autopsie der Schriftﬂ äche zu erleichtern. Dieser Einsatz von neuen Technologien wurde in Zusammenarbeit zwischen der Assur-Forschungsstelle der Heidelberger Akademie der Wissenschaften und dem Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftli-ches Rechnen (IWR) realisiert.Bei der Dokumentation von Keilschrifttafeln konnten auch mit freiem Auge schwer erkennbare Fin-gerabdrücke und Spuren von Rollsiegeln deutlich sichtbar gemacht werden. Angesichts dieser detaillierten Oberﬂ ächenanalyse galt es zu klären, welche Ergebnisse ein 3D-Scan eines beschrifteten Papyrusblattes erbringen könnte. Von Brisanz ist diese Frage vor allem deswegen, weil das angezeigte Verfahren im Bereich der Papyrologie unseres Wissens noch nie erprobt wurde. Somit bestehen diesbezüglich bislang keine Erfahrungswerte.Aufgrund der dünnen Beschaffenheit des Papyrusblattes und der hohen Auﬂ ösung des 3D-Meßver-fahrens ergab sich die Überlegung, ob die Schrift auch auf der Oberﬂ äche von Papyri räumlich erfaßbar sei. Diesbezüglich optimistisch stimmten Experimente an einem 3D-Scan eines Pergament-Manuskripts1, durch die die Struktur der aufgetragenen Farbe mittels MSII-Filter als Erhöhung sichtbar gemacht werden konnte. Überdies gelang es, Blindlinien, die dem Schreiber des Pergament-Manuskripts als Linienspiegel dienen sollten, auf dem Blatt als Vertiefung zu kennzeichnen. Angesichts dieser Ergebnisse galt es zu prüfen, ob ein 3D-Scan eines beschrifteten Papyrus zu ähnlichen Beobachtungen führen würde. Von pri-märem Interesse war also zunächst die Frage, ob eventuell die Tinte eine räumlich erfaßbare Farbschicht und/oder das Schreibgerät bei der Anbringung der Schrift einen nachweisbaren Abdruck hinterlassen, sich die Schriftspuren also in irgendeiner Weise auf dem Papyrus abzeichnen und kenntlich machen lassen. Um dies herauszuﬁ nden, führten wir im Beisein von Elke Fuchs, Andreas Beyer und James M. S. Cowey im Juni 2010 eine 3D-Vermessung eines Papyrus durch – motiviert von dem Gedanken, daß uns das Verfahren in der Zukunft bei der Entzifferung von durch Abrieb oder Verblassung stark beschädigten Textstellen eine wesentliche Hilfestellung leisten könnte.1. Beschreibung des Verfahrens nach den Erfahrungen mit KeilschrifttafelnDie Datengrundlage wird mit einem hochauﬂ ösenden optischen 3D-Scanner basierend auf dem Prinzip des strukturierten Lichtes erhoben. Dabei werden von den Objekten 3D-Modelle erstellt, die eine räumliche Auﬂ ösung von weniger als 20 um haben. Gleichzeitig wird ihre Farbe erfaßt, denn eine der Hauptkompo-1 Es handelt sich um den 3D-Scan einer Seite aus dem „Book of Hours, Rouen, c. 1460“, der von A. Gardner, C. Tchou, T. Hawkins und P. Debevec unter dem Titel „Linear Light Source Reﬂ ectometry“, in: International Conference on Com-puter Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH), hrsg. v. d. Association for Computing Machinery, New York 2003, 749–758 publiziert wurde.196 H. Mara – P. Sängernenten des 3D-Scanners stellt eine 5-Megapixel-Farbkamera dar2. Für die 3D-Modelle von Keilschrifttafeln werden lage- und rotationsunabhängige Werte berechnet, mit denen sich Merkmale wie Schriftzeichen und Bruchﬂ ächen unterscheiden lassen. Diese Werte werden für verschieden große Details (Skalen) bestimmt. Das Verfahren wird in der Mustererkennung als „Multi-Scale Integral Invariante“ (MSII) bezeichnet3. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß es verschiedene Arten an Krümmungen schätzt, wie etwa die gaußsche und mittlere Krümmung4. Das ist deshalb von Bedeutung, weil beim Eindrücken der Keilschriftzeichen in den lederharten Ton durch den Stylus Kanten entstehen, die charakteristische Krümmungen besitzen. Mit diesen lassen sich automatische Umzeichnungen erstellen, die mit den traditionellen, in der Assyriolo-gie gebräuchlichen Handzeichnungen vergleichbar sind. Mit dem Verfahren wurden bereits ungefähr 200 neuassyrische Keilschrifttafeln aus dem Vorderasiatischen Museum Berlin für die Publikation in der Reihe „Keilschrifttexte aus Assur literarischen Inhalts“ (KAL) vorbereitet.Als ein Beispiel sei auf nachfolgende Abbildung einer bereits publizierten Keilschrifttafel (Inv. Nr. W 51617) aus der Sammlung des Heidelberger Seminars für Sprachen und Kulturen des Vorderen Orients (SSKVO) verwiesen:Durch den Einsatz von 3D-Technologie ergeben sich analog zum Arbeitsablauf der Textbearbeitung zwei Arten der Dokumentation:1. Das 3D-Modell, das zur virtuellen Autopsie verwendet werden kann. Es ist nämlich möglich, das Objekt verschiedenen Beleuchtungen auszusetzen und – da es beliebig positionierbar ist – aus allen mög-lichen Perspektiven zu betrachten. Eine weitere Darstellungsoption erlaubt es, der Oberﬂ äche andere Material eigenschaften, wie etwa metallischen Glanz, zuzuweisen, womit Details wie z.B. Siegelabdrücke 2 Vgl. Ch. Bathow, B. Breuckmann, R. Scopigno, Veriﬁ cation and Acceptance Tests for High Deﬁ nition 3D Surface Scan-ners, in: A. Artusi, M. Joly, G. Lucet, D. Pitzalis, A. Ribes (Hrsg.), VAST 2010: The 11th International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Intelligent Cultural Heritage, Eurographics Association, Paris 2010, 1–8.3 Vgl. H. Mara, S. Krömker, S. Jakob, B. Breuckmann, GigaMesh and Gilgamesh — 3D Multiscale Integral Invariant Cuneiform Character Extraction, in: Artusi, Joly, Lucet, Pitzalis, Ribes (Hrsg.), VAST 2010 (s. o. Anm. 2) 131–138 und H. Mara, Multi-Scale Integral Invariants for Robust Character Extraction from Irregular Polygon Mesh Data, Diss. Heidelberg 2012.4 Vgl. dazu z. B. W. Kühnel, Differentialgeometrie. Kurven – Flächen – Mannigfaltigkeiten, 5. Auﬂ ., Wiesbaden 2010, 81. Präzise Bestimmung von Materialstrukturen bei Papyri mit 3D-Meßtechnik 197ansatzweise sichtbar gemacht werden können. Ferner ist es möglich, Krümmungen und Höhenunterschiede auf der Schriftﬂ äche farblich darzustellen.2. Die 2-dimensionale Projektion des Objektes als Bild. Das setzt die jederzeit gegebene Option voraus, die zuvor angesprochenen variablen Ansichten als Bilddatei abzuspeichern. Dadurch ergeben sich vielfälti-ge Möglichkeiten, die Geometrie der Oberﬂ äche bildlich darzustellen. Die hergestellten Abbildungen sind maßstabsgetreu und frei von Tiefenunschärfen. Es sind auch keine Verzerrungen vorhanden, wie sie von Photos bekannt sind. Im Bereich der archäologischen Dokumentation kleiner Objekte entspricht die räum-liche Auﬂ ösung des 3D-Scanners in der 2D-Projektion bis zu 800 DPI; technisch möglich sind bislang bis zu 3000 DPI bei optischen Verfahren.2. 3D-Scan eines PapyrusBei dem eingescannten Papyrus handelt es sich um ein noch unpubliziertes Stück aus der Heidelberger Papyrussammlung, dem die Inventarnummer G 111 zugewiesen ist. Erhalten ist das neun Zeilen umfas-sende Fragment eines an einen ehemaligen ;³²u°«u¥·²§´ ¹²µ und ©´«° ´º«µ adressierten Schreibens (Z. 1–2), dessen genaue Identiﬁ kation noch nicht gelungen ist. Das liegt vor allem an den Lücken und Beschädigungen, die der Text ab Z. 3 aufweist. Aufgrund seines Erhaltungszustandes und seiner geringen Größe erschien dieser Papyrus für unser Vorhaben besonders geeignet zu sein.Zur Aufnahme wurde ein Breuckmann smartSCAN-3D-HE 3D-Scanner mit einer Meßfelddiagonale von 60 mm verwendet. Da das Objekt zwischen zwei Plastikplatten aufbewahrt wird, es für die Aufnah-me aber notwendig war, die Schriftﬂ äche freizulegen, wurde die obere Platte vor dem Scanvorgang ent-fernt. Anschließend wurden sechs Aufnahmen in weniger als fünf Minuten gemacht. Das dabei gewonnene 3D-Modell besteht aus 7 Mio. Meßpunkten auf dem 52,2 cm2 großen Papyrus. Auf dieser Grundlage wur-den die Krümmungen der Oberﬂ äche mit dem MSII-Filter und im wesentlichen folgende drei Abbildungen mit dem Softwareframework GigaMesh berechnet:Dargestellt wird das größtenteils virtuell mit Streiﬂ icht beleuchtete und metallisch eingefärbte 3D-Modell.198 H. Mara – P. SängerDargestellt werden die Höhenunterschiede des Papyrus im Verhältnis zu einer idealen Ebene. Hierfür wur-de eine Farbskala aus der Geographie verwendet, bei der blaue und grüne Bereiche eine geringe, gelbe eine mittlere und rote und weiße eine große Höhe darstellen.Dargestellt wird das Ergebnis nach Anwendung des MSII-Filters. Visualisiert werden konkave und konvexe Bereiche als schwarz-weiße Bereiche.3. ErgebnisAus den vorangestellten Abbildungen läßt sich zunächst ableiten, daß anhand der vorgenommenen Messung keine auf die Tinte und/oder den Schreibvorgang zurückzuführenden geometrischen Spuren nachgewiesen werden können; nicht einmal auf der mit Hilfe des MSII-Filters erstellten Abbildung sind Buchstaben erkennbar5. Allerdings liefern die durch den MSII-Filter sichtbar gemachten Strukturen einen „numeri-schen Fingerabdruck“ des Papyrus. Denn die Streifenstruktur des Papyrus tritt klar und maßstabsgetreu hervor, so daß die einzelnen Fasern bis in das kleinste Detail dokumentiert sind, was deren exakte Vermes-sung ermöglicht.5 Die Schrift wird zwar ansatzweise sichtbar, allerdings handelt es sich dabei um einen systembedingten Meßfehler: Starke Hell-Dunkel-Übergänge an einer ﬂ achen Objektoberﬂ äche führen zu kleinen Meßfehlern und damit zu Erhebungen im 3D-Modell, die am Objekt nicht vorhanden sind. Präzise Bestimmung von Materialstrukturen bei Papyri mit 3D-Meßtechnik 199Was die Papyrologie anbelangt, scheint der Nutzen der 3D-Technologie somit vorläuﬁ g hauptsächlich in der Dokumentation der äußeren Beschaffenheit der Oberﬂ äche des Papyrus zu liegen. Das könnte neue Möglichkeiten bei der Zusammenführung von Fragmenten eröffnen: Die Zusammengehörigkeit der Stücke vermag nämlich objektiv und zweifelsfrei bestätigt zu werden, und deren Aneinanderfügung wäre virtuell durchführbar. Das würde vor allem die Vervollständigung eines Textes, dessen Teile in unterschiedlichen Sammlungen aufbewahrt werden, wesentlich erleichtern und beschleunigen. Generell und daran anknüp-fend ist zu bemerken, daß die Einbindung von 3D-Meßtechnik gerade bei der Restaurierung von Papyri zu einem wichtigen Werkzeug werden könnte, zumal auch Faltungen, Klebungen und andere Veränderungen der Oberﬂ äche (etwa Siegelspuren) auf einen Blick zu erkennen sind. In diesem Kontext könnte die Erfor-schung der Herstellungsweise und der unterschiedlichen Qualität der Papyri neue Impulse erfahren.Schließlich würden uns die 3D-Modelle – wie im Fall der Keilschrifttafeln – auch im Bereich der Papyrologie ein Arbeitsinstrument an die Hand geben, das den Zugriff auf das Original kaum mehr erfor-derlich machen würde. Zumindest unterliegt es kaum einem Zweifel, daß das maßstabsgetreue, hochauf-lösende und vielseitig auswertbare 3D-Modell, das die Farbinformation mit den geometrischen Oberﬂ ä-chenbeschaffenheiten vereint und zudem aus allen möglichen Blickwinkeln betrachtet werden kann, in der Zukunft bei der Bearbeitung von Papyri das althergebrachte Photo ersetzen wird. Einen ersten Schritt in diese Richtung hat bei der originalgetreuen Darstellung von Ostraka bereits die Leipziger Papyrussamm-lung gemacht, die unter http://papyri.uni-leipzig.de von einigen Stücken 3D-Simulationen zur Verfügung stellt. Schließlich sei auch angemerkt, daß das 3D-Meßverfahren aufgrund der Möglichkeit, Höhenunter-schiede auf einer Oberﬂ äche mit großer Präzision zu erfassen, gute Ergebnisse bei der Entzifferung von Wachstafeln bringen könnte – was in Zukunft noch zu erproben wäre.6Hubert Mara, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Visualization and Numerical Geometry Group, Im Neuenheimer Feld 368, 69120 Heidelberghubert.mara@iwr.uni-heidelberg.dePatrick Sänger, Zentrum für Altertumswissenschaften, Institut für Papyrologie, Marstallstr. 6, 69117 Heidelbergpatrick.saenger@zaw.uni-heidelberg.de6 Die Farbabbildungen in diesem Beitrag wurden möglich gemacht, weil das Interdisziplinäre Zentrum für Wissenschaft-liches Rechnen (IWR) die Mehrkosten dafür übernahm. 

Präzise Bestimmung von Materialstrukturen bei Papyri mit 3D-Messtechnik

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