Fraunhofer IPK

Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

Automatisierungstechnik | ST

Assistenzbasierte virtuelle Rekonstruktion von kulturellem Erbe


Auf Papier gespeichertes Wissen, Verträge, Akten oder Kunst können verloren gehen, wenn Papier vorsätzlich oder versehentlich zerrissen bzw. zerstört wird. Mehrdimensionale Kulturgüter sind ebenfalls durch Verfall bedroht. Eine Zusammensetzung – sofern überhaupt möglich – erfordert großen Zeit- und Personalaufwand, abhängig vom Zerstörungsgrad. Ist der Aufwand zu hoch, gelten Kulturgüter bislang als unwiderruflich beschädigt und die Informationen auf den Dokumenten als verloren. Hierbei kann die automatisierte virtuelle Rekonstruktion als sehr vielseitiges Werkzeug, behilflich sein. Um die Technologie noch effizienter zur Erhaltung und Wiederherstellung kulturell und gesamtgesellschaftlich relevanter Dokumente und Objekte einsetzen zu können, entwi­ckeln die Wissenschaftler des Fraunhofer IPK assistenzbasierte Rekonstruktionssysteme, die das Wissen von Experten im Rekonstruktionsprozess nutzen und die physische Rekonstruktion von Kulturgütern ermöglichen.

An der Schnittstelle zwischen dem stetig steigenden Bedarf an Information in digitaler Form und der notwendigen Bestandserhaltung von Kulturgut ist die Digitalisierung für viele Bibliotheken, Archive und Dokumentationseinrichtungen eine nötige und wohl bald sogar unumgängliche Praxis. Besonders kleine und mittlere wissenschaftliche Spezialbibliotheken stehen vor der Herausforderung, ihren Bestand durch kostengünstige und dennoch qualitativ den Anforderungen entsprechende Digitalisierungstechnologie zu schützen und elektronisch zugänglich zu machen. Da die einzigartigen, wertvollen Bestände stark heterogen sind und unterschiedliche Erhaltungszustände aufweisen, sind Schriftstücke bzw. dessen Fragmente durch Beschädigungen häufig sehr fragil und auch verschmutzt, so dass mit herkömmlichen Systemen eine Rekonstruktion undenkbar wäre. Das IPK hat daher ein computergestütztes Verfahren entwickelt, dass eine materialschonende Digitalisierung und Rekonstruktion dieser Dokumente ermöglicht, um den Erhalt der wichtigen Informationen zu sichern.

Im Rahmen einer Konzeptstudie zur digitalen Bestands- und Kulturguterhaltung erforschen nun erstmals Partner aus den Bereichen Technologieentwicklung, Bibliotheks- und Archivwesen sowie Dienstleistung die Gegebenheiten, unter denen es möglich sein kann, anspruchsvolle Digitalisierungsvorhaben auch in kleineren Bibliotheken, Archiven und Dokumentationseinrichtungen zu realisieren. Ziel ist es, aufbauend auf einer systematischen Bestandsaufnahme der bereits zum Einsatz kommenden Digitalisierungstechnologien, die Machbarkeit der Entwicklung von preisgünstigen, innovativen und flexiblen technischen Lösungen für die automatisierte Digitalisierung von Schriftgut unterschiedlicher Formate und Materialarten zu analysieren.

Assistenzbasierte Systeme

Bei der assistenzbasierten Rekonstruktion werden zwei Ansät­ze unterschieden. Zum einen gibt es das Konzept der assis­tenzbasierten virtuellen Rekonstruktion. Ziel dieses Ansatzes ist wie bei der vollautomatisierten virtuellen Rekonstruktion die virtuelle Wiederherstellung von Inhalten. Die physischen Fragmente werden in der Regel nach der Digitalisierung nicht mehr benötigt und archiviert. Der Unterschied zur automatisierten virtuellen Rekonstruktion besteht darin, dass das assistenzbasierte System auf Fragmente ausgelegt ist, für die eine vollautomatisierte Wiederherstellung technisch nicht möglich ist, der Rekonstruktionsprozess also die aktive Mitarbeit eines menschlichen Betrachters erfordert.

Daneben besteht die Vision eines Assistenzsystems zur Unter­stützung physischer Rekonstruktion. Hier soll das Ergebnis ei­ner virtuellen Rekonstruktion als Vorlage für die anschließende manuelle Rekonstruktion oder Restaurierung dienen. Da das Ziel dieses Ansatzes die physische Wiederherstellung der vorab digitalisierten Objekte ist, ist daher der Einsatz eines leistungsfähigen, auf die Aufgabe zugeschnittenen Tracking­systems erforderlich. Abhängig von der Aufgabenstellung ist zudem in zahlreichen Anwendungsfällen der physischen Re­konstruktion die Auswertung von Expertenwissen unerlässlich. Dabei kann es sich zum einen um Fachkenntnisse eines ver­antwortlichen Archivars oder Restaurators handeln – Angaben zum Fundort, zum Alter oder zu zeitgenössischen Besonder­heiten, welche als a priori-Wissen über die Metainformationen in die virtuelle Rekonstruktion einfließen. Zum anderen kann es sich um Erkenntnisse handeln, die erst im Prozess der virtu­ellen Rekonstruktion sichtbar werden – etwa inhaltliche Merk­male, die auf kleinen Fragmenten nicht aber auf größeren Teilrekonstruktionen mehrerer Fragmente sehr wohl sichtbar sind.

Dieser Ansatz wird aktuell in der Praxis erprobt. Das Fraunho­fer IPK plant in Kooperation mit der Ägyptischen Sammlung der Stiftung Preußischer Kulturbesitz ein System, das die physische Rekonstruktion eines Konvoluts hochgradig beschä­digter, aber historisch einmaliger Papyri ermöglichen soll. Eine Rekonstruktion von Menschenhand ist wegen der giganti­schen Menge kleinstteiliger Fragmente in überschaubarer Zeit nicht möglich. Die Aufgabe kann nur gelöst werden, wenn Expertenwissen und eine Lösung zur virtuellen Rekonstruktion zusammenwirken.

Ausblick: Virtuelle Rekonstruktion mehrdimensionaler Kulturgüter

Ein für Forschung und Entwicklung sehr wichtiges Anwendungsfeld ist die virtuelle Rekonstruktion dreidimensionaler Kulturgüter. Archäologie und Denkmalpflege bedienen sich schon lange der Möglichkeit virtueller 3-D-Darstellung zerstörter Gebäude und Objekte. Allerdings existiert bisher kein Verfahren, um digitalisierte Einzelteile räumlicher Gegenstände automatisiert zusammen zu setzen – virtuelle Rekonstruktion etwa zur Prä­sentation im Museum ist bisher ein manueller Vorgang, der darauf aufbaut, dass bereits bekannt ist, welches Teil an wel­che Position gehört. Dabei bieten sich automatisierte Rekonst­ruktionsverfahren gerade im dreidimensionalen Bereich an. Hier haben Restauratoren mit vielen Schwierigkeiten zu kämpfen: Zum einen müssen die Fragmente räumlich angeordnet wer­den – das ist nicht nur in der praktischen Umsetzung eine Herausforderung. Häufig ist auch die ursprüngliche Form des zu rekonstruierenden Objektes vorab unbekannt. Zum ande­ren fallen bei großflächigen Objekten – etwa bei Wandfresken – oder bei umfangreichen Ausgrabungen große Mengen von Fragmenten an. Mit Unterstützung virtueller Verfahren kann ihre Sortierung und Anordnung enorm beschleunigt werden.

Das Fraunhofer IPK entwickelt Technologien, die eine umfassende Digitalisierung räumlicher Gegenstände, wie Skulpturen oder Teile von eingestürzten oder beschädigten Bauwerken, ermöglichen soll. Damit entsteht nicht nur die Möglichkeit, räumliche Kulturgüter zu rekonstruieren und zu erhalten, sondern erlaubt auch Fragmente, die weltweit in getrennten Sammlungen lagern, global zentralisiert zusammenzuführen und somit organisatorische sowie logistische Hürden zu überwinden. Im Jahr 2010 wurde damit begonnen, die Matching-Algorithmen für zweidimensionale Objekte weiterzuentwickeln und auf 2,5-D und 3-D Objekte auszuweiten. Konzepte für die automatisierte virtuelle Rekonstruktion drei­dimensionaler Objekte entwickelt das Fraunhofer IPK etwa am Beispiel von rund 100.000 Fragmenten von Marmorplatten, die bei Ausgrabungen im türkischen Ephesus geborgen wer­den.