Sammensmeltet billedbehandling afslører skrift fra det sjette århundrede skjult inde i bogbinding

Efter at have været skjult i århundreder, hemmelighederne i middelalderlige manuskripter kan snart komme frem i lyset.

Ved at fusionere to billeddannelsesteknikker - synlig hyperspektral billeddannelse og røntgenfluorescens - har et tværfagligt team af forskere fra Northwestern University udviklet en ny, ikke-destruktiv teknologi, der giver adgang til middelaldertekster gemt inde i gamle bogbind.

Mellem det 15. og 18. århundrede, bogbindere genbrugte bindene fra middelalderpergamenter til nye indbindingsmaterialer til trykte bøger. Mens forskere længe har været klar over, at bøger fra denne tidsperiode ofte indeholder skjulte fragmenter af tidligere manuskripter, de havde aldrig midlerne til at læse dem.

"I generationer, forskere har troet, at denne information var utilgængelig, så de tænkte, "Hvorfor gider det?" sagde Marc Walton, seniorforsker ved Northwestern University-Art Institute of Chicago Center for Scientific Studies (NU-ACCESS). "Men nu åbner fremskridt med databehandling og signalbehandling en helt ny måde at læse disse tekster på."

Delvist støttet af Andrew Mellon Foundation, forskningen blev offentliggjort online i tidsskriftet Analytica Chimica Arts . Northwestern Engineering's Walton var medforfatter af undersøgelsen sammen med professorerne i elektroteknik og datalogi Aggelos Katsaggelos og Oliver Cossairt. Emeline Pouyet, en postdoc i NU-ACCESS, fungerede som avisens første forfatter. Richard Kieckhefer, professor i religion og historie ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, og Arthur Woll, seniorforsker ved Cornell High Energy Synchrotron Source, også bidraget til undersøgelsen.

Bogen, der er ansvarlig for at sætte gang i undersøgelsen, er en kopi af den græske digter Hesiods Værker og Dage fra 1537. Købt af Northwestern i 1870, kopien er det eneste tilbageværende aftryk, der bevarer dens originale pergamentbind. Selvom det var denne indbinding, der oprindeligt fangede nordvestlige bibliotekarers opmærksomhed, det var forslaget om at skrive under pergamentet på bogtavlen, der gav anledning til nye spørgsmål.

Da NU-ACCESS forskere studerede bindingen, de bemærkede, at bogbinderen forsøgte at fjerne skriften på bogtavlen, sandsynligvis gennem vask eller skrabning. Bogtavlen, imidlertid, bibeholdt to spøgelsesagtige skrifter omgivet af marginale kommentarer, som stadig var synlige gennem pergamentet på bogens for- og bagomslag.

"Blækket nedenunder forringede pergamentet, så du kunne begynde at se skriften, " sagde Pouyet. "Det var der, den analytiske undersøgelse begyndte."

Walton og Pouyet brugte oprindeligt en hyperspektral billedbehandlingsteknik med synligt lys til at se skriften, men det gav dårlige resultater på grund af pergamentets uregelmæssige nedbrydning. Teknikken gjorde ganske vist skriften en smule klarere, men ikke tydelig nok til, at historikeren Kieckhefer kunne læse den. Næste, parret prøvede røntgenfluorescensbilleddannelse ved hjælp af et bærbart instrument. Teknikken gav den første information om blæksammensætningen; imidlertid, teksten var stadig ulæselig på grund af dårlig rumlig opløsning.

På jagt efter en mere kraftfuld billedkilde, Walton og Pouyet sendte bogen til Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) i Ithaca, New York, hvor den lyse røntgenkilde og det hurtige detektionssystem muliggjorde en fuld billeddannelse af hovedteksten og marginaliakommentarer i hele bogbindingen. Da forskerne sendte det mere tydelige billede til Kieckhefer, han anerkendte det straks som romersk lov fra det sjette århundrede, med fortolkende noter, der henviser til den kanoniske lov skrevet i margenen.

Walton og Pouyet antager, at pergamentet oprindeligt kunne have været brugt i et universitetsmiljø, hvor romerretten blev studeret som grundlag for at forstå kanonisk ret, hvilket var en almindelig praksis i middelalderen. Den juridiske skrift blev derefter muligvis dækket og genbrugt, fordi den var forældet, da samfundet allerede havde slået de romerske love ned for at implementere kirkeloven.

"Når du har det rigtige værktøj, analyse er meget nemmere, " sagde Walton. "Men problemet er, at du ikke altid kan bringe uvurderlige bøger til en ofte utilgængelig synkrotronstrålelinje. Vi ønskede at kunne bruge vores laboratoriebaserede instrumenter til at udføre denne form for arbejde."

Parret kontaktede derefter professorerne Katsaggelos og Cossairt fra Northwestern datalogi for at hjælpe med at udforske nye måder at afbilde bogen på.

"Vi var nødt til at udvikle nye metoder til at lave analysen, som vi ellers ikke ville have haft, " sagde Walton. "Der er intet, der findes på hylden, som vi kan bruge til blot at forestille os denne bog og læse den skjulte skrift."

"Der er et stort antal bølgelængder i det elektromagnetiske spektrum, og hver bølgelængde har sine fordele og ulemper, " sagde Katsaggelos, Joseph Cummings professor i elektroteknik og datalogi. "Nogle af dem kan trænge dybere ind i prøven, nogle af dem har bedre opløsning, og så videre."

Ved at bruge en maskinlæringsalgoritme udviklet af hans team, Katsaggelos opdagede, at ikke én billedbehandlingsteknik, men en fusion af to, ville give de bedste resultater. Hans team kombinerede synlig hyperspektral billeddannelse, som inkluderer bølgelængder inden for det synlige lysspektrum for at give høj rumlig opløsning, med røntgenfluorescensbilleddannelse, som giver høj intensitetsopløsning. Algoritmen informerede forskerne om det relative bidrag fra hver modalitet til at producere det bedste billede.

"Ved at kombinere de to modaliteter, vi havde fordelene ved hver " sagde Katsaggelos. "Vi var i stand til at læse med succes, hvad der var inde i bogens omslag."

Katsaggelos' datafusionsbillede var så klart, at det konkurrerede med et billede af hovedteksten produceret af de kraftige røntgenstråler på CHESS.

Selvom dette mysterium om teksten gemt i Hesiods bogbinderi Værker og Dage er nu løst, Walton og Pouyet mener, at deres arbejde lige er begyndt.

"Vi har udviklet teknikkerne nu, hvor vi kan gå ind i en museumssamling og se på mange flere af disse genbrugsmanuskripter og afsløre skriften gemt inde i dem, " sagde Walton. "Dette er virkelig starten på et meget større initiativ."