Koniec lat 90-tych XX wieku przyniósł postęp w dziedzinie zastosowania lasera (a ściślej mówiśc dalmierza laserowego) w technice trójwymiarowego (3D) skanowania różnorakich obiektów fizycznych. Przedmioty te, zarejestrowane przez laser i komputer w postaci cyfrowej mogły być następnie wykorzystywane w różny sposób - np. do tworzenia idealnych kopii z użyciem maszyn, urządzeń i narzędzi do tego przeznaczonych. Przykładów zastosowań można wymienić wiele, od przemysłu ciężkiego po branżę filmową i rynek gier komputerowych, jednakże nas zainteresuje w tym artykule wykorzystanie lasera do utrwalenia w postaci cyfrowej dzieł sztuki. Wydawać by się to mogło niemożliwym ale skoro można dziś zeskanować z dokładnością do ułamków milimetra płytę chodnikową, czemu nie użyć tej technologii do utrwalenia np. rzeźby ?

W latach 1997-98, The Canadian Museum of Civilization w Hull w prowincji Quebec zaprezentowało na wystawie setki utrwalonych cyfrowo dzieł sztuki znajdujących sie w zbiorach tegoż muzeum. Było to możliwe dzęki wykorzystaniu systemu o nazwie Digital 3D Imaging wynalezionego w National Research Council (NRC) w Ottawie. Jednakże nikt do tej pory nie pokusił się o precyzyjne, możliwe potem do wykorzystania w pracach naukowych zeskanowanie dużego rozmiaru posągu czy tym bardziej grupy posągów. Wymagało to lepszej technologii, wiekszej wiedzy i zaangazowania specjalistów z różnych dziedzin nauki. Przede wszystkim potrzebne były pieniądze. Dużo pieniędzy.

Od 1992 roku w Stanach Zjednoczonych profesor Marc Levoy z grupą studentów Uniwersytetu Stanford doskonalili metody cyfrowej rejestracji obietów trójwymiarowych przy wykorzystaniu skanera laserowego. Pierwszy poważny projekt tej grupy naukowców nosił nazwę 3D Fax Machine i posłużył w 1996 roku do cyfrowej rejestracji małej figurki Buddy. Tak uzyskany komputerowy model obiektu został następnie przesłany pocztą elektroniczną z Paolo Alto do zakładu produkcyjnego w Los Angeles gdzie wykonano wierną replikę figurki w naturze. Następnym wyzwaniem był rozpoczęty w styczniu 1997 roku Digital Michelangelo Project, poprzedzony żmudnymi, dwuletnimi przygotowaniami zespołu. W tym czasie zaprojektowano, zbudowano i przetestowano nowy typ laserowego skanera oraz mechaniczne ramię niezbędne przy skanowaniu dużych rozmiarów obiektów. Zadanie jakie postawili sobie naukowcy było ambitne - utrwalić mniejsze od 1 milimetra ślady dłuta mistrza na czubku głowy Davida przy zachowaniu bezpiecznej odległości od rzeźby. Niebagatelna będzie tu wysokość posągu - Dawid mierzy 701 centymetrów (23 stopy). Zaprojektowany system, nazwany Stanford Large Statue Scanner wykonała firma Cyberware z Kaliforni a na potrzeby trudno dostepnych do skanowania miejsc oraz w celu wyeliminowania potrzeby przenoszenia skanowanych obiektów zbudowano drugi, mniejszy skaner wykonany przez Faro Technologies i 3D Scanners Ltd. Na koniec, w celu umożliwienia rejestracji otoczenia architektonicznego skanowanych figur zespół wyposażono w specjalnie skonstruowany prototypowy skaner wykonany przez Cyra Technologies. Wszystkie wymienione urządzenia wyposażono w możliwość rejestracji danych w kolorze i bardzo dużej rozdzielczości.

Realizacja projektu była możliwa dzięki wsparciu finansowemu Uniwersytetu Stanford, Interval Research Corporation oraz Foundation for the Arts Paula G. Allena, założyciela znanej firmy z Redmond. W projekcie, którego koszt szacuje się na 2 000 000 dolarów brali udział przedstawiciele różnych dziedzin nauki - informatycy, technicy i historycy sztuki. Warto tu wspomnieć, że czynny udział w ich sukcesie mieli także pracownicy muzeów i instytucji państwowych we Włoszech udostępniający na potrzeby projektu miejsca na codzień niedostępne lub trudno dostępne z powodu ruchu turystycznego. Zakres prac wykonanych we Włoszech w okresie od września 1998 roku do czerwca roku 1999 mozna podzielić na 2 etapy. Pierwszy, czteromiesięczny, polegał na zamontowaniu we Florencji bazy wyposażonej w komputerowe laboratorium graficzne na potrzeby całego projektu. Tutaj złozono i przetestowano sprzęt oraz napisano oprogramowanie. Kolejny, pięciomiesięczny etap to przemieszczanie się zespołu od muzeum do muzeum i skanowanie dzieł sztuki oraz przesyłanie uzyskanych w ten sposób cennych danych do laboratorium w celu dalszej obróbki graficznej. W tym czasie naukowcy utrwalili cyfrowo 10 rzeźb - Dawida, 4 nieukończone postacie Niewolników i św. Mateusza (wszystkie w Galleria dell' Accademia) oraz cztery alegoryczne postacie Nocy, Dnia, Jutrzenki i Zmierzchu w Sagrestia Nuova przy kościele San Lorenzo we Florencji. Zeskanowano także tło architektoniczne obu muzeów.

Najwięcej danych zebrano w trakcie rejestracji posągu Dawida - zapisano 2 miliardy wielokątów (polygons) i 7000 kolorowych obrazów. Z oczywistych względów praca zespołu w muzeum mogła odbywać się tylko w godzinach nocnych. Rozstawienie i złożenie konstrukcji skanera ważącej 816 kg było dużym wyzwaniem dla całego zespołu. Biorący udział w projekcie Szymon Rusinkiewicz, wtedy naukowiec z Stanford University (obecnie w Princeton) wspomina z humorem na swojej stronie internetowej : "Spędziłem 9 miesięcy we Włoszech nosząc ciężary, usuwając usterki w sprzęcie i oprogramowaniu, nosząc ciężary, wykonując aktualne skany i nosząc ciężary."

Zmiana lokalizacji wiązała się oczywiście z koniecznością ponownego wznoszenia konstrukcji ale efekt końcowy był imponujący - zapisano w sumie 250 gigabajtów danych. Opracowanie całości materiału w laboratoriach naukowych zajmie naukowcom zapewne kolejne lata. Każdy zarejestrowany obraz wymaga specjalistycznej obróbki polegającej na takim spreparowaniu zeskanowantch elementów aby można je było połączyć w całość, uzupełnić braki pomiędzy elementami, nałożyć teksturę i na koniec nanieść kolor na podstawie danych uzyskanych ze skanera. W 2000 roku dostępny już był gotowy, w pełnej rozdzielczości, trójwymiarowy model posągu św. Mateusza oraz kilka modeli głowy Dawida w mniejszej skali. Zaczęto też prace nad modelem Atlasa z grupy niedokończonych Niewolników.

Zespół Marca Levoy'a zaangazowany był także w kilka innych projektów. Jednym z nich było uzyskanie mapy kolorystycznej powierzchni Dawida przy użyciu promieni ultrafioletowych. Mapa nałożona nastepnie na siatkę komputerowego modelu rzeźby pozwoliła ukazać miejsca, gdzie przez stulecia nakładano warstwy wosku i innych substancji organicznych służących zabezpieczeniu powierzchni przed wpływem warunków atmosferycznych. Należy pamiętać, że do 1873 roku posąg stał przed frontem Palazzo Vecchio we Florencji a jego struktura podlagała degradacji spowodowanej wodą opadową i działaniami wandali. Od tego czasu oryginał znajduje się w bezpiecznych pomieszczeniach Galleria dell' Accademia a jego miejsce na Piazza della Signoria zajęła replika. Określenie mapy kolorystycznej powierzchni rzeźby znalazło swoje zastosowanie także w trakcie prowadzonych do dziś prac konserwatorskich mających na celu oczyszczenie posągu z warstw brudu i przebarwień struktury marmuru. Przygotowywana od 12 lat kąpiel Dawida nie może dojść jednak do skutku z powodu sprzeczności stanowisk ekspertów co do techniki czyszczenia - część konserwatorów sugeruje szczotkowanie powierzchni na sucho przy użyciu delikatnego włosia a także wykorzystanie bawełnianych wacików, gumowych ścieraczy i irchy. Inni chcą umyć Dawida przy użyciu wody destylowanej. Więcej na ten temat w serwisie newsowym.

Innym ciekawym przedsięwzieciem zespołu było zeskanowanie trójwymiarowych fragmentów gigantycznej mapy starożytnego Rzymu wykonanej w marmurze ok. 200 roku n.e. i znanej światu jako Forma Urbis Romae. Mapa jest zniszczona i składa się z 1163 kawałków - dopasowanie wszystkich fragmentów i złożenie w całość pozostaje do dziś jednym z najważniejszych i nierozwiązanych problemów współczesnej archeologii. Następnym zadaniem będzie opracowanie algorytmów pozwalających programowi komputerowemu na ułożenie wszystkich 1163 elementów mapy w całość. Ten szczególny rodzaj puzzli wymaga jednak zaangażowania giganycznej mocy obliczeniowej superkomputerów.

Wyniki pracy zespołu profesora Levoy'a zostały udostepnione publicznie w Internecie pomimo częściowego tylko opracowania całości materiału uzyskanego w trakcie pobytu we Włoszech. Archiwum trójwymiarowych modeli dostępne jest dla wszystkich ale z zastrzeżeniem, że wykorzystane zostanie tylko do celów naukowych i za zgodą licencyjną wyrażoną na piśmie. Licencja ta zabrania wykorzystywania wyniku prac do celów komercyjnych (np. tworzenie wiernych kopii posągów na podstawie cyfrowych danych) jednak osoby zainteresowane takim wykorzystaniem modeli 3D mogą zwrócić się o stosowne pozwolenie do Superintendency of Fine Arts we Florencji oraz do Stanford University.

Dziękuję profesorowi M. Levoy, szefowi przedsięwzięcia, za zgodę na publikację w języku polskim i wykorzystanie materiałów zgromadzonych na stronie internetowej projektu. Wszystkie zdjęcia pochodzą ze strony The Digital Michelangelo Project i nie mogą być wykorzystywane bez uprzedniej zgody Stanford University.

Opracowanie: Paweł Giergoń