“Khảo cổ học ảo” kết nối các mảnh vỡ của nền văn minh cổ đại

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khảo cổ học Hy Lạp luôn cố gắng tái tạo bức tranh trên tường nắm giữ những đầu mối quan trọng về văn hóa cổ Thera, nền văn minh trên hòn đảo bị chôn vùi dưới tro núi lửa hơn 3.500 năm trước.

Nhiệm vụ hết sức nặng nề này – cần hơn một thế kỷ nữa với tốc độ hiện nay – sẽ sớm trở nên dễ dàng hơn nhiều nhờ một hệ thống tự động được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học máy tính thuộc đại học Princeton với sự cộng tác của các nhà khảo cổ học Hy Lạp.

Theo David Dobki, người nắm giữ giải thưởng giáo sư Phillip Y. Goldman ’86 về khoa học máy tính đồng thời là chủ nhiệm khoa tại Princetion, công nghệ mới này “có tiềm năng thay đổi cách con người làm khảo cổ”.

Dobkin và các đồng nghiệp báo cáo công việc của mình trên bài báo được công bố ngày 15 tháng 8 trong hội nghị thường niên SIGGRAPH của Tổ chức điện toán Los Angeles, được coi là cuộc họp hàng đầu trong lĩnh vực đồ họa máy tính.

“Phương pháp mới thực sự khiến máy tính trở thành một đối tác nghiên cứu của các nhà khảo cổ học”, Dobkin cho biết, ông có ý tưởng cho dự án sau chuyến viếng thăm năm 2006 đến khu vực khảo cổ Akrotiri trên hòn đảo Thera, ngày nay được biết đến như Santorini.

Để thiết kệ được hệ thống, nhóm nghiên cứu của Princetion đã hợp tác chặt chẽ với các nhà khảo cổ học và các chuyên viên bảo tồn làm việc tại Akrotiri, đây là khu vực rất thịnh vượng vào thời kỳ đồ đồng, khoảng 1630 trước công nguyên. Tái tạo bức tranh trên tường được khai quật, đồ trạm khảm hoặc vật thể khảo cổ tương tự giống như việc giải quyết trò chơi lắp hình khổng lồ, tuy nhiên khó hơn rất nhiều. Vật thể gốc thường vỡ thành hàng nghìn mảnh nhỏ - trong đó rất nhiều mảnh không hề có màu sắc, hoa văn hoặc kết cấu để phân biệt, và gờ cạnh của chúng đã bị mòn đi qua nhiều thế kỷ.

Chính vì vậy, nhiệm vụ tái tạo những đồ tạo tác kể trên thường cần rất nhiều công sức, vì các nhà khảo cổ học phải lựa chọn các mảnh vỡ và sử dụng phép thử để ghép chúng lại với nhau. Nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng xây dựng hệ thống máy tính để tự động hóa một số công đoạn của công việc, tuy nhiên nỗ lực dựa trên thiết bị đặt tiền và khó sử dụng chỉ dành cho những chuyên gia máy tính đã qua đào tạo.

Ngược lại, hệ thống của Princetion sử dụng thiệt bị không đắt tiền và được thiết kế cho các nhà khảo cổ học và các chuyên viên bảo tồn sử dụng chứ không phải các nhà khoa học máy tính. Hệ thống sử dụng sự kết hợp giữ thuật toán máy tính và hệ thống xử lý để bắt chước phương pháp truyền thống của các nhà khảo cổ học.

Szymon Rusinkiewicz, giáo sư khoa học máy tính, nhóm nghiên cứu của ông nắm vai trò then chốt trong nỗ lực của Princeton, cho biết: “Chúng tôi bắt chước phương pháp của các nhà khảo cổ học đến mức tối đa để họ có thể sử dụng hệ thống của chúng tôi một cách thuận tiện. Khi được phát triển đầy đủ, hệ thống có thể giảm thời gian cần để tại tạo một bức tường từ vài năm xuống còn vài tháng. Nó góp phần giải phóng các nhà khảo cổ học để họ có thể tập trung vào các cộng việc quan trọng khác như tu bổ, khôi phục và nghiên cứu về mặt dân tộc học”.

Năm 2007, một đội ngũ nhiều nhà nghiên cứu của Pricenton đã nhiều lần viếng thăm Akrotiri, trước hết là để quan sát và học hỏi từ các chuyên viên bảo tồn trình độ cao, sau đó là để kiểm tra hệ thống của họ. Trong 3 ngày tại hòn đảo trong tháng 9 năm 2007, họ đã xử lý 150 mảnh vỡ bằng hệ thống tự động của mình.

Đây là một trong những bức khảm trên tường được tái tạo lại từ nền văn minh Hy Lạp cổ Thera, bị chôn vùn dưới tro núi lửa hơn 3.500 năm trước (Ảnh; Princeton Graphics Group)

Mặc dù hệ thống vẫn đang trong quá trình hoàn thiện, nó đã có những kết quả hứa hẹn trong thực tế. Ví dụ, khi được thử với một tập hợp các mảnh vỡ từ bức tranh tường Akrotiri, hệ thống đã tìm thấy 10 trên 12 cặp phù hợp đã được biết đến. Thêm vào đó, 2 cặp phù hợp chưa được biết đến cũng đã được tìm thấy. 

“Điều này cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong thực tế”, Tim Weyrich cho biết, ông là giáo viên giảng dạy khoa học máy tính bậc sau tiến sĩ tại Princeton đồng thời là nhà nghiên cứu chính của dự án và thiết kế nhiều bộ phận của hệ thống. Weyrich cho biết nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch cho một chuyến đi nữa mùa thu này để cài đặt hệ thống cố định cho các nhà khảo cổ học sử dụng. Tháng 9 tới ông sẽ trở thành giáo sư khoa học máy tính tại đại học London. Hệ thống cài đặt được các nhà nghiên cứu tại Princeton sử dụng bao gồm một máy quét hình phẳng (thường được sử dụng để quét tài liệu, dùng để quét bề mặt mảnh vỡ), máy đo khoảng cách laze (sử dụng tia laze để quét độ rộng và độ dày của mảnh vỡ) và một mặt quay cơ giới hóa (cho phép xoay tròn chính xác mảnh vỡ khi kiểm tra). Các thiết bị này được kết nối với một máy tính xách tay.

Bằng cách thực hiện chuỗi hành động được quy định sẵn, một chuyên gia bảo tồn dưới sự hướng dẫn của một nhà khảo cổ học có thể sử dụng hệ thống để xác định, hay “thu được” 10 mảnh vỡ một giờ. Máy quét hình phẳng đầu tiên được sử dụng để ghi lại các hình ảnh màu có độ phân giải cao của mảnh vỡ. Sau đó, mảnh vỡ được đặt lên đĩa quay, và máy đo khoảng cách xách định bề mặt nhìn được của mãnh vợ từ nhiều góc độ. Mảnh vỡ sau đó được lộn ngược lại và quy trình trên được lặp lại.

Cuối cùng, phần mềm máy tính, hay thuật toán, thực hiện công việc thách thức đó là tìm ý nghĩa của thông tin thu thấp được. Các nhà nghiên cứu của Princeton đã đặt tên cho phần mềm họ phát triển là “Griphos”, trong tiếng Hy Lạp nghĩa là điều bí ẩn.

Một thuật toán điều chỉnh nhiều phép đo bề mặt để tạo ra một hình ảnh 3 chiều chính xác và hoàn chỉnh của từng mảnh vỡ. Một thuật toán khác phân tích hình ảnh quét để dò tím nứt vỡ hoặc bề mặt nhỏ mà máy đo khoảng cách bỏ qua.

Sau đó hệ thống kết hợp tất cả thông tin thu thập được – hình dáng, hình ảnh, và chi tiết bề mặt – vào một biên bản tỉ mỉ của từng mảnh vỡ

Weyrich cho biết: “Bản thân những thông tin đó đã rất hữu ích đối với các nhà khảo cổ học”.

Khi đã thu được các mảnh vỡ của một vật thể, hệ thống bắt đầu lắp ráp chúng theo từng cặp một. Chỉ sử dụng thông tin từ các bề mặt gờ, hệ thống hoạt động như một nhà khảo cổ học ảo, phân loại các mảnh vỡ để kiểm tra những mảnh nào khớp với nhau.

Benedict Brown, luận văn tiến sĩ của ông, vừa hoàn thành gần đây dưới sự hướng dẫn của Risinkiewicz, phần lớn được cống hiến cho dự án bức tranh tường, cho biết: "Khả năng kiểm tra tường tận mọi thứ một cách nhanh chóng thực sự rất hữu ích”.

Việc phân tích một cặp mảnh vỡ để xem chúng có khớp hay không diễn ra rất nhanh, chỉ trong 1 hoặc 2 giây đồng hồ. Tuy nhiên, thời gian cần để lắp ráp một bức tranh tường khá lâu, vì hệ thống phải xem xét tất cả các cặp có thể của các mảnh vỡ. Để hệ thống chạy nhanh hơn, các nhà nghiên cứu lên kế hoạch kết hợp một số đầu mối bổ sung mà các nhà khảo cổ học thường sử dụng để đơn giản hóa công việc của mình. Dữ liệu đó bao gồm thông tin như nơi mảnh vỡ được tìm thấy, kết cấu màu và tình trạng bảo quản.

Tuy nhiên, Weyrich nhấn mạnh rằng hệ thống của Princeton sẽ không bao giờ thay thế được kiến thức tình huống, kinh nghiệm và “kỹ năng mềm” của các chuyên gia bảo tồn và các nhà khảo cổ học.

Weyrich cho biết: “Tái tạo những bức tranh tường là một công việc hết sức phức tạp, xét theo tình trạng của các mảnh vỡ và số lượng của chúng. Máy tính thực hiện các phần khó nhọc trong quá trình này và để lại những quyết định quan trọng cho con người”.

Nghiên cứu của Nhóm đồ họa Princeton nhận tài trợ từ tổ chức Kress, tổ chứ Seeger, tổ chứ Thera, tổ chứ Cotsen Family và Tổ chức khoa học quốc gia. 

Tham khảo: "A System for High-Volume Acquisition and Matching of Fresco Fragments: Reassembling Theran Wall Paintings", các tác giả: Benedict Brown, Corey Toler-Franklin, Diego Nehab, Michael Burns, David Dobkin, Andreas Vlachopoulos, Christos Doumas, Szymon Rusinkiewicz và Tim Weyrich. ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH), 27(3) 2008.