Laboratorium źródeł

Laboratorium źródeł

Laboratorium źródeł jest jednym z pięciu laboratoriów tworzących infrastrukturę Dariah.lab. Obejmuje funkcjonalność odpowiadającą wstępnym etapom przetwarzania danych, tj. pozyskiwaniu wysokiej jakości cyfrowych reprezentacji różnorodnych obiektów oraz ich składowaniu i udostępnianiu. Digitalizacji i dokumentacji podlegają obiekty będące przedmiotem badań w trzech kluczowych dla projektu obszarach cyfrowej humanistyki i nauk o sztuce, tj. geoarcheologii, danych o kulturze i muzykologii.

Bezinwazyjna archeologia

W procesie digitalizacja i dokumentacji obiektów archeologicznych ważna jest możliwości pozyskania danych w sposób nieinwazyjny, np. możliwość lokalizowania ukrytych pod powierzchnią ziemi struktur i obiektów archeologicznych bez konieczności prowadzenia długotrwałych i niszczących środowisko badań wykopaliskowych, czy też do bezinwazyjnego pozyskania cyfrowych modeli zabytków do rekonstrukcji, badań czy prezentacji.

Skaner w Bazylice Archikatedralnej św. Apostołów Piotra i Pawła w Poznaniu
Na wyposażeniu Laboratorium źródeł znajdą się urządzenia zapewniające wgląd w struktury niewidoczne dla ludzkiego oka i umożliwiające cyfrową dokumentację tych struktur, jak również innych obiektów oraz specjalistyczne oprogramowanie do przetworzenia i analizy zebranych danych. Urządzenia, o których nowa, to georadary, spektrometry oraz skanery 3D. Przy ich pomocy można nie tylko zlokalizować potencjalne stanowiska archeologiczne, ale również zrekonstruować struktury znajdujące się pod powierzchnią ziemi oraz wygenerować cyfrowe modele zabytków sztuk, budynków i mniejszych obiektów. 

Georadar zapewnia wykrywanie ukrytych pod ziemią struktur. Jego działanie polega na emisji przez antenę nadawczą fali elektromagnetycznej,która po odbiciu lub załamaniu na granicy dwóch ośrodków różniących się pomiędzy sobą stałą dielektryczną, powraca i jest rejestrowana przez antenę odbiorczą. Antena ta rejestruje siłę sygnału powracającego oraz czas, po którym sygnał powraca. Poprzez wysłanie serii impulsów i zarejestrowanie danych sygnału powracającego na określonym obszarze wykonuje się jego skan, a opracowanie zebranych danych pozwala odtworzyć kształt wykrytego obiektu.

Wiele danych można uzyskać poprzez rejestrację, pomiar i interpretację zdjęć danego obszaru czy obiektu, a więc fotogrametrię i teledetekcję. Na podstawie serii zdjęć można odtworzyć kształt fotografowanego obiektu, jego rozmiar oraz położenie, czy nawet wygenerować model 3D. Modele te nie są jednak zbyt dokładne, dlatego służą do tworzenia dużych map terenu na podstawie zdjęć wykonanych z wykorzystaniem dronów. Na wyposażeniu Laboratorium znajdzie się zestaw dronów o różnym przeznaczeniu uzupełniających się wzajemnie wraz modułem zapewniającym pozycjonowanie w czasie rzeczywistym z dokładnością co do centymetra dla osiągnięcia wysokiej precyzji.

Wygenerowanie bardziej dokładnej cyfrowej reprezentacji obiektu w postaci modelu 3D wymaga zastosowania skanera 3D. Laserowy skaner emituje wiązkę promieniowania skierowaną na skanowany obiekt i dokonuje pomiaru odległości pomiędzy źródłem światła a obiektem. Wyniki pomiaru pozwalają ustalić współrzędne przestrzenne zbioru punktów, a oprogramowanie wyznacza ich położenie w przyjętym układzie współrzędnych skanera. Tak pozyskane współrzędne zapisywane są w postaci cyfrowej chmury punktów. Dokładniej rzecz ujmując, jest to metoda mory bazująca na interferencji zachodzącej przy nałożeniu się obrazu przynajmniej pary siatek (rastrów) czyli geometrycznych układów linii. W przypadku mniejszych obiektów wystarczający jest skaner ręczny. Budynki, pomniki, czy ogólnie rzecz biorąc większe gabarytowo obiekty, wymagają zastosowania laserów stacjonarnych. Dodatkowo na wyposażeniu Laboratorium będą też drony z podczepionymi skanerami laserowymi umożliwiające zebranie danych w trudno dostępnych terenach.

Bezinwazyjnie można nie tylko wykryć i zidentyfikować obiekty istotne z punktu widzenia badań archeologicznych, ale również określić ich skład chemiczny bez pobrania i nieodwracalnego zniszczenia próbek. Temu zadaniu posłuży spektrometr – specjalistyczne urządzenie umożliwiające analizę składu pierwiastkowego substancji na podstawie zarejestrowanego widma. Używany jest do określenia zarówno składu chemicznego, jak i pomiaru właściwości fizycznych materii. Różne substancje absorbują, odbijają lub emitują światło w sposób zależny od ich struktury chemicznej i otoczenia. Działanie spektrometru polega na skupieniu energii elektromagnetycznej ze źródła światła na próbce badanego materiału. W zależności od konfiguracji systemu, światło jest odbijane od próbki lub przepuszczane przez nią, a następnie badane pod kątem intensywności fal świetlnych o różnych długościach tworzących badaną wiązkę.

Opisany powyżej sprzęt oraz towarzyszące mu oprogramowanie umożliwi digitalizację i dokumentację budynków, pomników, szczątków ludzkich (czaszki, kości), obiektów muzealnych, zasobów piśmiennictwa, a za pomocą zintegrowanych dronów także stanowisk archeologicznych jak grodziska, zamki, cmentarze z uwzględnieniem dokładnej lokalizacji i precyzyjnych pomiarów odległości.

Nowoczesne techniki rejestracji obrazu i dźwięku

Wykorzystanie nowoczesnych metod ma niebagatelne znaczenie dla rejestracji danych badawczych. Nowoczesny sprzęt rejestrujący dźwięk pozwala na przykład udokumentować przejawy muzyki tradycyjnej, uchwycić dany utwór wraz z nieodzwierciedlonymi w zapisie nutowym przejawami, takimi jak permanentna wariantywność. Dokumentacja filmowa pozwala z kolei nie tylko na uchwycenie szeroko rozumianego kontekstu wykonawczego rejestrowanej sytuacji (np. pokazanie tego, jakie są relacje pomiędzy aktywnymi uczestnikami wykonania), ale pozwala na udokumentowanie ważnych na przykład dla badań etnomuzykologicznych i instrumentologicznych elementów techniki wykonawczej: w jaki sposób wykonawca trzyma instrument oraz w jaki sposób na nim gra.

Jak zarejestrować obraz i dźwięk w sposób, który wiernie odzwierciedla odbiór otoczenia przez człowieka? Przy pomocy urządzeń takich jak kamery 3D, kamery 360°  czy kamery plenoptyczne oraz mikrofony do rejestracji dźwięku wielokanałowo i ambisonicznie. Tego typu sprzęt znajdzie się na wyposażeniu Laboratorium źródeł i posłuży do rejestracji materiałów potrzebnych do badań w dziedzinach takich jak muzykologia czy etnografia, ale również do rejestrowania i udostępniania przedstawień teatralnych, operowych, konferencji i innych wydarzeń.

Laboratorium źródeł udostępni wysokiej jakości sprzęt rejestrujący obraz, m.in. kamery wysokiej rozdzielczości 8k, kamery pozwalające na rejestrację obrazu 360°, plenoptyczne oraz 3D. Są to nowoczesne urządzenia wykorzystujące różne techniki od osiągnięcia zamierzonego celu, tj. uzyskania reprezentacji obrazu o określonych własnościach.

Kamery rejestrujące obraz w trybie 360° są wyposażone w jeden lub kilka obiektywów nagrywających kilka ścieżek filmowych jednocześnie. Kamera 360° z jednym obiektywem nagrywa obraz w postaci sferycznej, który następnie jest spłaszczany, co umożliwia jego obracanie. W przypadku zastosowania kilku obiektywów, obrazy przez nie rejestrowane są bardzo precyzyjnie łączone w jeden obraz rozciągający się na 360°.

Kolejne ciekawe urządzenie to kamera plenoptyczna. Zdjęcia wykonane za jej pomocą oferują zupełnie nowy sposób postrzegania obrazów. Obrazy te bowiem nie są statyczne. Użytkownik może je modyfikować już po ich zarejestrowaniu, na przykład zmieniać ostrość, punkt widzenia czy postrzeganą głębię ostrości. Zmiany realizowane są poprzez matematyczne przekształcenia sygnału zarejestrowanego przez kamerę. Sygnał ten zawiera wszystkie informacje potrzebne do wygenerowania trójwymiarowej reprezentacji rejestrowanej sceny. Oznacza to, że kamera plenoptyczna jest w rzeczywistości kamerą 3D.

Model 3D

Trójwymiarową reprezentację można uzyskać robiąc serię zdjęć danej sceny pod różnym kątem wykorzystując jeden aparat lub układ wielu kamer, lub też aparat wyposażony w matrycę mikrosoczewek umieszczonych przed głównym czujnikiem aparatu. W tym ostatnim przypadku każda mikrosoczewka rejestruje  mikro obraz. Poszczególne obrazy lub mikro obrazy powstają na skutek przechwycenia promieni świetlnych, których źródła znajdują się  różnych miejscach w przestrzeni. Dzięki temu możliwe jest obliczenie odległości każdego obiektu od kamery i wyznaczenie jego  pozycji i w rezultacie opracowanie trójwymiarowego modelu rejestrowanej sceny.

Przestrzennie rejestrowany jest nie tylko obraz. Systemy dźwięku immersyjnego, czyli właśnie przestrzennego, w odróżnieniu od systemów wielokanałowych (stereo czy surround sound), umożliwiają budowanie tzw. obrazu dźwiękowego nie tylko w płaszczyźnie poziomej, lecz także w płaszczyźnie pionowej.

Celem jest odwzorowanie dźwięku w przestrzeni tak, aby brzmiał on jak najbardziej naturalnie. Oznacza to, że dźwięk immersyjny jest zbliżony do rzeczywistego dźwięku, który słuchać nie tylko dookoła nas, ale także poniżej i powyżej poziomu uszu. Jednym ze sposobów reprodukcji dźwięku przestrzennego jest ambisonia.

Mikrofon ambisoniczny – 1-szy rząd ambisoniczny

W przeciwieństwie do konwencjonalnych formatów dźwięku stereofonicznego i przestrzennego, które opierają się na zasadzie kierowania sygnałów audio do konkretnych głośników, system ambisoniczny przechwytuje pełną informację o kierunku dla każdej fali dźwiękowej, która dociera do mikrofonu. Obejmuje to również informacje o wysokości, a także pełne 360° wokół mikrofonu. Co najważniejsze, nagrania ambisoniczne mogą być łatwo mapowane na dowolny zestaw głośników – od stereo, przez wielokanałowe formaty 3D surround, aż po binauralne. Po zarejestrowaniu sygnału można go przetworzyć tak, aby wygenerować dowolny, 360-stopniowy, przestrzenny krajobraz dźwiękowy.  Do rejestracji dźwięku wykorzystywany jest mikrofon tzw. SoundField wyposażony w zestaw mikrofonów w konfiguracji zależnej od rzędu ambisonii. Im wyższy rząd tym większa liczba mikrofonów i wyższa rozdzielczość przestrzenna docelowego nagrania.

W Laboratorium źródeł oferowane będą usługi związane nie tylko z rejestracją przestrzennego obrazu i dźwięku, ale również ich post-produkcją, montażem i prezentacją, co wymaga dodatkowego wyposażenia w urządzenia takie jak system odtwarzania dźwięku przestrzennego składający się z wieloelementowej instalacji głośnikowej.

Digitalizacja analogowych zasobów

Wraz z rozwojem ICT naukowcy zyskują dostęp do coraz nowocześniejszych metod gromadzenia, przetwarzania i analizy danych.  Wielkie bogactwo tkwi jednak w gromadzonych przez wieki zbiorach dziedzictwa kulturowego w postaci analogowej, tj. manuskryptów, rękopisów, dokumentów drukowanych, czy tradycyjnych fotografii. Przez ostatnich kilkadziesiąt lat powstawały też znaczące archiwa nagrań dostępne w postaci taśm magnetycznych czy płyt winylowych.

Ze względu analogową postaci tych zasobów, możliwości ich szerokiego udostępniania czy analizy są bardzo ograniczone, a wraz z upływem czasu ich stan ulega pogorszeniu. Ratunkiem w tej sytuacji jest szeroko zakrojona digitalizacja istniejących zbiorów czyli przekształcenie do postaci cyfrowej.  W jaki sposób można to zrobić? W dużym skrócie poprzez skanowanie z wykorzystaniem specjalistycznych skanerów, cyfrowych aparatów fotograficznych oraz sprzętu do digitalizacji nagrań, które znajdą się na wyposażeniu Laboratorium źródeł.

Ze względu na dużą różnorodność obiektów poddawanych digitalizacji Laboratorium będzie wyposażone w kilka różnych systemów digitalizacji przeznaczonych do poszczególnych kategorii obiektów w celu zapewnienia najwyższej jakości oraz efektywność pozyskiwania danych. Ważne jest aby dokładnie, bez zniekształceń oddawać całościowy wygląd czy brzmienie digitalizowanego obiektu, jego cechy charakterystyczne i indywidualne.

W przypadku obiektów dwuwymiarowych (dokumenty, starodruki, fotografie) stosuje się specjalistyczne skanery, które umożliwiają uzyskanie wysokiej jakości reprezentacje cyfrowe lub aparaty fotograficzne wysokiej rozdzielczości, które z kolei zapewniają nieinwazyjną digitalizację obiektów, bez konieczności umieszczania ich na szybie skanera. Skanery do książek są wyposażone w pneumatyczny mechanizm przewracania stron.

Automatyczny skaner książek

Skanowanie i fotografowanie wielospektralne pozwala na pozyskanie danych istotnych z punktu widzenia konserwacji i restoracji zabytków. Fotografia multispektralna jest nowoczesną techniką pozwalającą na rejestrowanie tego samego obrazu w kilku wybranych zakresach widma elektromagnetycznego – fal o długościach wykraczających poza zakres światła widzialnego, w tym w podczerwieni. W badaniach zabytkowych dzieł sztuki (obrazów, książek), obrazowanie wielospektralne umożliwia m.in nieinwazyjne badanie autentyczności oraz ukrytej treści dzieła. Analiza zdjęć wykonanych w zakresie fal niewidocznych gołym okiem, pozwala uzyskać bogactwo informacji dotyczących historii i struktury dzieła sztuki.

W przypadku digitalizacji nagrań, na pierwszy rzut może się wydawać, że jest to proces polegający na wykorzystaniu urządzenia odtwarzającego dźwięk z danego typu nośnika oraz rejestratora cyfrowego do przechwycenia odtwarzanego dźwięku, zakodowania i zapisania w postaci cyfrowej. Często jednak konieczne jest przetworzenie sygnału w celu usunięcia zakłóceń. Celem digitalizacji jest jak najwierniejsze odtworzenie oryginalnego brzmienia, a wcale nie jest oczywiste jakie ono było. Konieczne jest wykorzystanie dobrej jakość sprzętu oraz odpowiednie skonfigurowanie zarówno sprzętu, jak i oprogramowania wykorzystanego do digitalizacji, aby uzyskać zadowalający efekt końcowy. Niebagatelną rolę odgrywa tutaj osoby nadzorującej ten proces. W Laboratorium źródeł możliwe będzie nie tylko pozyskanie informacji dźwiękowych z taśm magnetycznych szpulowych, taśm magnetycznych kasetowych (kaset magnetofonowych) i płyt winylowych, ale również przygotowanie ich do publikacji po odpowiednim opracowaniu przy pomocy dedykowanego oprogramowania.

Warto w tym miejscu przypomnieć, że DARIAH-PL jest projektem uznanym za tzw. Local Time Machine Project ze względu na swój wkład w wykorzystanie nowoczesnych technologii do wspierania, ochrony, zachowania, odtwarzania i propagowania europejskiego dziedzictwa kulturowego.

Składowanie i udostępnianie danych zgodnie z zasadami FAIR

„Dane powinny być tak otwarte, jak to możliwe i na tyle zamknięte, na ile to jest konieczne.”

Dane pozyskiwane w Laboratorium źródeł oraz generowane zarówno w tym, jak i w innych laboratoriach Dariah.lab, jako dane badawcze powinny być składowane i udostępniane zgodnie z zasadami FAIR (ang. Findable, Accessible, Interoperable, Reusable), tj. być wyszukiwalne, dostępne, interoperacyjne oraz możliwe do ponownego wykorzystania. Laboratorium źródeł udostępni rozwiązanie wcielające te zasady w życie, obejmujące usługę realizującą zautomatyzowane tworzenie dedykowanych cyfrowych repozytoriów w środowisku chmurowym oraz usługę jednoznacznej identyfikacji danych.

Prace badawcze w wielu przypadkach koncentrują się na określonych kolekcjach danych, przechowywanie których wymaga dedykowanych rozwiązań (np. cyfrowe archiwa kobiet, numizmatyczne bazy danych, zbiory danych muzycznych, repozytoria obiektów geograficznych, bazy danych bibliograficznych, kartoteki materiałowe, źródła prymarne, dane archeologiczne, dziedzictwo artystyczne).  Stąd wynika potrzeba dostosowania repozytorium do typu składowanych danych oraz opisujących je metadanych, a także potrzeb użytkowników wynikających z charakteru danych. Automatyzacja procesu zakładania repozytorium uwolni użytkowników od konieczności wnikania w szczegóły techniczne, pozwalając na skonfigurowanie repozytorium lub wybór jednego z predefiniowanych systemów za pośrednictwem przeglądarki.

Udostępnianie danych w sposób umożliwiający powołanie się na nie lub odwołanie się do nich przez zewnętrzne systemy, wymaga uzyskania i udostępnienia unikalnego w skali globalnej identyfikatora zapewniającego długotrwałą i niezmienną referencję do określonego zasobu. Jest to element konieczny do włączenia danych w międzynarodowy obieg informacyjny. Istniejące obecnie usługi nie są przystosowane do obsługi specyficznych danych, np. danych przestrzennych, a w szczególności danych historycznych podlegających nieustannym przeobrażeniom w wyniku realizowanych badań. Popularny system DOI bazuje na modelu biznesowym, w którym duże ilości danych mogą generować wysokie koszty dla jednostki z niej korzystającej. Usługa przyznawania identyfikatorów oferowana w Laboratorium źródeł będzie dostosowana do specyfiki danych badawczych oraz do potrzeb środowiska naukowego.

FE logotype RP logotype EU logotype