CC BY
23М.Н. ЖИЖИН, Н.Г. БРЕГМАН, A.B. АНДРЕЕВ, A.A. ПОЙДА,
А.Н. ПОЛЯКОВ, A.B. ГОВОРОВ, М.В. КАЛМЫКОВА, A.M. НОВИКОВ,
М.А. ГРИГОРЬЕВА, В.А. ИЛЬИН
К ВЫЯВЛЕНИЮ УГАСШИХ ТЕКСТОВ НА РОСПИСИ ДИОНИСИЯ В СОБОРЕ РОЖДЕСТВА БОГОРОДИЦЫ В ФЕРАПОНТОВОМ МОНАСТЫРЕ: ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПРИВОДЯЩИЕ К УСИЛЕНИЮ КОНТРАСТНОСТИ ТЕКСТА1
Введение
Б 2016 г. мы провели исследования по выявлению угасших текстов на свитках в руках святителей, изображенных на композициях в алтарной части в соборе Рождества Богородицы в Ферапонтовом монастыре3. Было показано [1], что выявление угасших текстов на свитках святителей, в том числе на южной стене, возможно на фотографиях при УФ-освещении в ближнем спектральном диапазоне 350-400 нм. Б результате специалистам Кирилло-Белозерского историко-архитектурного и художественного музея-заповедника удалось достоверно прочитать все тексты в алтаре [5] и на этой основе уточнить атрибуцию святителей, изображенных на этих композициях. Однако природа оптико-физических явлений при УФ-освещении, которые привели к эффекту усилению контрастности угасших текстов, не была тогда установлена в полной мере. Б настоящей заметке мы приводим результаты исследований 2017 г. оптико-физических явлений, дающих основной вклад в эффект усиления контрастности текстов, выполненных глауконитом на известковом левкасе.
Мультиспектральная фотография для выявления угасших текстов на документах
Метод мультиспектральной фотографии в исследованиях по выявлению угасших текстов документов широко применяется, как минимум, с 50-х годов прошлого столетия.
Например, Д.П. Эрастов [6] представил в деталях методы выявления угасших текстов на документах, в том числе и средневековых, основанные на фотографировании в видимом, УФ- и ИК-спектральных диапазонах за счет различных оптико-физических явлений — отражения, рассеяния и поглощения, а также люминесценции. Б монографии Д.П. Эрастова, в частности, указывается, что выявление угасших текстов возможно при УФ-освещении в ближнем и среднем спектральном диапазонах (300-400 нм) за счет эффектов отражения, рассеяния и поглощения в случаях, когда текст написан чернилами, содержащими металлы, например, железо и галлий. При этом усиление контрастности текста происходит за счет поглощения УФ-лучей металлами при отсутствии этого эффекта на носителе документа. Важным является условие, что чернила образуют слой поверх чистой поверхности основы документа, так как глубина проникновения УФ-лучей вглубь очень незначительна. Отметим, что на объектах нашего исследования тексты выполнены глауконитом — пигментом, содержащим химические соединения железа [и], поверх левкаса — грунтовки, выполненной на известковой основе.
Явление люминесценции также может помочь выявлению скрытых текстов, как отмечает Д.П. Эрастов. К нашим объектам исследований может относиться замечание о том, что люминесценция может происходить на биологических загрязнениях фона при й тушении соединениями железа.
Б монографии приведены и примеры успешного выявления угасших текстов при ИК-освещении за счет явлений отражения/ рассеяния/поглощения и люминесценции.
О методе цифровой мультиспектральной фотографии
Важной, относительно новой, составляющей в методике выявления угасших текстов является цифровая основа современной фотографии. Это позволяет использовать различные математические и ИТ-методы обработки изображений. Важный опыт в этом направлении получен при применении метода мультиспектральной фотографии в астрофизике и дистанционном наблюдении Земли, который стал возможным за счет перехода на цифровые технологии в последние 10 лет. Мы использовали относительно недорогую цифровую зеркальную фотокамеру (DSLR) полупрофессионального класса с доработкой, использующей метод, разработанный для астрофизических исследований [14]. Кремниевые матрицы в лучших современных цифровых фотокамерах мало отличаются от научных приборов по числу (20-60 мпкс) и размеру (2-6 мкм) пикселей, чувствительности (iso 50-102400) и уровню теплового шума [8]. Однако для коррекции цветового баланса в интересах основной массы потребителей производители устанавливают на них светофильтры, блокирующие УФ- и ИК-части спектра. Доработка камеры сводится к замене блокирующего светофильтра на оптически прозрачное стекло с сохранением функции автоматической фокусировки. Б результате спектральная чувствительность камеры была расширена на интервал 340-1100 нм.
В мультиспектральных исследованиях мы используем освещение объекта узкополосными светодиодами и фильтрацию света (отраженного, рассеянного и переизлученного с поверхности объекта) с помощью оптических фильтров на входе фотоаппарата. Б качестве осветителей применялись недорогие светодиодные матрицы мощностью з Вт и спектром излучения от ближнего УФ до ближнего ИК с переменным шагом 50-100 нм. На ил i приведена спектральная характеристика уф светодиода 3 Вт с пиком распределения в точке =382 нм. Отметим, что этот светодиод не излучает длины волн более 410 нм. Далее этот светодиод будет обозначаться как УФ-375 нм (средняя длина волны излучения этого светодиода 375 нм в соответствии с данными производителя [2]).
В исследованиях использовались светофильтры УФС-2 и ЖС-4 (ГОСТ 9411-91), спектральные характеристики которых также приведены на ил i.
Отметим, что спектры используемых светодиода и светофильтров на ил i были получены с помощью спектрофотометра Eye-One ii [9], который позволяет производить спектральный анализ в диапазоне от 370 до 700 нм с шагом ю нм. Для чтения данных от спектрофотометра использовалась программа Spotread [15].
Если говорить об основных для нашего анализа эффектах, то:
- фильтр УФС-2 пропускает длины волн менее 400 нм и отсекает видимый и ИК спектральные диапазоны;
- фильтр ЖС-4 пропускает длины волн более 480 нм, а меньшие отсекает.
Таким образом, фильтр УФС-2, размещенный на входе фотоаппарата, пропускает отраженные или рассеянные на объекте исследования лучи и не пропускает переизлучение, возможное за счет люминесценции. Фильтр ЖС-4 позволяет в ыяснить значимость
Ил. 1. Нормализованные спектральные характеристики светодиода УФ-375 нм (голубая линия), а также светофильтров УФС-2 (черная линия) и ЖС-4 (красная линия)
Ил. 2. Спектральная характеристика светофильтра гЕББ-Т'-иУ-ЕШег (график взят из [16])
Ил. з. Изображения свитка в руках святителя Спиридона Тримифунтского (композиция 264. 8):
слева фотография выполнена при освещении светодиодом УФ-375 нм, справа в видимом спектре. Светофильтры на входе фотоаппарата не устанавливались
Ил. 4. Изображение свитка в руках святителя Спиридона Тримифунтского, полученное при освещении светодиодом УФ-375 нм и со светофильтром УФС-2 на входе фотоаппарата
Ил. 5. Изображение свитка в руках святителя Спиридона Тримифунтского, полученное при освещении светодиодом УФ-375 нм и со светофильтром ЖС-4 на входе фотоаппарата
вклада в эффект усиления контрастности текста от явления дальней люминесценции — из спектрального диапазона светодиода 360410 нм в диапазон длин волн более 480 нм.
Для исследования возможного вклада в эффект усиления контрастности текста за счет короткой люминесценции — из диапазона светодиода 360-410 нм в диапазон длин волн 400500 нм — требуется светофильтр, отсекающий длины волн менее 400 нм. Такой светофильтр, спектральная характеристика
которого приведена на ил. 2, выпускается, например, компанией Carl Zeiss [16]. Далее этот светофильтр будет обозначаться как ZEISS-T*-UV-Filter, согласно маркировке производителя.
Б наших экспериментах объект снимался в затемненном помещении с использованием доработанной цифровой зеркальной камеры Canon 650Ц светочувствительная матрица которой имеет размеры 22,3 х 14,9 мм и содержит 5184 х 3456 = 18 мегапикселей, каждый диаметром 4,3 мкм. Использовался объектив Canon 5ommf/1.4.
Результаты оптико-физических исследований при фотографировании в УФ-освещении
Для анализа использовались цифровые фотографии текста на свитке в руках святителя Спиридона Тримифунтского на южной стене алтарной части собора Рождества Богородицы в Ферапонтовом монастыре. По рабочему музейному каталогу это композиция VI.29 (инвентарный номер 264.8).
Заметим, что анализ красочного слоя живописи Дионисия в соборе Рождества Богородицы проводился перед началом и в процессе реставрационных работ в 1984-1988 гг. под руководством О.В. Лелековой [3,4]. После реставрации 1984-1988 гг. тексты на свитках на северной стене алтаря были прочитаны. Б то же время контрастность текстов на свитках южной стены алтаря оказалась недостаточной для их достоверного прочтения.
Использование освещения в ближнем УФ спектральном диапазоне (350-410 нм), как отмечалось во Введении, привело к обнаружению эффекта значительного усиления контрастности текста на фоне левкаса. На ил з приведены изображения свитка в руках святителя Спиридона Тримифунтского, полученные при освещении светодиодом УФ-375 нм и при освещении в видимом спектре, которое было получено с помощью белого светодиода того же производителя [9]. Заметим, что правое изображение на ил з примерно соответствует контрастности текста, воспринимаемого визуально при дневном освещении.
Так как при получении изображений на ил з светофильтры на входе фотоаппарата не устанавливались, то в этих случаях фотоаппаратом фиксировались лучи во всем его спектральном диапазоне, от 340 ДО 1100 нм.
Б исследованиях 2016 г. нам не удалось выяснить, какие оптико-физические явления привели к наблюдаемому эффекту усиления контрастности текста. Тогда было установлено, что явлениями, которые потенциально были в состоянии привести к этому эффекту, могли быть:
1) отражение и рассеяние УФ-лучей на известковом левкасе при заметном их поглощении на глауконите (этот пигмент содержит химические соединения железа), который широко использовался Дионисием и его учениками в росписи собора Рождества Богородицы, в том числе, при написании текстов;
2) УФ-люминесценция за счет биологических загрязнений на поверхности левкаса, обладающей пористой микроструктурой, при том, что загрязнений на глауконите значительно меньше, так как его поверхность более плотная по сравнению с левкасом, а также за счет тушения люминесценции соединениями железа.
Ил. 6. Изображение свитка в руках святителя Спиридона Тримифунтского, полученное при освещении светодиодом УФ-375 нм и со светофильтром ZE/SS-T*-UV-Filter на входе фотоаппарата
Б 2017 г. мы провели исследования значимости вкладов этих двух явлений в эффект усиления контрастности текста.
Сначала выясним, насколько значим вклад в эффект усиления контрастности текста от явлений отражения/рассеяния УФ-лучей на левкасе при их (относительно большом) поглощении на глауконите. На ил 4 приведено изображение исследуемого свитка при освещении светодиодом УФ-375 нм и с использованием светофильтра УФС-2 на входе фотоаппарата.
Б этом случае фотоаппарат фиксирует УФ-лучи только с длинами волн от 360 до 400 нм, как следует из спектральных характеристик используемого светодиода УФ-375 нм и светофильтра УФС-2, приведенных на ил 1. Сравнение этого изображениями с ил з показывает сильный эффект усиления контрастности текста.
Для выяснения вклада от люминесценции мы использовали два светофильтра на входе фотоаппарата, отсекающие УФ-лучи, ЖС-4 и ZEISS-T*-UV-Filter (спектральные характеристики которых приведены на ил 1 и 2).
При использовании светофильтра ЖС-4 мы видим (ил 5), что вклад в повышение контрастности текста от явления дальней люминесценции приводит к значимому эффекту усиления контрастности текста.
Использование светофильтра ZEISS-T*-UV-Filter на входе фотоаппарата расширяет диапазон фиксации фотоаппаратом лучей, по сравнению со случаем фильтра ЖС-4 на более короткие длины волн, до 400 нм, что позволяет анализировать дополнительно вклад от короткой люминесценции из спектральной области светодиода 360-410 нм в диапазон 400-500 нм. На ил 6 представлено изображение свитка, полученное при освещении светодиодом УФ-375 нм и с фильтром ZEISS-T*-UV-Filter на входе фотоаппарата.
При сравнении этого изображения с ил 5 можно заметить некоторое ослабление эффекта усиления контрастности текста по сравнению со случаем с фильтром ЖС-4. Это связано с большей плотностью стекла в светофильтре ZEISS-T*-UV-Filter по сравнению с ЖС-4, о чем говорит, например, большая вьвдержка в первом случае по сравнению со вторым (13 против 5) при одинаковых других параметрах (диафрагма 6.3, ISO 800). За счет этого вклад от дальней люминесценции на ил 5 подавлен в несколько раз. Таким образом, ил б показывает, что вклад от короткой люминесценции также значим.
Замечание по оценке степени контрастности текста
Заметим, что анализ эффекта усиления контрастности, представленный в разделе «Результаты оптико-физических исследований...», был основан на визуальных оценках этого эффекта. Для отхода от субъективности в этих оценках требуется разработка количественных (объективных) критериев для сравнения контрастности. С этой целью мы разрабатываем специализированный УФ-калибровочный эталон для объективной оценки контрастности текста на изначально однородном фоне. Соответствующие эксперименты с использованием этого эталона будут проведены в 2018 г.
Отметим, что УФ- и ИК-калибровочные эталоны были созданы Д.П. Эрасговым в 1950-х гг. для аналогового фотографирования. К сожалению, насколько нам известно, сейчас эта разработка утрачена.
Б последние годы проблема создания калибровочных эталонов для цифрового фотографирования в УФ- и ИК-лучах привлекает внимание зарубежных исследователей. Отметим детальный обзор 2013 г. оптико-физических явлений и возможных технологических решений в этом направлении, выполненный в Британском музее в рамках проекта ЕС FP7 CHARISMA [10]. Б Американском институте консервации (AIC — American Institute for Conservation) такие разработки также выполняются, и уже предлагаются к продаже УФ- и ИК-эталоны [7] общего назначения. Б частности, для документирования за счет люминесценции, индуцированной УФ-лучами (см., напр., презентацию 2014 г. [13]).
Эти разработки дополняют эталоны CoiorChecker, разработанные еще сорок лет назад [12] для видимого диапазона. Для цветовой калибровки в видимом спектре мы используем эталон CoiorChecker Passport Photo, выпускаемый компанией X-Rite [9] (см. правое изображение на ил. з (левое изображение переведено в черно-белую гамму для лучшего усиления контрастности)). При этом, если использовать эталон CoiorChecker Passport Photo при фотографировании в УФ-освещении (см. ил 5, б), то появляется побочный эффект — светящийся ореол вокруг этого эталона за счет сильной люминесценции на его бумажной основе, что препятствует какому-нибудь использованию этих эталонов при фотографировании в УФ-лучах.
Заметим, что, если для разработчиков эталонов в видимом спектре (например, для эталонов CoiorChecker) главной задачей было контролирование правильности передачи цвета с точки зрения восприятия человеком, то в случае УФ- и ИК-эталонов такой задачи не стоит,
так как человек не воспринимает свет в этих спектральных диапазонах. Б этих случаях задача состоит в предоставлении возможности количественной оценки вкладов в конечное фотографическое изображение от различных оптико-физических явлений, происходящих при попадании УФ- или ИК-лучей на поверхность исследуемых объектов.
Заключение
Мы заключаем, что выявление угасших текстов, выполненных на настенных росписях глауконитом поверх известкового левкаса, обусловлено двумя явлениями: 1) отражением/рассеянием ближнего УФ на левкасе и его поглощением на глауконите и 2) УФ-люминесценции на загрязнениях, присутствующих на левкасе при тушении УФ-люминесценции на глауконите. Таким образом, наиболее эффективным для выявления угасших текстов, выполненных глауконитом по известковому левкасу, является фотографирование в ближнем УФ-освещении (350-400 нм) без использования светофильтров на входе фотоаппарата.
Заметим, что представляет большой интерес исследование эффекта усиления контрастности при более жестком УФ-освещении до 300 нм. При таких длинах волн можно ожидать усиление эффекта поглощения более жестких УФ-лучей химическими соединениями железа, входящими в состав глауконита (на возможность такого эффекта указывал Д.П. Эрастов в своей монографии [6]). Такие исследования мы планируем провести в ближайшем будущем. Это потребует дополнительного подбора фотооптики, так как современные просветленные линзы объективов (предназначенные производителями для съемки в видимом свете) блокируют УФ среднего диапазона.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), проект № 16-07-01177.
2 Мы выражаем благодарность директору Кирилло-Белозерского историко-архитектурного и художественного музея-заповедника (КБИАХМЗ) Михаилу Николаевичу Шаромазову за помощь в организации наших исследований на территории Музея фресок Дионисия в Ферапонтовом монастыре, а также сотрудникам филиала КБИАХМЗ «Музей фресок Дионисия» Игорю Сергеевичу Хоботову и Елене Николаевне Шелковой за помощь и участие в нашей работе.
ЛИТЕРАТУРА И РЕСУРСЫ ИНТЕРНЕТ
1. Жижин М.Н., Брегман НГ, Андреев A.B., Говоров A.B., ПойдаАА, Поляков АН, Ильин В.А. К выявлению угасших и утраченных текстов в древнерусской живописи методом цифровой мультиспектральной фотографии II Сохранение культурного наследия. Исследования и реставрация: материалы Межцунар. научно-практич. конф. (С. -Петербург, 1-3 декабря 2016 г.) / под ред. Ю.Г. Боброва; сост. Ф.Ю. Бобров. СПб.: СПбГАИЖСА, 2018. С. 75-84.
2. Компания Артледс: [Офиц. сайт]. URL: http://www.artleds.ru/shop/ciD_16.html (дата обращения: 15.12.2017).
3. Лелекова О.В., Наумова М.М. Исследование красочного слоя росписи Рождественского собора Ферапонтова монастыря II Ферапонтовский сборник. Вып. i. М.: Советский художник, 1985. С. 134-168.
4. Лелекова О.В., Наумова М.М. Исследование красочного слоя росписи Рождественского собора Ферапонтова монастыря (продолжение) II Ферапонтовский сборник. Вып. 2. М: Советский художник, 1988. С. 231-238.
5. Хоботов И.С., Шелкова E.H. Прочтение надписей на свитках отцов церкви в алтарной части собора Рождества Богородицы Ферапонтова монастыря II Ферапонтовские чтения. 2018. Вып. 7 (в печати).
6. Эрастов ДП. Основные методы фотографического выявления угасших текстов. М.-Л.: Изд-во АН ссср, 1958.52 с.
7. AIC PhotoDocumentation Targets (AIC PhD Targets): [Эл. ресурс]. URL: https//www.conservation-m.org/resources/our-pubücations/special-projects/ photodocumentation-targets#.WlRFQFQ-fys (дата обращения: 09.01.2018).
8. ClarkR.N. Digital Camera Reviews and Sensor Performance Summary: [Эл. ресурс]. URL: http://www.clarkvision.com/articles/digital.sensor.performance. summary (дата обращения: 15.12.2017).
9. Color Control and Creativity for Photography // X-Rite Pantone: [Офиц. сайт]. URL: https://www.xrite.com/categories/calibration-profiling/colorchecker-passport-photo (дата обращения: 07.01.2018).
10. Dyer}., Verri G., Cupitt J. Multispectral Imaging in Reflectance and Photo-induced Luminescence Modes: A User Manual: [Эл. ресурс]. URL: httpsZ/www. britishmuseum.0rg/pdf/charisma-multispectral-imaging-manual-2013.pdf (дата обращения: 09.01.2018).
11. Glauconite Mineral Data: [Эл. ресурс]. URL: http://webmineral.com/data/Glauconite.shtml (дата обращения: 15.12.2017).
12. McCamy C.S., Marcus H., Davidson J.G. A Color-Rendition Chart // Journal of Applied Photographic Engineering. 1976. Vol. 2. N 3. P. 95-99.
13. McGlinchey }., Messier S.P., Chen J. Development and Testing of a Fluorescence Standard for Documenting Ultraviolet Induced Visible Fluorescence (AIC 42nd Annual Meeting, San Francisco, May 2014): [Эл. ресурс]. URL: https://www.imagescienceass0ciates.c0m/mm5/pubs/Aic_2014_uv_inn0vati0ns.pdf (дата обращения: 09.01.2018).
14. Honis G. Removal of IR Cut Filter for Astrophotography & Infrared Imaging: [Эл. ресурс]. URL: http://dslrm0dificati0ns.c0m/rebelm0d450d1.html (дата обращения: 15.12.2017).
15. Spectro/spotiead// Agryll Color Management System: [Graeme Gill Home Page], URL: http://argyllcms.com/doc/spotreadhtml_(qaTa обращения: 07.012018).
16. ZEISS T* UV Filter // Carl Zeiss AG [Офиц. сайт]. URL: https://www.zeiss.com/content/dam/camera-lenses/files/service/download-center/datasheets/ filter/datasheet-zeiss-uv-filter-en.pdf (дата обращения: 15.12.2017)
