DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-02001-5
تاريخ النشر: 2025-09-12
المؤلف: Alessia Di Benedetto وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد التراث الثقافي
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تطبيق تصوير الطيفي للانعكاس والنفاذية (RIS و TIS) في النطاق المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء (400-1000 نانومتر) لاستعادة النصوص المخفية في المخطوطات، مع التركيز بشكل خاص على القوانين القانونية الفريزية في العصور الوسطى من مجموعة ريشثوفن. بسبب الحالة الفيزيائية للمخطوطات، حيث يتم لصق الأوراق معًا، فإن طرق القراءة التقليدية تعيق. استخدم الباحثون تحليل المصفوفة غير السلبية (NMF) لتحليل كل من مجموعات البيانات الفردية والمدمجة طيفيًا المستمدة من RIS و TIS، مما يعزز عملية التصوير من خلال تجميع المناطق المجاورة لتحسين الدقة.
تشير النتائج إلى أن خوارزميات التحليل فعالة عند تطبيقها على مجموعات البيانات المدمجة، حيث أن الدمج الطيفي يكون حاسمًا بشكل خاص في السيناريوهات المعقدة حيث لا تكشف التحليلات الفردية النص المخفي بشكل كافٍ. لا تُظهر هذه الطريقة فقط إمكانيات تقنيات التصوير المتقدمة في دراسات المخطوطات، ولكنها أيضًا تبرز أهمية دمج مصادر البيانات المتعددة لتحقيق نتائج أوضح في جهود استعادة النصوص.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام كاميرا Specim IQ 31 المحمولة لتصوير الطيفي للانعكاس (RIS) و تصوير الطيفي للننفاذية (TIS). تعمل الكاميرا في النطاق المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء (VNIR) من 400 نانومتر إلى 1000 نانومتر، محققة دقة طيفية متوسطة تبلغ 7 نانومتر وتلتقط مكعبات بيانات بحجم 512 × 512 بكسل عبر 204 قناة طيفية. تم توفير الإضاءة بواسطة مصباحين هالوجينيين ARRILITE 70 Plus، وتم استخدام ColorChecker Passport كمرجع أبيض لتصحيحات وضع الانعكاس. ومع ذلك، لم يتم تصحيح بيانات TIS بسبب عدم وجود قياس مرجعي.
تضمن البروتوكول التجريبي تحليل كل من السطحين العلوي والسفلي للأوراق الملصوقة في أوضاع الانعكاس والنفاذية. تم تثبيت الكاميرا مع تبديل مصادر الإضاءة لضمان تسجيل مشترك لمجموعات البيانات. تم تصوير كل جانب من الورقة عبر ست مناطق متداخلة (مع تداخل لا يقل عن 20%) لتعزيز الدقة الجانبية، مما يسهل تجميع الصور في مجموعة بيانات شاملة. يسمح هذا الإعداد منخفض التكلفة بالنقل السهل والتنفيذ من قبل باحثين اثنين.
نتائج
في قسم النتائج، يتم تقديم حالتين من تحليل المخطوطات باستخدام تصوير الطيفي للانعكاس (RIS) و تصوير الطيفي للننفاذية (TIS). في الحالة 1، كشف تحليل ورقة من مخطوطة فيفيلغو عن نص مخفي على الجهة الخلفية باستخدام بيانات RIS، بينما كانت بيانات TIS غير فعالة. تم استخدام طرق متعددة لتحليل المصفوفة، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل المكونات المستقلة (ICA) وتحليل المصفوفة غير السلبية (NMF). قدمت NMF أفضل تباين لتصور النص المخفي، الذي تم تحديده كجزء من النص القانوني الفريزي في العصور الوسطى، Oldambtster landrecht، في ترجمة ألمانية منخفضة وسطى. تم ملاحظة نسخ الأسطر الثلاثة الأولى، مع نشر قادم للنسخة الكاملة.
في الحالة 2، أشار تحليل ورقة من Codex Phaesma إلى وجود نص مخفي لا ينتمي إلى أي جانب من الورقة الملصوقة. بينما كشفت بيانات TIS جزئيًا عن الكتابة المخفية، إلا أنها كانت غير كافية لفك التشفير الواضح. حدد التحليل أن الجهة الخلفية من الورقة الملصوقة كانت فارغة، مع وجود النص المخفي على الجهة الأمامية. تم دمج بيانات RIS و TIS عموديًا وتحليلها باستخدام NMF، مما أدى إلى نسخ الأسطر الثلاثة الأولى كنسخة شبه مطابقة للنص المرئي من الورقة. مشابهًا للحالة 1، يتم أيضًا إعداد نسخة كاملة وتفسير تاريخي لهذه الحالة.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في هذه الدراسة على التطبيق الناجح لتصوير الطيفي للانعكاس (RIS) وتصوير الطيفي للننفاذية (TIS) غير الغازية مع تقنيات معالجة البيانات متعددة المتغيرات لكشف النصوص المخفية في المخطوطات من مجموعة ريشثوفن. من خلال استخدام إعداد تصوير محمول وفعال من حيث التكلفة، أظهر الباحثون فعالية تجميع مجموعات البيانات لتحسين الدقة المكانية وتسهيل تحليل مناطق أكبر من المخطوطات. في حالتين محددتين تتعلقان بالأوراق الملصوقة، حسنت دمج بيانات RIS و TIS بشكل كبير من وضوح النصوص المخفية، حيث أظهر التحليل الكمي زيادة ملحوظة في رؤية المحتوى المخفي عند استخدام مجموعات البيانات المدمجة مقارنة بالنهج الأحادي.
تسلط الدراسة الضوء على مزايا استخدام تقنيات الدمج الطيفي، التي لا تعزز فقط وضوح النصوص المستعادة ولكن تقترح أيضًا تطبيقات أوسع لدمج أوضاع التصوير المختلفة في تحقيقات التراث الثقافي. تسهم النتائج في فهم أعمق للنصوص القانونية الفريزية في العصور الوسطى وتؤكد على إمكانيات الأساليب التحليلية المتقدمة في كشف العناصر التاريخية والثقافية المخفية عبر مجموعة متنوعة من القطع الأثرية. يدعو المؤلفون إلى استمرار تطوير هذه المنهجيات لتعزيز استكشاف وحفظ التراث الثقافي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-02001-5
Publication Date: 2025-09-12
Author(s): Alessia Di Benedetto et al.
Primary Topic: Cultural Heritage Materials Analysis
Overview
This study investigates the application of reflectance and transmittance imaging spectroscopy (RIS and TIS) in the visible and near-infrared range (400-1000 nm) to recover obscured texts in manuscripts, particularly focusing on medieval Frisian legal codes from the Richthofen Collection. Due to the physical condition of the manuscripts, where leaves are glued together, traditional reading methods are hindered. The researchers employed Non-Negative Matrix Factorization (NMF) to analyze both single and spectrally fused datasets derived from RIS and TIS, enhancing the imaging process through spatial stitching of adjacent areas to improve resolution.
The findings indicate that factorization algorithms are effective when applied to fused datasets, with spectral fusion being particularly crucial in complex scenarios where individual analyses do not adequately reveal hidden text. This approach not only demonstrates the potential of advanced imaging techniques in manuscript studies but also highlights the importance of integrating multiple data sources to achieve clearer results in text recovery efforts.
Methods
In this study, a Specim IQ 31 portable pushbroom hyperspectral camera was utilized to acquire Reflectance Imaging Spectroscopy (RIS) and Transmittance Imaging Spectroscopy (TIS) datasets. The camera operates in the Visible and Near-Infrared (VNIR) range of 400 nm to 1000 nm, achieving a mean spectral resolution of 7 nm and capturing data cubes of 512 × 512 pixels across 204 spectral channels. Illumination was provided by two ARRILITE 70 Plus halogen lamps, and a ColorChecker Passport was used as a white reference for reflectance mode corrections. However, TIS data were not corrected due to the absence of a reference measure.
The experimental protocol involved analyzing both the adaxial and abaxial surfaces of glued leaves in reflectance and transmittance modes. The camera was fixed while alternating the illumination sources to ensure co-registration of the datasets. Each leaf side was imaged across six overlapping areas (with at least 20% overlap) to enhance lateral resolution, facilitating spatial stitching of the images into a comprehensive dataset. This low-cost setup allows for easy transport and implementation by two researchers.
Results
In the results section, two cases of manuscript analysis using Reflectance Imaging Spectroscopy (RIS) and Transmittance Imaging Spectroscopy (TIS) are presented. In Case 1, analysis of a leaf from the Fivelgo manuscript revealed hidden text on the verso using RIS data, while TIS was ineffective. Various matrix factorization methods, including Principal Component Analysis (PCA), Independent Component Analysis (ICA), and Non-negative Matrix Factorization (NMF), were employed. NMF provided the clearest contrast for visualizing the hidden text, which was identified as part of the medieval Frisian legal text, Oldambtster landrecht, in a Middle Low German translation. The transcription of the first three lines was noted, with further publication on the complete transcription forthcoming.
In Case 2, analysis of a leaf from the Codex Phaesma indicated the presence of hidden text that did not belong to either side of the glued leaf. While TIS data partially revealed the concealed writing, it was insufficient for clear decipherment. The analysis determined that the verso of the glued leaf was blank, with the hidden text located on the recto. A combination of RIS and TIS data was vertically fused and analyzed using NMF, leading to the transcription of the first three lines as a near-identical copy of visible text from the folio. Similar to Case 1, a complete transcription and historical interpretation are also in preparation for this case.
Discussion
The discussion section of this study emphasizes the successful application of non-invasive Reflectance Imaging Spectroscopy (RIS) and Transmission Imaging Spectroscopy (TIS) combined with multivariate data processing techniques to uncover hidden texts in manuscripts from the Richthofen Collection. Utilizing a portable and cost-effective imaging setup, the researchers demonstrated the efficacy of spatially stitching datasets to enhance spatial resolution and facilitate the analysis of larger manuscript areas. In two specific cases involving glued leaves, the integration of RIS and TIS data significantly improved the legibility of concealed texts, with quantitative analysis revealing a notable increase in the visibility of hidden content when using fused datasets compared to monomodal approaches.
The study highlights the advantages of employing spectral fusion techniques, which not only enhance the clarity of recovered texts but also suggest broader applications for combining various imaging modalities in cultural heritage investigations. The findings contribute to a deeper understanding of medieval Frisian legal texts and underscore the potential of advanced analytical methods in revealing hidden historical and cultural elements across diverse artifacts. The authors advocate for the continued development of these methodologies to further advance the exploration and preservation of cultural heritage.