Ανάπτυξη μεθοδολογίας γεωμετρικής τεκμηρίωσης και προσδιορισμού παραμορφώσεων έργων ζωγραφικής αξιοποιώντας μεθόδους ακρίβειας

Abstract

This dissertation focuses on the study and creation of a methodology that combines the fields of geodesy and precision measurements with the technical examination requirements for the preservation and restoration of cultural heritage assets. Specifically, this methodology refers to the geometric documentation of paintings and the study of their deformations over different epochs. The motivation was the combination of two thoughts: the importance of safeguarding cultural heritage and the assets it encompasses, and the integration of geodesy and precision measurements into a field where photogrammetric data are predominantly used. The originality of the dissertation lies in:▪The precision measurements and geodetic knowledge which is used for the geometric documentation of paintings. ▪The use of advanced measuring systems such as articulated measuring arms and laser trackers (which are mainly used in industrial applications) and now are used for the study of cultural heritage objects, such as paintings. ▪The multi-criteria analyses for the selection of the appropriate equipment and documentation method. ▪The geodetic deformation models which are utilized and tested for detecting and predicting position changes of points in a painting. ▪The statistical analysis which is performed to draw conclusions regarding the existence or not of deformations in paintings. ▪The geodetic networks that are utilized to merge clouds, avoiding the scanning of a large overlap between them. ▪A flexible documentation methodology for paintings, which can be "moved" and performed in various environments. ▪A documentation methodology for paintings, which can extract three-dimensional information in real time, unlike other geometric methods, such as photogrammetry. ▪The methodology that is developed for tracking and modeling lost brushstrokes in artworks that have undergone damage. ▪The new ways of depicting deformations in three dimensions. ▪The recoding of all the stages regarding the implementation of the proposed methodology. The dissertation is divided into three parts, structured into respective chapters. First Part This part consists of six chapters (1–6) and addresses the literature review and detailed recording of related issues. Specifically, the dissertation is based on combining the core principles of technical examination for the preservation and restoration of cultural heritage assets with the field of precision measurements and deformation analysis in geodesy. Each chapter of Part One delves into a specific scientific area for completeness. In the first chapter, the value of cultural heritage and the assets it encompasses are described, with particular emphasis placed on their preservation and restoration. The basic principles of conservation, the importance of the conservator’s role, and their work are presented, while the terms invasive conservation, restoration, as well as preventive conservation and maintenance, are clarified. Lastly, significant emphasis is given to the documentation of conservation, outlining what it should include and why it is the most critical tool for a cultural asset. In the second chapter, all diagnostic methods for the technical examination of paintings are recorded and analyzed in detail. These are essentially non-destructive methods used to examine, identify, and document the damages and alterations of a painting, which may also include dating processes. More specifically, imaging and chemical methods are analyzed, which study spectroscopic data to identify the materials and other characteristics of the artwork. Additionally, measurement methods are examined, utilizing photogrammetric data to extract geometric features and create three-dimensional models of the paintings. In the third chapter, the concept of positional change and deformation analysis is described, as defined within the field of geodesy, with particular emphasis on models for detecting changes in spatial points. Descriptive models as well as cause-effect models are analyzed, and deformation detection algorithms currently applied to paintings are presented. In the fourth chapter, methods and processes for predicting the positional change of a point are introduced, with special emphasis on the requirements for predicting deformations in paintings. The fifth chapter records and thoroughly analyzes all aspects of precision measurements. After describing their scope, the equipment currently in use is presented in detail. Precision geodetic total stations, coordinate measure machines, laser trackers, as well as articulated measuring arms are analyzed. For each of these, the principles of operation, measurement methodologies, and error sources are discussed, along with the calibrations and checks required to ensure accurate and reliable results. Finally, in the sixth chapter, information is provided regarding the selection of the most suitable equipment and method for the specific dissertation. A multi-criteria decision analysis is conducted among the equipment presented in the fifth chapter, examining the characteristics and requirements of conservators for accurate and reliable geometric documentation of paintings. Based on the evaluation criteria, the use of an articulated coordinate measuring arm is chosen for smaller paintings, while a combination of an arm and a laser tracker is selected for larger paintings. Additionally, in this chapter, the most appropriate algorithm for determining deformations in paintings is identified, with the methods C2C and M3C2 found to deliver the best results. Second Part In this part of the dissertation, which consists of four chapters (7, 8, 9, and 10), the proposed methodology for geometric documentation, deformation determination, and prediction in paintings is fully analyzed and documented. Each step of the methodology is described in detail, and its application to various paintings is presented to assess its functionality. Specifically, in the seventh chapter, every step of the methodology for geometric documentation of paintings is described. This includes:❖ Selection of the most suitable equipment based on the size of the painting and its preparation❖ Geometric documentation, or scanning of the painting❖ Data processing for the point cloud❖ And finally, creation of the three-dimensional model. To ensure accuracy and reliability in the measurements, specific checks and calibrations must be carried out on the measurement systems during the preparation stage. These are described in detail in the eighth chapter and concern both laser trackers and articulated measuring arms. In the ninth chapter, the methodology for determining and predicting deformations in paintings is presented in detail. For deformation determination, the following steps are carried out:❖ Alignment of models from different epochs,❖ Statistical testing for the presence or absence of deformations,❖ Deformation calculation,❖ And, finally, visualization of the results. For prediction, time-series data and information related to the pigments of each painting are required. Finally, in the tenth chapter, the proposed methodology is applied to four different paintings. These include works on canvas, paper, or wood, with variations in both their pigments and the deformations they have undergone. Each painting was subjected to controlled deformation, geometrically documented at least at two different time periods, and the differences (deformations) between these periods were calculated. The experiments conducted are summarized as follows:Α/Α Support Size (cm x cm) Pigments Deformation1ο Wood 35 x 24 Icon painting colors Scratching/Material removal2ο Paper 200gr 29.7 x 42 Alcohol-based markers Exposure to high humidity3ο Canvas 40 x 60 Oil paints Color removal4ο Paper 640gr 42 x 76 Watercolors Spraying with water Third Part The final part of the dissertation consists of a single chapter (11), where the overall conclusions and proposals are presented. It is demonstrated that the proposed documentation methodology can produce immediate and highly accurate results (within a margin of ±50μm),generating three-dimensional data for artworks before, during, and after the conservation process. In the eleventh and final chapter, the findings are summarized, and several suggestions are made for further research continuation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη μελέτη και δημιουργία μίας μεθοδολογίας η οποία συνδυάζει τον κλάδο της γεωδαισίας και των μετρήσεων ακριβείας, με τις απαιτήσεις τεχνικής εξέτασης για τη συντήρηση και αποκατάσταση πολιτιστικών αγαθών. Πιο συγκεκριμένα, η μεθοδολογία αυτή, αφορά στη γεωμετρική τεκμηρίωση των έργων ζωγραφικής καθώς και στη μελέτη παραμορφώσεών τους μεταξύ διαφορετικών χρονικών στιγμών. Κίνητρο αποτέλεσε αφενός η σπουδαιότητα διασφάλισης της πολιτιστικής κληρονομιάς και των αγαθών που την αποτελούν, αλλά και η ένταξη της γεωδαισίας και των μετρήσεων ακριβείας σε έναν κλάδο όπου χρησιμοποιούνται κυρίως φωτογραμμετρικά δεδομένα για την εξαγωγή λεπτομερών μοντέλων τεκμηρίωσης. Οι πρωτοτυπίες της διατριβής έγκεινται στο ότι: ▪Χρησιμοποιούνται οι μετρήσεις ακριβείας και οι γνώσεις γεωδαισίας για τη γεωμετρική τεκμηρίωση των έργων ζωγραφικής με αρκετά υψηλή ακρίβεια. ▪Αξιοποιούνται εξελιγμένα μετρητικά συστήματα όπως οι αρθρωτοί βραχίονες μέτρησης και οι φορητές μηχανές μέτρησης συντεταγμένων (τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές) για τη μελέτη αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς, όπως τα έργα ζωγραφικής. ▪Εξετάζονται ποικίλα κριτήρια για την επιλογή του κατάλληλου εξοπλισμού και μεθόδου τεκμηρίωσης, αξιοποιώντας κατάλληλες πολυκριτηριακές αναλύσεις. ▪Ελέγχονται και χρησιμοποιούνται τα γεωδαιτικά μοντέλα παραμόρφωσης για τον εντοπισμό και την παραγωγή προβλέψεων μεταβολής θέσης σημείων σε ένα έργο ζωγραφικής. ▪Πραγματοποιείται στατιστική ανάλυση για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ύπαρξη ή όχι παραμορφώσεων σε έργα ζωγραφικής. ▪Αξιοποιούνται τα γεωδαιτικά δίκτυα για τη συνένωση νεφών, αποφεύγοντας τη σάρωση μεγάλου επικαλυπτόμενου τμήματος σε αυτά. ▪Δομείται μία ευέλικτη μεθοδολογία τεκμηρίωσης έργων ζωγραφικής η οποία μπορεί να “μεταφερθεί” και να εφαρμοστεί σε ποικίλα περιβάλλοντα. ▪Δημιουργείται μία μεθοδολογία τεκμηρίωσης έργων ζωγραφικής, η οποία μπορεί να εξάγει τριδιάστατη πληροφορία σε πραγματικό χρόνο, σε αντίθεση με άλλες γεωμετρικές μεθόδους, όπως αυτή της φωτογραμμετρίας. ▪Αναλύεται και δομείται μία μεθοδολογία για την ιχνηλάτηση και τη μοντελοποίηση χαμένων πινελιών σε έργα που έχουν υποστεί φθορά. ▪Αναδεικνύονται νέοι τρόποι απεικόνισης των παραμορφώσεων στις τρεις διαστάσεις. ▪Καταγράφονται τα στάδια της εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Η διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται σε τρία μέρη, που διαμορφώνονται αντίστοιχα σε κεφάλαια. Πρώτο μέρος Αυτό το μέρος της διατριβής αποτελείται από έξι κεφάλαια (1, 2, 3, 4, 5 και 6) και έχει ως αντικείμενο τη βιβλιογραφική ανασκόπηση αλλά και τη λεπτομερή καταγραφή των ζητημάτων που άπτονται σε αυτή. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή βασίζεται στο συνδυασμό των βασικών αρχών τεχνικής εξέτασης για τη συντήρηση και αποκατάσταση πολιτιστικών αγαθών, καθώς και του κλάδου των μετρήσεων ακριβείας, και της ανάλυσης παραμορφώσεων στη γεωδαισία. Έτσι, κάθε κεφάλαιο του πρώτου μέρους, εμβαθύνει σε κάθε επιστημονική περιοχή χωριστά προκειμένου να υπάρχει πληρότητα. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφεται η αξία της πολιτιστικής κληρονομιάς αλλά και τα αγαθά που την αποτελούν, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στη συντήρηση και την αποκατάστασή τους. Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές συντήρησης, η σημασία και το έργο του συντηρητή, ενώ αποσαφηνίζονται οι όροι: επεμβατικής συντήρησης, αποκατάστασης αλλά και προληπτικής συντήρησης και διατήρησης. Τέλος δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην τεκμηρίωση της συντήρησης αναφέροντας τι πρέπει αυτή να περιλαμβάνει και γιατί αποτελεί το σημαντικότερο εργαλείο για ένα πολιτιστικό αγαθό. Στο δεύτερο κεφάλαιο καταγράφονται και αναλύονται λεπτομερώς όλες οι διαγνωστικές μέθοδοι τεχνικής εξέτασης που χρησιμοποιούνται στα έργα ζωγραφικής. Ουσιαστικά πρόκειται για όλες εκείνες τις μη καταστρεπτικές μεθόδους μέσα από τις οποίες εξετάζονται, διαπιστώνονται και καταγράφονται οι φθορές και οι αλλοιώσεις ενός έργου, ενώ μπορεί να περιλαμβάνουν και διαδικασίες χρονολόγησης. Πιο συγκεκριμένα, αναλύονται οι απεικονιστικές και χημικές μέθοδοι, οι οποίες μελετούν φασματοσκοπικά δεδομένα για την ταυτοποίηση των υλικών αλλά και άλλων χαρακτηριστικών του έργου αλλά και οι μετρητικές μέθοδοι όπου χρησιμοποιούν φωτογραμμετρικά δεδομένα για την εξαγωγή γεωμετρικών χαρακτηριστικών και τριδιάστατων μοντέλων των έργων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται ο όρος της μεταβολής θέσης και της ανάλυσης των παραμορφώσεων, σύμφωνα με τον κλάδο της γεωδαισίας, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα μοντέλα ανίχνευσης μεταβολής σημείων στο χώρο. Αναλύονται τα περιγραφικά μοντέλα καθώς και τα μοντέλα αιτίας-αποτελέσματος ενώ παρουσιάζονται και οι αλγόριθμοι προσδιορισμού παραμορφώσεων όπως αυτοί χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα στα έργα ζωγραφικής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μέθοδοι και οι διαδικασίες των προβλέψεων για τη μεταβολή της θέσης ενός σημείου, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στο τι απαιτείται για την πρόβλεψη παραμορφώσεων σε έργα ζωγραφικής. Στο πέμπτο κεφάλαιο καταγράφεται και αναλύεται λεπτομερώς ό,τι αφορά στις μετρήσεις ακριβείας. Αφού περιγραφεί το αντικείμενό τους, παρουσιάζεται αναλυτικά ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στη σημερινή εποχή. Αναλύονται οι γεωδαιτικοί σταθμοί ακριβείας, οι σταθερές και φορητές μηχανές μέτρησης συντεταγμένων αλλά και οι αρθρωτοί βραχίονες μέτρησης. Για καθένα από αυτά, δίνονται οι αρχές λειτουργίας τους, οι μεθοδολογίες μετρήσεις αλλά και οι πηγές σφαλμάτων συνοδευόμενες από τις διακριβώσεις και του ελέγχους που πρέπει να πραγματοποιούνται για ακριβή και ορθά αποτελέσματα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, δίνονται πληροφορίες σχετικά με την επιλογή του καταλληλότερου εξοπλισμού και μεθόδου για τη συγκεκριμένη διατριβή. Ουσιαστικά πραγματοποιείται πολυκριτηριακή ανάλυση αποφάσεων μεταξύ του εξοπλισμού που παρουσιάστηκε στο πέμπτο κεφάλαιο, εξετάζοντας τα χαρακτηριστικά και τις απαιτήσεις των συντηρητών για ορθή και ακριβής γεωμετρική τεκμηρίωση σε έργα ζωγραφικής. Σύμφωνα με την αξιολόγηση των κριτηρίων, επιλέγεται η χρήση αρθρωτού βραχίονα μέτρησης συντεταγμένων για μικρότερα έργα, και συνδυασμός βραχίονα και φορητής μηχανής μέτρησης συντεταγμένων για μεγαλύτερα έργα. Ακόμη στο κεφάλαιο αυτό επιλέγεται και ο καταλληλότερος αλγόριθμος για τον προσδιορισμό των παραμορφώσεων σε έργα ζωγραφικής, ενώ διαπιστώνεται πως οι μέθοδοι C2C και M3C2 επιφέρουν τα βέλτιστα αποτελέσματα. Δεύτερο μέρος Σε αυτό το μέρος της διατριβής, το οποίο αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια (7, 8, 9 και 10), αναλύεται και τεκμηριώνεται πλήρως η προτεινόμενη μεθοδολογία για τη γεωμετρική τεκμηρίωση, τον προσδιορισμό και την πρόβλεψη παραμορφώσεων σε έργα ζωγραφικής. Αναφέρεται αναλυτικά κάθε βήμα της μεθοδολογίας ενώ παρουσιάζεται και η εφαρμογή της σε ποικίλα έργα ώστε να αξιολογηθεί η λειτουργικότητά της. Συγκεκριμένα στο έβδομο κεφάλαιο, περιγράφεται κάθε βήμα της μεθοδολογίας για τη γεωμετρική τεκμηρίωση των έργων ζωγραφικής. Αυτή περιλαμβάνει: ❖την επιλογή του καταλληλότερου εξοπλισμού, ανάλογα με το μέγεθος του έργου, και τη σχετική προετοιμασία του ❖τη γεωμετρική τεκμηρίωση ή αλλιώς τη σάρωση του έργου ❖την επεξεργασία του νέφους σημείων ❖και τελικά τη δημιουργία και εξαγωγή του τριδιάστατου μοντέλου. Ωστόσο, για να υπάρχει ακρίβεια και αξιοπιστία στις μετρήσεις, υπάρχουν συγκεκριμένοι έλεγχοι και διακριβώσεις που πρέπει να πραγματοποιηθούν στα μετρητικά συστήματα κατά το στάδιο της προετοιμασίας. Αυτοί περιγράφονται αναλυτικά στο όγδοο κεφάλαιο και αφορούν τόσο τις φορητές μηχανές μέτρησης συντεταγμένων, όσο και στους αρθρωτούς βραχίονες μέτρησης. Έτσι, στο ένατο κεφάλαιο, παρουσιάζεται λεπτομερώς και η μεθοδολογία προσδιορισμού και πρόβλεψης παραμορφώσεων σε έργα ζωγραφικής.Για τον προσδιορισμό των παραμορφώσεων, πραγματοποιείται: ❖ευθυγράμμιση των μοντέλων διαφορετικών χρονικών στιγμών ❖στατιστικός έλεγχος για την ύπαρξη ή όχι παραμορφώσεων ❖υπολογισμός παραμορφώσεων ❖και τέλος απεικόνιση των αποτελεσμάτων Ενώ, για την πρόβλεψη, απαιτούνται δεδομένα χρονοσειρών αλλά και στοιχεία σχετικά με τις χρωστικές του κάθε έργου. Τέλος στο δέκατο κεφάλαιο, πραγματοποιείται εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε τέσσερα διαφορετικά έργα ζωγραφικής. Πρόκειται για έργα σε καμβά, χαρτί ή ξύλο ενώ υπάρχουν διαφοροποιήσεις τόσο στις χρωστικές τους όσο και στις παραμορφώσεις που έχουν υποστεί. Καθένα από αυτά έχει εξαναγκαστεί σε παραμόρφωση, έχει τεκμηριωθεί γεωμετρικά σε τουλάχιστον δύο εποχές και έχουν υπολογιστεί οι διαφορές (παραμορφώσεις) μεταξύ των εποχών. Συνοπτικά τα πειράματα που εφαρμόστηκαν είναι:Α/Α Υπόβαθρο Μέγεθος (cm x cm) Χρωστικές Παραμόρφωση1ο Ξύλο 35 x 24 Χρώματα αγιογραφίας Γδάρσιμο/Αφαίρεση υλικού2ο Χαρτί 200gr 29.7 x 42 Μαρκαδόροι οινοπνεύματος Παραμονή σε υψηλή υγρασία3ο Καμβάς 40 x 60 Λαδομπογιές Αφαίρεση χρώματος4ο Χαρτί 640gr 42 x 76 Ακουαρέλες Ψέκασμα με νερό Τρίτο μέρος Το τελευταίο μέρος της διατριβής, αποτελείται από ένα κεφάλαιο (11), στο οποίο και παρουσιάζονται τα συνολικά συμπεράσματα και οιπροτάσεις. Αποδεικνύεται ότι η προτεινόμενη μεθοδολογία τεκμηρίωσης μπορεί να οδηγήσει σε άμεσα και ακριβή αποτελέσματα (της τάξης των ±50μm), παράγοντας τριδιάστατη πληροφορία για τα έργα τόσο πριν όσο και κατά τη διάρκεια και το πέρας της διαδικασίας συντήρησης. Έτσι στο εντέκατο και τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν και γίνονται κάποιες προτάσεις για περαιτέρω συνέχιση της έρευνας.