解決數字拼圖

1997年9月26日清晨，一場輕微的地震襲擊了義大利北部，震動了脆弱的13世紀阿西西聖方濟各大教堂。只發生了輕微的損壞，修士們紛紛感謝上蒼。然而，九小時後，發生了第二次、更為強烈的地震。幾秒鐘內，上層大教堂的拱形天花板坍塌，導致一名修士、一名見習修士和兩名技術人員死亡。同時，幾幅著名的中世紀壁畫墜落到地面，破碎成成千上萬的碎片和塵埃。

支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。

生命的逝去是一場悲劇，而藝術的損失則是一場災難。被毀壞的壁畫包括喬託的《聖傑羅姆》和切尼·迪佩皮（又名奇馬布埃）的《聖馬太》。兩位藝術家都被認為是義大利繪畫之父。此外，喬託繪製的模具和教堂的祭壇也丟失了。當時在大教堂倒塌現場的攝影師吉戈·羅利後來發表了當天的日記，寫道：“我想哭。” 羅利在過去的四個月裡詳細拍攝了這些壁畫。

許多專家擔心壁畫永遠無法修復。但是，一個國際科學家團隊現在表示，他們有一種方法可以利用羅利的照片、其他影像和計算機演算法來指導修復過程接近完成。他們的方法——上週在克羅埃西亞普拉舉行的第二屆影像和訊號處理與分析國際研討會上提出——依賴於一個計算機程式來對哪些碎片與哪些碎片相鄰進行排序，就像解決一個數字拼圖一樣。

為了證明這種方法可行，三位對壁畫感興趣的義大利電氣工程師——羅馬第一大學的喬瓦尼·賈科維蒂和羅馬第三大學的亞歷山德羅·內裡和馬可·卡利——首先進行了一項可行性研究。他們聘請了一位藝術家製作了奇馬布埃壁畫的複製品，然後以一種能夠再現照明、拱形天花板的曲率和高度對原作產生的影響的方式對其進行了拍照。他們砸碎了假貨，拍攝了碎片，並將其掃描到計算機中，建立了一個碎片資料庫。

接下來，三人開發了一種計算機演算法，用於搜尋碎片資料庫，根據顏色和細節查詢與完整照片的部分匹配的碎片。內裡說：“我們的方法是透過讓計算機重新定位具有最高置信水平的碎片來實現的。”“然後，連續搜尋會降低置信水平”——這是一種類似於首先找到拼圖的角片的策略。最終，該演算法正確放置了 90% 到 98% 的碎片。

然而，當意大利團隊開始考慮真正的碎片和羅利的照片時，他們知道自己遇到了問題。他們不再能使用純色來猜測原始碎片中不同碎片來自哪裡。750 年前的壁畫是畫在水泥上的，其中一些水泥在撞擊大教堂地板時粉碎了。當工人們從剩餘的碎片中洗去這些灰塵時，他們也洗去了壁畫上長期積累的菸灰。因此，碎片中的顏色與照片中的顏色不匹配。

因此，內裡、卡利和賈科維蒂向加州大學聖巴巴拉分校的桑吉特·米特拉尋求幫助。內裡和卡利都曾在米特拉的研究實驗室擔任訪問科學家，該實驗室專門研究顏色過濾或校正和顏色匹配。“當馬可去年夏天解釋說他們正在進行基於畫素的分析時，我建議他們也使用紋理，”米特拉回憶說。“換句話說，不僅僅是一個畫素，而是一塊畫素。區塊提供了一種更加穩健的方法，使得搜尋和排序過程更快。”

米特拉的小組探索了這種基於紋理的排序，希望為未來開發新的網際網路搜尋引擎。“給我一隻吠叫的狗或一個旋轉的黃色碗，”米特拉實驗室的研究生瑟坎·哈蒂波格魯舉例說，“但搜尋不是使用單詞，而是使用影像特徵。”哈蒂波格魯花了四年時間研究這個問題，“試圖找到區分影像的特徵，這樣我就不必檢視所有影像資訊。我只是從紋理模式中提取特徵，並將這些特徵與資料庫中找到的相似影像進行比較。”

就破損的壁畫而言，哈蒂波格魯應用了這種基於紋理的排序來挑選出純水泥。因此，該團隊能夠快速從碎片的影像中減去所有那些不屬於原始壁畫的破碎邊緣和三維面——這種簡化應該使匹配顏色和細節的任務更加容易。

如果他們最終能達到那一點。到目前為止，科學家們與阿西西的實際修復專案幾乎沒有聯絡。內裡和卡利說，也許一些修復專業人士覺得使用計算機的想法令人反感。無論如何，根據他們對阿西西壁畫的研究，研究人員建議所有容易發生地震的國家都存檔其無價藝術品的廣泛攝影調查；如果發生災難，計算機和影像處理技術可能會來救援。