Archäometrie

Bei der Archäometrie geht es um die Vermessung archäologischer Fundstücke.

Einer der Hauptfunde bei jeder archäologischen Ausgrabung sind Tongefäße in den unterschiedlichsten Formen, so genannte Gebrauchskeramiken. Seit der Erfindung der Töpferscheibe vor ca. 4000 Jahren sind diese in großer Zahl und beeindruckender Formenvielfalt gefertigt worden, wobei jede Form spezifisch für eine bestimmte Periode und einen bestimmten Verwendungszweck war. Da die Lebensdauer von Gebrauchskeramik begrenzt ist, kann mit ihrer Hilfe das Alter einer bestimmten Schicht prinzipiell sehr genau bestimmt werden. Darüber hinaus erlaubt der Vergleich von Keramiken verschiedener Ausgrabungsstätten Rückschlüsse auf Handelsbeziehungen oder Migrationsbewegungen der damaligen Bewohner. Hierzu sind jedoch umfangreiche Vergleiche mit bereits datierter Keramik von möglichst vielen Fundstellen nötig, eine manuell nur schwer zu bewältigende Aufgabe. Hier setzt dieses Projekt an. Im einzelnen gliedert es sich in die Aufgabengebiete Dateneingabe, Merkmalsgewinnung, Klassifikation und, für Diplomarbeiten jedoch eher ein Nebenkriegsschauplatz, GUI:

Dateneingabe

Gebrauchskeramik liegt im Allgemeinen in Form von Scherben vor. Diese werden vom Archäologen wieder zusammengesetzt und die ursprüngliche Form des Objektes rekonstruiert. Diese weitgehend von Hand erstellten Zeichnungen sind der Ausgangspunkt unserer Arbeit; zum einen liegen an der TU-Hamburg Harburg bereits ca. 1500 digitalisierte Konturen im DXF Format vor (dieses Format wird vor allem von CAD-Programmen benutzt), zum anderen liegen viele tausend solcher Zeichnungen in gedruckter Form vor (in den einschlägigen Publikationen).

DXF Import

Das DXF oder Drawing Interchange File Formats wurde ursprünglich von AutoDesk für ihr AutoCAD Programm entwickelt und hat sich seitdem zum de-facto standard für CAD-Programme entwickelt. Leider ist dieses Format außerhalb der CAD-Komunity, und insbesondere in Kreisen der Open-Source Entwickler, aber nicht sehr verbreitet, und es gibt von daher kaum kostenlose Programme, die DXF-Dateien lesen können. Insbesondere gibt es zur Zeit noch keine brauchbaren Matlab-Routinen, um DXF-Dateien direkt in Matlab einzulesen.

Als Startpunkt für die Konvertierung von DXF nach Matlab steht eine Routine zur Verfügung, die Dorrit Porter im Rahmen ihrer Studienarbeit geschrieben hat; außerdem finden sich im Netz noch die Routinen readdxf() von Mike Herndon und read_dxf() von Steven Michael.

Ein anderer möglicher Ansatz ist die Verwendung einer externen Konversions-Routine, hier bieten dxflib von RibbonSoft, Coin3D von Systems in Motion (SIM) oder ivcon von John Burkardt einen Einstieg.

Scan gedruckter Vorlagen

Zwar kann uns der Fachbereich Stadtbaugeschichte der TU Hamburg Harburg einige hundert Profilzeichnungen und damit genug Material für eine Diplomarbeit zur Verfügung stellen, die meisten veröffentlichten Profilzeichnungen von archäologischen Funden liegen aber auch heutzutage nur in Papierform vor. Um auch diese zu erschließen, ist eine Umsetzung in Digitale Formate zwingend erforderlich. Das kann entweder, wie schon bei den vorhandenen DXF-Dateien geschehen, per Hand durch eine studentische Hilfskraft geschehen, sinnvoller ist hier aber sicherlich der Einsatz der Bildverarbeitung.

Hierbei bekommt man es dann zum einen mit den üblichen Problemen der Bildverarbeitung zu tun (Rauschen etc), zum anderen ist aber auch eine Interpretation der Zeichnungen erforderlich.

Zeichnungsinterpretation

Veröffentlichte Profilzeichnungen enthalten neben dem eigentlichen Profil in aller Regel noch zusätzliche Elemente. Im allgemeinen wird zumindest die Rotationsachse und eine Höhenlinie mit eingezeichnet sein, oft sieht man daneben noch weitere Höhenlinien, Angarnierungen, Ornamente und zusätzlich zur reinen Schnittzeichnung eine orthographische Projektion.

Ein System, welches gescannte Zeichnungen für die Verwendung in der Archäometrie aufbereitet sollte zumindest in der Lage sein, aus all diesen Informationen das eigentliche Profil zu extrahieren; vorzugsweise sollte ein solches System aber in der Lage sein, auch die anderen Elemente in den Kontext einzuordnen und zum Beispiel als weitere Merkmal zur Verfügung zu stellen.

Merkmalsgewinnung

Ein wesentlicher Schritt in der automatischen Mustererkennung ist immer die Merkmalsgewinnung. Dorrit Porter hat im Rahmen ihrer Studienarbeit bereits 21 der gängisten Merkmale aus der archäologischen Literatur umgesetzt; bei der anschlie"senden Auswertung hat sich jedoch gezeigt, daß zum einen mit diesen Merkmalen noch nicht die ganze Bandbreite der für einen Fachmann möglichen Beschreibungen abbgedeckt ist, während zum anderen einige der bereits implementierten Merkmale von einer etwas weicheren (Fuzzy) Implementierung profitieren könnten.

Formbeschreibung

Merkmale, die in unserem implementierten Vokabular noch völlig fehlen beziehen sich vor allem auf die generelle Form der Objekte, vom Fachmann werden hier Worte wie kugelig oder oval benutzt. Derartige Merkmale ließen sich z.B. durch den Vergleich der Objekte mit einem Satz von Grundformen oder durch die Berechnung einer Reihe von Momenten berechnen.

Grundformen

Bei der Beschreibung durch Grundformen wird versucht, Teile eines Objektes (oder auch das gesammte Objekt) mit einigen wenigen geometrischen oder algebraischen Grundformen zu beschreiben. Dies sind vor allem die Kegelschnitte (Ellipse mit dem Kreis als Sonderform, Hyperbel und Parabel), aber auch andere algebraische Formen kommen in Frage. Verwandt ist das Vorgehen den Splines.

Neben der Auswahl geeigneter Grundformen können hier auch die Existenz von Angarnierungen am Objekt zu Problemen führen.

Momente

Momente, und hier vor allem die zentralen Momente, können eine Form sehr genau beschreiben. Das Hauptproblem bei ihrer Verwendung ist auch hier wieder der Umgang mit Angarnierungen. Allerdings sind Momente klassischerweise nur zur Beschreibung ganzer Formen geeignet, eine Zerlegung der Objekte in mehrere Teilformen ist alles andere als offensichtlich. Diesen Nachteil teilen Momente mit den Fourierdeskriptoren, die ich deshalb hier ebenfalls aufführe, und die im wesentlichen eine Fourierzerlegung der 2D Objektkontur sind.

Rand

Da Tongefäße in aller Regel nur noch als Scherben ausgegraben werden können, und dazu sehr häufig nur unvollständig vorliegen, hat sich die Archäologie bei der Beschreibung von Tongefäßen von Anfang an vor allem auf die beiden Bereiche konzentriert, deren Lage im Gefäß ach als Scherbe noch eindeutig rekonstruiert werden kann: den Boden und den oberen Gefäßrand. Dementsprechend werden diese beiden Bereiche traditionell besonders fein unterschieden. Hier steht die traditionelle Archäologie im markanten Gegensatz zu der vorhandenen Implementation, die nur die drei Randtypen einfacher Rand, verdickter Rand und

Bottom

Fuzzy classification

Klassifikation

Better clustering

PCA

Learning

Bayes

Neural Nets

GUI

Abgeschlossene Arbeiten

Dorrit Porter: Rechnergestüzte Klassifikation rotationssymmetrischer Gebrauchskeramiken