Het artikel beschrijft de toepassing van decorrelation stretch, een techniek die oorspronkelijk door NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) is ontwikkeld om contrasten in satelliet- en Marsbeelden te verhogen.
Ontwikkeling en techniek Jon Harman, een gepensioneerde wiskundige, paste dit algoritme toe op digitale beelden van rotstekeningen. Hij ontwikkelde de Dstretch-plug-in (voor ImageJ) en smartphone-apps. De techniek is gebaseerd op de Karhunen–Loève-transformatie en mapt oorspronkelijke kleuren naar een uitgebreider kleurbereik, waardoor subtiele details zichtbaar worden die voor het menselijk oog onzichtbaar zijn.
Toepassingen in de archeologie De software wordt wereldwijd gebruikt om vervaagde kunstwerken te onthullen, waaronder:
- Cambodja: Meer dan 200 schilderijen in Angkor Wat.
- Noorwegen en Canada: Nieuwe details in prehistorische pictogrammen en vroege vormen van 'graffiti'.
- Egypte: Zeldzame afbeeldingen van dieren in de begraafplaats van Beni Hassan.
- Griekenland: Ontdekking van archeologische structuren via luchtfoto's.
- Medisch: Het verbeteren van beelden van tatoeages op gemummificeerde resten.
De techniek bewijst hoe ruimtevaarttechnologie een waardevolle tool is geworden voor het behoud en de studie van menselijk cultureel erfgoed.
Techniek voor het manipuleren van satellietfoto's onthult nu eeuwenoude afbeeldingen
Algoritme dat door NASA eerst werd toegepast op satellietbeelden, wordt nu gebruikt om in de oudheid te kijken
Tussen 2010 en 2012 werden deze, samen met ongeveer 200 andere schilderijen in het uitgestrekte complex, ontdekt door een Singaporese archeoloog die gebruikmaakte van een methode die is bedacht bij het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA in Zuid-Californië.
De techniek van decorrelation stretch
De techniek, bekend als decorrelation stretch, verhoogt het contrast in digitale beelden, waardoor subtiele verschillen duidelijker worden en kenmerken gemakkelijker te spotten zijn. Oorspronkelijk werd het door NASA gebruikt om meer informatie uit satellietbeelden te halen. Inmiddels is het nuttig gebleken in veel vakgebieden, maar het wordt vooral veelvuldig ingezet voor het bestuderen van oude rotstekeningen. Dit komt enerzijds omdat deze afbeeldingen vaak zo vervaagd zijn dat ze onherkenbaar zijn, maar ook door de toevallige intersectie van de hobby van één man met zijn professionele en educatieve achtergrond.
In de jaren 80 ging Jon Harman mee op enkele veldtochten met een lokale groep voor rotstekeningen. Het mysterie rond deze oude afbeeldingen intrigeerde hem. "Niemand weet echt waarom mensen de rotstekeningen maakten die ze maakten, in ieder geval in veel gevallen," zei hij. "En de symbolen zijn behoorlijk vreemd."
Tijdens een conferentie over rotstekeningen rond 2005 zag hij afbeeldingen van de webpagina van NASA's Mars Exploration Rover, waarop het oppervlak van Mars werd getoond met en zonder de toepassing van decorrelation stretch. Toen hij zag hoeveel detail de techniek onthulde, begreep hij de implicaties voor het bestuderen van oude, vervaagde afbeeldingen.
Omdat hij toevallig in de medische beeldvorming werkte, zocht hij via Google naar meer informatie. "Ik vond een NASA-paper waarin werd uitgelegd hoe het algoritme werkte," vertelt hij. "Ik wist uit mijn ervaring met medische beeldvorming dat ik het kon reproduceren, dus dat deed ik."
Zo ontstond de Dstretch plug-in en later de Dstretch-apps voor Android en iOS.
Technische werking
In plaats van simpelweg het contrast tussen kleuren te verhogen, mapt decorrelation stretch de oorspronkelijke kleuren naar een ander, uitgebreid kleurbereik. Het is een ingewikkeld proces dat stappen bevat zoals het diagonaliseren van kleurmatrices. "Diagonaliseren is algebra, en ik heb een PhD in wiskunde van Berkeley, waar ik algebra heb gestudeerd," aldus Harman, die nu gepensioneerd is in Pacifica, Californië.
De techniek is gebaseerd op de Karhunen–Loève-transformatie, een stelling die wordt gebruikt in statistische analyse en mede is uitgevonden door Michel Loève, een van de voormalige wiskundeprofessoren van Harman.
De Dstretch plug-in is bedoeld voor gebruik met ImageJ, een open-source programma voor beeldverwerking en analyse dat oorspronkelijk is ontwikkeld door de National Institutes of Health.
Van statistiek naar geologie
De paper die Harman vond over het proces, werd in 1996 geschreven door Ronald Alley, een medewerker van JPL. Alley maakte destijds deel uit van een internationaal team dat de wetenschappelijke vereisten ontwikkelde voor de Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER). Deze imager, gebouwd door Japan, werd in 1999 gelanceerd op de Terra-satelliet, waar hij vandaag de dag nog steeds operationeel is naast zijn bekendere tegenhanger, de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).
In de jaren 90 werkte Alley met een groep geologen bij JPL om toepassingen voor satellietgegevens te vinden. Hij had eerder in een groep voor digitale beeldverwerking gewerkt, waar zijn supervisor, Jim Soha, een paper uit 1978 had geschreven over het toepassen van de Karhunen–Loève-transformatie op digitale beelden voor kleurverbetering. Deze techniek werd uiteindelijk decorrelation stretch genoemd, en in de groep van Soha leerde Alley hoe hij het moest gebruiken.
Tegen de tijd dat wetenschappers plannen maakten voor ASTER, gebruikten Alley en zijn geologen-collega's decorrelation stretch al enige tijd om lavastromen op het grote eiland Hawaï in kaart te brengen.
De oorspronkelijke techniek hield het maken van meerdere tussenliggende beelden in, waarbij elk beeld lichte onnauwkeurigheden introduceerde door afronding. Door dit proces te vervangen door matrixvermenigvuldiging, maakte Alley decorrelation stretch zowel sneller als nauwkeuriger.
Omdat hij wist dat dit nuttig zou zijn voor een multispectrale imager zoals ASTER — die gegevens verzamelt in het zichtbare spectrum en verschillende infraroodbereiken — schreef hij de paper. "Iemand moest een beschrijving van dit ding opschrijven, zodat gebruikers zouden weten waar we het over hadden," zei hij.
Michael Abrams, de huidige leider van het ASTER-wetenschapsteam, geeft aan dat zijn groep decorrelation stretch nog steeds gebruikt op infraroodbeelden om pluimen van vulkaanuitbarstingen te volgen, aangezien zwaveldioxide, as en waterdamp verschillende infrarode absorptiebanden hebben.
Uitbreiding van de gebruikersgroep
Harman paste zijn Dstretch plug-in eerst toe op foto's die hij had gemaakt van rotstekeningen in Baja California, Mexico. In één afbeelding met verschillende menselijke figuren leek er een nieuwe gele figuur uit het niets te materialiseren zodra het algoritme werd toegepast. "Dat overtuigde me van het nut," zei hij. "Toen begon ik te experimenteren en ontdekte ik dat ik door de kleurruimte waarin ik werkte te veranderen, goede resultaten kon behalen in verschillende afbeeldingen."
Een kleurruimte is een bereik van numeriek gerepresenteerde kleuren, zoals de rood-groen-blauw (RGB) kleurruimte die gebruikelijk is bij schermen. Dstretch bevat aangepaste kleurruimtes die nuttig zijn gebleken met de uitgebreide collectie beelden van Harman. Op deze manier is Dstretch toegesneden op rotstekeningen, maar het kan in veel andere contexten worden gebruikt.
Harman geeft aan dat hij ongeveer 200 verzoeken per jaar uit de hele wereld ontvangt, die hij uitvoert voor 50 dollar per stuk. Rond 2010 creëerde hij smartphone-apps die een shortcut gebruiken om decorrelation stretch na te bootsen. "Het daadwerkelijke Dstretch-proces op een telefoon uitvoeren zou moeilijk zijn en eeuwig duren," legt hij uit. De apps kosten 20 dollar en zijn duizenden keren gedownload. Er zijn inmiddels wetenschappelijke artikelen gepubliceerd over het nut van Dstretch in de archeologie.
Ruimtevaarttechnologie op aarde en ondergronds
De toepassingen van de techniek zijn divers:
- Noorwegen: Pictogrammen op de site �
rsand 1 in West-Noorwegen, waaronder een zon, gestileerde menselijke figuren en diverse patronen, werden voor het eerst gedocumenteerd in 1940. Het gebruik van Dstretch in 2008 en 2012 bracht ongeveer 15 voorheen ongedocumenteerde figuren aan het licht en onthulde nieuwe details in 28 andere.
- Egypte: In de oude Egyptische begraafplaats van Beni Hassan gebruikten archeologen Dstretch om afbeeldingen van vleermuizen en varkens te ontdekken, dieren die zelden worden afgebeeld in de oud-Egyptische kunst.
- Canada: In het Writing-on-Stone Provincial Park in Alberta, beroemd om zijn inheemse rotsgravures en schilderijen, onthulde Dstretch wat beschouwd kan worden als een vroege vorm van graffiti-tagging. Een pictogram van een paard en ruiter wordt vermoedelijk beschouwd als een "visitekaartje" van een Crow-krijger die zijn Blackfoot-vijanden bespotte.
- Griekenland: De site Vlochos in Thessalië bevat resten van stedelijke nederzettingen gebouwd tussen 500 v.Chr. en 800 n.Chr. Daar onthulde Dstretch toegepast op luchtfoto's gebieden van potentieel archeologisch belang die door andere methoden (zoals hoogtemodellen, grondradar en elektrische weerstandsmetingen) waren gemist. Ook werden resten van structuren en begraven funderingen ontdekt in gebieden waar factoren zoals metaalverontreiniging andere technieken bemoeilijkten.
- Duitsland en VS: In 2023 publiceerden leden van de Universiteit van Tübingen en de Tennessee Division of Archaeology een protocol voor het gebruik van Dstretch om beelden van tatoeages op gemummificeerde menselijke resten te verbeteren.
Gezien hoe goed het werkte op zijn eigen collectie rotstekeningen, zegt Harman dat hij niet verrast is dat Dstretch breed wordt gebruikt in de archeologische gemeenschap. "Maar ik ben wel verrast door de vele verschillende toepassingen die mensen hebben gevonden. Dat is echt gaaf."
***
Samenvatting
Rock art-liefhebber Jon Harman uit Pacifica, Californië, creëerde de Dstretch software plug-in om digitale beelden te verbeteren, gebaseerd op de decorrelation stretch techniek die is uitgevonden bij het Jet Propulsion Laboratory. Dstretch wordt nu op grote schaal gebruikt om oude, vervaagde markeringen in foto's zichtbaar te maken, naast andere toepassingen.
Bijschriften bij illustraties
- Mars-oppervlak: In 2005 zag Jon Harman op een conferentie deze afbeelding van het oppervlak van Mars, met en zonder de decorrelation stretch techniek. Hiermee herkende hij de potentie voor het ontdekken van oude rotstekeningen. (Bron: NASA)
- Cave of San Borjitas: Tijdens de ontwikkeling van de plug-in paste Harman deze toe op een beeld uit de Cave of San Borjitas in Baja California, Mexico. Toen de gele figuur in het midden van de foto verscheen, wist hij dat hij iets nuttigs in handen had. (Bron: Jon Harman)
- Rancho Bernardo stijl: Jon Harman poseert voor een voorbeeld van de Rancho Bernardo-stijl van Native American kunst, die nauwelijks zichtbaar is totdat Dstretch wordt toegepast. (Bron: Jon Harman)
- Angkor Wat: Tussen 2010 en 2012 gebruikte de Singaporese archeoloog Noel Hidalgo Tan de Dstretch plug-in om meer dan 200 vervaagde schilderijen rond het tempelcomplex van Angkor Wat in Cambodja te ontdekken. Een afbeelding in een kamer nabij de top van de centrale toren (rechts) toont een traditioneel Cambodjaans muziekensemble, bekend als een pinpeat, dat met het blote oog (links) bijna onzichtbaar is. (Bron: Noel Hidalgo Tan)
Techniek voor het manipuleren van satellietfoto's onthult nu eeuwenoude afbeeldingen
Algoritme dat door NASA eerst werd toegepast op satellietbeelden, wordt nu gebruikt om in de oudheid te kijken
Tussen 2010 en 2012 werden deze, samen met ongeveer 200 andere schilderijen in het uitgestrekte complex, ontdekt door een Singaporese archeoloog die gebruikmaakte van een methode die is bedacht bij het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA in Zuid-Californië.
De techniek van decorrelation stretch
De techniek, bekend als decorrelation stretch, verhoogt het contrast in digitale beelden, waardoor subtiele verschillen duidelijker worden en kenmerken gemakkelijker te spotten zijn. Oorspronkelijk werd het door NASA gebruikt om meer informatie uit satellietbeelden te halen. Inmiddels is het nuttig gebleken in veel vakgebieden, maar het wordt vooral veelvuldig ingezet voor het bestuderen van oude rotstekeningen. Dit komt enerzijds omdat deze afbeeldingen vaak zo vervaagd zijn dat ze onherkenbaar zijn, maar ook door de toevallige intersectie van de hobby van één man met zijn professionele en educatieve achtergrond.
In de jaren 80 ging Jon Harman mee op enkele veldtochten met een lokale groep voor rotstekeningen. Het mysterie rond deze oude afbeeldingen intrigeerde hem. "Niemand weet echt waarom mensen de rotstekeningen maakten die ze maakten, in ieder geval in veel gevallen," zei hij. "En de symbolen zijn behoorlijk vreemd."
Tijdens een conferentie over rotstekeningen rond 2005 zag hij afbeeldingen van de webpagina van NASA's Mars Exploration Rover, waarop het oppervlak van Mars werd getoond met en zonder de toepassing van decorrelation stretch. Toen hij zag hoeveel detail de techniek onthulde, begreep hij de implicaties voor het bestuderen van oude, vervaagde afbeeldingen.
Omdat hij toevallig in de medische beeldvorming werkte, zocht hij via Google naar meer informatie. "Ik vond een NASA-paper waarin werd uitgelegd hoe het algoritme werkte," vertelt hij. "Ik wist uit mijn ervaring met medische beeldvorming dat ik het kon reproduceren, dus dat deed ik."
Zo ontstond de Dstretch plug-in en later de Dstretch-apps voor Android en iOS.
Technische werking
In plaats van simpelweg het contrast tussen kleuren te verhogen, mapt decorrelation stretch de oorspronkelijke kleuren naar een ander, uitgebreid kleurbereik. Het is een ingewikkeld proces dat stappen bevat zoals het diagonaliseren van kleurmatrices. "Diagonaliseren is algebra, en ik heb een PhD in wiskunde van Berkeley, waar ik algebra heb gestudeerd," aldus Harman, die nu gepensioneerd is in Pacifica, Californië.
De techniek is gebaseerd op de Karhunen–Loève-transformatie, een stelling die wordt gebruikt in statistische analyse en mede is uitgevonden door Michel Loève, een van de voormalige wiskundeprofessoren van Harman.
De Dstretch plug-in is bedoeld voor gebruik met ImageJ, een open-source programma voor beeldverwerking en analyse dat oorspronkelijk is ontwikkeld door de National Institutes of Health.
Van statistiek naar geologie
De paper die Harman vond over het proces, werd in 1996 geschreven door Ronald Alley, een medewerker van JPL. Alley maakte destijds deel uit van een internationaal team dat de wetenschappelijke vereisten ontwikkelde voor de Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER). Deze imager, gebouwd door Japan, werd in 1999 gelanceerd op de Terra-satelliet, waar hij vandaag de dag nog steeds operationeel is naast zijn bekendere tegenhanger, de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).
In de jaren 90 werkte Alley met een groep geologen bij JPL om toepassingen voor satellietgegevens te vinden. Hij had eerder in een groep voor digitale beeldverwerking gewerkt, waar zijn supervisor, Jim Soha, een paper uit 1978 had geschreven over het toepassen van de Karhunen–Loève-transformatie op digitale beelden voor kleurverbetering. Deze techniek werd uiteindelijk decorrelation stretch genoemd, en in de groep van Soha leerde Alley hoe hij het moest gebruiken.
Tegen de tijd dat wetenschappers plannen maakten voor ASTER, gebruikten Alley en zijn geologen-collega's decorrelation stretch al enige tijd om lavastromen op het grote eiland Hawaï in kaart te brengen.
De oorspronkelijke techniek hield het maken van meerdere tussenliggende beelden in, waarbij elk beeld lichte onnauwkeurigheden introduceerde door afronding. Door dit proces te vervangen door matrixvermenigvuldiging, maakte Alley decorrelation stretch zowel sneller als nauwkeuriger.
Omdat hij wist dat dit nuttig zou zijn voor een multispectrale imager zoals ASTER — die gegevens verzamelt in het zichtbare spectrum en verschillende infraroodbereiken — schreef hij de paper. "Iemand moest een beschrijving van dit ding opschrijven, zodat gebruikers zouden weten waar we het over hadden," zei hij.
Michael Abrams, de huidige leider van het ASTER-wetenschapsteam, geeft aan dat zijn groep decorrelation stretch nog steeds gebruikt op infraroodbeelden om pluimen van vulkaanuitbarstingen te volgen, aangezien zwaveldioxide, as en waterdamp verschillende infrarode absorptiebanden hebben.
Uitbreiding van de gebruikersgroep
Harman paste zijn Dstretch plug-in eerst toe op foto's die hij had gemaakt van rotstekeningen in Baja California, Mexico. In één afbeelding met verschillende menselijke figuren leek er een nieuwe gele figuur uit het niets te materialiseren zodra het algoritme werd toegepast. "Dat overtuigde me van het nut," zei hij. "Toen begon ik te experimenteren en ontdekte ik dat ik door de kleurruimte waarin ik werkte te veranderen, goede resultaten kon behalen in verschillende afbeeldingen."
Een kleurruimte is een bereik van numeriek gerepresenteerde kleuren, zoals de rood-groen-blauw (RGB) kleurruimte die gebruikelijk is bij schermen. Dstretch bevat aangepaste kleurruimtes die nuttig zijn gebleken met de uitgebreide collectie beelden van Harman. Op deze manier is Dstretch toegesneden op rotstekeningen, maar het kan in veel andere contexten worden gebruikt.
Harman geeft aan dat hij ongeveer 200 verzoeken per jaar uit de hele wereld ontvangt, die hij uitvoert voor 50 dollar per stuk. Rond 2010 creëerde hij smartphone-apps die een shortcut gebruiken om decorrelation stretch na te bootsen. "Het daadwerkelijke Dstretch-proces op een telefoon uitvoeren zou moeilijk zijn en eeuwig duren," legt hij uit. De apps kosten 20 dollar en zijn duizenden keren gedownload. Er zijn inmiddels wetenschappelijke artikelen gepubliceerd over het nut van Dstretch in de archeologie.
Ruimtevaarttechnologie op aarde en ondergronds
De toepassingen van de techniek zijn divers:
- Noorwegen: Pictogrammen op de site �
rsand 1 in West-Noorwegen, waaronder een zon, gestileerde menselijke figuren en diverse patronen, werden voor het eerst gedocumenteerd in 1940. Het gebruik van Dstretch in 2008 en 2012 bracht ongeveer 15 voorheen ongedocumenteerde figuren aan het licht en onthulde nieuwe details in 28 andere.
- Egypte: In de oude Egyptische begraafplaats van Beni Hassan gebruikten archeologen Dstretch om afbeeldingen van vleermuizen en varkens te ontdekken, dieren die zelden worden afgebeeld in de oud-Egyptische kunst.
- Canada: In het Writing-on-Stone Provincial Park in Alberta, beroemd om zijn inheemse rotsgravures en schilderijen, onthulde Dstretch wat beschouwd kan worden als een vroege vorm van graffiti-tagging. Een pictogram van een paard en ruiter wordt vermoedelijk beschouwd als een "visitekaartje" van een Crow-krijger die zijn Blackfoot-vijanden bespotte.
- Griekenland: De site Vlochos in Thessalië bevat resten van stedelijke nederzettingen gebouwd tussen 500 v.Chr. en 800 n.Chr. Daar onthulde Dstretch toegepast op luchtfoto's gebieden van potentieel archeologisch belang die door andere methoden (zoals hoogtemodellen, grondradar en elektrische weerstandsmetingen) waren gemist. Ook werden resten van structuren en begraven funderingen ontdekt in gebieden waar factoren zoals metaalverontreiniging andere technieken bemoeilijkten.
- Duitsland en VS: In 2023 publiceerden leden van de Universiteit van Tübingen en de Tennessee Division of Archaeology een protocol voor het gebruik van Dstretch om beelden van tatoeages op gemummificeerde menselijke resten te verbeteren.
Gezien hoe goed het werkte op zijn eigen collectie rotstekeningen, zegt Harman dat hij niet verrast is dat Dstretch breed wordt gebruikt in de archeologische gemeenschap. "Maar ik ben wel verrast door de vele verschillende toepassingen die mensen hebben gevonden. Dat is echt gaaf."
***
Samenvatting
Rock art-liefhebber Jon Harman uit Pacifica, Californië, creëerde de Dstretch software plug-in om digitale beelden te verbeteren, gebaseerd op de decorrelation stretch techniek die is uitgevonden bij het Jet Propulsion Laboratory. Dstretch wordt nu op grote schaal gebruikt om oude, vervaagde markeringen in foto's zichtbaar te maken, naast andere toepassingen.
Bijschriften bij illustraties
- Mars-oppervlak: In 2005 zag Jon Harman op een conferentie deze afbeelding van het oppervlak van Mars, met en zonder de decorrelation stretch techniek. Hiermee herkende hij de potentie voor het ontdekken van oude rotstekeningen. (Bron: NASA)
- Cave of San Borjitas: Tijdens de ontwikkeling van de plug-in paste Harman deze toe op een beeld uit de Cave of San Borjitas in Baja California, Mexico. Toen de gele figuur in het midden van de foto verscheen, wist hij dat hij iets nuttigs in handen had. (Bron: Jon Harman)
- Rancho Bernardo stijl: Jon Harman poseert voor een voorbeeld van de Rancho Bernardo-stijl van Native American kunst, die nauwelijks zichtbaar is totdat Dstretch wordt toegepast. (Bron: Jon Harman)
- Angkor Wat: Tussen 2010 en 2012 gebruikte de Singaporese archeoloog Noel Hidalgo Tan de Dstretch plug-in om meer dan 200 vervaagde schilderijen rond het tempelcomplex van Angkor Wat in Cambodja te ontdekken. Een afbeelding in een kamer nabij de top van de centrale toren (rechts) toont een traditioneel Cambodjaans muziekensemble, bekend als een pinpeat, dat met het blote oog (links) bijna onzichtbaar is. (Bron: Noel Hidalgo Tan)
Groetjes,