Dem Text auf der Spur. Volumenrendering eines gefalteten Papyrus, berechnet aus einem Röntgentomogramm. Es wurde von Norbert Lindow am Zuse-Institut Berlin (ZIB) erstellt. Das Tmogramm wurde am Msuem für Naturkunde von Kristin Mahlow in der AG von Johannes Müller erstellt. Foto: Museum für Naturkunde; ZIB
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Mathematik und Archäologie Papyri als Computer-Puzzle

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Mit Hilfe der Mathematik und bildgebender Verfahren werden gefaltete Papyri am Computer virtuell entfaltet und lesbar gemacht

Zahlreiche Metallkisten und Pappschachteln mit Papyri lagern seit mehr als 100 Jahren im Depot des Ägyptischen Museums und der Papyrussammlung der Staatlichen Museen zu Berlin. Sie stammen von der Grabung auf der Nilinsel Elephantine, die Otto Rubensohn von 1906 bis 1908 unternahm. Im Archäologischen Zentrum der Staatlichen Museen sind jetzt die ersten dieser Elephantine-Kisten geöffnet worden. Allein in einer wurden 1700 Papyri und Papyrus-Fragmente entdeckt, erzählt die Ägyptologin und zuständige Kuratorin Verena Lepper. Ein unermesslicher Schatz, der gehoben werden will, denn Schrift ist mit das Wertvollste, was Archäologen finden können.

Otto Rubensohn (rechts) mit einem Gast vor seinem Zelt auf der Grabung auf der Nilinsel Elephantine 1905. Er brachte 37 Kisten mit Papyri mit nach Berlin. Foto: Wikipedia
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Die Papyri sind zum Teil mehr als 4000 Jahre alt und sehr fragil. „Der Physiker Heinz-Eberhard Mahnke von der FU Berlin hatte mir vor Jahren von seiner Idee berichtet, dass es möglich sein könnte, Papyri naturwissenschaftlich zu analysieren, die nicht zu öffnen sind, weil sie sonst zerstört würden“, erzählt Lepper. Erfreulicherweise sei der von ihr beantragte Starting Grant „Elephantine“ durch den Europäischen Forschungsrat ERC bewilligt worden; Starting Grants fördern vielversprechende Nachwuchswissenschaftler. „Nun soll die 4000-jährige Kulturgeschichte der Nilinsel Elephantine anhand von Papyri aufgearbeitet werden. Wir können interdisziplinär in einem Teilprojekt gemeinsam Methoden entwickeln, um Papyri ,virtuell’ zu entfalten.“ Zusätzlich wird das Projekt von der Beauftragten der Bundesregierung für Kultur und Medien unterstützt.

Aber wie soll man zerbrechliche, gerollte und gefaltete Papyri entschlüsseln, ohne sie physisch zu entrollen oder zu entfalten? „Die Idee war, mit Hilfe der Mathematik Bilder am Computer zu erstellen“, erzählt Heinz-Eberhard Mahnke. Bei diesem „virtuellen Entblättern“ halfen das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Zuse-Institut Berlin (ZIB). Voraussetzung ist, dass man die Faltrichtung kennt und weiß, dass verschiedene Gattungen von Papyri wie Briefe, Verträge und Amulette immer nach einem bestimmten Muster gefaltet werden.

Zwei Fundkisten mit Papyri aus Elephantine. Foto: SMBPK/Ägyptisches Museum und Papyrussammlung/Sandra Steiß
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In einem ersten Schritt wird etwa ein gefaltetes Amulett in einen Tomographen geschoben, der weit empfindlicher ist als ein medizinisches Gerät, und aus Industriekomponenten am HZB entwickelt wurde, erzählt der Materialforscher Ingo Manke. Das gewonnene Tomogramm ist ein dreidimensionales Bild einer zweidimensionalen Fläche, nämlich des Papyrus. Es setzt sich aus zig Millionen von Voxeln zusammen, das sind dreidimensionale Pixel. Erschwerend kommt hinzu, dass Papyri aus zwei Lagen sich kreuzender Fasern bestehen, die zusammen das Blatt ergeben. Löst sich diese Verbindung, zerfällt es in zwei Schichten und ist nur noch schwer als ein Blatt zu erkennen. „Die Schichten der Papyri sind teilweise selbst für das menschliche Auge nicht voneinander zu trennen“, sagt Daniel Baum, Informatiker am ZIB. Ein weiteres Problem sei, dass die Tinte auf diesem faserigen Untergrund nicht gleichmäßig hafte.

Die Tinte muss metallhaltig sein

Doch wie bekommt man die Schrift zu sehen? Gelingen kann das Experiment nur, wenn die Tinte Metall-Ionen enthält. Dann lässt sie sich mit Hilfe der Röntgenfluoreszenz beziehungsweise der Absorptionstomographie vom kohlenstoffhaltigen Untergrund des Papyrus unterscheiden. Anschließend kommt der schwierigste Teil: die virtuelle Entfaltung. Das Computerbild muss man sich wie eine Wurst vorstellen, die in Scheiben geschnitten ist. In einigen Scheiben werden auf den sichtbaren Kanten des gefalteten Papyrus von Hand Punkte gesetzt, die miteinander verbunden einen Polygonzug ergeben. Zwischen den Punkten zaubert die Mathematik mit Hilfe von Algorithmen.

„Wir kombinieren mathematische Verfahren, die Teilaufgaben vollautomatisch erledigen, mit Eingaben des Benutzers, der die Algorithmen sozusagen lenkt“, erklärt Hans-Christian Hege vom ZIB, der auf die Visualisierung von 3D-Daten aus allen Wissenschaften spezialisiert ist. „Dadurch nutzen wir zugleich die Rechen- und Speicherfähigkeit des Computers, das Wissen der Archäologen über Faltungstechniken sowie die überragenden menschlichen Fähigkeiten bei der Mustererkennung.“ Durch geschicktes Verbinden von Punkten in den Papyruslagen entsteht am Computer ein Netz aus Dreiecken, das sich durch einen geometrischen Algorithmus entfalten lässt – und im Idealfall ein rechteckiges Bild ergibt.

Zunächst überlagert in diesem Bild die Faserstruktur des Papyrus oft alles andere. Nun geht es darum, dessen Feinstruktur herauszurechnen, um die Schrift zu isolieren. Dazu lernen die Algorithmen die typische Faserstruktur eines Papyrus, um sie zu erkennen. Dabei müssen die Pixel, die zum Papyrus gehören, von denen der Schrift unterschieden werden. So zumindest der Idealfall, denn meist weist ein Papyrus auch Risse, Falten, Beschädigungen und Verschmutzungen auf. „Wir stehen erst am Anfang“, sagt Hege und verweist auf ein Experiment mit einem modernen Papyrus, den man mit metallhaltiger Tinte beschrieben, gefaltet, den Prozess durchgespielt und eine lesbare Schrift erhalten habe. „Die Sicherheit und Unversehrtheit des Objekts geht immer vor, daher wurde der Testlauf mit einem modernen Papyruspäckchen unternommen“, erklärt Kuratorin Verena Lepper.

Ziel ist die weitgehende Automatisierung des Prozesses

Das Ziel ist es, diesen Prozess weitgehend zu automatisieren. Doch davon sei man noch weit entfernt, gibt Hans-Christian Hege zu bedenken. Ein großes Problem stellen speziell ältere Papyri dar, die mit Rußtinte beschrieben wurden: das bedeutet Kohlenstoff auf Kohlenstoff. Auch für diese Fälle ein bildgebendes Verfahren zu entwickeln, bleibt eine Herausforderung für die Physiker. „Wir gehen dazu auch mal ans BESSY in Adlershof oder demnächst nach Grenoble, um geeignete Kontrastmechanismen zu finden“, sagt Ingo Manke. Weltweit sei das bisher noch nicht gelungen, doch es gebe erste Teilerfolge. „Für unser Projekt kamen die Hauptimpulse aus der medizinischen Bildverarbeitung. Auch da wollen wir automatisch Strukturen erkennen, die der Mensch mühelos erfasst“, berichtet Hege. „Diese Fähigkeit müssen wir dem Computer erst beibringen, und dazu braucht es viel Mathematik.“

Die Mathematiker und Naturwissenschaftler sehen sich als Dienstleister für andere Wissenschaften, in dem Fall für die Archäologen. In Zukunft wolle man auch – ähnlich wie bei den Stasi-Akten – versuchen, die Papyri-Fragmente am Computer zusammenzusetzen und gar das System dazu zu bringen, Schriftzeichen zu erlernen und damit am Ende Autorenschaften zu ermitteln, sagt Hege. Das wäre eine große Hilfe für die Archäologen, denn die Papyri von Elephantine befinden sich nicht nur in den Berliner Expeditionskisten, sondern weltweit in 60 Sammlungen in 24 Ländern – etwa im Louvre in Paris, im Brooklyn Museum in New York, in Sydney und Tokyo, berichtet Verena Lepper. Insofern birgt das virtuelles Entfalten von Papyri großes Potenzial, 4000 Jahre Kulturgeschichte zu entschlüsseln.

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