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不用拆封就能读信?MIT透视技术登上Nature子刊

一封来自两个世纪之前、层层折叠的信件,如何在不拆开的情况下阅读其内容?算法可以做到。

来自 MIT CSAIL 等机构的研究者,使用自动化的计算展平算法,在不破坏信件印章及未使用任何方式损害信件本身的情况下,成功「阅读」了一封 19 世纪三十年代的古老信件。这项研究已于近日正式发表在顶级期刊《自然 - 通讯》上。

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21326-w.pdf

在电子邮件、即时通讯软件等工具出现之前,人们通常使用纸质信件交流。这些手写的信纸一般会经过精心折叠,用蜡封住,并加以防盗措施,此类技术被称为「锁信(letterlocking)」。

锁信的历史最早可追溯到 1494 年。论文作者之一 Jana Dambrogio 介绍说:「几个世纪以来,在不同的文化、国家、社会阶层中,锁信都是非常常见的保密方式。它在保密系统的发展史中占据重要的一席,因为古代社会的物理通讯安全技术与现代社会的数字密码学之间原理大为不同,这项研究将揭示被保密信件本身的秘密。」

这项突破性的技术是文物修复人员、历史学家、工程师、影像学家和其他学者进行国际和跨学科合作的结果。MIT 图书馆的文物修复人员 Thomas F. Peterson 表示,这些信件本身的折痕、缝隙都是历史学和文物保护方面的宝贵资料,因此如何在不对信件造成不可挽回的损害的情况下,实现查看信件里的内容,是历史文献研究方面的重大进展。

让信件能够以虚拟形式展开的算法是由 Amanda Ghassaei 和 Holly Jackson 开发的。

Amanda Ghassaei 现在是一名独立研究者、工程师、设计师,2017 年在 MIT 媒体实验室获硕士学位,并在 Adobe 担任过研究工程师等职位。Holly Jackson 是 MIT 电气工程和计算机科学专业的学生和 MIT 本科生研究机会计划(UROP)的成员。二人开源了「虚拟展开」的代码。

代码地址:https://github.com/UnlockingHistory/virtual-unfolding

Amanda Ghassaei 曾经制作过一款线上折纸模拟器,可模拟任何折痕图案在 3D 模式下的折叠方式。

模拟器地址:https://origamisimulator.org/

也正是基于此前的研究经历和个人爱好,当 Ghassaei 第一次看到这些折叠信件的时候,他立即产生了兴趣。

算法

伦敦玛丽女王大学的 David Mills 与同一高校的 3D X 光成像领域的 Graham Davis 教授一起使用了专门用于牙科的机器来扫描那些密封的信件。高对比度的延时积分 X 射线显微层析产生了高分辨率的容积扫描(volumetric scan)。David Mills 表示:「谁会想到用来看牙齿的扫描仪还会有这一功能?」

然后他们将计算展平算法应用于信件扫描。一折或两折的卷轴、书籍和文件的阅读并不困难,且早已解决,但锁信复杂的折叠结构带来了非比寻常的挑战。

MIT 计算机科学教授 Erik Demaine 表示:「尽管这些信件很薄且每层之间的缝隙很小,但算法在分离纸张层方面取得了令人印象深刻的成就。」团队利用了完整 3D 几何分析方法,无需信件折痕、词汇数量等任何信息。这种「虚拟展开」的算法能将处于折叠状态和展平状态的信件进行 2D 和 3D 重构,包括信件的书写面和折痕图案。


虚拟展开过程。

Holly Jackson 说:「该研究最大的贡献是一种同时探索信件折叠和展开表示的技术。这种新技术使得在信件内部结构得以保留的同时,历史学家仍然能够了解到信件收寄双方的一些信息。」

这项虚拟展开技术被用来揭示了 1697 年 7 月 31 日一封信的内容。信件内容包括:Jacques Sennacques 向他的堂兄请求 Daniel Le Pers 死亡通知的核证副本,其中他的堂兄是海牙的法国商人 Pierre Le Pers。这封信来自欧洲的布里耶纳收藏(Brienne Collection),其中包含三百年前未送达的信件,为该研究提供了研究密封信件的机会。

研究者之一 David van der Linden 说:「布里耶纳收藏(Brienne Collection)是一个独特的时空胶囊。它保存了那个时代数千人对生活的宝贵见解,它们来自各个阶层,其中包括流浪音乐家、外交官、宗教难民。作为历史学家,我们经常探索过去的生活,但是阅读一个未曾送达的亲密故事,这的确是非比寻常的。」

开拓新领域

在《自然 · 通讯》的文章中,该团队还首次揭示了「锁信」技术的系统化。在研究了 25 万份历史信件之后,他们设计了一个类别与格式的图表,为信件样例分配了安全性得分。理解这些与历史信件有关的安全技术意味着未来我们能够以完整保护材料细节的方式来保存档案馆藏。

Daniel Starza Smith 解释道:「有些时候,保护过去的内容和查看它们互相抵触,我们可以简单地把这些信件拆开,但是我们没有。最终采取的办法是花时间研究信件的隐蔽性、秘密性和难以获得的特质,即使不打开信件也能获取很多信息。」

该研究小组希望能够为各个学科的研究者和学生提供可用的锁信样例集合。虚拟展开算法可能具有广泛的应用。因为这种技术可以处理平坦、弯曲和折叠型材料,因此可以用于多种历史文本,包括信件、卷轴、书籍等。

研究者之一莱顿大学早期现代英文文学的读者 Nadine Akkerman 表示:「这项研究更重要的意义是它展示了跨学科研究如何真正打破界限,以研究人文学科和科学学科无法独自理解的内容。」这种计算工具有望加快锁信领域的研究,并揭示更多历史信息。

参考内容:
https://news.mit.edu/2021/researchers-virtually-open-sealed-historic-letters-0302
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21326-w
工程麻省理工学院(MIT)
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