Unieke scanner onthult kunst en andere geheimen

Een Chinese puzzelbal is een rijk versierde ivoren holle bol, zo groot als een tennisbal, met maximaal twaalf andere holle bollen erin. Naar binnen toe worden de bollen natuurlijk steeds kleiner, maar ze worden ook steeds minder rijk versierd. Je kunt de bollen onafhankelijk van elkaar bewegen, en de puzzel bestaat uit het netjes op elkaar laten aansluiten van de gaten van alle bollen. De bollen zijn op ingenieuze wijze vervaardigd uit één massief stuk ivoor - een echt ambachtelijk kunstwerk waar maanden aan gewerkt moet zijn.

Chinese puzzelballen waren driehonderd jaar geleden een statussymbool in China. Het Rijksmuseum in Amsterdam heeft er een in de collectie en wilde precies weten hoe deze er van binnen uitziet zonder de bal fysiek te hoeven openen. Het antwoord werd gegeven door de unieke FleX-ray scanner van het CWI. De scanner liet onder andere zien dat een van de binnenste bollen cirkelvormige groeven had, die precies lieten zien hoe breed en hoog het blad was dat de kunstenaar gebruikte. Ook bleek dat de bol was gemaakt van Afrikaans ivoor in plaats van Aziatisch ivoor, wat betekent dat er eeuwen geleden ivoorhandel moet zijn geweest tussen China en Afrika.

Boekenkasten van Hugo de Groot

Sinds de FleX-Ray scanner in 2017 in gebruik is genomen, heeft het al verschillende van dit soort cultureel erfgoedgeheimen onthuld. In november 2021 won CWI-onderzoek de NWO Team Wetenschapsprijs voor het scannen en dateren van twee houten boekenkasten die beide werden toegeschreven aan de ontsnapping van de Nederlandse intellectueel Hugo de Groot in 1621. Het scannen van dergelijke culturele artefacten was echter niet het primaire doel van CWI, maar was vooral nodig om de nieuw ontwikkelde algoritmen te testen, hun beperkingen te onderzoeken en de daaruit voortvloeiende uitdagingen op te lossen.

Tristan van Leeuwen, groepsleider van de Computational Imaging groep die de scanner bedient, legt uit: "Beeldverwerkingsalgoritmen zijn sinds de jaren tachtig nauwelijks veranderd, wat hun mogelijkheden beperkt. Als je wilt scannen met hogere snelheid, meer nauwkeurigheid of minder stralingsdosis, heb je fundamenteel andere algoritmen nodig. Het CWI is typisch een plek waar zulke nieuwe algoritmes ontwikkeld kunnen worden."

Objecten scannen in real-time

De belangrijkste motivatie van Van Leeuwens voorganger Joost Batenburg om de FleX-ray scanner te ontwikkelen, was het real-time kunnen scannen van objecten. "Terwijl het object nog wordt gescand, kan de scanner al een voorlopig driedimensionaal beeld laten zien", vertelt Van Leeuwen. "Dat heeft als groot voordeel dat als je iets interessants ziet, je meteen kunt inzoomen en niet hoeft te wachten tot de volledige driedimensionale scan klaar is. Dat is vooral interessant voor experts op het gebied van kunst en cultureel erfgoed, omdat zij vaak niet weten wat er in een object zit."

Wat de FleX-ray scanner ook uniek maakt in de wereld, afgezien van het real-time aspect, is de flexibiliteit, de hoge resolutie en de verschillende soorten materialen waar de scanner doorheen kan kijken. Bovendien kunnen zowel de röntgenbron, de detector als het te scannen object ten opzichte van elkaar bewegen. De ontwikkeling van de FleX-ray scanner, inclusief de algoritmen en software, past perfect in de synergie tussen wiskunde en informatica die uniek is voor het CWI.

Vanuit wiskundig oogpunt moest het CWI methoden ontwikkelen om objecten te scannen die qua vorm, afmetingen en materialen zeer verschillend zijn. Het waren echter de computerwetenschappelijke uitdagingen die het moeilijkst waren, zegt Van Leeuwen: "Hoe zorg je ervoor dat alle beeldgegevens op het juiste moment op de juiste plaats zijn? Dat is de grootste uitdaging. Normaal gesproken heb je zo'n duizend verschillende röntgenscans nodig om een volledig driedimensionaal beeld op te bouwen. Wat wij doen is de gegevens van één enkele scan rechtstreeks naar het algoritme sturen, zodat het een tussenliggend driedimensionaal beeld kan laten zien. Geleidelijk verzamelt het algoritme meer en meer gegevens met elk nieuw beeld dat wordt toegevoegd."

Nieuwe toepassingen verkennen

De uitdaging op het gebied van wiskunde en informatica die Van Leeuwen in de nabije toekomst wil oplossen, is om optimaal gebruik te maken van de flexibiliteit die de scanner biedt, en om algoritmes te ontwikkelen die automatisch en autonoom een object op een optimale manier scannen, zoals de automatische modus dat doet voor bijvoorbeeld een digitale camera.

Wat betreft nieuwe toepassingen van de FleX-ray scanner onderzoeken Van Leeuwen en zijn groep toepassingen in de voedingsmiddelenindustrie (zoals het met hoge snelheid controleren van de kwaliteit van fruit), de chemische procesindustrie (zoals het bestuderen van de procesdynamica in een reactor) en zelfs medische toepassingen (waarbij vooral wordt geprobeerd om medisch scannen veel sneller te maken). In al deze onderzoeksprojecten werkt het CWI samen met verschillende Nederlandse universiteiten en met de industrie.

Auteur: Bennie Mols