Webové stránky a aplikace identifikace sakrálních objektů byly vytvořeny v rámci projektu Informační systém pro středověké památky, č. 335, který je financovaný z programu přeshraniční spolupráce Česká republika – Svobodný stát Bavorsko Cíl EÚS 2014–2020

Sakrální stavby

Venkovské sakrální stavby příhraničí
České republiky a Spolkové
republiky Německo

Vystoupíme-li na vyvýšené místo v jihozápadních Čechách a rozhlédneme-li se kolem sebe, upoutá nás množství věží a menších církevních objektů rozmístěných po zvlněné krajině. Region je bohatý na tyto dnes přehlížené, menší církevní stavby, které ale díky své poloze tvoří místní dominanty. Středověké kostely a kostelíky, dnes malebně oživující krajinu, však kdysi hrály důležitou úlohu v christianizaci obyvatelstva a v duchovním životě středověkého člověka, a většina jich tuto úlohu plní dodnes. Rozměry se tyto stavby sice nemohou srovnávat s katedrálami či městskými kostely, ale tvoří zajímavou, a pro náš region charakteristickou skupinu staveb. Jejich starobylý charakter a navenek jednoduchý vzhled z nich činní neoprávněně opomíjenou součást kulturního dědictví našeho regionu. Cílem česko-bavorského projektu Informační Systém pro středověké památky v česko-bavorském příhraničí je zviditelnit a on-line zpřístupnit středověké církevní venkovské stavby, které souvisí s duchovním dědictvím jihozápadních Čech a za staletí své existence významně ovlivnily kulturu a náboženství regionu.

Kostel sv. Anny
SAKRÁLNÍ STAVBY

Vzhled a proměny
sakrálních stavebprůběhu času

Kostely procházely dynamickými proměnami v průběhu času – od svých založení v románské či gotické době přes úpravy v renesanci k obvykle celkové proměně v období baroka, související s protireformací a katolickými reformami kultu. Památky se sice nacházejí mimo hlavní umělecká a kulturní centra a jsou v mnoha případech lépe dochovány co se původní hmoty stavby týče než městské kostely, přesto se jim změny nevyhnuly. Proměny vkusu zásadně zasáhly zejména do interiérů kostelů. Moderní doba přispěla přestavbami v duchu pietismu 19. století, a historizujících tendencí a k dnešní prezentaci těchto staveb přispěla v neposlední řadě i moderní památková péče (např. odhalením původních fresek).

SAKRÁLNÍ STAVBY

Role venkovských
sakrálních staveb
 v životě křesťanů

Místní kostel byl úzce spojen s životem obce a často jediným církevním objektem, s nímž se středověký člověk setkal. Křesťanská komunita se zde setkávala u církevních a rodinných obřadů doprovázejících člověka od narození až po smrt. Byl proto patřičně vyzdoben scénami poučujícími člověka o základních dogmatech víry a ukazujícími morální modely k následování. Kostel svojí dispozicí vyjadřoval základní rozdělení tehdejší společnosti: oddělení kněží od věřících architektonicky odpovídalo oddělení závěru kostela (presbytáře), kde se služba Boží odehrávala u oltáře, od lodi. Rovněž místní elity mívaly v kostele své vlastní oddělené prostory, odkud přihlížely obřadům. Kněz sloužil mši zády k lidem, byl tedy součástí komunity věřících, ale měl od ní odstup skrze prováděné úkony a liturgický oděv. Až do pozdního středověku běžné obyvatelstvo přijímalo pouze jedenkrát do roka, obvykle na Velikonoce, a účast věřících na bohoslužbě byla poměrně omezená. Akt proměnění hostie v Tělo Páně měl pro věřící ceremoniální až mystický ráz, který se v pozdním středověku ještě posiluje i strachem ze znesvěcení hostie. Kostel tak byl po staletí hlavním místem pro individuální náboženský prožitek, konverzi a poučení, ale i pro setkávání komunity a společenský život.


SAKRÁLNÍ STAVBY

Virtuální uměleckohistorický průvodce
kostely
menších sídel
jižních
jihozápadních Čech

ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Projekt informačního systému
pro středověké památky v česko-bavorském příhraničí

Cílem projektu Informační systém pro středověké památky v česko-bavorském příhraničí byl vývoj aplikace, která by poskytovala informace o památkách kulturního dědictví v této oblasti.

Z pohledu informatiky se aplikace snaží identifikovat konkrétní sakrální objekt zachycený zcela nebo částečně na vstupní fotografii. Náš tým za tímto účelem vytvořil unikátní datovou sadu a navrhl vícekrokové identifikační schéma využívající pokročilé metody strojového učení.

ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Komponenty sloužící
identifikaci sakrálních objektů

Pro trénování neurálních sítí je nezbytné vlastnit kvalitní datovou sadu. V případě sakrálních objektů takováto kvalitní sada není dostupná. Přistoupili jsme tedy k jejímu zhotovení od základu.

V závislosti na doporučení erudovaných vědeckých pracovníků jsme vybrali několik základních komponent, které se běžně nachází v sakrálních stavbách a mohou tedy sloužit k identifikaci konkrétních objektů.

Kostely v českém prostředí prošly složitým architektonickým vývojem a mnoha úpravami. Výsledná struktura je často směsí detailů z různých epoch. Pro jednoznačnou identifikaci konkrétní stavby je tedy nezbytné zahrnout kombinaci několika komponent.

KOSTEL

KAPLE

KLENBA

SVORNÍK

DETAILY OSTĚNÍ

PILÍŘ/SLOUP

FRESKA

OBRAZ

OKNO

PORTÁL

OLTÁŘ

SANKTUÁŘ

KŘTITELNICE

KAZATELNA

VARHANY

SOCHA

VEŽ

VĚŽICE

ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Fotografování a tvorba
datové sady

Po stanovení množiny identifikačních komponent bylo nutné rozhodnout, které památky budou sloužit k naplnění datové sady. S ohledem na přeshraniční spolupráci jsme zvolili v česko-bavorském příhraničí celkem 130 kostelů, které by byly vhodné ke strojovému učení.

Po fázi zvolení vhodných kostelů, následovala mnohaměsíční etapa fotografování interiérů a exteriérů kostelů. Celkem bylo takto pořízeno 6821 fotografií. Ne vždy byly vhodné podmínky k focení a následovalo proto posouzení obrazové kvality a také selekce duplicitních fotografií. Filtrem kvality se k dalšímu kroku zpracování dostalo 4496 fotografií.

Následně bylo nutné všechny vhodné fotografie zpracovat a ručně na nich označit jednotlivé komponenty. Za tímto účelem byla vyvinuta grafická aplikace PhotoCutter. Pomocí této aplikace byly vybírány na fotografiích jednotlivé komponenty a aplikace je ukládala do samostatných obrazových souborů. Tato fáze zahrnovala opět několikaměsíční pracovní nasazení. Ve výsledku bylo vytvořeno 20326 fotografických výřezů roztříděných do jednotlivých kategorií. Na jedné fotografii bylo nalezeno v průměru 4,5 komponenty.

ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Dvě fáze strojového 
zpracování datové sady

Získaná datová sada byla postoupena dalšímu kroku zpracování, tentokráte již zpracování strojovému.

První fází učení je detekce objektů, zvolených komponent. Tato fáze zpracování dat je tvořena sítí YOLOv5. YOLO síť má za úkol identifikovat kategorie objektů rozpoznaných na vstupních fotografiích. Jako výstup poskytuje ucelený seznam všech identifikovaných objektů včetně jejich klasifikace a informace o umístění na vstupní fotografii.

K dosažení cílů projektu byla nutná další fáze. Pokusit se objekty kategorií konkrétně identifikovat, posoudit, zda dva zadané obrazy v rámci dané kategorie zachycují tentýž objekt. Pro zkoumání podobnosti dvou vstupních obrazů byly využity tzv. siamské sítě. Jsou to sítě, které porovnávají na vstupu dva obrázky a na výstupu poskytují míru jejich vzájemné shody.


ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Aplikace pro rozpoznávání sakrálních staveb
a jejich specifických součástí

Na základě dvoufázového strojového zpracování datové sady bylo navrženo dvoustupňové schéma systému pro identifikaci objektů, které jsme implementovali v našem systému. Systém je dostupný z těchto webových stránek. Pro předložený výřez poskytuje výřez ze stejné kategorie s největší mírou podobnosti a míru této podobnosti.

ROZPOZNÁVÁNÍ SAKRÁLNÍCH STAVEB A JEJICH SPECIFICKÝCH SOUČÁSTÍ

Metodika vývoje softwarových nástrojů pro automatizované  rozpoznávání sakrálních staveb

Spolehlivá identifikace konkrétních míst, předmětů, lidí, atd. z fotografií je v praxi velmi častá úloha, která není jednoduchá a přináší řadu výzev. V případě velkého množství fotografií, je manuální identifikace objektů na nich zobrazených z časových důvodů téměř nemožná a je nutné ji automatizovat prostřednictvím softwarových systémů. V praxi se ukazuje, že vytvořit jediný univerzální identifikační systém, který dokáže na fotografiích např. lidí, zvířat či budov určit konkrétního člověka, zvíře či budovu, je bez další přidané expertní znalosti velmi složité. Situace je ještě obtížnější v případě, že fotografií, které slouží jako referenční, je jen velmi malé množství. Metody, které lze pro identifikaci objektů použít, mají sice obecnou platnost, ale musí se jejich použití adaptovat pro konkrétní scénář. Náš výzkumný tým vytvořil softwarový systém, který dokáže z fotografií úzce-specifických objektů (sakrálních staveb – kostelů či kaplí), resp. jejich interiérů nebo exteriérů spolehlivě identifikovat konkrétní objekt s velmi dobrou úspěšností. Námi zvolený přístup se jeví jako slibný pro námi vybranou oblast a je snadno přenositelný i na další oblasti.

 V rámci našeho projektu nazvaného “Informační systém pro středověké památky” jsme řešili výzkumný úkol, který si klade za úkol usnadnit uživatelům identifikaci konkrétních míst vyobrazených na fotografiích na základě shody s obrazovou databází. Zásadním předpokladem, díky kterému není tato úloha jednoduchá, je to, že v praxi k určitým objektům existuje je velmi malé množství obrazových vzorů a proto nelze použít klasické metody zpracování obrazu založených hlubokých neuronových sítí, neboť tyto vyžadují velké množství příkladů. Dalším předpokladem, který úlohu identifikace opět stěžuje, je to, že žádná fotografie v obrazové databázi není zcela stejná, jako analyzovaná.

Inspirací pro řešení tohoto úkolu, je to, že člověk dokáže určitým způsobem z jediné referenční fotografie, kterou srovnává s jinými fotografiemi, někdy určit, zda se jedná o shodné objekty. Obecně vzato, identifikace nikdy neprobíhá na základě celku, ale pouze na vybraných specifických detailech. Tohoto předpokladu jsme využili při návrhu našeho systém.

Celou metodiku si můžete přečíst na následujícím odkazu.