Применение технологий 3D обработки и визуализации данных в проектах сохранения объектов историко-культурного наследия
Постоянное развитие компьютерных технологий и совершенствование технического оборудования приводит к расширению применения 3D-сканирования в области сохранения, моделирования и реконструкции (в том числе поврежденных и даже утраченных) объектов историко-культурного наследия. Наиболее широко данная технология используется в архитектуре, археологии и истории. Как отмечают эксперты, возрастание энтузиазма ученых в освоении этих технологий связано также с возможностью компенсировать недостаток средств для сохранения или восстановления исторических объектов традиционными способами [2].
Среди преимуществ технологии 3D-сканирования – получение точной трехмерной цифровой копии объекта; возможность бережной, бесконтактной обработки поврежденных экспонатов; применение методов компьютерного моделирования для восстановления или реставрации разрушающихся или исчезнувших объектов; сохранение модели в объеме с возможностью последующей репликации; предоставление пользователям возможности осмотра виртуальных копий в любых проекциях; создание цифровых хранилищ трехмерных объектов.
Логическим продолжение 3D-сканирования является 3D-печать. Это направление сейчас активно развивается и набирает популярность. Уже сейчас точность некоторых моделей 3D-принтеров составляет 0.025 мм - 0.05 мм, что позволяет напечатать реплику объекта высочайшего качества. При печати объектов физические размеры, которых выходят за границы возможностей принтера, объект может быть напечатан по частям или в масштабе, таким образом, могут быть напечатаны макет исторических зданий, архитектурных комплексом или даже целых городов.
Напечатанная на 3D-принтере модель экспоната после незначительной обработки (например, наложение цвета) фактически становится полноценной репликой объекта. В ближайшее время ожидается появление принтеров полного цикла, которые будут не только отпечатывать 3D-объекты, но и наносить окраску, соответствующую оригиналу. Примером применения технологии 3D-печати является образовательный проект, разработанный Американским музеем естественной истории [3]. Его целью является обучение студентов методам сравнения анатомии ископаемых путем использования технологий 3D-сканирования, моделирования и печати.
Все эти новые методы и возможности активно используются современными исследователями в России и за рубежом.
Первые работы в области трехмерного моделирования в гуманитарных науках были предприняты британским исследователем, «пионером виртуальной археологии и визуализации археологических данных» Полом Рейли (Reilly, Paul) еще в 1980-х гг. [4, 5].
Активное применение 3D-технологий визуализации в исторических и археологических исследованиях началось в 1990-х гг. в ведущих вузах США, Великобритании и Франции, Италии, Испании, других европейских стран. А в России эта работа началась на рубеже XX-XXI вв. [6, 7].
Многие из проектов трехмерного сканирования и реконструкции историко-культурных проектов получили мировую известность.
Например, в конце 1990-х – начале 2000-х гг. группа преподавателей и студентов факультета компьютерных наук Стэнфордского университета (США) под руководством профессора Марка Левуа (Levoy, Marc) реализовала цифровой проект «Микеланджело» (DigitalMichelangeloProjet). Используя обычный лазерный триангуляционный сканер компании Cyberware, группа выполнила сканирование произведений великого итальянского скульптора Микеланджело Буонарроти (1475-1564), находящихся во Флоренции (знаменитые статуи «Давид», «Рабы» и еще четыре скульптуры из часовни Медичи). Точность сканирования составила 0,25 мм, что дало возможность увидеть на изображении следы от инструмента Микеланджело. Такая детализация сканирования потребовала обработки очень большого количества данных (порядка 32 гигабайт), что заняло около 5 месяцев [8, 9]. В 2004 г. цифровая модель, созданная Стэндфордским университетом, была использована для восстановления разрушающейся статуи Давида.
Другим масштабным проектом стэнфордского факультета компьютерных наук стала работа по 3D сканированию обломков знаменитой «Forma Urbis Romae» - гигантской мраморной карты античного Рима (DigitalFormaUrbisRomaeProject) [10].
Карта размером 60 футов шириной и 45 футов высотой (примерно 18,3х13,7 м) датируется временем правления Септимия Севера (Septimius Severus, римский император в 193-211 гг. до н.э.) и является, пожалуй, одним из самых важных документов древнеримской топографии. Однако эта карта была найдена разбитой на 1186 кусков, которые покрывают только некоторую часть оригинальной поверхности. До сих пор этот огромный паззл остается одной из величайших нерешенных проблем классической археологии, хотя обломки дают много ключей для решения загадки: совпадения краев фрагментов, толщина и физические характеристики элементов, направления прожилок в мраморе, совпадения рисунков на карте с границами домов и улиц, найденными во время археологических раскопок в современном Риме и так далее. Однако поиски совпадений и проверка версий до последнего времени являлись исключительно сложным делом в силу больших размеров, веса и многочисленности мраморных фрагментов. Исследователи решили оцифровать все эти обломки в 3D формате, чтобы с помощью компьютерных алгоритмов найти совпадения и составить, наконец, этот гигантский паззл.
В 1999 г. с помощью лазерных сканеров и цифровых цветных камер был отсканирован и сфотографирован каждый известный фрагмент мраморной карты. Полученная база данных имела объем 40 гигабайт и состояла из 8 миллиардов многоугольников, отображающих грани реальных обломков, и 6 тысяч цветных изображений. Дальнейшая работа состояла в кропотливом создании полигональных сеток для цифровой модели каждого фрагмента карты и цветных мозаичных фотографий высокого разрешения. На данный момент на сайте проекта имеются в свободном доступе трехмерные изображения всех 1186 мраморных обломков, продолжается работа по созданию алгоритмов для поиска совпадающих частей и складывания «мозаики».
Пожалуй, одним из самых масштабных примеров использования технологии 3D-сканирования является проект Smithsonian X 3D, который реализуется Смитсоновским институтом (США) совместно с компанией Autodesk [11]. Целью проекта является перевод в цифровой вид более 137 миллионов экспонатов, которые находятся в музеях США, с последующим размещением их в свободном доступе в сети Интернет. Как отмечают сами авторы проекта, амбициозность этой цели демонстрирует простой расчет: если оцифровывать один музейный экспонат в минуту круглые сутки без выходных, то такая работа займет 260 лет. В настоящее время музеи, участвующие в проекте, определили примерно 10% наиболее значимых экспонатов из своих коллекций для приоритетной двухмерной и трехмерной обработки.