LIRA ARTEFACT - Virtual Archaeology

ВОЗМОЖНОСТИ ТРЕХМЕРНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ

АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ АРТЕФАКТОВ В НАУЧНОЙ И МУЗЕЙНОЙ ПРЕЗЕНТАЦИИ

А. А. Пушкарев, М. В. Вавулин

   Любая современная публикация археологических материалов невозможна без качественного иллю­стративного сопровождения. Наличие качественных иллюстраций является одним из самых важных кри­териев введения в научный оборот новых источников. Каждый археолог согласится с тем, что любое са­мое подробное текстовое описание артефактов никогда не сможет заменить его графическое отображение. В свою очередь, иллюстрации должны максимально подробно и объективно отражать все основные эле­менты описываемых объектов.

   До недавнего времени в публикациях использовались два основных типа иллюстраций археологиче­ских артефактов: графический рисунок и фотография. В последние два десятилетия, с развитием инфор­мационных технологий у археологов появились качественно новые возможности презентации материалов. С одной стороны, стали более доступны те технологии, которые в прошлом требовали особых навыков и значительных материальных затрат. Это в первую очередь касается распространения цифровых фотоаппаратов, благодаря которым процесс получения фотографий артефактов стал доступен каждому археологу. С другой стороны, появились совершенно новые технологии, позволившие в виртуальном пространстве компьютера создавать объемные модели археологических артефактов, которые по информативности на по­ рядок превосходят обычные фотографии и рисунки. В данной публикации мы рассмотрим две технологии: трехмерное фотографирование и трехмерное сканирование.

   Трехмерная фотография - это интерактивный компьютерный ролик, на экране которого пользователь может с помощью мыши или клавиатуры «вращать» изображение того или иного предмета, тем самым рас­сматривая его с разных сторон. Технология создания таких роликов достаточно проста: предмет ставится на вращающийся столик и фотографируется с разных сторон посредством вращения диска вокруг своей оси с шагом в один или несколько градусов. Далее полученные фотографии с помощью специальной про­граммы сшиваются в компьютерный ролик. Когда пользователь «вращает» предмет в данном ролике, он фактически перелистывает фотографии данного предмета, снятые с разных сторон. Именно за счет воз­можности виртуального вращения и возникает иллюзия его объемности.

   По сути, технология трехмерной фотографии схожа с технологией видеосъемки: если на видеокамеру снять предмет на вращающемся столике, то в получившемся ролике мы также сможем посмотреть данный предмет с разных сторон. Однако для презентации археологических артефактов у технологии трехмерной фотографии есть два преимущества.

Первое преимущество - это интерактивность. Пользователь с помощью мыши может моментально выбирать необходимый ему ракурс предмета, вращать его с необходимой скоростью, а также увели­чивать отдельные детали. Более того, трехмерные фотографии представляют интерактивные функции, совершенно недоступные на обычном видео. Во-первых, в окне ролика можно поместить ссылки, ис­пользуя которые пользователь может получить дополнительную текстовую, графическую и другую ин­формацию о деталях изображенного предмета. Во-вторых, пользователь может вращать предмет не толь­ко в горизонтальной плоскости, но и вертикальной. При этом алгоритм показа трехмерных фотографий устроен таким образом, что переход между вращением в одной плоскости в другую можно осуществлять в любой момент. Уточним, что для создания трехмерной фотографии с возможностью вращения в раз­ных плоскостях, необходимо будет изначально сфотографировать предмет не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости.

   Второе преимущество - это более высокое качество фотографии. Каждый снимок, в трехмерной фото­графии, как правило, выполняется на профессиональном фото и осветительном оборудовании, что по­зволяет получать ролики высокого качества. Особенно это важно для отображения сложных объектов с большим количеством деталей.

Сейчас имеются специальные системы, которые автоматизируют съемку трехмерной фотографии. Мы используем оборудование компании «Фотомеханика». Система состоит из трех частей: фотоаппарата, поворотного столика и персонального компьютера с программным обеспечением PHM Photo3D studio. Пользователь устанавливает предмет на столик, вводит в программе параметры фотографирования (детальность, разрешение и т. д.) и запускает процесс съемки. После завершения, программа автоматически сшивает полученные фотографии в интерактивный ролик, который можно использовать для презентации.

   Теперь перейдем к описанию второй технологии. Трехмерное сканирование - это процесс создания в виртуальной компьютерной среде объемной модели поверхности материальных предметов. В данном случае, модель содержит точную информацию о геометрии объекта и текстуре его поверхности. Готовую модель можно рассматривать со всех сторон, проводить измерение любых ее параметров (в том числе разрезов) в специализированных программах, хранить в цифровом виде, передавать через сеть интернет, визуализиро­вать как фото или видео файл с любого ракурса, а при необходимости, и создать объемную копию отсканиро­ванного артефакта с помощью ЗО-принтера. При этом не требуется дальнейший доступ к оригиналу.

   Процедуры трехмерного сканирования отличаются в зависимости от модели и производителя обору­дования. В данной публикации мы остановимся на описании работы бесконтактного активного лазерного ручного сканера VIUscan (Zscanner CX700) компании Creaform. Технология сканирования с помощью сканера УШзсап работает следующим образом. По заранее рас­положенным позиционным точкам, воспринимаемым через видеокамеры, программное обеспечение соз­дает виртуальное пространство и определяет относительное положение в нем сканера и снимаемого объ­екта. Затем сканер с высокой частотой проецирует на поверхность сканируемого объекта лазерный луч в виде двух линий, расположенных перпендикулярно друг другу. По положению этого луча в пространстве, относительно опорных точек, а также по его искажению на поверхности объекта, программа создает ли­нию точек. Каждые три точки из соседних линий соединяются в треугольник, образуя простейшую еди­ницу поверхности виртуального объекта - полигон. Далее, посредством объединения полигонов в единую сеть создается трехмерная (3D) модель.

   Процесс создания трехмерных моделей артефактов проходит в несколько этапов. На первом этапе про­водится сканирование объектов. Технология позволяет сканировать объекты двумя способами. В первом случае позиционные точки, располагаются на самом объекте, а во втором они находятся на подложке, на которую помещается сканируемый объект. С помощью первого способа, как правило, сканируются круп­ные объекты с однородной текстурой и простым рельефом поверхности. Его преимуществом является то, что можно отсканировать объект целиком за одну сессию. Второй способ необходимо использовать для сканирования артефактов размерами менее 5x5x5 см, а также объектов со сплошным орнаментальным по­ крытием и сложным рельефом поверхности.

   В ходе работы нам удалось частично автоматизировать процесс сканирования объектов. Сканер был установлен на штатив, а объект - на столик, вращающийся со скоростью 3 об/мин. И хотя сам процесс ска­нирования стал занимать несколько больше времени, степень участия человека в нем значительно снизи­лась, что позволило параллельно со сканированием проводить дальнейшую обработку ранее полученного материала, в целом увеличивая производительность.

  На втором этапе полученные модели проходят обработку в специализированном программном обеспе­чении (Rapidform XOR). Если объект сканировался за несколько сессий, то полученные части соединялись, оптимизировались и отчищались от лишних полигонов, случайно попавших в виртуальное пространство во время сканирования.

Третий этап -текстурирование. Простая полигональная модель не имеет информации о цвете, чтобы наи­более полно передать внешний облик артефакта, необходимо наложить текстуры. Используемый тип сканера позволяет в реальном времени снимать и накладывать текстуры на модель во время сканирования. Однако при небольших размерах объекта камера сканера не способна снять картинку достаточно высокого разреше­ния, таким образом, текстура получается размытой. Для улучшения качества моделей все артефакты были сфотографированы в высоком разрешении, а затем фотографии были наложены в качестве текстур.

   На основе результатов трехмерного сканирования нами было реализовано четыре способа отображе­ния археологических артефактов для научной и музейной презентации.

   1) Интерактивная 30-модель. Может быть реализована средствами любой программы, предназначенной для просмотра ЗD-моделей (3Ds MAX, Rapidform explorer и др.). В программе создается виртуальное трехмер­ное пространство, в котором пользователь может рассматривать модель с любой стороны, вращать ее в любой проекции и увеличивать до необходимого масштаба. В некоторых программах предусмотрены инструменты для измерения геометрических параметров модели. Также модели могут быть размещены в сети интернет с воз­можностью отображения в интернет браузере. Посредством программного обеспечения АбоЬе АсгоЬа! модель может быть интегрирована в любой документ в широко распространенном формате РБР.

   2) Видеоролик. Может быть реализован средствами программной среды Autodesk 3D studio MAX и Adobe Premiere Pro. Представляет собой визуализацию сцены, включающую в себя сам объект, делающий оборот на 360°, основание, на которое отбрасывается тень, что придает некоторый объем изображению, источник света и виртуальную камеру, расположенную под небольшим углом к линии горизонта. Весь ролик включает шестьсот отдельно визуализированных кадров, с частотой 30 кадров в секунду. Ролик может быть сохранен в любом из наиболее популярных форматов видео и впоследствии воспроизведен на любом персональном компьютере.

   3) Стерео видеоролик/фотография. Может быть реализован средствами программного обеспечения Autodesk 3D studio MAX и Adobe Premiere Pro. Представляет собой визуализацию сцены, идентичной пре­дыдущей, только с использованием двух виртуальных камер. Камеры находятся на одинаковом расстоя­нии от модели и обе сфокусированы в ее центр (направленный метод стереосъемки). Расстояние между камерами (стереобазис) напрямую зависит от расстояния до объекта. Далее при монтаже видеоролика два видеопотока сжимаются вдвое по горизонтали или вертикали и располагаются рядом. Это видео можно просмотреть при помощи специальных мониторов или проекторов, поддерживающих технологии вос­произведения стереовидео (анаглифическая, поляризационная, затворная и пр.) Благодаря создаваемому в процессе просмотра стереоэффекту, данный способ позволяет почувствовать объем объекта и производит совершенно другое впечатление, чем от обычного видео или фото.

   4) Трехмерная печать. Посредством печати на ЗD-принтере можно получить материальную копию от­ сканированного объекта. Технология ЗD-печати заключается в послойном создании физического объекта на основе виртуальной модели. Материалом для модели может служить пластик, который расплавляется в процессе печати, а также порошкообразный наполнитель, который спекается или склеивается специаль­ным химическим раствором. Разрешение печати на сегодняшний день достигает 0,1х0,1 мм, что вполне достаточно для создания копий большинства видов археологических артефактов. Однако до сих пор оста­ется проблема качественного нанесения текстур на распечатанную копию. Тем не менее, мы уверены, что благодаря бурному развитию технологии ЗD-печати, эта проблема достаточно скоро будет решена.

   Теперь выделим преимущества и недостатки описанных выше технологий. Основными преимуществами трехмерной фотографии являются: во-первых, качество отображения мо­дели. Использование современного профессионального оборудования позволяет получать фотоснимки (и соответственно трехмерные фотографии) высочайшего качества; во-вторых, процесс создания трехмерных фотографий можно практически полностью автоматизировать, что значительно увеличивает его скорость; в-третьих, одним из важных преимуществ является относительно недорогая стоимость оборудования и программного обеспечения для создания трехмерных фотографий. Стоимость комплекта оборудования на­ чинается от 50 тыс. руб.

  Среди недостатков необходимо отметить, во-первых, то, что трехмерная фотография является, по сути, псевдообъемной, так как состоит из набора обычных фотографий. Именно поэтому объект, изображаемый с помощью данной технологии, невозможно распечатать на ЗО-принтере. По тем же причинам невозможно получить разрез данного объекта, измерить его толщину. Помимо этого, в программах для создания и про­смотра трехмерных фотографий не предусмотрены даже инструменты для измерения простых линейных параметров объекта. Трехмерная фотография создавалась изначально для использования в рекламе, где на первом месте стоит визуализация объекта, а измерение его параметров было вообще не востребовано.

   Еще одним недостатком является то, что технология трехмерной фотографии дает возможности ото­бражать объект с обзором в вертикальной плоскости не более 180°.

Материалы Всероссийской археологической конференции «Археология Севера России: от эпохи железа до Российской империи», (Сургут, 1-4 октября 2013г.), Екатеринбург - Сургут, 2013. С. 288-290.