Ксожалению, данный метод эффективен далеко не всегда

Вид материала

Подобный материал:

Трехмерное моделирование объектов подводного культурного наследия

С.А. Луций

Великий Новгород

Основным методом подводных исследований до настоящего времени является визуальное обследование и фиксация (замеры, рисунок, фото-, видео-) объектов подводного культурного наследия. К сожалению, данный метод эффективен далеко не всегда. Причинами этого, чаще всего, являются следующие:

сложность гидрологических условий (низкая прозрачность, сильное течение, большая глубина, низкая температура воды) обуславливает невозможность качественного общего, а часто — и детального, визуального обследования и документирования протяженных подводных объектов (рис. 1);
наличие мешающих факторов (режим судоходства (рис. 2), ледовая обстановка, техногенные объекты и т.п.) затрудняет или вообще исключает комплексное проведение работ по альтернативным методикам без погружения под воду (например, использование кессонов);
применение фото- и видеофиксации подводных объектов в условиях низкой прозрачности и малой освещенности — малоэффективно.

Рис. 1. Нулевая видимость и сильное течение существенно затрудняют визуальное обследование подводных объектов в реке Волхов

Рис. 2. Поиск Великого моста проходил на фарватере реки Волхов, что мешало судоходству
(экспедиционное судно «Аквилон» на якоре)

Естественной альтернативой визуальному является дистанционное обследование с помощью специализированных приборов: эхо- и гидролокация, в том числе — гидролокаторами бокового обзора (ГБО), радио- (георадар) и магнитометрия. Оно, как правило, требует наличия дорогостоящего оборудования и соответствующих высококвалифицированных специалистов, предшествует водолазным работам, дает много важной и полезной информации. Однако, полученные с помощью приборов данные имеют наиболее общий, приближенный характер о положении, форме и размерах объектов и часто не позволяют решать множество возникающих в процессе работы задач. В таких сложных случаях на помощь современным подводным археологам может прийти относительно новый для них инструмент — трехмерное (3D) моделирование, как удобное средство для:

планирования подводных археологических работ;
экспонирования их процесса и полученных результатов на разных этапах;
постоянного и/или эпизодического мониторинга состояния подводных объектов;
их детального изучения и научного исследования;
идентификации и последующей виртуальной реконструкции подводных объектов;
использования в качестве дополнительных материалов.

Для создания 3D-моделей необходимо:

знать точные размеры и положение подводных объектов;
иметь в наличие соответствующие технические и программные средства моделирования;
владеть методикой и технологией создания 3D-моделей.

Как известно, методика проведения любых подводных археологических исследований предполагает получение большого объема обмерных данных, которые могут быть успешно использованы для создания моделей. Технические характеристики современных персональных компьютеров и функциональные возможности программных средств позволяют реалистично, а самое главное — геометрически точно воссоздать подводные объекты в виде 3D-моделей. В дополнение к этому, сейчас специалисты по созданию трехмерных моделей не являются остродефицитными. Даже школьники способны овладеть основами трехмерной графики и принимать участие в экспедициях на правах волонтеров, чтобы выполнять текущие работы по моделированию.

Таким образом, в настоящее время существует как насущная потребность, так и возможность применения трехмерного моделирования при проведении и оформлении результатов подводных археологических исследований.

В качестве моделируемых элементов обычно выступают: окружающая среда (вода, поверхность дна, техногенные объекты) и исследуемые археологами объекты.

Вода и при исследованиях, и при моделировании, чаще всего, является мешающим для визуального восприятия фактором. С одной стороны, ее физические свойства (цвет, прозрачность, плотность, скорость течения, наличие взвеси, несжимаемость и т.п.) достаточно просто могут быть воспроизведены на уровне модели современными программными средствами. С другой стороны, в этом не всегда есть необходимость. В частности, для целей подводной археологии моделирование воды может быть весьма условным: это не тренажер для оператора подводного аппарата и не комбинированные съемки в игровом фильме со спецэффектами, где стараются «обмануть» зрителя, создав у него иллюзию реальности. Если достоверно имитировать цвет и прозрачность воды, то в большинстве случаев нельзя будет увидеть ни общих планов, ни панорам, то есть, нельзя будет получить необходимую информацию ни о расположении, ни о взаимоположении исследуемых объектов, ни об их размерах и формах. Следовательно, вода в большинстве случаев может рассматриваться в качестве символа, указывающего всего лишь на то, что «действие» происходит не на поверхности суши.

Так как практически все исследуемые объекты подводного культурного наследия находятся либо на дне, либо под его поверхностью (полностью или частично), то необходимо моделирование поверхности дна до археологического вмешательства, в его процессе и после завершения работ. Исходными данными в этом случае являются результаты «ручных» промеров или эхолокации. Точность моделирования определяется целями создания модели и напрямую зависит от качества полученных данных. Так, например, при поисках и исследовании Великого моста в Новгороде исходными данными являлись:

тенеграфические изображения, полученные с помощью ГБО;
массив данных с эхолокатора.

С помощью с гидролокатора бокового обзора СM2 (британская фирма C-Max, рабочая частота – 780 кГц, ширина полосы сканирования – 25 м, расстояние между галсами – 15 м) с борта катера «Аквилон» за несколько проходов были получены тенеграфические изображения поверхности дна исследуемого участка, впоследствии состыкованные в общую мозаику (рис. 3). Понятно, что представленные на рисунке результаты локации мало что скажут неспециалисту в области ГБО. Поэтому выполнена предварительная компьютерная обработка изображения (рис. 4), в результате которой техногенные структуры на поверхности дна стали «читаться» достаточно ясно. С целью уточнения визуальных данных проведена батиметрическая съемка (Дмитрий Агеев, СПб, «Тайны затонувших кораблей») этого же участка (рис. 5). Получены несколько десятков тысяч 3D-данных, характеризующих положение элементов поверхности дна на период измерений. На их основе в программе Serfer построена батиметрическая карта, на которой явно выделяются участки, имеющие положительные формы рельефа (рис. 6). Совмещение ГБО-картинки и батиметрической карты (рис. 7) позволило сделать вывод о достоверности данных, полученных двумя разными дистанционными методами, и определиться с конкретными объектами, которые могли бы представлять археологический интерес для последующего водолазного обследования.

Рис. 3. Мозаичное тенеграфическое изображение, полученное с помощью ГБО СM2

Рис. 4. Результат компьютерной обработки ГБО-изображения: выделены техногенные структуры

Рис. 5. Треки батиметрического обследования участка реки Волхов

Рис. 6. Батиметрическая карта участка реки Волхов

Рис. 7. Совмещение ГБО-картинки и батиметрической карты

Как уже указывалось, точность и подробность моделирования участка дна определяется целями создания модели. Если интересующий подводный объект расположен, в основном, на поверхности дна, то модель дна может быть достаточно условной, без проработки деталей. Если же в качестве объекта выступает рельеф дна, несущий важную информацию о предполагаемом местонахождении объектов подводного культурного наследия, тогда к его моделированию следует подходить с особой тщательностью и скрупулезностью. В нашем случае именно формы рельефа могли указать на наличие остатков мостовых сооружений. Поэтому для точного моделирования необходимо было качественно обработать исходные батиметрические данные и на их базе создать 3D-модель поверхности дна, как основу для всей последующей работы.

Первичная обработка массива 3D-координат более 45000 точек поверхности заключалась в привязке их к Балтийской Системе, округлению до заданной точности, сортировке по возрастанию координат в определенном порядке. Очень удобным и эффективным инструментом для решения этих задач можно считать табличный процессор Excel.

Далее с помощью программы Serfer была выполнена регуляризация данных по алгоритму Kriging. Результат — упорядоченный массив данных, который можно использовать в программах 3D-моделирования для построения поверхности дна. Однако огромный размер массива исключил ручной ввод трехмерных координат. Поэтому было принято решение использовать возможности программирования на языке AutoLisp в среде AutoCAD. Разработанная процедура позволила автоматически ввести координаты из файла и создать на их основе трехмерную сетку (Mesh) в программе AutoCAD (рис. 8). Далее она экспортировалась в формат 3ds, а затем была импортирована в 3D MAX, где ей были назначены соответствующие материалы (рис. 9).

Рис. 8. Трехмерная сетка поверхности дна (ACAD)

Рис. 9. 3D-модель поверхности дна (3D MAX)

С целью проверки адекватности модели были проделаны следующие процедуры:

совмещение с картиной ГБО (рис. 10);
измерение 3D-координат модели поверхности в известных по эхолокации точках непосредственно в 3D MAX.

Результаты проверки показали, что созданная модель достаточно точно отражает реальную обстановку и может быть использована для выполнения дальнейших работ.

Рис. 10. Совмещение 3D-модели поверхности дна с картинкой ГБО

Моделирование техногенных объектов (трубопроводы, кабельные сети, опоры мостов, пирсы, причалы и т.п.), а также исследуемых объектов подводного культурного наследия, как правило, затруднений не вызывает. Практически все они достаточно просто могут быть сформированы на основе 3D-примитивов и стандартных модификаторов (рис. 11). Требования к точности моделирования (адекватность модели и степень ее детализации) определяются задачами, наличием и качеством дополнительных материалов (чертежи, замеры, фото-, видео-фиксация, описания, результаты химико-технологического исследования и т.п.), а также возможностями программно-аппаратных средств. В нашем случае моделировались: камни различного размера и «происхождения», деревянные сваи (хвойных пород и дубовые), бревна, пластины (плахи) с врубками, нагели, техногенные структуры. В качестве исходных данных использовались результаты обмеров и поднятые образцы. Все это позволило определиться с их расположением, формой, размерами и материалами. При необходимости можно моделировать и индивидуальные находки, четко привязывая их к месту обнаружения.

Рис. 11. 3D-модель пешеходного моста через Волхов (на исследуемом участке убрана поверхность воды)

Помимо создания 3D-моделей отдельных объектов, большое значение в практике подводных исследований имеет моделирование ситуаций. Прежде всего, необходимо показать объект и окружающую среду до археологического вмешательства (рис. 12), далее – отобразить основные стадии работы (рис. 13, 14), затем – результат (рис. 15). Эти модели могут использоваться для планирования и контроля работы водолазов-исследователей, так как позволяют не только увидеть в различных ракурсах то, что в реальности невозможно увидеть из-за гидрологических условий, но и совершить виртуальное путешествие по поверхности дна, «проникнуть» внутрь каждого из шурфов, оценить текущую обстановку и объем работы, внести корректировки в последующие действия.

Рис. 12. Объект «Городня №6» до начала археологического вмешательства (июнь 2005 г.)

Рис. 13. Объект «Городня №6» в процессе археологического вмешательства (шурф №1, сентябрь 2005 г.)

Рис. 14. Шурф №3: вид сверху (в процессе археологического вмешательства, февраль 2006 г.)

Рис. 15. Подводные раскопы: общий вид после археологического вмешательства (февраль 2007 г.)

Для демонстрации процесса и представления результатов археологических исследований удобно также использовать возможности 3D-анимации. Возможны два основных варианта ее применения: создание экспозиционных роликов (виртуальные экскурсии) и интерактивные путешествия (виртуальная реальность). В первом — задействуются стандартные возможности 3D-пакетов, во втором — требуется применение дополнительных модулей (Plug-Ins), специальных программ (например, Quest3D, Rotor 3D Viewer) или инструментов и навыков для программирования интерактивных сред. В любом случае, к ресурсам персонального компьютера предъявляются весьма высокие требования. Ввиду невозможности привести на бумаге пример анимации, на рис. 16, 17 приведена раскадровка двух виртуальных экскурсий по дну Волхова.

Рис. 16. Раскадровка «путешествия» по дну Волхова до археологического вмешательства (июнь 2005 г.)

Рис. 17. Раскадровка «путешествия» по дну Волхова после археологического вмешательства (февраль 2007 г.)

Таким образом, трехмерное моделирование является мощным, удобным и необходимым инструментом для проведения подводных археологических работ, оформления и представления их результатов, а также для ввода памятников подводного культурного наследия в научный оборот.

Blog

Ксожалению, данный метод эффективен далеко не всегда