IV научная конференция «Культурное наследие русской провинции». Тезисы выступления
Фотограмметрия как инструмент для оцифровки историко-культурного наследия (на примере объектов архитектурно-этнографического музея «Василёво» Тверской области)
М.Н. Бабайцев
Тверской областной Центр юных техников, Тверь
Фотограмметрия, музейный комплекс, историческая информатика, оцифровка памятников, архитектура, деревянное зодчество, 3D модель, облако точек, текстура.
Проблема сохранения историко-культурного наследия актуальна всегда. У нее нет национальностей, нет строгой географической привязки, эта проблема находится вне времени. Понимание того, что собственную материальную культуру необходимо сохранять, так как на ней в основном строится цивилизация, пришло к человеку давно. Поначалу, это глобально не осознавалось, а понималось лишь локально, на уровне племени, общины, семьи. Причинами явились экономика, в значении ведения домашнего хозяйства, и религия. Прагматичный хозяин дома понимал, что та же глиняная миска, которая использовалась в быту, подлежит сохранению — иначе не из чего будет кушать. Ценность условной миски проявлялась в том, что хозяин понимал, с ней удобнее, нежели без нее, и приобретенный им опыт — знание количества трудозатрат, ушедших на на ее изготовление. Религия, в свою очередь, также способствовала формированию у человека привычки сохранять материальные свидетельства прошлого. Верования в загробную жизнь, страх смерти, желание получать защиту от пращуров, заставляли человека создавать, использовать и, главное, сохранять предметы религиозного культа.
Понимание важности проблемы сохранения историко-культурного наследия уже на уровне государства приходит позже. Возможно, первым таким проявлением были археологические изыскания Елены Равноапостольской, она же Флавия Юлия Елена Августа, мать римского императора Константина I. Благодаря ее деятельности были обретены, согласно текстам хронистов, многие реликвии христианского мира. Факт поиска, изъятия и консервации этих предметов есть понимание важности сохранения исторического наследия, уже правящей особой, олицетворяющей государство.
В России активно занялся этим вопросом Петр I.[1] Например, на официальном сайте Кунсткамеры приводится такой текст: «В указах Петра I 1718 г. предписывалось сдавать за плату в Петербургскую Кунсткамеру «каменья необыкновенные, кости человеческие и скотские, старые надписи на каменьях, железе или меди, старое ружье, посуду, все, что зело старо и необыкновенно»[2].
В современном мире, в том числе и Российской федерации, законодательство по выявлению и сохранению культурного наследия хорошо развито[3]. Изложенный в нем дифференциальный подход к историческому наследию позволяет сохранить, в первую очередь, наиболее значимые для человечества памятники. Эти памятники немногочисленны (в сравнении с количеством памятников регионального значения), хорошо финансируются, и оттого хорошо сохраняются. В то же время финансирование на поддержание менее значимых объектов значительно меньше, либо такие объекты не финансируется вообще. Сохранить все и вся не удастся по двум причинам. Первая — реалии, которая диктует современная экономика. Вторая — неразумность идеи из всего, что имеет хоть какую-то историческую ценность, сделать музей. По итогу получается, что некоторые памятки защищены на бумаге, не защищены фактически.
Остановимся на конкретных объектах — памятниках регионального значения, памятниках деревянного зодчества Тверской области. Деревянная архитектура, менее защищенная от воздействия природных и антропогенных факторов из-за физико-химических свойств основного материала, из которого они сделаны — древесины.
На территории Тверской области находится 6440 объектов, имеющих охранный статус, из которых более 500 — деревянные[4]. Около 4% объектов из 500 находится под постоянной охраной — дислоцируются территории этнографических музеев, находятся на территории действующих монастырей, входят в состав популярных туристических объектов. Остальные же ветшают и разрушаются[5].
Сохранить информацию о памятнике деревянного зодчества можно сделав его опись и обмеры. Однако, возникает ряд проблем. Первая — безопасность, т. к. большинство памятников находится в аварийном состоянии. Вторая — сложность проведения обмеров, т. к. имеем дело с архитектурой, а объекты — большие. Третья — экономическая. Проведение подобных обследований и фиксации требует достаточно больших временных и финансовых затрат.
Одним из возможных вариантов упрощения этой задачи может служить фотограмметрия. Фотограмметрия — процесс реконструкции трехмерной модели по фотографиям. Она позволяет передать объем памятника, его габариты (погрешность у технологии небольшая), текстуру, особенности памятника — выбоины, повреждения, сложный рельеф и т. п. По итогу работы у исследователя имеется массив цифровых данных: множество фотографий объекта с разных ракурсов; плотное облако точек, позволяющее производить измерения любых частей памятника; реконструированная 3D модель либо в виде полигональной сетки, либо в виде твердотельного объекта; сшитая и запечённая текстура. Полученные данные можно использовать для кабинетного изучения объекта, составления плана и чертежей по реконструкции объекта, подготовки и печати уменьшенной копии — макета, использование цифровой трехмерной модели объекта в фото- видеоконтенте и играх, виртуальной и дополненной реальности. Предполагается, что информативность модели объекта, созданной по технологии фотограмметрии, возрастает по сравнению с классическими методами. Однако, у технологии есть минусы (применительно к архитектуре). Рассмотрим на примере оцифровки объектов архитектурно-этнографического музея под открытым небом «Василёво».
Первый — полная зависимость от сезона, погодных условий, времени суток. В условиях поздней осени и зимы, оказалось невозможно проводить исследования из-за снега, лежащего на плоских поверхностях памятников архитектуры. При таких условиях искажается текстура, и снежный покров становится частью реконструируемой трехмерной модели. Ровно такую же проблему создают листья летом на деревьях и опавшие листья осенью.
Зависимость от погодных условий выразилась в том, что при наличии прямых солнечных лучей, падающих на объект, и зафиксированных на фотографии, впоследствии приводили к ошибочным расчетам положения точек объекта в пространстве, искажению текстуры. Часто программа не могла определить точки на засвеченных участках и в итоге на модели образовывалась «брешь». При наличии осадков, текстуры деревянных строений становились темнее, что не соответствовало действительности. Кроме того, осадки не позволяли запускать дрон для фотографирования с высоты и неблагоприятно сказывались на фототехнике, используемой для фотографирования с земли.
Фотографирование в сумерках было возможно, однако фотоаппарату приходилось тратить больше времени для одного снимка из-за большой выдержки и по причине несовершенства систем оптической стабилизации, фотографии получались размытыми. Снимки, снятые в сумерках, крайне плохо обрабатывались алгоритмами программы. Фотосъемка ночью с вспышкой оказалась так же нерациональной идеей — текстуры получались с «засветами» от фотовспышки.
При отрицательных температурах на улице становилось некомфортно фотографировать объекты музея и аккумуляторные батареи разряжались быстрее.
Оптимальный вариант: облачная погода в промежуток между наступлением сумерек, либо поздней осенью, либо ранней весной, без осадков, с положительной температурой.
Второй недостаток — технология требовательна к исходному материалу — фотоснимкам. Фотоснимок должен быть максимального качества, с минимальным уровнем шумов, реконструируемый объект должен быть в фокусе и максимально занимать пространство кадра. Баланс белого должен быть выставлен в соответствии с погодными условиями, так как фотосъемка происходит на улице. Информация на фотоснимках должна перекрываться примерно на 80%, при этом количество фотографий доходит до 0,5-2 тысяч, в зависимости от объекта. Размер фотографии в пикселях — максимально возможный для установленной на фотоаппарате матрицы. Оптическое и цифровое зуммирование не допускается.
Третий недостаток вытекает из второго — необходима профессиональная или / и полупрофессиональная техника. Так были использованы различные фотоаппараты от разных производителей, начиная от недорогих ультразумов и заканчивая зеркальным фотоаппаратом с сменными объективами. Экспериментально выяснилось, что, чем дороже фотоаппарат, тем более пригодны снимки, сделанные им, для фотограмметрии. Примерно та же тенденция наметилась относительно персонального компьютера, на который было возложено хранение и обработка всей собранной информации. При этом критичными ресурсами для обработки фотографий и построения трехмерной модели оказались пропускные способности шин материнской платы, объем оперативной памяти (чем больше — тем лучше), поколение центрального процессора, его тактовая частота и количество ядер, дисковое пространство HDD[6].
Применительно к программному обеспечению можно сказать, что бесплатный софт справляется с задачей построения 3D модели хорошо. Для реконструкции 3D моделей религиозных и гражданских построек этнографического музея использовались: AliceVision Meshroom — бесплатный пакет с открытым исходным кодом; пробные версии Agisoft Metashape и Autodesk ReCap Photo. Версии программ актуальны на момент написания статьи.
Создание объемной модели по фотографиям подразумевает ряд последовательных операций, зависящих друг от друга. На первом этапе происходит выравнивание плоских фотографий в объемном пространстве так, чтобы реконструируемый объект находился в центре. При этом происходит формирование разреженного облака точек. На втором этапе алгоритм по выровненным фотографиям и разряженному облаку просчитывает плотное облако точек, в результате чего реконструируемый объект обретает форму. Третий, предпоследний этап — формирование полигональной сетки на основе плотного облака точек. Четвертый этап — формирование текстуры либо на основе фотографий, либо на основе рассчитанного алгоритмом цвета каждой точки. В результате получается текстурированная высокополигональная модель. Полученные данные можно сохранять и использовать в порознь: отдельно облако точек, отдельно полигональную модель и отдельно текстуру.
Стоит отметить, что каждый этап трудоемкий. Так, например, на выравнивание 789 снимков карельского дома, находящегося на территории музея, ушло порядка 12,5 часов непрерывной работы персонального компьютера — центральный 8-ядерный процессор с тактовой частотой 3,4 ГГц был загружен на 97-100%. При этом оперативной памяти было использовано около 26 Гб, при пропускной способности плашки памяти DIMM DDR4 в 3200 МГц. При построении плотного облака компьютер работал 27 часов на полной нагрузке. Построение полигональной сетки потребовало еще 8 часов, текстурирование заняло 2 часа. Параметры расчетов для объекта были выставлены максимальные — так как необходимо было получить информационную модель, как можно точно отражающую свойства реального объекта. Результат работы можно наблюдать на рисунках 1-4.
Рис. 1. Карельский дом. Этнографический музей “Василево”. Разреженное облако точек. 6 247 040 точек.
Рис. 2. Карельский дом. Этнографический музей “Василево”. Плотное облако точек. 189 866 357 точек.
Рис. 3. Карельский дом. Этнографический музей “Василево”. Полигональная модель. 12 657 456 полигонов.
Рис. 4. Карельский дом. Этнографический музей “Василево”. Текстурированная модель.
Описанный опыт был получен в рамках реализации гранта Федерального агентства по делам молодежи (Росмолодежь) «Оцифровка памятников архитектурно-этнографического музея под открытым небом «Василёво» в Тверской области для будущих поколений (Digital history)».
Литература
- Молокова Т. А. Сохранение культурного наследия в России: исторический обзор // Общество: философия, история, культура. 2019. №4 (60). [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sohranenie-kulturnogo-naslediya-v-rossii-istoricheskiy-obzor (дата обращения: 25.11.2020).
- Б. а. История Кунсткамеры // Музей антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) Российской академии наук [Электронный ресурс]. URL: https://www.kunstkamera.ru/exposition/kunst_hist (дата обращения: 28.11.2020).
- Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» от 25.06.2002 N 73-ФЗ // КонсультантПлюс [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_37318/ (дата обращения: 28.11.2020).
- Государственный список памятников истории и культуры тверской области местного значения. Постановление Губернатора Тверской области от 26 октября 2000 года N468 // Гарант [Электронный ресурс]. URL: https://base.garant.ru/16309602/ (дата обращения: 25.11.2020).
- Б. а. Местные власти ничего не делают для поддержания памятников комплекса «Ширков погост» — священник. // Сетевое издание «БЛАГОВЕСТ-ИНФО» [Электронный ресурс] URL: http://www.blagovest-info.ru/index.php?ss=2&s=3&id=62924 (дата обращения: 22.11.2020).
- Joseph Azzam. Everything You Need to Know about Photogrammetry, I hope. // Gamasutra [Электронный ресурс]. URL: https://www.gamasutra.com/blogs/JosephAzzam/20170110/288899/Everything_You_Need_to_Know_about_Photogrammetry_I_hope.php (дата обращения: 14.10.2020).
Photogrammetry as a tool for digitizing historical and cultural heritage (on the example of objects of the architectural and ethnographic Museum «Vasilevo» of the Tver region)
M. N. Babaytsev
Tver regional Center for young technicians, Tver
The article describes the experience gained during the digitization of wooden buildings of the open-air ethnographic Museum «Vasilevo»in the Tver region by photogrammetry.
Photogrammetry, Museum complex, historical Informatics, digitization of monuments, architecture, wooden architecture, 3D model, point cloud, texture.
[1] Молокова Т. А. Сохранение культурного наследия в России: исторический обзор // Общество: философия, история, культура. 2019. №4 (60). [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sohranenie-kulturnogo-naslediya-v-rossii-istoricheskiy-obzor (дата обращения: 25.11.2020).
[2] Б. а. История Кунсткамеры // Музей антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) Российской академии наук [Электронный ресурс]. URL: https://www.kunstkamera.ru/exposition/kunst_hist (дата обращения: 28.11.2020).
[3] Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» от 25.06.2002 N 73-ФЗ // КонсультантПлюс [Электронный ресурс]. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_37318/ (дата обращения: 28.11.2020).
[4] Государственный список памятников истории и культуры тверской области местного значения. Постановление Губернатора Тверской области от 26 октября 2000 года N468 // Гарант [Электронный ресурс]. URL: https://base.garant.ru/16309602/ (дата обращения: 25.11.2020).
[5] Б. а. Местные власти ничего не делают для поддержания памятников комплекса «Ширков погост» — священник. // Сетевое издание «БЛАГОВЕСТ-ИНФО» [Электронный ресурс] URL: http://www.blagovest-info.ru/index.php?ss=2&s=3&id=62924 (дата обращения: 22.11.2020).
[6] Joseph Azzam. Everything You Need to Know about Photogrammetry, I hope. // Gamasutra [Электронный ресурс]. URL: https://www.gamasutra.com/blogs/JosephAzzam/20170110/288899/Everything_You_Need_to_Know_about_Photogrammetry_I_hope.php (дата обращения: 14.10.2020).