О некоторых подходах к построению трехмерных моделей сооружения

УДК 902.26 528 https://doi.org/10.24852/2018.4.26.193.202

О НЕКОТОРЫХ ПОДХОДАХ К ПОСТРОЕНИЮ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ СООРУЖЕНИЯ

© 2018 г. Г.Х. Вафина, Л.В. Овечкина, Н.Р. Садриев, А.С. Старков

В статье приводится описание двух подходов к построению трехмерных моделей деревянных объектов на примере сооружения № 41, исследованного в раскопе «Татарская слободка» в селе Свияжск в 2011-2014 гг. Первый подход заключается в фотографировании собранного в пространстве сооружения и дальнейшее ее построение в программе Agisoft Photoscan. Модель, полученную таким способом, авторы назвали "монолитной". Второй подход основан на сборе сооружения на единой платформе из отдельных моделей деревянных элементов, входящих в его состав. Таким образом, авторами была построена "сборная" модель. В основе этих двух подходов лежат методы фотограмметрии. В ходе исследования было проведено сравнение методов получения "монолитной" и "сборной" моделей, каждая из которых имеет ряд преимуществ и недостатков. "Монолитная" отличается высокой скоростью получения модели и малым объемом занимаемой памяти. "Сборная" позволяет компоновать модель сооружения из элементов в компьютере без его фактического сбора в пространстве.

Ключевые слова: археология, фотограмметрия, Свияжск, сооружение, трехмерная модель, "монолитная" модель", "сборная" модель.

Фотограмметрия в археологических исследованиях. В век информационных технологий фотограмметрия как инструмент сохранения объектов культурного наследия находит широкое применение в археологических кругах. Помимо фотофиксации раскопов, склепов, погребений, горнов и других стационарных объектов, которые обнаруживаются во время полевых исследований, технологии фотограмметрии применяются и для построения моделей таких портативных объектов, как, например, археологические находки.

Метод фотограмметрии позволяет на основании наборов перекрывающихся фотоснимков определять положение и ориентацию камеры во время съемки, а также реконструировать плотные облака точек, полигональные модели по рассчитанной информации,

на основе чего могут быть сгенерированы цифровые модели и ортофото-планы (Смекалова, Кутайсов, 2017). Достоинством данного метода является быстрое и высокоточное получение достоверной информации о форме, размерах и пространственном положении объекта съемки, получение необходимой информации о текстуре, цвете объекта (Алексеева, Тышкевич, 2015). Построение трехмерных моделей артефактов позволяет проводить многократные измерения и исследования дистанционно и не разрушая объект интереса.

Фотограмметрические модели позволяют наиболее точно передать геометрию моделей (Кривощеков, 2013). На получаемых цифровых моделях можно проводить любые измерения, расчеты, получать разрезы, изучать положение отдельных элементов под

любым углом и с разных ракурсов, переводить их при необходимости в двухмерные чертежи и т. д. (Гусев, Ражев, 2014).

В рамках работ, связанных с созданием музея археологического дерева, был сформирован электронно-цифровой архив деревянных предметов, найденных в ходе археологических работ в раскопе «Татарская слободка» с. Свияжск.

Раскоп «Татарская Слободка». Археологические исследования на месте создания музея археологического дерева были проведены в 20112014 гг. в северо-восточной части с. Свияжск, на береговой линии. Эта территория в ХУ1-ХУИ вв. была занята посадом города-крепости. Работы были проведены силами сотрудников Института археологии им. А.Х. Хали-кова АН РТ, на общей площади около 2100 кв. м. Результатом проведенных археологических работ стало выявление остатков деревянной средневековой застройки, представленными остатками крупных жилых и хозяйственных построек, разделенные между собой сетью оград, улиц, переулков, тупиков. Мощность культурного археологического слоя достигала 300 см.

В ходе работ было выявлено более 250 сооружений, в том числе остатки деревянных надворных и заглубленных в землю построек ХУ1-ХУШ вв., многочисленные хозяйственные ямы. В соответствии со стратиграфическими наблюдениями до XVIII в. на данной территории насчитывается до 4 строительных периодов, состоящих из около 80 деревянных сооружений XVI-XVП вв.

I период (верхний) (конец XVII -начало XVIII в.) - представлен остат-

ками 8-9 домовладений и 25 постройками, 6 из которых, вероятно, носили жилой характер.

II период (середина XVII - конец XVII в.) - представлен 8 домовладениями, 7-8 домовладений из 24 построек, 4 из которых носили жилой характер.

III период (начало XVII - середина XVII в.) - представлен 8-9 домовладениями из 20 построек, 6 из которых носили жилой характер.

IV период (XVI - начало XVII в.) -представлен 7 домовладениями из 10 построек, 2 из которых носили жилой характер (Старков, в подгот.).

Построение трехмерных моделей сооружения. Общее количество деревянных элементов, из которых состояли обнаруженные конструкции, достигает 3200 единиц. Часть из них под действием различных факторов, ключевую роль в которых играет время, имеет плохую сохранность и непригодна для проведения фотографической съемки.

Однако большая часть найденных деревянных предметов находится в достаточно хорошем состоянии и удовлетворяет условиям проведения съемки с использованием методов фотограмметрии.

Более трех тысяч деревянных предметов было сфотографировано по специально разработанной методике. Полученные снимки затем применялись для создания трехмерных моделей. Кроме построения пространственных моделей бревен, были созданы десятки трехмерных моделей собранных сооружений.

На основе полученных материалов была предпринята попытка проведения сравнительного анализа трехмерных моделей, полученных двумя

Рис. 1. "Монолитная" модель сооружения. Fig. 1. "Monolithic" building model.

способами, в основе которых лежат методы фотограмметрии.

Одна модель создавалась в ходе фотографирования сооружения в собранном виде. Бревна были скомпонованы и подвешены в музее таким образом, как они располагались в раскопе во время их обнаружения. Этот собранный объект фотографировался с разных ракурсов и по серии фотографий получалась пространственная модель. Другими словами, создавалась одна «монолитная» модель объекта.

А другая модель собиралась на единой платформе из моделей отдельных бревен, созданных так же методами фотограмметрии. Каждое бревно, входящее в состав сооружения, фотографировалось отдельно, создавалась ее трехмерная модель. А затем в программе Autodesk 3ds Max все бревна объединялись в одно сооружение. Модель, созданную таким образом, назовем «сборной».

Естественно, что для получения этих двух моделей требуются разные усилия, затрачивается разное время съемки и обработки фотографий. В рамках данной работы мы рассматриваем некоторые преимущества и недостатки в создании «монолитной» и «сборной» модели.

Сравнение этих двух подходов к построению трехмерных моделей продемонстрируем на примере сооружения № 41, которое имеет вид сруба, из яруса II раскопа «Татарская слободка». По данным дендрохронологи-ческого исследования оно датируется XVII в. Данное сооружение имеет хорошую сохранность, состоит из 7 предметов.

«Монолитная» модель сооружения. Для построения «монолитной» модели сооружение было сфотографировано в собранном виде, подвешенном на потолке музея археологии дерева (рис. 1).

Фотофиксация имела ряд особенностей, связанных с пространственным размещением объекта фотографирования. Во-первых, сооружение было массивно, следовательно, неподъемно, а это значит, что не было возможности развернуть объект так, как это было необходимо с учетом особенностей освещения. Во-вторых, сооружение было подвешено, что соз-давалосложностифотографирования,-требовались дополнительные приспособления, в частности леса и стремянки, чтобы сфотографировать объект со всех сторон. Методика съемки предполагает фотографирование с перекрытием, поэтому затрачивалось

Рис. 2. Положение камер «монолитной» модели. Fig. 2. Arrangement of chambers in a "monolithic" model.

много времени на последовательную смену положения фотографа в пространстве.

Описанным методом на сооружение № 41 было сделано 174 снимка (рис. 2). Фотографирование производилось на фотоаппарат Canon 650D. Время проведения съемки рассчитывалось по данным из первого и последнего снимка серии фотографий. На съемку данного сооружения был затрачен 1 ч 21 мин.

Построение модели производилось в специальной программе Agisoft PhotoScan. Данная программа успешно применяется как для трехмерной реконструкции больших площадных раскопов при съемке с летательного аппарата, дрона (Verhoeven, 2013), подводной археологии и исследования затонувших объектов или целых поселений (Таскаев, 2010), получения моделей пещер (Леонов, Аникушкин, 2014), петроглифов и наскальных рисунков (Казаков, 2016), так и для документирования небольших археологических находок (Поврозник,

2015). Наложение масок на фотографии для исключения нежелательного фона из обработки в данном случае не было необходимым. Мы пренебрегли этим, так как это было бы весьма вре-мязатратным в связи с тем, что объект имеет на каждой фотографии сложную конфигурацию. Вместо наложения масок мы вырезали некорректные точки после построения плотного облака точек.

Всего модель сооружения № 41 содержит 21 908 565 точек плотного облака. Показателем качества, детальности модели можно назвать количество полигонов на модели. Их насчитывается 1 043 824.

Время компьютерной реконструкции без учета времени, затраченного на организацию процесса обработки заняло 53 минуты.

Итоговый размер папки, содержащей модель сооружения вместе с фотографиями, имеет вес 1,98 ГБ.

«Сборная» модель. Второй подход заключался в построении моделей отдельных предметов (рис. 3), входя-

Рис. 3. Модель бревна, входящего в состав "сборной" модели. Fig. 3. Model of a log comprising a "collective" model.

щих в состав сооружения, и компоновке их уже в электронном варианте.

Для каждого деревянного предмета была построена отдельная модель в программе Agisoft PhotoScan. Затем эти модели собирались в сооружение по схемам, предоставленным археологами, в программе Autodesk 3ds Max (рис. 4). Таким образом получалась «сборная» модель сооружения (рис. 5).

Методика съемки бревна несколько отличается от методики съемки сооружения. При фотофиксации поворачивалось бревно для получения серии фотографий, покрывающей всю поверхность предмета. При этом брев-

но по отношению к источнику света размещалось так, чтобы на предмет фотографирования не попадали посторонние тени и предметы, в частности тени фотографа. Тем самым необходимость наложения масок на сам предмет отпадала. Маски накладывались только на пространство вокруг бревна, так как оно каждый раз поворачивалось в среднем на 45°, а фон оставался неизменным, что в свою очередь могло привести к некорректной сшивке фотографий.

Всего для построения 7 моделей бревен потребовалось сделать 1251 кадр. В среднем на каждое бревно было сделано по 178 снимка (рис. 6).

Рис. 4. Бревна, входящие в состав сооружения №41. Fig. 4. Logs from building No.41.

Рис. 5. "Сборная" модель сооружения № 41.

Fig. 5. "Collective" model of building No.41.

На съемку было затрачено 4 часа 30 минут, а на дальнейшую обработку -6 часов 35 минут 36 секунд. При этом затрачивалось примерно 5 часов 12 минут на наложение масок при средней скорости накладывания 4 маски/ минуту.

Плотное облако полученной модели насчитывает 164 745 830 точек, а модель состоит из 8 190 282 полигонов. Итоговая папка, содержащая модель сооружения вместе с фотографиями, занимает объем памяти в 10,1 ГБ.

Сравнительный анализ «монолитной» и «сборной» моделей. Мы

применили два разных подхода к построению модели одного и того же сооружения. Каждая из использованных методов имеет свои преимущества и недостатки.

Для сравнения результатов этих способов использовался ряд критериев, который представлен в таблице 1.

Если сравнивать скорость фотофиксации и построения модели, то здесь явное превосходство «моно-

Рис. 6. Положение камер бревна, входящего в 41 сооружение. Fig. 6. Arrangement of log chambers from building No. 41.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики "монолитной" и "сборной" моделей.

Критерий "Монолитная" модель "Сборная" модель Отношение параметров "сборной" модели к "монолитной"

Количество фотографий 174 1251 7,2

Время проведения съемки 1ч 21 мин. 4 ч 30 мин 3,3

Время накладывания маски - 5 ч 12 мин -

Время обработки (построения плотного облака точек, модели и текстуры) 23 мин 57 сек 2 ч 43 мин 8 сек 6,8

Время поиска соответствий и выравнивания 29 мин 03 сек 3ч 52 мин 28 сек 8

Количество точек плотного облака 21 908 565 164 745 830 7,5

Количество полигонов модели 1 043 824 8 190 282 7,8

Количество вершин модели 522 070 4 095 259 7,8

Вес готового файла 1,98 ГБ 10,1 ГБ 5,1

литной» модели. На «сборную» модель мы потратили в 7 раз больше усилий, так как создавали 7 моделей. Как известно, чаще всего если мы выигрываем в качестве, то мы неизбежно проигрываем в количестве. На «сборную» модель мы сделали в 7,2 раза больше фотографий, которые в 7,4 раза дольше обрабатывали. Но вместе с тем мы получили модель, количество плотных точек которой в 7,5 раза, а полигонов и вершин в 7,8 раза больше, следовательно, и детальнее, подробнее, чем у «монолитной».

Недостатком «монолитной» модели можно назвать его статичность. В ходе сборки сооружения каждое бревно может иметь множество различных положений в пространстве, но человек, собирающий его, располагает одним-единственным образом. В дальнейшем построенная модель монолитного сооружения не может изменяться. В этой модели мы не можем подвинуть бревно, убрать или заменить его. Изменение положения бревен в сооружении могло бы от-

крыть новые горизонты для научных археологических поисков и заставить по-новому взглянуть на объект исследования. В связи с этим «сборная» модель является более перспективной для дальнейших исследований сооружения с использованием электронно-цифровых ресурсов.

При формировании архива немаловажную роль играет объем памяти, занимаемый каждым объектом. Файл модели сооружения не содержит сами изображения, а только ссылается на их расположение на компьютере. В связи с этим для работы с моделью в программе Agisoft Photoscan необходимо наличие папки с фотографиями. Вес готового файла «монолитной» модели в 5,1 раз меньше, чем «сборной». Это значит, что для хранения «монолитной» модели нужно меньше места на диске.

Таким образом, мы пришли к выводу, что если перед исследователем стоит задача визуализации сооружения в короткие сроки, то лучше подойдет применение метода «моно-

литной» модели. Если по каким-либо причинам отсутствует возможность сборки сооружения в пространстве, то можно построить модели отдель-

ных бревен, входящих в состав сооружения, и собрать их воедино методом «сборной» модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеева А.С., Тышкевич А.В. Применение метода цифровой фотограмметрии как средства моделирования в обследовании и реконструкции памятников архитектуры // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы 15 Между-нар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 30 октября 2015г. / Отв. ред. Г.М. Скибин. Новочеркасск: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова ЮРГПУ (НПИ), 2015. С. 1-8.

2. Гусев Ал.В., Ражев ДИ., Слепченко С.М., Зайцева О.В., Пушкарев А.А., Водясов Е.В., Вавулин М.В. Археологических комплекс Зеленый Яр: новые технологии полевых исследований // Уральский исторический вестник. 2014. № 2(43). С. 89-96.

3. Казаков В.В. Применение информационных технологий в задачах лаборатории мультидисциплинарных исследований первобытного искусства Евразии НГУ // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Информационные технологии. 2016. Т. 14. № 4. С. 50-57.

4. Кривощеков С.А. Способы определения размеров объектов и расстояний между ними по изображению, зафиксированному фото- или видеокамерой с неизвестными параметрами, при помощи фотограмметрического программного обеспечения // Теория и практика судебной экспертизы. 2013. №3(31). С. 46-52.

5. Леонов А.В., Аникушкин М.Н., Бобков А.Е., Рысь И.В., Козликин М.Б., Шунь-ковМ.В., Деревянко А.П., Батурин Ю.М. Создание виртуальной 3D-модели Денисовой пещеры // Археология, этнография и антропология Евразии. 2014. № 3(59). С. 14-20.

6. Поврозник Н.Г. Виртуальный музей: сохранение и репрезентация историко-культурного наследия. // Вестник Пермского университета. Серия История. 2015. Вып. 4(31). С. 213-221.

7. Смекалова Т.Н., Кутайсов В.А. Археологический атлас Северо-Западного Крыма. Эпоха поздней бронзы. Ранний железный век. Античность / Археологические атласы Северного Причерноморья. Т. II. Вып. XVIII. СПб: Алетейя, 2017, 448 с.

8. Старков А. С. в подгот. Отчет об археологических исследованиях "Татарская Слободка" на территории села Свияжск в Зеленодольском районе Республики Татарстан в 2012 году / НФ МАРТ ИА им. А.Х. Халикова.

9. Таскаев В.Н. Методика проведения подводно-археологических работ // Вопросы подводной археологии. 2010. № 1. С. 45-95.

10. Verhoeven G., Sevara Ch., Karel W., Ressel C., Doneus M., Briese Ch. Undistorting the Past: New Techniques for Orthorecitification of Archaeological Aerial Frame Imagery // Good Practice in Archaeological Diagnostics, Non-invasive survey of complex archaeological sites. Dordrecht: Springer International Publishing. 2013. P. 31-68.

Информация об авторах:

Вафина Гульнур Харисовна, техник, Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ (г. Казань, Россия); vafina.gulnur5@mail.ru

Овечкина Людмила Викторовна, техник, Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ (г. Казань, Россия); olv93@mail.ru

Садриев Наиль Равилевич, научный сотрудник, Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ (г. Казань, Россия); nail.sad@mail.ru

Старков Андрей Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ (г. Казань, Россия); 2647425@mail.ru

Ba$una r.X, OeenKuna H.B., Cadpuee H.P, Cmapme A.C.

APPROACHES TO THE GENERATION OF THREE-DIMENSIONAL BUILDING MODELS

G.Kh. Vafina, L.V. Ovechkina, N.R. Sadriev, A.S. Starkov

The authors describe two approaches to the construction of three-dimensional models of wooden objects on the example of building No. 41, found in the excavation "Tatar Slobodka" in the village of Sviyazhsk in 2011-2014. The first approach is to photograph the assembled space in the building and continue its construction in the program Agisoft Photoscan. The model obtained in this way, has been called by the authors "monolithic". The second approach is based on the collection of structures on a single platform from individual models of wooden elements that make up its structure. Thus a "combined" model has been constructed by the authors. Two approaches was based on photogrammetry methods. In the course of the study, a comparison was made between the methods of obtaining "monolithic" and "composite" models, each of which has a number of advantages and disadvantages. "Monolithic" is characterized by high speed of the model and a small amount of memory. "Combined" model allows you to compose the model of the building from the elements in the computer without its actual collection in space.

Keywords: archaeology, photogrammetry, Sviyazhsk, construction, three-dimensional model, "monolithic" model, "composite" model.

REFERENCES

1. Alekseeva, A. S., Tyshkevich, A. V. 2015. In Skibin, G. M. (ed.). Informatsionnye tekhnologii v obsledovanii ekspluatiruemykh zdaniy i sooruzheniy (Information technologies in inspection of the operated buildings and constructions). Novocherkassk: Platov South-Russian State Polytechnic University, 1-8 (in Russian).

2. Gusev, Al. V., Razhev, D I., Slepchenk,o S. M., Zaytseva, O. V., Pushkarev, A. A., Vodyasov, E. V., Vavulin, M. V. 2014. In Ural'skiy istoricheskiy vestnik (Ural Historical Journal) 2 (43). 89-96 (in Russian).

3. Kazakov, V. V. 2016. In Vestnik NGU (Vestnik Novosibirsk State University Series: Information Technologies). 14 (4). 50-57 (in Russian).

4. Krivoshhekov, S. A. 2013. In Teoriya i praktika sudebnoy ekspertizy (Theory and Practice of Forensic Science). 3(31). 46-52 (in Russian).

5. Leonov, A. V., Anikushkin, M. N., Bobkov, A. E., Rys', I. V., Kozlikin, M. B., Shun'kov, M.V., Derevyanko, A. P., Baturin, Yu. M. 2014. In Arkheologiia, etnografiia i antropologiia Evrazii (Archaeology, Ethnology & Anthropology of Eurasia) 59 (3), 14-20 (in Russian).

6. Povroznik, N. G. 2015. In Vestnik Permskogo universiteta. Seriia «Istoriia» (Bulletin of the Perm University. History Series) 31 (4), 213-221 (in Russian).

7. Smekalova, T. N., Kutaysov, V.A. 2017. Arkheologicheskie atlasy Severnogo Prichernomor'ya (Archaeological Atlases of the Northern Black Sea Region) II (XVIII). Saint Petersburg: "Aleteyya" Publ. (in Russian).

8. Starkov, A. S. (in preparation). Otchet ob arkheologicheskikh issledovaniyakh \"Tatarskaya Slobodka\" na territorii sela Sviyazhsk v Zelenodol'skom rayone Respubliki Tatarstan v 2012 godu (Report on Archaeological Research "Tatarskaya Slobodka " in the Territory of Sviyazhsk Village in the Zelenodolsk District of the Republic of Tatarstan in 2012). Kazan. Scientific Fund of the Museum of Archaeology of the Republic of Tatarstan, Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences (in Russian).

9. Taskaev, V. N. 2010. In Voprosy podvodnoy arkheologii (Issues of Underwater Archaeology) 1. 45-95 (in Russian).

10. Verhoeven, G., Sevara, Ch., Karel, W., Ressel, C., Doneus, M., Briese, Ch. 2013.In Good Practice in Archaeological Diagnostics, Non-invasive survey of complex archaeological sites. Dordrecht: Springer International Publishing. 31-68.

About the Authors:

Vafina Gulnur Kh. Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences. Butlerov Str., 30, Kazan, 420012, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; vafina.gulnur5@mail.ru

Ovechkina Lyudmila V. Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences. Butlerov Str., 30, Kazan, 420012, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; olv93@mail.ru

Sadriev Nail R. Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences. Butlerov Str., 30, Kazan, 420012, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; nail.sad@mail.ru

Starkov Andrej S. Institute of Archaeology named after A. Kh. Khalikov, Tatarstan Academy of Sciences. Butlerov Str., 30, Kazan, 420012, the Republic of Tatarstan, Russian Federation; 2647425@mail.ru

Статья поступила в номер 01.11.2018 г.