Файл: Математические методы в исторических исследованиях виртуальная историческая реконструкция и трехмерное моделирование.docx
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 149
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
относится к объекту реконструкции, не визуализируется. Таким образом, виртуальная реконструкция, полученная данным методом, несмотря на достоверность становится вырезанной из своей среды, что резко снижает интерес непрофессионального, массового зрителя [28].
Суть научно-популярных ВР заключается в производстве виртуальных реконструкций, приближенных к реальным настолько, насколько этого требуют задачи проекта. Такой подход востребован, например, в индустрии документальных кинофильмов, исторических программах и др., так как получаемый в результате подобной реконструкции «материал» в силу технических особенностей удобен в дальнейшем использовании (создание цифровых изображений на плоскости, анимации и др.). Достоинства такого подхода – высокая скорость создания объектов. С другой стороны, детали, которые не несут смысловой нагрузки, не нужны по сюжету и незаметны зрителю, намеренно упрощаются.
Опыт разработки виртуальных реконструкций коллективом ГИ СФУ – это реализация авторского «комбинированного» подхода. Богатая источниковая база и специальные приемы в моделировании, ориентированные на воссоздание всех деталей виртуальной реконструкции, определяют историческую достоверность проекта. При моделировании окружения объекта историко-культурного наследия повышенное внимание уделяется ландшафту и другим деталям для создания цельного и приятного глазу изображения. Кроме того, для этого применяются дополнительные программные пакеты, направленные на улучшение при визуализации картинки: они рассчитывают отблески штукатурки, травы, плотность воздуха и др., позволяя получить высококачественное изображение.
Реализация авторского метода при разработке ВИР возможна только при наличии междисциплинарной группы, каждый исследователь в которой решает специализированные задачи. Соответственно, для успешного выполнения проекта особую значимость приобретает процесс научно-методического сопровождения работ, планирования этапов ее реализации и закрепления ответственности на каждом из этапов между участниками проекта.
1.3 Проекты виртуальных реконструкций
Виртуальная реконструкция объектов историко-культурного наследия – сложный научно-исследовательский процесс с поиском ресурсов и аналогов, четким алгоритмом, уникальным для каждого проекта. Ниже приводится несколько примеров, демонстрирующих широкие возможности виртуальных реконструкций.
Rome Reborn – Возрожденный Рим [29]. В 1996 г. профессор факультета искусств университета Вирджиния Бернард Фришер (Bernard Frischer) основал виртуальную лабораторию всемирного наследия (Virtual World Heritage Laboratory, University of Virginia) [30]. Одним из результатов работы лаборатории стал серьезный международный проект (США-Италия), представляющий собой виртуальную реконструкцию Древнего Рима периода конца бронзового века (прим. 1000 до н.э.) до раннего Средневековья (прим. 550 н.э.). Именно тогда население Рима достигло своего количественного пика, сопряженного со строительством основных христианских церквей.
Rome Reborn 1.0 (см. рис. 1) – первая версия аутентичной виртуальной модели Рима периода правления римского императора Константина Великого (320 год до н.э.) – датируется 2007 г. Указанная реконструкция представляет собой цифровую карту местности, охватывающую 250 детализированных и 6750 схематических построек того времени.
Рис.1. Rome Reborn 1.0. Римский форум
На данный момент с применением новых современных технологий (процедурные модели, использование визуализатора Mental Ray и т.д.) создана усовершенствованная версия проекта Rome Reborn 2.1 (см. рис.2).
Рис.2 Rome Reborn 2.1. Римский форум
Кроме того, созданная модель была импортирована в ресурс Google Earth, благодаря чему с ней смогли познакомиться пользователи во всем мире (см. рис.3).
Рис. 3. Ресурс Google Earth. Колизей
Лаборатория всемирного наследия при Университете передовых технологий в гуманитарных науках занимается не только виртуальной реконструкцией Рима: на ее счету четыре проекта, одним из которых является проект по оцифровке и виртуальной реконструкции скульптур – The Digital Sculpture Project [24] (см. рис. 4).
Рис. 4. – Виртуальная реконструкция статуи Эпикура. Слева направо: торс Эпикура с «чужой» головой и неправильным положением правой руки; голова Эпикура; результат виртуальной реконструкции
Собор Покрова Пресвятой Богородицы на Рву (Собор Василия Блаженного). Объекты всемирного культурного наследия, в том числе хорошо сохранившиеся, вызывают повышенный интерес у разработчиков виртуальных реконструкций. В результате проектными группами и компаниями, а также отдельными пользователями создаются реконструкции одного и того же объекта.
Так, к 125-летию Государственного исторического музея компания «New Media Generation» совместно с компанией «Кирилл и Мефодий» выполнила проект, представляющий собой виртуальную реконструкцию Собора Василия Блаженного (см. рис. 5). Проект выполнен в формате мультимедийной экскурсии и знакомит пользователя с экстерьером и интерьером памятника.
Рис. 5. Виртуальная реконструкция Собора Василия Блаженного. Компания «New Media Generation»
Компания «Vizerra», специализирующаяся на создании интерактивных 3D-приложений, также осуществила виртуальную реконструкцию Собора в рамках создания виртуальной экскурсии по Красной площади (см. рис.6).
Рис. 6. Виртуальная реконструкция Собора Василия Блаженного. Компания «Vizerra»
Оба проекта доступны пользователям, однако ВР компании «New Media Generation» представляет собой локальный ресурс, который распространяется на DVD, а ВР, созданная компанией «Vizerra», является приложением и представлена в числе других реконструкций на их сайте [32].
Следующий проек – «Виртуальная реконструкция археологического комплекса Старой Ладоги – первой в череде столиц Российского государства» [33], выполненная в сотрудничестве с музеем-заповедником «Старая Ладога»». Первой особенностью этого проекта можно считать появление коллекций. Так, коллекция наконечников стрел содержит более ста различных моделей, что не каждый реальный музей может себе позволить, коллекция украшений содержит около девяноста моделей. Второй особенностью, по сравнению с предыдущим проектом, является использование анимации моделей для реконструкции процессов, в данном случае производственных. На сайте проекта представлены реконструкции нескольких приемов построения срубного дома, процессов изготовления проволоки и изготовления украшений методом литья по восковой модели (см. рис. 7). Трехмерные компьютерные модели застройки Старой Ладоги в различные периоды времени позволили создать реконструкцию процесса исторической застройки средневекового поселения.
Рис. 7. Реконструкция приемов строительства срубного дома. Автор А. Борисова, рук. С.В. Швембергер
В проекте было продолжено использование компьютерных моделей для реконструкции исторических процессов. В частности, представлены ключевые сражения соответствующего исторического периода, процессы миграции населения, развитие торговых путей. Компьютерные реконструкции оказались востребованными не только при изложении учебного материала, но и при формировании тестов и проверочных заданий.
2 Трехмерное моделирование объектов историко-культурного наследия:
международный опыт
2.1 Эволюция методов и подходов применения технологий трехмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях
Процесс развития компьютерных технологий привёл к расширению инструментария историка: новые инструменты анализа, репрезентации исторических источников обогатились базами данных, программами лингвистического анализа текста, геоинформационными системами (ГИС); позднее в этот круг вошли программы трёхмерного моделирования.
Появившаяся в западных и частично в российских научных изданиях серия статей (за рубежом начиная с 1990-х гг., в России – с 2000-х гг.), посвящённых применению технологий трёхмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях, способствовала выработке научной базы методик работы с 3D-инструментарием, формированию новых подходов к анализу, синтезу и репрезентации источникового материала.[7]
Научные коллективы, лаборатории, исследовательские центры, в некоторых случаях компьютерные компании, специализирующиеся на построении виртуальных реконструкций, ставили разные задачи; результаты их работы можно разделить на две группы:
1)«экскурсионно-туристические» реконструкции, дающие приблизительное представление о рассматриваемом объекте, без серьёзной проработки источниковой базы; в большинстве случаев основными разработчиками являются специализированные IT-фирмы, любители краеведы или музеи, привлекающие технических специалистов, а также специалисты по истории архитектуры;
2) научно обоснованные реконструкции с проработанной источниковой базой, наличием задачи исследования, характерны для научных коллективов как междисциплинарных, так и состоящих из специалистов гуманитарных областей, освоивших 3D-инструментарий.
Мы рассмотрим здесь второй тип виртуальных реконструкций. В отечественной историографии – в публикациях ассоциации «История и компьютер» [10], материалах международных конференций «Ломоносов» 2007–2009 гг. [10], EVA [11], на ряде всероссийских и региональных семинаров – освещались (наряду с собственными 3D- разработками) и проекты исследовательских групп, успешно применяющих технологии трёхмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях (в частности, таких зарубежных исследователей, как Bernard Frischer, Philippe Fleury, Sophie Madeleine, Manfred Koob, Norbert Zimmermann, Martha Sharp Joukowsky и др.).
Первые подходы и методы синтеза источников при использовании программ трехмерного моделирования были сформулированы ещё в1990-х гг. археологом Paul Reilly (University of Leeds) в ряде статей [34-37] и его монографии «Archaeology and the information age: a global perspective» [35]; он и стал основателем направления «виртуальная археология» (англ. virtual archaeology, digital archaeology, laser archaeology). Разработанная им методологическая база оказала определённое влияние на формирование новых прикладных областей virtual paleoantropology и digital history.
Предложенный Paul Reilly подход основывался на использовании 3D-технологий посредством замены реального найденного артефакта трёхмерной моделью. Исследователь в результате получал возможность проводить различные манипуляции над «цифровым» аналогом объекта в компьютерной программе. В итоге сама трехмерная модель выступала не предметом, а объектом исследования.[1]
Второй подход к анализу исторических источников и археологических данных, выработанный Paul Reilly, основывается на данных научного эксперимента, моделировать который были призваны трёхмерные программы. В результате подобного эксперимента появляется возможность подтвердить или опровергнуть ту или иную научную гипотезу: об особенностях структуры объекта, его функциональном назначении, прочностных характеристиках, месте и времени изучаемого исторического события.[2]
В рамках теории «компьютерного эксперимента»различными исследовательскими группами, лабораториями, IT-фирмами были предложены методики анализа археологических данных и исторических источников на основе программ трёхмерного моделирования.
- Методика компьютерного анализа прочностных характеристик строения для снятия гипотез, не выдерживающих критики с технической стороны.В решении каких задач данная методика может дать положительные результаты? Если мы говорим об объектах, по которымсохранился ограниченный источниковый материал (например, античные постройки, от которых в большинстве случаев до нас дошёл толькофундамент), но имеется ряд возможных аналогов изучаемого строения,полезным может оказаться анализ вариантов в программной среде трёхмерных редакторов, таких как ArhiCAD, AutoCAD, Autodesk 3D Max,Catiya и т.д. В результате эксперимента отдельные варианты строениямогут не выдержать проверки по прочностным характеристикам. Примеры – моделирование прочностных характеристик гипотетическихвариантов облика античной базилики Крузе в Херсонесе [2]; анализы реконструкция технологий строительства пирамиды Khufu, проверка гипотезы о веерных туннелях французскими исследователями: археологом Robert Brier, архитектором Jean-Pierre Houdin, сотрудникамиMuseum of Fine Arts, Boston и IT-компании Dassault Systèmes [6].
Суть научно-популярных ВР заключается в производстве виртуальных реконструкций, приближенных к реальным настолько, насколько этого требуют задачи проекта. Такой подход востребован, например, в индустрии документальных кинофильмов, исторических программах и др., так как получаемый в результате подобной реконструкции «материал» в силу технических особенностей удобен в дальнейшем использовании (создание цифровых изображений на плоскости, анимации и др.). Достоинства такого подхода – высокая скорость создания объектов. С другой стороны, детали, которые не несут смысловой нагрузки, не нужны по сюжету и незаметны зрителю, намеренно упрощаются.
Опыт разработки виртуальных реконструкций коллективом ГИ СФУ – это реализация авторского «комбинированного» подхода. Богатая источниковая база и специальные приемы в моделировании, ориентированные на воссоздание всех деталей виртуальной реконструкции, определяют историческую достоверность проекта. При моделировании окружения объекта историко-культурного наследия повышенное внимание уделяется ландшафту и другим деталям для создания цельного и приятного глазу изображения. Кроме того, для этого применяются дополнительные программные пакеты, направленные на улучшение при визуализации картинки: они рассчитывают отблески штукатурки, травы, плотность воздуха и др., позволяя получить высококачественное изображение.
Реализация авторского метода при разработке ВИР возможна только при наличии междисциплинарной группы, каждый исследователь в которой решает специализированные задачи. Соответственно, для успешного выполнения проекта особую значимость приобретает процесс научно-методического сопровождения работ, планирования этапов ее реализации и закрепления ответственности на каждом из этапов между участниками проекта.
1.3 Проекты виртуальных реконструкций
Виртуальная реконструкция объектов историко-культурного наследия – сложный научно-исследовательский процесс с поиском ресурсов и аналогов, четким алгоритмом, уникальным для каждого проекта. Ниже приводится несколько примеров, демонстрирующих широкие возможности виртуальных реконструкций.
Rome Reborn – Возрожденный Рим [29]. В 1996 г. профессор факультета искусств университета Вирджиния Бернард Фришер (Bernard Frischer) основал виртуальную лабораторию всемирного наследия (Virtual World Heritage Laboratory, University of Virginia) [30]. Одним из результатов работы лаборатории стал серьезный международный проект (США-Италия), представляющий собой виртуальную реконструкцию Древнего Рима периода конца бронзового века (прим. 1000 до н.э.) до раннего Средневековья (прим. 550 н.э.). Именно тогда население Рима достигло своего количественного пика, сопряженного со строительством основных христианских церквей.
Rome Reborn 1.0 (см. рис. 1) – первая версия аутентичной виртуальной модели Рима периода правления римского императора Константина Великого (320 год до н.э.) – датируется 2007 г. Указанная реконструкция представляет собой цифровую карту местности, охватывающую 250 детализированных и 6750 схематических построек того времени.
Рис.1. Rome Reborn 1.0. Римский форум
На данный момент с применением новых современных технологий (процедурные модели, использование визуализатора Mental Ray и т.д.) создана усовершенствованная версия проекта Rome Reborn 2.1 (см. рис.2).
Рис.2 Rome Reborn 2.1. Римский форум
Кроме того, созданная модель была импортирована в ресурс Google Earth, благодаря чему с ней смогли познакомиться пользователи во всем мире (см. рис.3).
Рис. 3. Ресурс Google Earth. Колизей
Лаборатория всемирного наследия при Университете передовых технологий в гуманитарных науках занимается не только виртуальной реконструкцией Рима: на ее счету четыре проекта, одним из которых является проект по оцифровке и виртуальной реконструкции скульптур – The Digital Sculpture Project [24] (см. рис. 4).
Рис. 4. – Виртуальная реконструкция статуи Эпикура. Слева направо: торс Эпикура с «чужой» головой и неправильным положением правой руки; голова Эпикура; результат виртуальной реконструкции
Собор Покрова Пресвятой Богородицы на Рву (Собор Василия Блаженного). Объекты всемирного культурного наследия, в том числе хорошо сохранившиеся, вызывают повышенный интерес у разработчиков виртуальных реконструкций. В результате проектными группами и компаниями, а также отдельными пользователями создаются реконструкции одного и того же объекта.
Так, к 125-летию Государственного исторического музея компания «New Media Generation» совместно с компанией «Кирилл и Мефодий» выполнила проект, представляющий собой виртуальную реконструкцию Собора Василия Блаженного (см. рис. 5). Проект выполнен в формате мультимедийной экскурсии и знакомит пользователя с экстерьером и интерьером памятника.
Рис. 5. Виртуальная реконструкция Собора Василия Блаженного. Компания «New Media Generation»
Компания «Vizerra», специализирующаяся на создании интерактивных 3D-приложений, также осуществила виртуальную реконструкцию Собора в рамках создания виртуальной экскурсии по Красной площади (см. рис.6).
Рис. 6. Виртуальная реконструкция Собора Василия Блаженного. Компания «Vizerra»
Оба проекта доступны пользователям, однако ВР компании «New Media Generation» представляет собой локальный ресурс, который распространяется на DVD, а ВР, созданная компанией «Vizerra», является приложением и представлена в числе других реконструкций на их сайте [32].
Следующий проек – «Виртуальная реконструкция археологического комплекса Старой Ладоги – первой в череде столиц Российского государства» [33], выполненная в сотрудничестве с музеем-заповедником «Старая Ладога»». Первой особенностью этого проекта можно считать появление коллекций. Так, коллекция наконечников стрел содержит более ста различных моделей, что не каждый реальный музей может себе позволить, коллекция украшений содержит около девяноста моделей. Второй особенностью, по сравнению с предыдущим проектом, является использование анимации моделей для реконструкции процессов, в данном случае производственных. На сайте проекта представлены реконструкции нескольких приемов построения срубного дома, процессов изготовления проволоки и изготовления украшений методом литья по восковой модели (см. рис. 7). Трехмерные компьютерные модели застройки Старой Ладоги в различные периоды времени позволили создать реконструкцию процесса исторической застройки средневекового поселения.
Рис. 7. Реконструкция приемов строительства срубного дома. Автор А. Борисова, рук. С.В. Швембергер
В проекте было продолжено использование компьютерных моделей для реконструкции исторических процессов. В частности, представлены ключевые сражения соответствующего исторического периода, процессы миграции населения, развитие торговых путей. Компьютерные реконструкции оказались востребованными не только при изложении учебного материала, но и при формировании тестов и проверочных заданий.
2 Трехмерное моделирование объектов историко-культурного наследия:
международный опыт
2.1 Эволюция методов и подходов применения технологий трехмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях
Процесс развития компьютерных технологий привёл к расширению инструментария историка: новые инструменты анализа, репрезентации исторических источников обогатились базами данных, программами лингвистического анализа текста, геоинформационными системами (ГИС); позднее в этот круг вошли программы трёхмерного моделирования.
Появившаяся в западных и частично в российских научных изданиях серия статей (за рубежом начиная с 1990-х гг., в России – с 2000-х гг.), посвящённых применению технологий трёхмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях, способствовала выработке научной базы методик работы с 3D-инструментарием, формированию новых подходов к анализу, синтезу и репрезентации источникового материала.[7]
Научные коллективы, лаборатории, исследовательские центры, в некоторых случаях компьютерные компании, специализирующиеся на построении виртуальных реконструкций, ставили разные задачи; результаты их работы можно разделить на две группы:
1)«экскурсионно-туристические» реконструкции, дающие приблизительное представление о рассматриваемом объекте, без серьёзной проработки источниковой базы; в большинстве случаев основными разработчиками являются специализированные IT-фирмы, любители краеведы или музеи, привлекающие технических специалистов, а также специалисты по истории архитектуры;
2) научно обоснованные реконструкции с проработанной источниковой базой, наличием задачи исследования, характерны для научных коллективов как междисциплинарных, так и состоящих из специалистов гуманитарных областей, освоивших 3D-инструментарий.
Мы рассмотрим здесь второй тип виртуальных реконструкций. В отечественной историографии – в публикациях ассоциации «История и компьютер» [10], материалах международных конференций «Ломоносов» 2007–2009 гг. [10], EVA [11], на ряде всероссийских и региональных семинаров – освещались (наряду с собственными 3D- разработками) и проекты исследовательских групп, успешно применяющих технологии трёхмерного моделирования в исторических и археологических исследованиях (в частности, таких зарубежных исследователей, как Bernard Frischer, Philippe Fleury, Sophie Madeleine, Manfred Koob, Norbert Zimmermann, Martha Sharp Joukowsky и др.).
Первые подходы и методы синтеза источников при использовании программ трехмерного моделирования были сформулированы ещё в1990-х гг. археологом Paul Reilly (University of Leeds) в ряде статей [34-37] и его монографии «Archaeology and the information age: a global perspective» [35]; он и стал основателем направления «виртуальная археология» (англ. virtual archaeology, digital archaeology, laser archaeology). Разработанная им методологическая база оказала определённое влияние на формирование новых прикладных областей virtual paleoantropology и digital history.
Предложенный Paul Reilly подход основывался на использовании 3D-технологий посредством замены реального найденного артефакта трёхмерной моделью. Исследователь в результате получал возможность проводить различные манипуляции над «цифровым» аналогом объекта в компьютерной программе. В итоге сама трехмерная модель выступала не предметом, а объектом исследования.[1]
Второй подход к анализу исторических источников и археологических данных, выработанный Paul Reilly, основывается на данных научного эксперимента, моделировать который были призваны трёхмерные программы. В результате подобного эксперимента появляется возможность подтвердить или опровергнуть ту или иную научную гипотезу: об особенностях структуры объекта, его функциональном назначении, прочностных характеристиках, месте и времени изучаемого исторического события.[2]
В рамках теории «компьютерного эксперимента»различными исследовательскими группами, лабораториями, IT-фирмами были предложены методики анализа археологических данных и исторических источников на основе программ трёхмерного моделирования.
- Методика компьютерного анализа прочностных характеристик строения для снятия гипотез, не выдерживающих критики с технической стороны.В решении каких задач данная методика может дать положительные результаты? Если мы говорим об объектах, по которымсохранился ограниченный источниковый материал (например, античные постройки, от которых в большинстве случаев до нас дошёл толькофундамент), но имеется ряд возможных аналогов изучаемого строения,полезным может оказаться анализ вариантов в программной среде трёхмерных редакторов, таких как ArhiCAD, AutoCAD, Autodesk 3D Max,Catiya и т.д. В результате эксперимента отдельные варианты строениямогут не выдержать проверки по прочностным характеристикам. Примеры – моделирование прочностных характеристик гипотетическихвариантов облика античной базилики Крузе в Херсонесе [2]; анализы реконструкция технологий строительства пирамиды Khufu, проверка гипотезы о веерных туннелях французскими исследователями: археологом Robert Brier, архитектором Jean-Pierre Houdin, сотрудникамиMuseum of Fine Arts, Boston и IT-компании Dassault Systèmes [6].