3D-моделирование наскальных рисунков Алтая с помощью трехмерного сканирования и фотограмметрии

Разновременные петроглифы Юго-Восточного Алтая сконцентрированы в долинах небольших рек, берущих начало на ледниках и впадающих в Чую. В высокогорье Алтая с древнейших времен сложились и развивались культуры, основанные на подвижном скотоводстве. Наиболее многочисленными археологическими объектами здесь являются петроглифы. В долине р. Чаган они выполнены в технике выбивки, гравировки, прошлифовки и непрерывным «ковром» покрывают скальные плоскости по берегам реки. Древние пласты перекрыты более поздними, многие фигуры подновлены. Документация на современном этапе включает картографирование, копирование петроглифов различными способами, фото-фиксацию на цифровые камеры для дальнейшего лабораторного изучения полученной информации. Наиболее информативны сохраненные трехмерные модели петроглифов, позволяющие изучать формы выбивок и гравировок, проявлять тончайшие линии, работая с точными параметрами глубины и формы рельефа скальной поверхности.

Часто наскальные рисунки бывают слабо различимы на поверхности камня и видимы только при использовании бокового освещения, что требует от исследователя работы в узкие промежутки времени восхода и заката, либо в темное время суток с применением осветительных приборов. При создании трехмерной модели возможно моделировать боковое освещение в виртуальной сцене и выявлять петроглифы наилучшим образом. Существует несколько основных способов получения трехмерных моделей, среди которых фотограмметрия, лазерное сканирование и сканирование методом структурированного подсвета. Фотограмметрия – один из самых доступных методов трехмерного моделирования реальных объектов на основе набора цифровых фотографий, произведенных под разными углами относительно объекта. Такой метод, прежде всего, удобен тем, что из технического оснащения требует только наличия цифровой фотокамеры и компьютера со специализированным программным обеспечением. С помощью фотограмметрии можно получить отно сительно точные трехмерные модели предметов с автоматически сгенерированными текстурами (информацией о цвете точек модели) [Черемисин и др., 2015]. Однако такой метод сложно применить для моделирования слабовыраженного рельефа наскального рисунка. Во-первых, зачастую соотношение глубины фигуры к ее ширине и длине настолько мало, что не может быть различимо программным алгоритмом при обработке ее фотографий, и приходится ограничить зону съемки небольшими фрагментами исследуемого сюжета. Во-вторых, при фотосъемке петроглифов со значительным увеличением и под углом к скальной поверхности встает проблема малой глубины резко сти изображаемого пространства, в результате чего только небольшая часть рисунка оказывается в зоне резкости. Этот факт также затрудняет работу программного алгоритма построения трехмерной модели или делает ее невозможной.

Лазерное сканирование основано на получении информации о расстоянии, пройденном сканиру- ющим лазерным лучом прибора до каждой точки пространства вокруг прибора. Данная технология позволяет строить довольно качественные трехмерные снимки окружающего пространства, однако лазерные сканирующие устройства являются весьма дорогостоящими и, как правило, не ориентированы на съемку мелких объектов и поверхностей со слабым рельефом. В отличие от других методов, трехмерное сканирование с использованием структурированного подсвета выдает высокую скорость получения модели и может быть применимо к относительно мелким предметам и слабым рельефам. Однако для трехмерного сканирования требуются особые условия освещенности: в условиях открытых пространств работу приходится выполнять фактически в ночное время, либо использовать специальные светофильтры, снижающие негативный эффект дневного света.

В 2016 г. перед коллективом авторов стояла задача продолжения и развития темы создания и обработки 3D-моделей петроглифов Кош-Агачско-го р-на Республики Алтай (правый берег р. Чаган) и организации базы данных по объектам культурного наследия региона. Местонахождение петроглифов Соок-Тыт включает изображения разных эпох от бронзового века до современности, выполненные в различной технике [Окладникова, 1988; Черемисин, 2003, 2006; Черемисин, Миклашевич, Бове, 2013], что позволяет опробовать технологии трехмерного сканирования для ряда различных типов скальных рельефов.

Для трехмерного сканирования использовался сканер RangeVision Standard с камерами улучшенного разрешения 5 Мп. После установки 5-мегапиксельных камер на второй зоне сканирования 3D-разрешение улучшилось с 0,23 мм до 0,12 мм. Таким образом, были получены следующие параметры сканирования: размер зоны сканирования 300 × × 225 × 225 мм; точность 3D-точки (среднеквадратичное отклонение) 0,05 мм; 3D-разрешение 0,12 мм; рабочее расстояние 0,52 м; разрешение камер 5 Мп; разрешение проектора 1280 × 800p; минимальное время создания одного снимка 15 с.

В рамках экспедиции 2016 г. коллективом авторов было выполнено трехмерное сканирование характерных петроглифов разных эпох, в т.ч. многофигурной композиции с изображением колесницы бронзового века (рис. 1).

К полученной модели колесницы был применен алгоритм для проявления рисунка, суть которого заключается в следующих шагах: 1) применить к полученной трехмерной модели поверхности алгоритм сглаживания рельефа; 2) наложить полученную сглаженную модель на оригинальную методом «вычитания» (рис. 2).

Рис. 1. Модель скальной плоскости с изображением колесницы, полученная при использования 3D-сканера на основе структурированного подсвета с камерами улучшенного разрешения .

Рис. 2. Модель скальной плоскости с изображением колесницы с выделением рисунка методом математического вычитания сглаженной модели из оригинальной.

Другим результатом полевых работ является построение трехмерной модели участка местности с расположенными на нем скальными поверхностями с петроглифами. 3D-модель собрана из нескольких фрагментов разного разрешения: общий план в среднем разрешении и отдельно скальные поверхности в высоком разрешении. На основе трехмерной модели был создан видеоролик с сюжетом «подлета»-приближения к скальной поверхности с рисунком.

При создании 3D-модели местности методом фотограмметрии было сделано 94 фотографии общего плана и 15 фотографий скальной поверхности отдельно. По полученным фотографиям соз- даны трехмерные модели в приложении Agisoft Photoscan Pro. Полученные фрагменты склеены в одну модель в том же приложении. С помощью приложения Autodesk 3D Max на основе созданной модели был создан видеоролик.

В результате осуществленных работ с применением 3D-сканера был разработан и развит способ получения качественных трехмерных моделей петроглифов за счет установки и применения камер улучшенного разрешения. Данная методика применялась для фиксации петроглифов, нанесенных на скалы различными способами, в частности в технике тонкой гравировки. Полученные результаты пригодны для удаленного изучения наскальных сюжетов в лабораторных условиях.

Была успешно отработана методика фотограмметрии местности и созданы трехмерная модель участка местности и видеоролик на основе модели. Полученные результаты, помимо научной ценности, полезны в образовательных и научно-просветительских целях.