Использование 3D-моделирования для реконструкции артефактов с зеркальной симметрией

Методы трехмерного моделирования в археологии активно развиваются и используются учеными в своих исследованиях. Это развитие позволяет проводить более глубокий анализ археологических артефактов, например, восстанавливать потерянные или разрушенные части с более высокой точностью, чем ранее это было доступно реставраторам. Трехмерное сканирование активно применяется для моделирования и последующего не инвазивного анализа артефактов, например предоставляя возможность создавать точные продольные и поперечные сечения объектов, что особенно полезно при исследовании хрупких предметов. Важным преимуществом трехмерного моделирования является возможность восстановления облика потерянных или разрушенных частей артефактов. Главный принцип реконструкции археологических предметов связан с выявлением оси симметрии, которая позволяет зеркально отображать предметы и достраивать их части. Зеркальная симметрия основывается на специфическом расположении совпадающей локальной информации. При наличии у предмета оси симметрии ученые могут предположить, что одна из частей будет идентична другой части и при совмещении этих частей совпадение будет близко или равно 100 %. Метод реконструкции, основанный на выявлении оси симметрии артефактов, активно применяется к керамическим изделиям [Karasik, Smilansky 2008; Stamatopoulos, Anagnostopoulos, 2016], а также к разнообразным объектам, включая предметы искусства [Kolobova et al., 2019], каменные артефакты и другие [Freidline et al., 2012; Chen et al., 2019]. В предлагаемой статье трехмерное моделирование применяется для реконструкции борта паза костяного составного орудия.

Исследование пазовых орудий представляет собой сложную задачу, так как небольшой размер пазов усложняет проведение точных мануальных измерений. Для преодоления этой сложности в археологических исследованиях успешно применяется трехмерное сканирование и компьютерная томография. Эти методы позволяют создавать трехмерные модели пазовых орудий, которые, в свою очередь, могут быть подвергнуты неинвазивной обработке [Miles at al., 2016; Vigorelli et al., 2022], включая возможность получения точных продольных и поперечных сечений. Такой подход имеет важное значение для анализа метрических характеристик и классификации орудий, а также для реконструкции процессов их изготовления [Бочарова, Чистяков, Жданов, 2021].

Фрагмент составного пазового костяного орудия происходит из комплекса местонахождения Усть-

Ёдарма II, в устье р. Ёдармы, левого притока р. Ангары (Усть-Илимский р-н Иркутской обл.), в 91 км на север от нижнего бьефа плотины Усть-Илимской ГЭС [Лохов, Липнина, Дударек, 2023]. В настоящее время объект затоплен водами Богучанского водохранилища. За время спасательных работ 2009–2012 гг. на местонахождении вскрыты три толщи геологических образований субаквально-субаэральных отложений делювиального генезиса: позднего – раннего голоцена и верхнего плейстоцена, содержащих 12 уровней в интервале от начала верхнего палеолита до Средневековья (время освоения региона русскими первопроходцами в XVII–XVIII вв.) – этнографической современности (середина XX в.). Культуросодержащие уровни 1–4 отнесены к периодам от эпохи Средневековья до ранней бронзы – позднего неолита. Уровни 5–8 представлены артефактами эпохи неолита, уровни 9 и 10 содержат остатки материальной культуры мезолитического времени, уровни 11 и 12 – верхний палеолит [Там же].

Фрагмент происходит из уровня 7. Для этого уровня была получена серия из шести AMS-дат в диапазоне 6705 ± 85 – 7007 ± 54 л.н., что по региональной хронологической шкале относится к раннему неолиту, что также подтверждается обликом археологических находок этого уровня [Там же].

Представленный археологический фрагмент артефакта является обоймой составного орудия, предположительно изготовленной из ребра млекопитающего. У фрагмента один из бортов паза обломан, второй сохранился практически полно стью, разрушена небольшая часть на месте слома двух фрагментов. В проксимальной части фрагмента наблюдаются следы пиления, которые проходят поперечно с обеих сторон (рис. 1, 1 ). По внешнему краю со стороны обломанного борта паза отмечается яркий люстраж. На самой кромке сохранившегося борта паза, в том числе с внутренней стороны, фиксируется яркий блеск. Дистальная часть практически не обработана.

Сканирование осуществлялось сканером структурированного подсвета Range Vision Spectrum 3.1, с использованием поворотного стола без маркеров. Сканирование и дальнейшая обработка проводились при использовании стандартного протокола для сканирования артефактов сканерами структурированного подствета [Чистяков и др., 2019; Колобова и др., 2020; Чистяков, Бочарова, Колобова, 2021]. Разработка алгоритма и реконструкция борта паза проводилась в программе Geomagic Design X.

Рис. 1. Восстановление паза составного пазового орудия со стоянки Усть-Ёдарма.

1 – составное пазовое орудие со стоянки Усть-Ёдарма; 2 – интерфейс программы Geomagic Design X; 3 – определение восстанавливаемой области; 4 – составное пазовое орудие со стоянки Усть-Ёдарма, вид сверху; 5 – пример использования инструмента «Сплайн»; 6 – пример использования инструмента «Плоскость».

Разработанный алгоритм представляет собой попытку реконструкции борта паза костяной обоймы на основе отражения имеющихся частей обоймы. Важно отметить, что процесс восстановления в настоящее время не полностью завершен и требует дополнительных исследований и доработки.

Начальный этап работы включает в себя открытие объекта в Geomagic Design X, представленного в формате *.stl (рис. 1, 2). Затем определяется область, в которой будет проводиться восстановление. При этом в эту область должна быть включена часть сохранившегося участка предмета для возможности проецирования этой части на участки, которые не сохранились (рис. 1, 3). Далее намечаем места будущих поперечных сечений, используя инструмент «Плоскость» на тех участках, которые требуют восстановления / где будут далее созданы сечения. При анализе паза видно, что он не является идеально прямым (рис.1, 4). Созданные плоскости должны максимально близко повторять оригинальный изгиб объекта. Чтобы избежать искажений, мы создаем сплайн-линию, т.е. линию, которая соединяет несколько точек, отмеченных по центру самой глубокой части паза, в местах, где форма отклоняется от условной прямой. Для этого используем инструмент «Сплайн» в разделе «3D эскиз» и рисуем линию на участке, который требует восстановления (рис. 1, 5). Затем создаются плоскости в местах будущих поперечных сечений относительно этой линии с использованием инструмента «Плоскость» (в сегменте «Базовая Геометрия») в разделе «Модель», где выбирается метод «N-разделение» (рис. 1, 6) и указывается количество плоскостей (в данном случае 10).

Необходимо создать сечения на только что созданных плоскостях с использованием инструмента «Эскиз по сетке» в разделе «Эскиз». В появившемся меню выбирается нужная плоскость и не вносятся никакие изменения (рис. 2, 1 ). Таким образом мы получили поперечные сечения. Для дальнейшей работы создается эскиз с полученного сечения. Сечение может быть редактировано вручную или с ис-

Рис. 2. Последовательность действий при восстановлении паза составного пазового орудия со стоянки Усть-Ёдарма.

1 – пример использования инструмента «Эскиз по сетке»; 2 – пример использования инструмента «Автоэскиз»; 3 – настройки инструмента «Автоэскиз»; 4 – пример использования инструмента «Ось симметрии»; 5 – пример использования инструмента «Отразить»; 6 – промежуточный результат восстановления паза составного пазового орудия со стоянки Усть-Ёдарма.

пользованием функции «Автоэскиз» (рис. 2, 2 ), где параметры детализации устанавливаются на максимум, а погрешности – на минимум (рис. 2, 3 ). Стоит отметить, что в зависимости от сложности объекта и исследовательских задач эти параметры могут быть изменены.

Для определения центра паза и оси симметрии создается линия от самых дальних точек паза до нижней части с использованием инструмента «Ось симметрии» в разделе «Нарисовать» (рис. 2, 4). Эта линия будет представлять собой ось симметрии. Затем в разделе «Массив» находим инструмент «Отразить», выбираем ось симметрии и объекты для отражения (рис. 2, 5). После ось симметрии рекомендуется удалить, так как дальнейшие манипуляции с отраженными объектами могут повлиять на исходную модель. В процессе работы следует убедиться, что отраженные объекты не пересекаются с трещинами или повреждениями и их положение соответствует структуре оригинального паза (рис. 2, 6). Если это не так, подогнать скопированные объекты к основанию реконструируемой части, при необходимости можно воспользоваться инструментами в разделах «Нарисовать» и «Инструменты».

Далее этот процесс повторяется для всех созданных плоскостей. Важно обратить внимание на левую колонку меню, где отображаются все созданные элементы, которые могут быть отредактированы в любой момент. Однако изменения одного элемента могут повлиять на другие, поэтому следует быть осторожным. В верхней части меню отображаются все элементы, созданные в ходе работы, которые могут быть отредактированы в любой момент, а в нижней части можно управлять видимостью элементов или групп элементов, что полезно при работе с большим количеством объектов.

Результат работы представляет модель костяной обоймы (рис. 3), с которой в дальнейшем можно проводить различные измерения. Стоит отметить, что это реконструкция облика с возможными погрешностями и стоит это учитывать при дальнейшем исследовании.

Рис. 3. Результат восстановления паза составного пазового орудия со стоянки Усть-Ёдарма.

1 – поперечные сечения восстановленной области; 2, 3 – составное орудие с выделенной восстановленной областью; 4 – восстановленная область с наложением на модель составного орудия; 5 – поперечные сечения, наложенные на модель составного орудия; 6 – профиль составного орудия с восстановленным бортом паза; 7 – восстановленная область, деталь.

Этот метод позволяет создавать реконструированные трехмерные модели артефактов с погрешностями в зеркальной симметрии на основе доступных данных. Несмотря на некоторые ограничения и технические сложности, данная методика предоставляет исследователям новые инструменты для реконструкции археологических артефактов, особенно в случаях, когда часть данных утеряна или повреждена. Дальнейшие исследования и совершенствование методики могут привести к более точным результатам и расширению сфер ее применения в археологических исследованиях и музейных технологиях.