Использование 3D-сканирования в археологии

XXI в. характерен широким употреблением технологий различного назначения. Сейчас у многих людей есть телефон, который помогает связаться с другим человеком, где бы он не находился; ноутбук, который служит верным спутником в работе, учебе и досуге. Все эти и другие технологии были созданы для того, чтобы упростить жизнь человеку в его деятельности. Так и в научно-исследовательской деятельности нам помогают наши верные партнеры – современные технологии. В ВУЗах по всему миру для реализации инновационных проектов создаются технопарки, на площадках которых действуют кванториумы, оснащенные высокотехнологичным оборудованием [4]. В Волгоградском государственном социально-педагогическом университете 18 ноября 2021 г. был открыт кванториум им. В.С. Ильина, который способствует обучению студентов различным методикам и современным технологиям преподавания учебных предметов разных направленностей с использованием современного оборудования. Члены молодежного археологического клуба «Легенда» ведут активную деятельность в кванториуме им. В.С. Ильина в рамках реализации нескольких проектов, включая «Использование 3D-сканера RangeVision в археологической деятельности».

Авторы данной работы определяют 3D-сканирование как процесс оцифровки физического предмета и преобразования его в трехмерную модель с помощью фотограмметрии, которая осуществляется 3D сканером.

Впервые разработкой технологии 3D-сканирования занялся французский художник Франсуа Вил-льем. Он смог создать портретную скульптуру, используя несколько фотоснимков. Свое изобретение он назвал фотоскульптурой. Фотоскульптура представляет собой процесс воспроизведения любого объекта с помощью создания серии снимков по кругу и последующей их синхронизации для создания объемной фигуры [3].

Для того чтобы получить фигурки, которые представляют собой отсканированный объект, Франсуа Вилльем делал серию фотографий вокруг предмета и затем соединял их между собой [Там же]. Первая модель 3D-сканера появилась в 1960 г. Она отличалась очень ограниченными возможностями и требовала огромных усилий для получения хотя бы среднего по точности результата [2]. С каждым десятилетием технология 3D-сканирования совершенствовалась, и на начало двадцать первого века приходится открытие крупных компаний, выпускающих 3D-сканеры для разного спектра задач. 3D-сканирование активно используется в разных областях профессиональной деятельности, и в последнее десятилетие с помощью 3D-технологий различного назначения специалисты стараются сохранить мировое культурное наследие: воссоздают утраченные части архитектурных сооружений, воспроизводят копии произведений искусств [1]. Археология не отстает от новых тенденций и активно внедряет в свою деятельность метод 3D-сканирования. В связи с тем, что это направление относительно новое в исторической науке, еще не было создано фундаментального труда по данной теме.

Археологи по всему миру с помощью 3D-сканирования могут получить точную цифровую копию артефакта, которую в дальнейшем можно распечатать на 3D-принтере и использовать в научном или образовательном процессах не тревожа оригинал [7]. Данный аспект способствует изучению объекта без угрозы нарушения его целостности, что очень важно в рамках сохранения историкокультурного наследия. Немаловажно, что с помощью данного направления можно изучать артефакт совместно с другими археологами из разных уголков планеты - по электронной почте можно выслать трехмерную модель объекта своим коллегам для коллективного изучения. Без привязанности к определенному месту, многие исследователи могут увидеть своими глазами уникальные артефакты и по возможности даже подержать их в руках (после распечатки на 3D-принтере). Также, после оцифровки предмета, его трехмерную модель можно многократно увеличить, чтобы более тщательно изучить и даже «разрезать» электронную версию находки на тонкие слои, сделать всевозможные измерения. Например, с помощью оцифровки, обнаруженной на памятнике «Турист-2», фигурки из мамонтового бивня, сотрудники цифровой лаборатории Института археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук смогли восстановить ее утраченные части, реконструировать изначальную форму, определить направление отверстий и даже вычислили центр массы [5]. Также можно отметить, что, измерив тысячи координат, и сравнив по форме разные археологические находки, разные исследователи получат один и тот же результат. Таким образом, данный вид анализа отличается от других гуманитарных исследований тем, что он верифицируемый. Некоторые археологи используют 3D-сканирование для точной фиксации макроследов и детализации орнамента. Например, созданные трехмерные модели валунов с петроглифами Сикачи-Аляна позволили уточнить уже известные детали и обнаружить новые изображения, в том числе и на плоскостях, которые многократно исследовались ранее [6].

Использование 3D-сканирования в археологии имеет определенные преимущества в рамках исследовательской деятельности, но в процессе работы с 3D-сканером ‘RangeVision Neo’ в рамках реализации проекта Молодежный археологический клуб «Легенда» столкнулся с рядом недостатков, которые отягощают процесс работы с 3D-сканером. Во-первых, программа, которая может открыть отсканированную модель, поставляется только в комплекте с приобретенным 3D-сканером. Это значит, что данную программу нельзя скачать в свободном доступе, если не куплен сам 3D-сканер, что усложняет коллективное исследование, т. к. обычному пользователю недоступно знакомство с трехмерной моделью. Ознакомиться и изучить скан-копию артефакта можно только непосредственно в лаборатории или кванториуме, в котором установлен 3D-сканер. Данный аспект ограничивает научную работу археологов и в значительной степени замедляет процесс изучения оцифрованных предметов. Во-вторых, 3D-сканер может не передать в полной мере детали на изучаемом объекте. Цифровая копия, которая получилась в результате использования ‘RangeVision Neo’, имеет отличия от физического объекта: на цифровой копии не фиксируется орнамент и мелкие детали, что очень важно в рамках сохранения достоверного представления о предмете. На примере одного из проектов по сканированию артефактов (см. рис. 1 на с. 50) можно увидеть, что орнамент глиняного горшка не был детально зафиксирован на трехмерной модели. Более того, затемненные участки орнамента представлены пустотой на полученной скан-копии.

Рис. 1. а – материальный глиняный горшок № 1; б – трехмерная модель глиняного горшка № 1.

Незаполненные участки встречаются не только среди мелких деталей. На втором проекте (см. рис. 2) у глиняного горшка было немного углубленное затемненное место, которое 3D-сканер не смог полностью передать, в следствие чего, на трехмерной модели образовались пустоты. Без сохранения деталей артефакта цифровая копия теряет свою значимость и уже не может быть использована в научных или образовательных целях.

Рис. 2. а – материальный глиняный горшок № 2; б – трехмерная модель глиняного горшка № 2.

Создается противоречие, т. к. выше было указано, что 3D-сканер может быть использован для более точной фиксации деталей. Например, специалисты, изучающие петроглифы, используют 3D-сканирование и получают цифровую копию поверхности изображений с высокой детализацией [5]. Из этого вытекает то, что 3D-сканер ‘RangeVision Neo’, установленный в кванториуме им. В.С. Ильина в полной мере не справляется с оцифровкой археологических ценностей. Сканер ‘RangeVision Neo’ отлично передает форму артефакта и явные особенности предмета, но точное отражение орнамента для него является трудной задачей. Данный участок орнамента затемнен, возможно, поэтому сканер не может его распознать. В основном археологи отдают предпочтение более точному 3D-сканеру ‘RangeVision Spectrum’, который отлично справляется с задачей оцифровки артефактов [7]. Модель ‘Neo’ во многом уступает ‘Spectrum’ по точности сканирования (Neo – 0,06 мм,

Spectrum – 0,12 мм) и разрешению камер (Neo – 2 mpix, Spectrum – 3,1 mpix). С помощью ‘RangeVision Spectrum’ ученые Института археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук совместно со специалистами лаборатории «Цифра» благополучно создают трехмерные модели древних экспонатов, которые отличаются максимальной точностью [5].

Таким образом, 3D-сканирование значительно помогает сохранить историко-культурное наследие. Благодаря оцифровке предметов, любой человек может прикоснутся к прошлому, не боясь повредить уникальный объект. Археология в данной сфере еще развивается, поэтому сталкивается с определенными трудностями: программа для просмотра сканов не доступна обычному пользователю, цифровая модель во многих случаях недостаточно детализирована, для оцифровки с высокой детализацией требуется более профессиональный 3D-сканер, например ‘RangeVision Spectrum’. Участникам Молодежного археологического клуба «Легенда» еще предстоит познакомится с процессом 3D-печати оцифрованных предметов, чтобы у студентов Волгоградского государственного социально-педагогического университета была возможность познакомиться с археологическим наследием в рамках образовательного процесса.