Опыт трехмерного сканирования наскальных рисунков с помощью технологии структурированного подсвета

Наряду с традиционными методами документации наскальных изображений, такими как фотографирование объектов, производство эстам-пажей и перевод изображений на прозрачные материалы, все большую популярность среди специалистов в области петроглифоведения приобретают методы трехмерного сканирования, которые позволяют получить модели скальных поверхностей с петроглифами.

Трехмерная модель, полученная при помощи 3D-сканирования, за счет наличия данных о рельефе позволяет сохранить в электронном виде наиболее точную и подробную информацию об оригинальном объекте, что дает возможность перенести часть исследований в лабораторию, а также применять вычислительные методы для решения задач петроглифоведения. Это касается документации, классификации и систематизации форм петроглифов [Seidl, Wieser, Alexander, 2015], трасологических исследований [Plisson, Zotkina, 2015], проведения широких сравнительных исследований, включающих технологию нанесения петроглифов из разных регионов мира, тиражирования копий и др. Одним из наиболее распространенных среди исследователей, археологов и музееведов методов получения 3D-моделей является фотограмметрия – технология, позволяющая строить трехмерные модели на основе набора цифровых фотографий, сделанных 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 относительно точные трехмерные модели предметов с автоматически сгенерированными текстурами (информацией о цвете точек модели). Однако фотограмметрия обладает и существенными недостатками: высокая трудоемкость процесса создания необходимого набора фотоснимков в полевых условиях, сложность визуальной оценки ожидаемого результата (качество работы может быть оценено только после окончания процесса фотографирования и работы программы построения модели).

В сравнении с фотограмметрией преимуществами метода трехмерного сканирования являются высокая скорость получения модели, непосредственный контроль качества трехмерных снимков в процессе работы, гарантированная точность на относительно больших поверхностях. При этом сканирование методом структурированного подсвета кроме навыков 3D-сканирования требует наличия специализированной аппаратуры и ее калибровки перед использованием. Для трехмерного сканирования требуются особые условия освещенности, компьютер и программное обеспечения для получения 3D-моделей. Принцип метода сканирования с использованием структурированного подсвета заключается в том, что при помощи видеопроектора в автоматическом режиме определенное количество образцов с полосками проецируется на объект. Камеры фиксируют объект с различных сторон (сверху, справа или слева от проектора). На основе преобразований образца полосок вычисляется 3D-сетка поверхности объекта.

Одной из задач, поставленных перед авторами, было получение 3D-моделей петроглифов для их дальнейшей обработки, автоматического анализа и классификации. Автоматизированная классификация петроглифов позволила бы организовать базу данных, а в дальнейшем найти новые связи и закономерности в развитии наскального искусства разных регионов. В настоящее время осуществляются проекты исследовательских групп по разработке компьютерных программ, распознающих и систематизирующих изображения наскальных рисунков в автоматическом и полуавтоматическом режиме [Seidl, Wieser, Alexander, 2015; Deufemia, Mascardi, Paolino et al., 2014]. В данных проектах применяются алгоритмы «компьютерного зрения» по отношению к двумерным изображениям, однако использование трехмерных данных позволяет углубить систематику и добиться более точных классификаций.

Для отработки технологии получения 3D-мо-делей петроглифов был выбран археологический памятник, расположенный на правом берегу р. Ча-ган. Местонахождение петроглифов включает изображения разных эпох от бронзового века до современности, выполненных в различной технике [Окладникова, 1988; Черемисин, 2003, 2006; Черемисин, Миклашевич, Бове, 2013]. Для трехмерного сканирования был использован сканер российского производства RangeVision Standart с камерами 1,3 МП. Данный сканер является бюджетным решением в линейке RangeVision и обладает возможностью улучшения за счет установки камер и проектора с более высокой разрешающей способностью. В качестве источника питания служил бензиновый генератор либо герметичный аккумулятор. При сканировании использовалась зона сканирования № 2 из комплекта поставки. Параметры сканера и зоны сканирования:

• •    размер зоны сканирования: 300 × 225 × 225 мм;

• •    точность 3D-точки (среднеквадратичное отклонение): 0,05 мм;

• •    3D-разрешение: 0,23 мм;

• •    рабочее расстояние: 0,52 м;

• •    разрешение камер: 1,3 мП;

• •    разрешение проектора: 1280 × 800 p;

• •    минимальное время создания одного снимка: 7 с.

Сканирование проводилось в ночное время, так как опыт показал, что свет проектора на каменной поверхности достаточно хорошо разли- чим только в темноте. Таким образом, днем выбирались объекты для сканирования и заносились на карту, а незадолго до заката группа исследователей уходила пешком или уезжала на автомобиле к изучаемому объекту. Полезный вес комплекта оборудования составлял: 5 кг – трехмерный сканер, 1 кг – ноутбук, 20 кг – аккумулятор или 15 кг – бензиновый генератор, 1 кг – провода, кабели и другие аксессуары. Данный комплект (с аккумулятором) на небольшие расстояния (до 1 км) может быть перенесен командой исследователей из двух человек.

Установка и подключение техники, а также ее калибровка занимали до 20 мин. После процедур настройки и калибровки сканирование одного фрагмента занимало ок. 30–60 с. Отклонение точки поверхности при сканировании составило не более 0,2 мм по любой из осей при ширине кадра 200 мм, что соответствует относительной точности 1/1000. За счет склейки композиции из 16 кадров была получена относительная точность 1/4000. Абсолютная точность представленного комплекта оборудования составила 0,23 мм, что не является пределом для данной технологии. Так, на данном оборудовании точность может быть доведена до 0,12 с помощью улучшения CMOS-камер. Предел относительной точности фотограмметрии

Рис. 1. Модель скальной плоскости с изображением колесниц и животных, полученная при обработке результатов сканирования с применением программного шейдера Radiance Scaling в приложении Meshlab .

сопоставим с технологией сканирования с помощью структурированного подсвета, но достигается значительно большими усилиями [Plisson, Zotkina, 2015].

Для сканирования были выбраны характерные петроглифы разных эпох – многофигурные композиции с изображением колесниц бронзового века (рис. 1), сцена с оленями в стиле «оленных камней» (рис. 2) и др. На некоторых из композиций использовалось питание от генератора, на других – от аккумулятора. Опыт показал, что данные источники питания способны обеспечить работу комплекта оборудования в течение более чем 2 ч.

Полученные в результате трехмерного сканирования группы 3D-снимков проходили последующую обработку в лабораторных условиях. Снимки фрагментов композиции соединялись в полуавтоматическом режиме с использованием приложений RangeVision ScanMerge и David Laserscanner, помехи убирались при помощи Pixologic ZBrush. При помощи этого же приложе- ния на поверхность 3D-модели наносилась текстура на основе сделанных фотографий.

Особенностью визуализации полученных 3D-моделей и преимуществом перед традиционными методами съемки являются возможности изменения угла обзора и ручного изменения силы, цвета и положения источников освещения модели по желанию исследователя, а также применение различных программных фильтров для улучшения изображения и выделения сюжетов. На рис. 1. представлена модель, полученная с применением программного фильтра Radiance Scaling в приложении Meshlab, дополнительно подсвечивающего рельефные места трехмерного изображения. На рис. 2 представлен результат постобработки 3D-модели: при помощи маски выделены изображения фигур, произведена ретопология полигональной сетки, создана карта нормалей поверхности, настроены источники освещения, настроена камера и выполнен фотореалистичный рендеринг в приложении Blender.

Рис. 2. Модель скальной плоскости с изображением оленей в стиле «оленных камней». Выделены изображения по маске. Рендеринг в Blender.

В результате впервые осуществленных на Алтае работ с применением сканера был получен уникальный опыт 3D-сканирования петроглифов методом структурированного подсвета. Выявлены недостатки и преимущества данного метода по сравнению с фотограмметрией и традиционными способами фиксации петроглифов. Материалы, полученные в виде 3D-моделей петроглифов, пригодны для систематизации и дальнейших исследований в области применения алгоритмов автоматического анализа и классификации петроглифов. Создан задел для дальнейшей работы в направлении междисциплинарных исследований первобытного искусства Евразии.