Трехмерное моделирование как метод визуализации объектов геологического наследия в музейном пространстве

Астахова И.С., Журавлев А.В. Трехмерное моделирование как метод визуализации объектов геологического наследия в музейном пространстве // Общество. Среда. Развитие. – 2019, № 4. – С. 31–37.

В настоящее время в деятельность музеев внедряются виртуальные реконструкции как наиболее распространенный способ визуализации. Новые технические инструменты позволили вывести музейные экспонаты на новый уровень и создать виртуальные музеи. Вопрос существования культурного наследия в виртуальном мире обсуждается многими специалистами. А.С. Дриккер указал на неопределенность и противоречивость внедрения компьютерных технологий в деятельность художественных музеев. С одной стороны, он видит сохранение и доступность культурного наследия, с другой – «противоборство классике» [4]. Для многих исследователей виртуальность в выставочном пространстве является «определенной категорией коммуникации» [3; 11]. Специалистами установлено, что создание интерактивной среды и развитие виртуальных музеев усиливает образовательный эффект и особо отражается на музейно- педагогической деятельности, в которых происходит сближение реальной среды музея с его виртуальной средой, и посетитель испытывает «ощущение присутствия и соучастия» [2; 7; 12]. Виртуальные туры отвечают целям по доступности и сохранению мирового культурного наследия. Современный подход к реализации виртуального музейного пространства представлен на портале Google Art Project. Данный проект получил всемирную известность и популярность. В проект занесена информация о более 50 самых знаменитых музеев мира (Нью-Йорк, Берлин, Лондон, Прага, Амстердам, Москва, Санкт-Петербург). В основе виртуальных туров лежит визуализация пространства, знакомство посетителя в совокупности с музеем и с хранящимися предметами [3; 6]. При этом основным вопросом остается, в каком качестве представляет собой культурная ценность, переходя из реальной среды в виртуальную, теряет ли она какие-либо

Общество

свойства или приобретает? Сотрудник Государственного Русского музея О.Ю. Кисель высказывает мнение, что «гораздо важнее содержательная интерпретация музейных собраний и визуальное отображение музейного предмета в соответствующем «музейном контексте» [8].

Исследовательский интерес представ- ляет выявление приемов и методов визуализации геологических образцов. В художественных музеях предметы являются только памятниками культуры. Экспонирование и сохранение подлинных полотен или их копий отражается на ценности собрания и рейтинге музея. Вопрос оригинала-копии остается актуальным для классического восприятия музея, но переходя в виртуальный мир, этот вопрос снимается. Оцифровка художественных полотен позволяет создавать виртуальные тематические экспозиции и туры [10]. Экспонаты естественнонаучных музеев, в частности геологических, имеют особую специфику. Геологический образец одновременно представляет собой и памятник культуры, и памятник природы. Одними из свойств геологических образцов являются их абсолютная неповторимость и аттрактивность. Фотографии и видеоматериалы образцов руд и минералов не позволяют точно передать особенности и разнообразие неживой природы, таким образом, известные методы визуализации геологического материала ограничены, а распространение информации со специалистами и посетителями

Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019

затруднено.

Наиболее популярным современным приемом использования компьютерных технологий в естественнонаучном музее является виртуальный тур. Интересные виртуальные туры можно совершить по Пермскому музею древностей , по Палеонтологическому музею им. Ю.А. Орлова Палеонтологический-музей-имени-Ю-А-Орлова/), по Государственному геологическому музею им. В.И. Вернадского Государс-твенный-геологический-музей-имени-В-И-Вернадского-РАН). Анализ представленных проектов позволяет указать на ограниченность восприятия посетителем геологического материала, на неточность в визуализации геологических образцов. Смоделированное пространство теряет историческую и научную достоверность. Например, в Музее геологии Центральной Сибири создана электронная справочная система «Коллекции музея геологии Цен- тральной Сибири» collection/). В виртуальном проекте музея сочетается научная информация по систематике минералов и фотографии образцов. Данный способ визуализации дает лишь общее представление о минералах и первичную научную информацию.

Анализ накопленного опыта по виртуализации геологического материала, обсуждение проблем и перспектив использования виртуальных реконструкций в музейной деятельности позволяет указать на создание трехмерных моделей геологических объектов как наиболее успешный способ визуализации. Технология 3D моделирования широко применяется во многих российских музеях [8; 9]: технических, мемориальных, исторических, этнографических, художественных, однако в естественнонаучных музеях данный опыт не применялся. Трехмерные компьютерные модели палеонтологических и биологических объектов широко используются в виртуальных экспозициях зарубежных музеев. Так, в Британском музее естественной истории функционирует специальное подразделение по подготовке виртуальных экспозиций . Часть экспонатов, снабженных краткими описаниями, размещена на платформе Sketchfab . Виртуальные экспозиции с 3D моделями создаются или уже успешно используются и многими другими музеями, среди которых Окландский музей в Новой Зеландии , музей Университета Данди в Шотландии , Кембриджский музей зоологии , Музей естественной истории Лос-Анжелеса . В виртуальной экспозиции последнего широко представлены модели голотипов (типовых экземпляров) ископаемых позвоночных . Виртуальная коллекция микрофоссилий (форамини-фер) создана рабочей группой в университете Бремена . Существуют даже специальные организации, обеспечивающие зарубежным музеям высококачественную 3D оцифровку экспонатов (Galatea Digital, https://sketchfab. com/GalateaDigital).

Региональные геологические музеи сохраняют уникальную информацию по строению и по истории геологического развития отдельных участков земной коры. Удаленность от туристических маршрутов, неразвитая инфраструктура и логистика зачастую препятствуют получению и обмену уникальной информацией. Единственным решением для популяризации и распространению является ее виртуализация. За более чем полувековую деятельность Геологического музея им. А.А. Чернова собраны уникальные образцы минералов, ископаемой флоры и фауны с территории европейского Севера России. Данная территория, включающая северовосточную часть Восточно-Европейской платформы и северную часть Уральской складчатой системы с продолжающей ее островной цепью (Вайгач, Новая Земля), имеет довольно сложное геологическое строение и длительную историю развития. Это позволяет обнаружить на этой территории различные уникальные геологические объекты. Основной фонд музея состоит из 583 коллекций общим объемом более 132 тыс. единиц хранения. Ряд палеонтологических находок, сделанных на территории региона, относятся к разряду мировых сенсаций. Большая часть уникального регионального геологического материала не доступна. На сайте Геологического музея им. А.А. Чернова описание зала «Эволюции и развития жизни на территории европейского Севера России» визуализируются с помощью фотографий общего вида экспозиции и отдельных экспонатов. К сожалению, такой вид дополнительной информации не может дать полное представление и эстетическое восприятие палеонтологических и минералогических образцов.

Цель данной работы состоит в демонстрации возможностей использования трехмерных моделей для сохранения максимальной информации о геологических образцах на примере палеонтологических объектах.

Методика исследований

Трехмерные модели геологических объектов могут быть получены различными методами. Создание оболочечных моделей обеспечивается либо лазерным 3D сканированием, либо фотограммометрической съемкой. Твердотельные модели, отражающие не только внешнюю форму, но и внутреннее строение объектов, могут быть получены методами рентгеновской томографии. Все три указанных метода были использованы при моделировании образцов из музейных коллекций, хранящихся в Геологическом музее им. А.А. Чернова Института геологии Коми НЦ

УрО РАН. Крупные образцы (более 20 см) сканировались лазерным сканером с пространственным разрешением 5 мм с последующим созданием оболочечных моделей. Для образцов меньших размеров подобное сканирование не обеспечивает точную передачу морфологии. Трехмерные оболочечные модели таких образцов создавались с помощью фотограммометрической съемки с пространственным разрешением около 1 мм и программного обеспечения Agisoft PhotoScan. Формирование трехмерных моделей микроскопических объектов (менее 2–3 мм) осуществлялось с помощью рентгеновской микротомографии. На основе результатов томографической съемки создавались твердотельные модели с пространственным разрешением до 2 мкм при использовании микротомографа SkyScan 1272 (Горный Университет, СПб.).

Для демонстрационных целей все модели переводились в универсальные форматы PLY и STL, поддерживаемые разнообразным программным обеспечением. В частности, при создании виртуальной экспозиции модели загружались на интернет-хостинг SketchFab , предлагающие разнообразные инструменты для хранения и отображения трехмерной графики на интернет-страницах.

Результаты и их обсуждение

Наиболее перспективным направлением развития естественнонаучного музея представляются трехмерная модель реальных палеонтологических находок и виртуальная реконструкция древних животных. Под виртуальной реконструкцией понимается создание восстановленных исторических образов в форме визуальной цифровой трехмерной модели. Первый опыт использования трехмерных моделей в экспозиционно-выставочной деятельности Геологического музея им. А.А. Чернова был основан на изготовлении пластиковых муляжей ископаемой флоры и фауны. Для экспозиции зала «Палеонтология» была предложена схема развития органического мира с указанием геохронологических этапов появления организмов и их вымирания. Учитывая принятую эволюционную теорию развития животного мира, в общем виде схема представляет собой «древо», где указаны названия классов с латинской транскрипцией. У посетителей младшего и среднего возраста данная схема вызывала затруднения, и только экскурсовод мог раскрывать суть эволюционной теории. Для понимания научной структуры биологических видов и их поло-

Общество

жения было предложено визуализировать видовое название древних животных и растений трехмерными моделями (рис. 1). Муляжи древних ископаемых животных и растений моделировались в соответствии с палеонтологическими знаниями, а модели современных представителей были заимствованы из открытых источников. 3D модели позволили даже без специализированных научных знаний в наглядной форме представить общую картину эволюции органического мира.

Виртуальные реконструкции позволяют представить образ древних животных широкой публике намного более точно и полно, чем традиционные средства (фотография, рисунок, дополнительный текст). Следующим этапом стало создание трехмерных реконструкций и 3D моделей образцов из фондов Геологического музея им. А.А. Чернова Института геологии Коми НЦ УрО РАН. Проект реализуется на принципах открытого доступа на сайте музея hall-crustal-structure-and-evolution-organic-world. Особое значение виртуальные реконструкции приобретают в случае малых размеров палеонтологических объектов. Трехмерные модели использовались для создания масштабных копий мелких экспонатов. В частности, увеличенные в десятки раз модели были напечатаны для образцов микрофаунистических остатков (конодонтов и фораминифер), музейная де-

Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019

монстрация которых, из-за малых размеров (первые мм и менее), затруднительна. Изучение остатков данных представителей возможно только после предварительной пробоподготовки под микроскопом. Визуализировать конодонтов или фора-минифер по рисункам или фотографиям достаточно трудно, так как в ископаемом состоянии от этих представителей остаются отдельные фрагменты или лишь следы в горных породах. Внешний вид конодонтов как представителей уникальных первичных хордовых животных и по сей день вызывает споры. Считается, что внешне они были похожи на современных угрей, длиной от 1 до 40 сантиметров, имели большие глаза, плавники с плавниковыми лучами и, предположительно, хорду (фактически в ископаемых останках различима лишь светлая полоса вдоль тела, похожая на хорду). 3D-изображение микроскопических находок знакомят посетителей с уникальными морскими организмами, которые существовали приблизительно 500 млн лет назад (средний кембрий) и вымерли около 200 млн лет назад (конец триаса).

В ископаемом состоянии находят лишь ко-нодонтовые элементы (зубы). Трехмерные модели зубов дают возможность посетителям самостоятельно определить, что конодонты являлись хищниками [5].

Зачастую ископаемые остатки частично утеряны или сохраняются фрагментарно, либо находятся в горной породе. Подготовка таких образцов (препарирование) к экспонированию требует достаточно долго времени, а иногда остатки невозможно извлечь из горной породы. Полные скелеты ископаемых животных редко встречаются. Наиболее часто палеонтологи сталкиваются с отдельными фрагментами скелета крупных животных (ребра, черепа, позвонки), а у мелких представителей животного мира (лемминги, белки) в ископаемом состоянии остаются лишь микроскопические остатки. Такие особенности фоссилизации ископаемых остатков затрудняют посетителю визуализировать древнее животное. Трехмерная модель позволяет демонстрировать целостность находки, а его реконструкция – визуализировать общую картину животного, который жил много миллионов лет назад.

На основе 3D сканирования, рентгеновской томографии и фотограммометрической съемки проведены работы по визуализации уникальных экспонатов музея. В 2008 – 2009 гг. научным сотрудником П.А. Безносовым на Сосновском местонахождении (Тиман, Ухтинский район) были найдены два сочлененных скелета Holoptychius sp. Это первые находки в России, ранее аналогичные образцы были обнаружены только в Канаде и Шотландии. Всего в мире было описано около 30 видов этого рода, но только три из них известны по целым скелетам. Скелет позднедевонской ихтиофауны c Сосновского местонахождения был найден в слое «рыбного доломита» и представляет собой плотно сцементированную породу с остатками рыбы. Тиманский экземпляр достигал полутора метров в длину и является одним из самых крупных обнаруженных представителей с хорошей сохранностью. Особенности захоронения позволили сделать вывод о том, что слой сформировался в прибрежной части мелководного озера или лагуны, и остатки претерпели быстрое захоронение [1]. Трехмерное сканирование позволяет в виртуальном пространстве получить уникальную информацию и сделать ее доступной. Уникальной находкой для Северо-Востока Европейской части России стали остатки шерстистого носорога на реке Печора. Обнаруженные фрагменты были собраны в трехмерную модель, которая демонстрирует единую конструкцию нижней челюсти. Это позволяет визуализировать находку как единый объект древнего животного. На сегодня созданы трехмерные модели черепов пещерных медведей, сибирских овцебыков, первобытных бизонов, пещерного льва.

Уникальные экспонаты с хорошей сохранностью представлены «под стеклом» в статичном виде, и посетителю достаточно трудно представить образ древних животных. При просмотре виртуальной трехмерной модели можно управлять видимостью, что позволяет рассмотреть объект со всех сторон и получить более полную научную информацию как о находке, так и о самом животном. В выставочном пространстве музея расположен прекрасно сохранившийся скелет древней парарептилии – парейазавра. Образец является уникальным палеонтологическим экспонатом, который был обнаружен в окрестностях города Ко-тельнич Кировской области и передан в фонды музея. Фотографические материалы образца не достоверно отражают особенности фоссилизации остатков, а только позволяют сделать вывод о размерах ископаемой особи. При виртуальном рассмотрении трехмерной модели пользователь имеет возможность детально рассмотреть различные фрагменты скелета и найти подтверждение гипотезы о захоронении животного. Изогнутость общего положения скелета, конечности расставлены в стороны (очевидно, животное пыталось разгребать топкий ил при попытке выбраться из естественной ловушки), задние конечности погружены в осадок глубже, хвост изогнут влево – такое положение отделов скелета с наглядностью демонстрирует захоронение парейазавра непосредственно на месте гибели, без каких бы то ни было признаков переноса водным потоком (рис. 3) [13].

Уникальная находка полного черепа мамонта с хорошо сохранившимися зубами и бивнями была сделана в 1976 г. к. г.-м. н. Б.А. Гуслицером на уникальной палеолитической стоянке первобытного человека на Верхней Печоре. В 1999 г. череп мамонта был описан к. г.-м. н. Н.В. Гарутт (Санкт-Петербург). Она отметила у этого экспоната прижизненные повреждения черепа. На фотографических материалах достаточно тяжело в масштабе показать размеры черепа и продемонстрировать особенности находки. Трехмерная реконструкция создала не только общую картину, но и при наведении курсора мыши на активную зону и совершении щелчка можно открыть окно с дополнительной информацией об объекте (размерах, местонахождении). Технология активных зон позволила сделать акцент на места нанесения повреждений первобытным человеком (рис. 2).

Выводы

В настоящее время технология виртуальных туров и трехмерное моделирование активно используется для визуализации пространства, и вопрос целесообразности их разработки в геологических музеях требует особого внимания. Приход в последнее десятилетие 3D технологий в сферу сохранения и изучения геологического наследия открыл совершено новые, «революционные» возможности. Трехмерную модель можно считать одной из простейших и доступных в ряду информационных технологий для визуализации геологического материала. Следует обозначить следующие преимущества виртуальных реконструкций:

– в процессе изготовления цифровых трехмерных моделей полностью исключается контакт с поверхностью образца (некоторые минералы и горные породы, а также костные остатки обладают низкой твердостью и трещиноватостью);

– виртуальные трехмерные модели точно соответствуют формам и отдельным деталей поверхности образца-оригинала это позволяет обеспечить высокую степень аутентичности обоих объектов;

– трехмерные модели позволяют демонстрировать в музейной экспозиции объекты малых и крупных размеров;

– виртуальные реконструкции демонстрируют разрушенные, утраченные объекты, восстановленные по рисункам или другим экспонатам;

– создание в рамках единой виртуальной экспозиции территориально разнесенных геологических объектов, которые невозможно переместить физически в одно место (например, разные региональные музеи);

– доступность и обмен научной информацией.

На современном уровне для визуализации геологического материала должно использоваться комбинирование реальных объектов (отдельных образцов, фотографии обнажений, разрезов) и трехмерных моделей. В интернет-пространстве посетитель должен иметь возможность одновременно познакомиться как с реальными объектами, так и в виртуальной среде, взаимодейство-

Общество

Общество. Среда. Развитие ¹ 4’2019

Рис. 1. Использование трехмерных моделей (муляжей) животных и растений в демонстрации истории развития органического мира.

Рис. 2. Трехмерная модель черепа мамонта с указанием активных зон, указывающих на повреждения, оставленные первобытным человеком.

1 – нижняя челюсть; 2 – бивень; 3 – место повреждения

Рис. 3. Трехмерная модель парейазавра.

1 – голова; 2 – позвоночник; 3 – хвост; 4 – задняя конечность; 5 – ребра.

вать с экспозицией и ее элементами и даже управлять ими. Виртуальность выполняет задачу распространения информации о музее и его коллекциях с целью привлечения большого количества посетителей из виртуального пространства в реальное, заинтересовать своей экспозицией.

Трехмерные модели геологических образцов должны комплексно применяться в научно-исследовательских работах, благодаря чему ни одна деталь не ускользнет из поля зрения ученых-специалистов. Дистанционная работа с образцами горных пород, минералов и с остатками ископаемых организмов, свободно размещенными в Интернете в виде трехмерных моделей, во много раз увеличивает скорость обмена и сохранение научной информации. Виртуальные туры по геологическим фондам музея позволяют познакомиться с «закрытыми» хранилищами самой широкой аудитории.

Следует отметить, что трехмерные модели могут являться новым способом документирования и изучения, а реконс- трукции являться одним из методов распространения геологического знания. В связи с этим можно столкнуться с рядом проблем. Во-первых, недостаточная разработанность методов виртуальных реконструкции с точки зрения науки. Научные представления о древних животных неоднозначны, и достаточно трудно отделить подлинные факты от вымысла. Решением этой проблемы может быть сопоставление с реальными геологическими объектами или с реальными трехмерными моделями. Во-вторых, существует проблема ре-сурсоемкости технологии трехмерной визуализации.

Ближайшие перспективы использования технологий виртуальных трехмерных моделей позволяют знакомить посетителей с новым информационным пространством, что приводит к формированию новых представлений о геологической науке и в новом формате сохраняет объекты геологического наследия России, а виртуальные реконструкции содействуют популяризации геологического знания.