Наука в 3D. В Томске создают трехмерные модели археологических объектов

Современная наука похожа на древнего змея Уробороса, который держит собственный хвост в зубах: одна отрасль совершает прорыв, другие подхватывают, а в итоге получается устройство, которое начинает использоваться в новых, зачастую неожиданных отраслях знаний, продвигая вперед новые исследования.

Деятельность Центра коллективного пользования междисциплинарных археологических исследований «Артефакт» ТГУ — прямое тому подтверждение. Вооружившись самым современным оборудованием, специалисты центра создают 3D-модели артефактов и археологических объектов, которые открывают новые возможности для широкого круга как профессиональных исследователей, так и любителей.

О работе центра, оборудовании и возможностях его использования «Томскому Обзору» рассказал научный сотрудник центра Андрей Пушкарев.

Центр

Как давно появился ваш центр и чем он занимается?

- Центр был создан полтора года назад на базе Томского госуниверситета. Основная идея была такова: реализовать в археологии возможность использования динамично развивающихся современных технологий, в том числе компьютерных.

Далеко не все археологические группы и лаборатории могут позволить себе иметь дорогостоящее оборудование, необходимое для работы. Отсюда и возникла идея собрать максимальное количество такого оборудования в одном месте и предлагать услуги по 3D сканированию археологам в рамках каких-то исследовательских проектов.

Руководство университета поддержало нашу идею и в рамках программы научно-исследовательского университета в прошлом году оборудование закупили. В первую очередь, то, которое является инновационным не только в археологии, а вообще во всем мире – оборудование для 3D-сканирования.

И чем конкретно 3D-сканирование может помочь археологической науке?

- 3D-сканирование бывает разным: от сканирования отдельных артефактов до сканирования больших комплексов - в разрезе археологии это какие-то крупные археологические объекты. Сканируя артефакты, мы пытаемся разработать новую форму презентации археологического материала, ориентируясь на мировые достижения. Раньше у археологов, как правило, в качестве презентации выступали фотографии и рисунки. 3D-сканирование же позволяет полностью поместить в электронное пространство предмет, его форму и получить в конечном итоге больший доступ к использованию материалов. Это намного проще - поделиться публикацией, именно электронным «аналогом» предмета, нежели оригиналом.

Помимо чисто научных целей очень важную роль играет еще музейная составляющая – сохранение археологических артефактов. В наших музеях сегодня ситуация с их сохранением складывается по-разному и то, что предметы разрушаются со временем — правило, а не исключение. А 3D-сканирование сохраняет объект в изначальной форме. Археологические предметы, обнаруженные в культурном слое или в погребении, начинают разрушаться с того момента как их обнаружили, наиболее точная их фиксация производится в поле - она позволяет сохранить все.

К тому же, наше археологическое наследие может храниться только в крупных музеях. На территории Томской области лишь один музей имеет безусловное право на хранение археологических коллекций - Краеведческий. Это значит, что ни один из томских филиалов, расположенных в районах области, даже если рядом с этим музеем проводились раскопки, ни формальных, ни реальных прав на эти коллекции не имеет. Поэтому для них 3D-моделирование - самый хороший вариант. Он позволяет включать в экспозиции уникальные вещи, которые они на самом деле хранить не могут.

Оборудование

С каким оборудованием вы работаете?

- Основной элемент 3D-сканирования — 3D-сканер. Он ориентируется в пространстве благодаря позиционным точкам из специального высокоотражающего материала, которые либо крепятся на сам предмет, либо, если предмет маленький, имеются на подложке, на который он помещается. В режиме реального времени устройство сканирует предмет, его текстуру. Если какие-то зоны недоступны, мы просто переворачиваем предмет и «досканируем» необходимые участки. Специальная программа потом «склеивает» все части изображения и мы видим готовый объект.

Сканер, которым пользуемся - высокоточный инструмент, точность позиционирования - до 0,1 мм. Плюс — это достаточно мобильная модель, для нас изначально была важна возможность работы в полевых условиях. Ну, а по поводу скорости сканирования ситуация такая: все зависит от объекта. Если на каком-нибудь горшке очень много орнамента, соответственно, его надо сканировать очень тщательно. Объем модели зависит от памяти компьютера. Например, для ноутбука горшок, фактически, — максимальный объект, который можно отсканировать.

А есть ли какие-то ограничения по работе с таким оборудованием в поле?

- Этим летом мы работали в Ямало-Ненецком автономном округе и столкнулись с огромным количеством ограничений. Первое — разумеется, с такой техникой нельзя работать в дождь. Стоимость такого сканера — 2,5 млн рублей, это очень чувствительная техника и устранить какие-то неполадки в случае их возникновения будет сложно и дорого.

Другой нюанс — система сканирования основана на лазере. При дневном освещении этот лазер попросту не виден, и камера просто не воспринимает рельеф. А неподалеку от Салехарда, где мы работали, - полярный день. Приходилось ставить палатку, создавать искусственное затемнение.

Плюс, погребение, с которым мы работали само по себе было очень «сложным» по структуре — не везде можно было подобраться со сканером.

Где и как учились работать с таким оборудованием?

- В основном сами, но не методом тыка, конечно. К 3D сканеру прилагалась инструкция от производителя на английском языке. Мы полностью отработали всю методику, где-то полгода потратили на тестирование оборудования. У себя, в центре, делали модель погребения, чтобы посмотреть как это вообще работает.

Готовая 3D модель артефакта

Какое количество предметов может пройти через ваш центр за год? Иными словами, сколько вы реально можете таким образом оцифровать?

- Это зависит, в первую очередь, от самого предмета. Если взять, например, горшок, то его сканирование занимает где-то полдня, но это будет сканирование очень выского качества. Другой фактор — компьютерное оборудование. Одно время мы использовали не очень мощные ноутбуки, но университет закупил для нас специальный компьютер, с помощью которого мы и обрабатываем всю информацию.

С погребением все гораздо сложнее. Сканирование погребения — это 3-4 фиксации, каждая фиксация занимает около 3 часов. А потом еще обработка на компьютере — это занимает порядка двух дней.

В целом сканирование таких объектов — очень трудоемкий процесс. Но зато в результате получается очень подробная модель артефакта, которую можно рассматривать с разных сторон. Если посмотреть обычные археологические рисунки погребений и готовую 3D модель — это небо и земля.

Удалось ли уже реализовать какие-то проекты с помощью этого оборудования?

- Да, об одном из них я уже сказал — этим летом мы работали на погребениях в Ямало-Ненецком автономном округе, сканировали погребения развитого Средневековья в могильнике Зеленый Яр. Вместе с 3D сканированием мы опробовали и другую технологию — фотограмметрию. Это достаточно простая технология, для ее использования требуется фактически только фотоаппарат. Погребение фотографируется с разных положений в несколько приемов, затем эти фотографии загружаются на специальный сайт, где из них склеивается готовая 3D модель. В целом она очень похожа на ту, которую можно получить в результате 3D сканирования, но ее детальность в разы ниже.

3D модель погребения

По итогам мы сделали проект, где сравнили результаты использования обеих технологий. Мы ставили перед собой именно такую цель: сравнить эти технологии, рассказать о них коллегам, чтобы они могли сравнивать и решать какое оборудование покупать, надо ли его покупать вообще, в каких целях использовать и так далее.

Распечаткой отсканированных моделей планируете заниматься?

- Да, где-то через месяц нам должен подойти  3D принтер, который строит модели по уникальной технологии с использованием бумаги и струйной печати. Мы специально выбрали именно такую модель, потому что напечатанные с его помощью предметы очень точно передают текстуру оригинального объекта.

Применение

Планируется ли использование 3D моделей в виртуальных музеях, например?

- Конечно. Мы сейчас пытаемся сделать трехмерные реконструкции, в первую очередь, предназначенные не для науки, а для широкой публики, для посетителей музея. Мы как раз ориентируемся на создание каких-то мультимедийных реконструкций, в том числе, археологических, которые затем можно использовать в музейно-экспозиционной деятельности. Сейчас, кстати, мы плотно работаем с музеем Северска и первые экспонаты, которые мы отсканировали, были как раз оттуда.

А кроме непосредственно экспонирования в музеях есть ли еще у этих моделей какое-то применение?

- Например, научная презентация. Не только сам археологический предмет, но и информация о нем теряется и искажается. В печатном варианте либо где-то в публикации в интернете артефакт смотрится совершенно по-другому. При использовании трехмерных моделей в презентациях на конференциях у исследователей есть возможность увидеть его практически в реальности.

Сложно ли получить финансирование для приобретения такого оборудования?

- Конечно, мы не просто так приходим к руководству и говорим «Дайте нам денег». В университете действует своя схема: обязательно пишется обоснование, представляется программа работы, в которой планируется использовать то или иное оборудование. Но конкретно для нас серьезных ограничений по финансированию пока не было. Хотя то, что приобрели мы, вообще чуть ли не единственное инновационное оборудование по гуманитарном профилю. Просто у археологии очень много «стыков» с техническими специальностями - геофизика, 3D технологии и так далее.

В России и в Сибири, в частности, уже есть опыт работы с 3D оборудованием?

- Да, в настоящее время несколько проектов реализуется. Например, готовится проект сканирования погребений в Иркутском государственном техническом университете. Они, в частности, тоже сканировали погребения именно в этом году. Еще над одним проектом работает компания Artec — один из производителей мобильных сканеров. Вместе с РАН они сканировали коллективное захоронение в Бородино.

Но пока все это находится в «зачаточном» состоянии, технологии только отрабатываются. Да и за рубежом это пока новые технологии, хотя несколько пилотных проектов реализовано. Но говорить, что они ушли далеко вперед, а мы отстали нельзя. Мы искали в интернете похожие проекты по сканированию погребений и нашли буквально один-два. Понятно, что кто-то еще можешь сканировать, но не выкладывать информацию о результатах в открытый доступ, но, думаю, что их действительно немного.

Текст: Анна Мацковская, Елена Фаткулина

Фото: Анна Лаас