Three-dimensional Visualization in Archaeological Research: A Correlational Study.pdf Введение Визуализация в археологии является важным этапом в процессе научного исследования. В настоящее время исследователям доступны три основных варианта получения изображений артефактов: технические рисунки, фотографии и 3D-модели. Каждый из этих вариантов используется для решения различных исследовательских задач, при этом часто варианты комбинируются. Дискуссия о преимуществах и недостатках, целесообразности использования того или иного способа графического изображения ведется давно и актуализировалась с появлением и широким внедрением 3D-сканирования (South 1968; Beyond Illustration... 2008; Luo, Li, Zha 2011; Труфанов 2015; Plisson, Zotkina 2015; Raczynski-Henk 2017). С развитием трехмерных технологий все чаще ставится вопрос о возможности отказа от технического рисунка и фотографии в пользу изображений 3D-моделей в силу их очевидных преимуществ. К преимуществам иллюстраций трехмерных моделей, полученных методом сканирования сканерами структурированного подсвета, относят их точное автоматическое масштабирование, визуализацию технологических характеристик вследствие отсутствия текстуры и возможности манипулирования для получения научных данных. Предлагаемая статья призвана ответить на следующие вопросы: 1) какой метод визуализации археологического материала является наиболее точным и экономически целесообразным; 2) являются ли иллюстрации цифровых копий артефактов настолько же информативными как технические рисунки; 3) можно ли получить трехмерную модель настолько же быстро как фотографию артефакта? В качестве наглядных примеров археологических артефактов в предлагаемой статье используются среднепалеолитические бифасиальные орудия из пещеры Ча-гырская (Алтай) и среднепалеолитические нуклеусы со стоянки Куль-149 Екатерина Николаевна Бочарова и др. булак (Тянь-Шань), костяные пазовые составные орудия со стоянки Казачка (Канско-Рыбинская котловина). История применения технического рисунка, фотографии и трехмерных изображений артефактов в археологических исследованиях Визуализация артефактов занимает важное место в представлении археологического материала. С самого начала становления археологии как научной дисциплины ученым были доступны два вида визуализации: рисунок и фотография. Трехмерная визуализация стала доступной большинству археологов только в последнее десятилетие. Весьма дискуссионными является утверждение, что первые иллюстрации археологических объектов появились еще в Средневековье в трактатах, заметках по истории Античности, сопровождавшихся условными, иногда схематичными, а иногда художественно точными изображениями сохранившихся античных построек (Piccoli 2017). Первые рисунки артефактов появились в конце XVIII в. Одним из первых зафиксированных рисунков археологического материала является гравюра топора (Raczynski-Henk 2017). Это изображение не похоже на современные рисунки, являясь, скорее, художественной копией, которая передает внешний вид, а не технологические особенности артефакта. С развитием археологической науки технический рисунок становиться неотъемлемой частью исследовательского процесса и проходит трансформацию от художественного рисунка к схеме, техническому рисунку. Появляются региональные традиции археологического рисунка. В современной археологии насчитывается несколько тради-ций/стилей рисунков артефактов, которые характеризуются определенным набором приемов графического изображения артефактов (передача различных типов сырья, из которого изготовлены артефакты, фактуры и орнамента, оформление сечений и т.д.) (Dillon 1985; Martingell, Saville 1988; Griffiths, Jenner, Wilson 1990; Steiner 2005). В настоящее время под археологическим рисунком чаще всего понимается изображение, созданное с целью передачи научной информации (Труфанов 2015) посредством применения общепринятых приемов передачи технологической и стилистической информации. Фотографию в археологии начали эпизодически применять уже во второй половине XIX в. Формирование фотоархива Императорской археологической комиссии началось одновременно с началом работы Комиссии (1859 г). Фотография применялась для фиксации полевых и камеральных работ, документирования результатов исследования. Постоянной и обязательной фотофиксация стала с 1920-х гг. (Мыльников 2016). В разные годы методические рекомендации по фотографии в ар-150 Трехмерная визуализация в археологических исследованиях хеологии включали в учебные пособия (Арциховский 1972; Conlon 1973; Dorrell 1994; Мартынов, Шер 2002; Мыльников, Мыльникова 2009). В настоящее время фотография является неотъемлемой частью археологического исследования, начиная с этапа полевых исследований и заканчивания реставрацией и музеефикацией артефактов и наиболее доступной и массовой из представленных способов визуализации. При визуализации артефактов в археологических исследованиях фотография часто комбинируется с техническим рисунком. В конце 90-х гг. XX в. были успешно реализованы первые проекты по оцифровке объектов культурного наследия: статуй Микеланджело (Abouaf 1999) и произведений Донателло и Джованни Пизано (Beraldin et al. 1999). В 2000 г. была отсканирована статуя Давида, что стало самым масштабным проектом по оцифровке предметов искусства для того времени (Levoy et al. 2000). Успешная реализация упомянутых проектов и постоянное развитие технологии положили начало широкому внедрению методов трехмерного сканирования в практику археологических исследований. В настоящее время широкое применение методы 3D-моде-лирования нашли в различных областях археологии: исследование петроглифов и объектов древнего искусства (Cassen et al. 2014; Grosman, Ovadia, Bogdanovsky 2014; Counts, Averett, Garstki 2016; Kolobova et al. 2019; Zotkina, Kovalev 2019; Колобова и др. 2021), антропологии (Freidline et al. 2012; Gunz, Bulygina 2012), исследование поселений и городов, изучение керамики (Stamatopoulos, Anagnostopoulos 2016), каменных артефактов (Richardson et al. 2013; Herzlinger, Goren-Inbar, Grosman 2017; Шалагина и др. 2020), костяных артефактов (Klein, Belfer-Cohen, Grosman 2017; Kolobova et al. 2020b), научное документирование и лабораторная обработка археологического материала (Riel-Salvatore et al. 2004; McPherron, Gernat, Hublin 2009; Pastoors, Weniger 2011; Чжоу 2017; Колобова и др. 2020) и т.д. В предлагаемой статье мы фокусируемся на сканировании при помощи сканеров структурированного подсвета как на наиболее оптимальном исследовательском инструменте. Достоинства и недостатки других методов получения 3D-моделей (фотограмметрии и компьютерной томографии) уже обсуждались (Колобова и др. 2020). Методы исследования В исследовании для создания археологических рисунков участвовала ведущий художник ИАЭТ СО РАН А.В. Абдульманова, имеющая более 15 лет опыта в создании и допечатной подготовке археологических иллюстраций. Рисунки выполнены карандашом мягкостью B 0,5 мм, затем обведены черной тушью, перо картографическое («чертежное»). Полученный рисунок сканировался в формате tiff, разреше-151 Екатерина Николаевна Бочарова и др. ние 600 dpi. Дальнейшая обработка проводилась в редакторе Photoshop (очистка фона, исправление ошибок, компоновка иллюстраций и т.д.). При фотографировании (стекинг по фокусу) использовалась камера Canon 1000D (матрица 22 * 15 мм) с объективом Canon EF-S 60mm f/2.8 Macro USM, на штативе. Фиксация осуществлялась через компьютер -это обеспечивает взаимную фиксацию положения предмета и камеры. Полученные серии фотографий с фокусировкой в разных точках были совмещены с помощью специального программного обеспечения Helicon Focus. Этот способ позволяет расширить глубину резкости фотографий, получить достаточно большое разрешение и резкость изображения на большей части совмещенных кадров. Дальнейшая обработка проводилась в редакторе Photoshop (очистка фона, компоновка иллюстраций и т.д.). Фотографирование производилось опытным пользователем: мл. науч. сотр. лаборатории «ЦифрА» ИАЭТ СО РАН Е.Н. Бочаровой. Сканирование осуществлялось сканером структурированного подсвета Range Vision Spectrum 3.1. Данный сканер позволяет создавать модели с высоким разрешением на поворотном столе и с маркерами, а также позволяет создавать текстурные и безтекстурные модели. В статье использованы безтекстурные модели, полученные при сканировании с использованием поворотного стола без маркеров. Дальнейшая обработка моделей проводилась в программе Geomagic Wrap. Сканирование и обработка моделей производилось опытным оператором: мл. науч. сотр. лаборатории «ЦифрА» ИАЭТ СО РАН П.В. Чистяковым. Результаты исследования Нами было проведено сравнительное исследование иллюстраций археологических артефактов, полученных в технике графического рисунка (рис. 1, 1), высокоточной фотографии (стекинг по фокусу) (рис. 1, 2), и трехмерных моделей, полученных с помощью сканера структурированного подсвета (рис. 1, 3). На эталонных изображениях представлены среднепалеолитические артефакты из пещеры Чагырская, расположенной в Алтайском крае, стоянки Кульбулак расположенной в предгорьях Тянь-Шаня (Узбекистан), а также костяные пазовые орудия со стоянки Казачка (Красноярский край) (рис. 1, 2, 3). В ходе исследования было проведено сравнение полученных изображений по следующим параметрам: время получения одного изображения (время, затрачиваемое на получение изображения и его дальнейшую обработку в специализированном ПО); необходимое оборудование для получения изображения и его стоимость; использование дополнительного программного обеспечения и его стоимость; необходимые навыки для получения изображения; степень соответствия изображения оригинальному артефакту. 152 Трехмерная визуализация в археологических исследованиях Рис. 1. Фотография, 3Б-модель и рисунок бифасов с Чагырской пещеры (горизонт 6): 1 - технический рисунок; 2 - высокачественная фотография; 3 - трехмерная модель Рис. 2. Пазовые костяные орудия со стоянки Казачка 1: 1 - изображения составного пазового орудия с горизонта 11; 2 - изображения составного пазового орудия с горизонта 19 153 Екатерина Николаевна Бочарова и др. Время получения иллюстраций артефактов. Наибольшие времен -ные затраты связаны с созданием технического рисунка. Например, оба этапа подготовки рисунка нуклеуса сложной формы (карандаш и чернила) заняли в целом 97 минут (рис. 3, 2), в то время как 3Б-модель была готова через 49 минут (рис. 3, 3). Меньше всего времени ушло на получение высококачественной фотографии, включая этап постобработки - 42 минуты (рис. 3, 1). Сам по себе процесс фотографирования занял лишь 4 минуты. Несколько другие тенденции отмечаются при подготовке изображений нуклеуса более простой формы: сканирование и пост-обработка заняли всего 13 минут (рис. 3, 6), в то время как пост-обработка фотографий (очистка фона, цветокоррекция) заняла примерно тот же временной диапазон, что и в случае нуклеуса сложной формы (рис. 3, 4). Подготовка рисунка нуклеуса простой формы заняла 60 мин (рис. 3, 5). 3D сканирование 0 Сканирование 30 мин 0} ЕЗПост-обработка 19 мин ( - Итого49 мин $$$Стоимость ПО+оборудования 0 Рисунок (карандаш) 45 мин Рисунок (тушь) 52 мин f D; Итого 97 МИН о $ Стоимость карандаша+чернил Фотография (стекинг-фото) Технический рисунок 'т ІШ 03 ®ото ^мин Пост-обработка 38 мим (0 Итого 42 min $$ Стоимость ПО+оборудования VW4 Q ) Фото 3 min Г\\ \\ Ш *« . ч ,у Пост-обработка 33 min ^0 Итого 36 min $$ Стоимость ПО+оборудования Q ) Рисунок (карандаш) 28 min (J j Рисунок (тушь) 32 min С L) Итого 60 min W $ стоимость карандаша+чернил 6 Iff ('-} Сканирование 11 мин I') 0Пост-Обработка 2 мин (Т) Итого 13 мин $$$ Стоимость ПО+оборудоеания Рис. 3. Сравнение временных и стоимостных характеристик производства изображения на примере нуклеусов со стоянки Кульбулак: 1, 4 - высококачественная фотография; 2, 5 - технический рисунок; 3, 6 - трехмерная модель Оборудование для получения иллюстраций артефактов. Для создания технических рисунков требуются только качественная бумага, карандаши, перья и чернила. 154 Трехмерная визуализация в археологических исследованиях Для создания фотографий необходимо приобретение качественной фотокамеры. Основываясь на нашем опыте для получения фотографий (стекинг по фокусу), можно использовать как зеркальные фотоаппараты, так и цифровые фотокамеры со сменными объективами (500 $ оба варианта). Для фотосъемки также необходим макрообъектив (60 mm), который позволяет делать высококачественную предметную съемку артефактов; штатив, который обеспечивает надежную фиксацию фотоаппарата и минимизирует смешение позиции объектива (средняя цена 100-150 $). Для предотвращения лишней вибрации стоит использовать режим удаленной съемки с компьютера. В последние годы наряду с дорогостоящими сканерами структурированного подсвета (Solutionix D700, Range Vision 5m и др.) появились и достаточно бюджетные варианты (David, Range Vision Spectrum 3.1), стоимость которых - в пределах 5 тыс. долларов США. Несмотря на относительно невысокую стоимость, они позволяют получать качественные трехмерные модели с разрешением 0,26 мм (поле минимального разрешения) - 0,072 мм (поле максимального разрешения), используемые в высокорейтинговых публикациях (Mate-Gonzalez et al. 2019; Kolobova et al. 2020a). Закупка такого трехмерного сканера доступна в рамках выполнения практически любого научноисследовательского проекта. Дополнительное программное обеспечение. Для пост-обработки рисунков (удаление фона, цветокоррекция, компоновка иллюстраций и др.) можно применять практически любые графические редакторы: CorelDraw, Photoshop. Данные редакторы доступны по подписке (подписка на месяц: 20,99 $). Но есть и бесплатные аналоги - Gimp, Paint.net, Photo Pos Pro, Photopea. Последний является браузерной программой. Для коррекции фотографий чаще всего используются ПО среды Adobe: Photoshop, Illustrator, Lightroom. Как было указано, они доступны по подписке. Бесплатные программы, перечисленные выше, также позволяют производить необходимые манипуляции с фотографиями. Для получения фотографий с фокусировкой в разных точках используются программы Helicon Focus или Zerene Stacker. Стоимость пожизненной лицензии версии Helicon Focus Pro 200 $, также доступны лицензии на год, Zerene Stacker Professional Edition - 289 $. Бесплатные аналоги - Combine ZP, TuFuse. Для сканирования и подготовки модели используется базовое ПО, поставляемое вместе со сканерами. Создание сечений, метрические измерения, в том числе углов, зеркальные реконструкции доступны практически в любом программном обеспечении, работающем с трехмерными моделями: Geomagic Wrap, Geomagic Design X, Autodesk Netfabb и MeshLab. Последние две программы доступны бесплатно. Програм-155 Екатерина Николаевна Бочарова и др. мы из среды Geomagic являются весьма дорогостоящими (примерно 10 тыс. $). Программы Artefact 3D, Pottery 3D, Artifact GeoMorph Toolbox 3-D (AGMT 3D), разработанные сотрудниками лаборатории компьютерной археологии Еврейского университета, являются специальным программным обеспечением, адаптированным для археологических исследований (Herzlinger et al. 2017; Herzlinger, Grosman 2018; Harush, Grosman 2021). Необходимые навыки для получения изображения. Для обучения техническому рисунку требуется несколько недель обучения и впоследствии не менее года практики. Технический художник должен иметь опыт зарисовки артефактов различных категорий из разных видов сырья. Значительный опыт зарисовки необходим для грамотной передачи технических характеристик артефактов (направлений сколов, степени износа или дефляции, различных типов сырья и т.д.). Обучение стекингу по фокусу происходит достаточно быстро: необходимо два-три часа для объяснения основ метода и несколько часов практики для закрепления при условии, что обучаемый уже обладает навыками обращения с зеркальными фотоаппаратами и постановки света. Для подготовки пользователя сканера структурированного подсвета в среднем необходимо 3 дня обучения базовому курсу, который включает в себя установку сканера, калибровку, процесс сканирования, начальную постобработку и экспорт готовой модели. Еще требуется примерно месяц практики. Степень соответствия изображения оригинальному артефакту. Технический рисунок более всех других обсуждаемых типов изображений зависит от субъективного видения художника, а следовательно, на многих иллюстрациях могут фиксироваться субъективные ошибки. Субъективные ошибки иллюстраций могут не зависеть от опыта художника, но быть следствием невозможности выполнения поставленной задачи, например отрисовки поперечных и продольных сечений целых артефактов. Выполнение таких задач в принципе невозможно с необходимой для научного исследования точностью (рис. 4, 3). В отличие от технического рисунка, изображение трехмерной модели полностью соответствует отсканированному артефакту (см. рис. 1, 3). Манипулирование трехмерными моделями позволяет создавать любые варианты сечений (Колобова и др., 2020). Мы сравнили поперечное сечение бифасиального орудия из Чагыр-ской пещеры, выполненное профессиональным художником, с сечением, полученным по трехмерной модели (рис. 4, 1, 2). Как видим, два сечения значительно отличаются, при этом только сечение трехмерной модели соответствует артефакту (рис. 4, 3). 156 Трехмерная визуализация в археологических исследованиях Рис. 4. Сравнение поперечных сечений бифаса из Чагырской пещеры: 1 - сечение, сделанное «на глаз» художником; 2 - сечение, сделанное на основе 3Б-модели; 3 - сравнение сечений путем наложения друг на друга Изображение, полученное при помощи фотографии, не несет возможности субъективных ошибок, однако не является автоматически масштабированным. То есть фотографическое изображение не может использоваться для метрических исследований, требующих точности измерений до десятых и сотых долей миллиметра. Такую точность измерений в состоянии предоставить только трехмерные модели артефактов. Фотографические изображения артефактов обладают неотделимой текстурой, что является несомненным художественным преимуществом, однако и серьезным недостатком, препятствующим изучению технических характеристик артефактов. Качество и цвет сырья, из которого изготовлен артефакт, препятствуют определению направлений сколов (см. рис. 1, 2), технических характеристик изготовления керамики, способа изготовления металлических артефактов. В свою очередь, безтекстурные высококачественные модели, широко распространенные в научных публикациях, позволяют определять все возможные технические морфологические характеристики артефактов (см. рис. 1, 3). Для удобства читателей научных статей исследователи часто применяют сочетание фотографии и трехмерных моделей с указанием направлений сколов. Возможность применения иллюстраций/моделей для научных исследований. Ценность визуализированных иллюстраций не ограничивается их возможностью публикации для демонстрации археологического материала. Иллюстрации выступают основой для проведения дальнейших технологических и морфологических исследований. Так, иллюстрации разных видов могут использоваться для метрических исследований, однако с оговоркой, что только трехмерные модели автоматически шкалируются и, следовательно, являются приемлемыми для высокоточных метрических исследований (табл. 1). Как технические рисунки, так и трехмерные модели после дополнительной обработки (автоматическая прорисовка контуров (Porter, Roussel, Soressi 2016; Колобова и др. 2020), удаление направлений сколов) 157 Екатерина Николаевна Бочарова и др. могут использоваться для иллюстрации результатов анализа последовательности сколов (Зоткина, Ковалев, Шалагина 2019; Шалагина, Колосова, Кривошапкин 2019) (таблица). Фотографии не могут применяться для проведения этого анализа в силу наличия текстуры. Сравнение возможностей применения различных видов визуализации материала для научных целей Критерий сравнения Фотография Технический рисунок 3D модель Возможность измерений ± ± + База для скар-паттерн анализа - + + Геометрико-морфометрический анализ + + + 2D геометрико-морфометрический анализ + + + 3D геометрико-морфометрический анализ - - + Градиент отклонения ± - + Отображение технических деталей (направление скола и т.д.) ± + ± Вычисление объема артефакта, центра гравитации, центра симметрии - - + Примечание. «±» - применимо при высококачественном сырье и хорошей степени сохранности артефакта; «+» - применимо; «-» - не применимо. Все способы визуализации могут использоваться для двухмерного геометрико-морфометрического анализа, когда анализируется контур артефакта (Serwatka 2014; Serwatka, Riede 2016; Cobden et al. 2017; Courtenay et al. 2018;). Однако для проведения комплексного анализа формы приемлемы только трехмерные модели (Freidline et al. 2012; Herzlinger, Goren-Inbar, Grosman 2017; Herzlinger, Grosman 2018; Kolobova et al. 2020a). Градиент отклонения показывает разницу высот на поверхности артефакта, которая делается на основе оригинальной модели и ее измененной копии. При сравнении двух и более фотографий или моделей можно получить градиент отклонения между сравниваемыми объектами, а также карту высот. В случае построения карты высот по моделям мы получим не только визуализацию отклонений по высоте, но и возможность эту разницу рассчитать, что невозможно при использовании фотографий. Технический рисунок в первую очередь призван отобразить максимальное количество технических деталей, которые часто достаточно трудно будет увидеть на моделях или фотографиях в зависимости от типа сырья и степени сохранности поверхности артефакта (см. таблицу). Дискуссия и выводы Проведенное исследование позволило выявить достоинства и недостатки каждого метода визуализации. Технический рисунок способен 158 Трехмерная визуализация в археологических исследованиях передать важные технические детали, которые не отображает высококачественная фотография и не всегда отображает трехмерная модель (Goddar 2000). Р. Ли с соавторами утверждают, что способность технических иллюстраций точно передать материал находится во власти способностей художника. Несмотря на общепринятые способы рисования артефактов, каждое изображение будет выглядеть по-разному, если его нарисуют несколько художников (Li, Luo, Zha 2011). В ходе нашего исследования мы установили, так же как и другие ученые (Nylund 2009), что техническому рисунку свойствен субъективизм и часто не хватает научной точности. В результате сложилось мнение, что цифровые методы получения иллюстрации могут вскоре полностью заменить рисование от руки (Moser 2012). Мы считаем, что это вполне возможный, но хронологически отдаленный от настоящего времени сценарий. Технический рисунок еще длительное время останется востребованным инструментом визуализации артефактов как для научных публикаций, так и для технических отчетов. Несомненным преимуществом рисунка, которое имеет большое научное значение, является возможность осуществления научных реконструкций (частей артефактов, построек, палеоклиматические реконструкции, технологические схемы изготовления артефактов определенных типов). Выполнение технической иллюстрации высокого качества займет меньше времени, в сравнении с трехмерной реконструкцией. В настоящее время комплексные трехмерные реконструкции высокого качества редко используются ввиду дороговизны и длительности их производства. Данный тезис не касается артефактов или палеонтологи-ческого/антропологического материалов, имеющих ось центральной симметрии. Трехмерная зеркальная реконструкция часто применяется в археологических исследованиях (Kolobova et al. 2019; Chen et al. 2019). Фотография сужает пределы предвзятости и недопонимания, которое может возникнуть при изучении рисунков артефактов (Dorrell 1994). Существует мнение, что плоские изображения не могут передавать всю полноту данных об артефакте (Jones 2001). При работе с цифровыми изображениями (фотографии и модели) могут возникнуть проблемы с совместимостью разных форматов (Hodder 1999), повреждением данных и потере цифровой информации, что в целом можно отнести и к техническим иллюстрациям. В результате проведенного исследования нами были получены следующие результаты: 1. Наиболее высокая скорость получения изображения артефакта, включая программную пост-обработку, была зафиксирована при создании фотографий и не сложных трехмерных моделей артефактов. Наиболее низкая скорость свойственна техническому рисунку. 159 Екатерина Николаевна Бочарова и др. 2. Скорость получения фотографии (стекинг по фокусу) практически не зависит от сложности объекта, так же и время, потраченное на постобработку изображения. Зависимость потраченного времени от сложности объекта отмечается при создании 3Б-модели и технического рисунка. 3. Наиболее затратным способом является сканирование в силу дороговизны оборудования и используемого ПО (Здесь и далее не учитывается оплата труда художника, фотографа и оператора). Однако стоит заметить, что отмечается тенденция к снижению стоимости сканеров, также существует возможность использования сканеров низкой ценовой категории для научных исследований. Затраты на приобретение оборудования и ПО единовременные. 4. 3Б-сканирование позволяет обрабатывать большее количество артефактов за определенный промежуток времени, а полученные модели будут отличаться максимальной точностью. К подобным выводам пришли исследователи при сравнении трехмерных моделей фрагментов керамики, полученных методом фотограмметрии и их технических рисунков: метод фотограмметрии позволяет обрабатывать больше артефактов в меньшие сроки и с большей точностью (Karasik, Smilansky 2008). Стремительное развитие трехмерных технологий в совокупности с их постепенным удешевлением в последние годы позволяет прогнозировать увеличение доли иллюстраций трехмерных моделей археологических артефактов в научных исследованиях. Быстрота обучения операторов и очевидные исследовательские преимущества при использовании трехмерных моделей сделают этот процесс еще более быстрым.

Скачать электронную версию публикации