Культурное наследие Казахстана в 3D-моделях

Сегодня в глобальной сети можно найти тысячи оцифрованных музейных экспонатов, а также огромные 3D-модели культовых зданий и комплексов Казахстана. И пока работа по «цифровизации» культурного наследия Республики продолжается, мы расскажем, как «ЛАНИТ-Интеграция» совместно с коллегами из United 3D Labs решала задачу построения 3D-моделей по государственной программе «Сакральный Казахстан».

Государственный историко-культурный заповедник-музей «Азрет-Султан»

Республика Казахстан имеет свою богатую историю, но даже тем, кто живет в этой стране, далеко не всегда удается посетить все культовые места: иногда добраться до уникальных мемориальных комплексов, раскиданных по территории государства, совсем непросто. Между тем в республике действуют 234 государственных музея, в которых имеется более 2500000 экспонатов. Показать их все нет никакой возможности из-за ограниченных площадей, а экспонаты в запасниках не всегда удается хранить должным образом, и со временем они могут утратить свой внешний вид или просто быть уничтоженными под влиянием внешних факторов. По решению Президента Казахстана Нурсултана Назарбаева в 2017 году стартовала программа перевода всего этого достояния в цифровой формат, чтобы сохранить для будущих поколений и дать возможность всему миру познакомиться с богатейшей культурой Казахстана. Такая практика существует сегодня во многих странах, потому что и время, и погодные явления и, к сожалению, сами люди уничтожают уникальные архитектурные объекты и культурные артефакты.

Цифровая копия – единственный способ сохранить историю, а современные способы оцифровки позволяют получить высокоточные модели, которые можно использовать в научных целях, тогда как упрощенные цифровые копии прекрасно подойдут для «удаленного посещения музеев».

Цифровые музеи Казахстана

Целей создания Государственного каталога музейного фонда Республики Казахстан было сразу несколько. Главным образом речь шла о популяризации культурных ценностей республики среди широких слоев населения. Созданные и уже функционирующие на сегодняшний день информационные порталы позволяют буквально «всем и каждому»  самостоятельно ознакомиться с предметами, костюмами и другими находками, представляющими историческую ценность.

Каталог позволил бы жителям Казахстана и других стран в любой момент познакомиться с 3D-моделями самых разных музейных экспонатов (от миниатюрных брошей до огромных изваяний и целых мемориальных комплексов) вне зависимости от места их нахождения.

Параллельно с запуском проекта начала обсуждаться перспектива использования 3D-моделей в общеобразовательных школах Казахстана на уроках по истории страны, а также в высших учебных заведениях. Последние планируют использовать каталог для обмена данными с зарубежными коллегами, проведения научных исследований и знакомства студентов с историческими реликвиями.

Подробная электронная копия с четким описанием формы, свойств и текстуры также значительно упрощает проведение реставрационных работ, если они понадобятся. Даже при утраченных элементах высокая точность восстановления деталей позволяет реставраторам создавать идентичные покрытия, сохраняя историческую достоверность. Но а в случае кражи или разрушения объектов культурного наследия согласно 3D-модели их можно будет воссоздать или, например, напечатать на 3D-принтере.

Действительно большая работа

Помимо оцифровки музейных экспонатов, которые находятся в музейных помещениях и запасниках, одновременно была запущена программа «Сакральный Казахстан», в рамках которой было решено создать 3D-модели самых различных объектов культурного значения — от мавзолеев и усыпальниц до мечетей и мемориальных комплексов. Под этот проект попало 135 площадок, расположенных в разных частях страны. В их числе:

• Бекет ата и подземная мечеть древнего Бейнеу,
• Мавзолей Машхура-Жусупа Копеева,
• Историко-культурный комплекс Абая «Жидебай-Борили»,
• Мавзолей Баб Тукти Шашты Азиз,
• Исторический комплекс «Бокей Ордасы»,
• Мавзолеи Карасай и Агнытай батыров,
• Мавзолей Арыстан Баб.

Мавзолей Ходжи Ахмеда Ясави — мавзолей на могиле поэта и проповедника Ходжи Ахмеда Ясави, расположенный в городе Туркестане в Туркестанской области Казахстана. Является центральным объектом на территории историко-культурного музея-заповедника «Хазрет-султан».

Мавзолей Карахана. Сооружён над могилой одного из представителей династии Караханидов. Памятник архитектуры XI века расположен в казахстанском городе Тараз в парке на пересечении улиц Толе би и Байзак батыра.

3D-модель Мавзолея Карахана

Мавзолей Джучи-хана (каз. Жошы хан кесенесі) — памятник архитектуры XIII века, расположенный в Улытауском районе Карагандинской области в 50 км к северо-востоку от Жезказгана. По преданию, в мавзолее похоронен старший сын Чингиз-хана — Джучи. С 1982 года памятник находится под охраной государства.

Проблема заключалась в том, что практически все исторические памятники проекта находятся в крайне труднодоступных местах Казахстана. Для сбора первичных данных потребовалось снаряжать полноценные исследовательские экспедиции, которым нужно было уложиться со всей съемкой в короткий срок. Из-за суровых погодных условий и температурного режима в степных районах время на экспедицию было ограничено. Наша группа специалистов в оперативном порядке переводила в цифровой формат объекты культурного наследия, проезжая при этом сотни километров и проводя съемки по нескольку часов в день.

Мы провели более 4 месяцев в непрерывных разъездах, прибавив на тахометре автомобиля 8000 километров. Но в результате был создан действительно огромный объем исходных данных: несколько десятков терабайт были сначала перенесены в хранилище, а потом обработаны на специализированных серверах и рабочих станциях.

Дорога в Туркестан

Бескрайние степи

Оборудование надежно упаковано и готово к транспортировке

Олег, главный специалист по постобработке, занимается погрузочными работами.

Незапланированная остановка

Константин, главный специалист по фотограмметрии. Мавзолей Алаша Хана

Фотограмметрия местной фауны

Съемка Мавзолея Джучи-хана

Илья — главный инженер проекта и наш главный летчик. Съемка Мавзолея Джучи-хана

Немного о технике

Оцифровка Казахстанского культурного наследия проводилась путем 3D-моделирования на основе «облака точек», получаемого со сканера. Такие модели наиболее ценны, потому что в отличие от традиционных методов обмера отражают фактуру объекта с максимальной подробностью. В результате ученые и музейные работники могут достаточно точно определить свойства объекта и особенности техники исполнения по конечному результату оцифровки.

Для того, чтобы создавать такие трехмерные модели применялось оборудование трех типов. Для оцифровки архитектурных сооружений использовался наземный лазерный сканер FARO Focus, дающий разрешение 3 мм при расстоянии 50 метров. Предельная точность этого сканера составляет 1 мм, а максимальная дальность (что важно для крупных объектов) — 350 м. Сканер устанавливается на пол или на землю, а потом — перемещается вокруг объекта, создавая облако точек с разных сторон обзора.  

Однако особая сложность возникала при оцифровке сверхмалых экспонатов, а также деталей одежды, металлических предметов, многослойных объектов (таких, как костюмы) и экспонатов, при работе с которыми необходимо выдерживать особые условия окружающей среды. В этих случаях использовались ручные лазерные сканеры Artec Spider с разрешением 0,1 мм и Arcet Eva с разрешением 0,5 мм. С этим «оружием» в руках наша сборная команда из «ЛАНИТ-Интеграции» и  United 3D Labs пристально изучала рельефы объектов, чтобы воссоздать максимально подробное облако точек.

Из фотографий объектов были извлечены необходимые текстуры, которые в дальнейшем накладывались на 3D-модель. Такая методика обеспечивает фотореалистичное качество получаемых моделей, а исходная модель в высоком разрешении является абсолютной копией объекта, по ней возможно детально изучать каждый кирпичик строения. В частности фотокамеры Canon EOS-1D X Mark II использовались для съемки текстур объектов, а Canon EOS 5D Mark IV — для фотограмметрии. Когда речь шла о зданиях и мемориальных комплексах применялся квадрокоптер DJI Phantom 4 Pro для съемки с воздуха

И если сканирование можно было проводить почти при любых погодных условиях и уровнях освещенности, то подготовка материалов для создания текстур требовала равномерного рассеянного освещения.

Элемент системы освещения во время съемки Мавзолея Алаша-хана

Поэтому съемку одного архитектурного объекта необходимо было завершать за один день, при схожих условиях. Иначе вся проведенная работа могла быть сделанной впустую, и мы получили бы «полосатые» текстуры как на Google Maps. Что касается работы внутри помещений, для съемки текстур также требовалось обеспечить равномерное и идентичное освещение объекта, и для этого устанавливались дополнительные осветительные приборы.

После того, как материал был отснят, а для объектов сформированы облака точек, происходило моделирование. Для этого использовались серверы, рабочие станции и программное обеспечение. Всего на процессы обработки, создания моделей и программирования было потрачено более 8 месяцев работы.

Визуализация процесса 3D-сканирования

Демонстрационный портал

Результаты

Изначально заказчиком выдвигались требования по достоверности, эффектности и избыточности моделирования. То есть все создаваемые модели должны были совпадать с оригиналами с миллиметровой точностью, а текстуры — полностью соответствовать оригиналам. При этом в случае моделирования в виртуальной реальности пользователи должны были получить не меньшие впечатления, чем от реального посещения исторических памятников. Кстати, сами инициаторы проекта считают большой ценностью возможность «посещения» исторических мест, мест силы, расположенных в труднодоступных местах страны используя очки виртуальной реальности.

Чтобы выполнить эти условия при формировании технического задания, закладывалась настолько высокая точность создания цифровых копий, что она превышает возможности видеоотображения любого VR-оборудования, не только существующего сегодня, но с запасом на перспективу. Благодаря этому новое оборудование будет раз за разом раскрывать потенциал созданных виртуальных экспонатов. А если когда-то появится возможность напечатать храм на 3D-принтере, сформированные модели позволят воссоздать объекты с полной визуальной точностью.

В настоящий момент уже разрабатывается открытый портал, где можно будет получить первичное представление обо всех экспонатах. В перспективе планируется создание сети виртуальных музеев, где в электронном формате будут доступны не только все музейные фонды, но также записи значимых концертов, спектаклей. Применение очков виртуальной реальности позволит пройти по всем уголкам архитектурных памятников, никуда не выезжая. При этом достоверность цифровой информации является максимально высокой, учитывая вычислительные мощности современных VR-комплексов и персональных компьютеров.

Помимо этого, упрощенный виртуальный тур по сакральным местам Казахстана уже сейчас можно пройти на открытом тестовом портале наших коллег из United 3D Labs.

3D-модель: Мавзолей Баб Тукти Шашты Азиз

3D-модель: Внутри Мавзолея Карахана

Предварительная 3D-модель Мавзолея Арыстан-Баб

Процесс обработки полученных материалов при сканировании Мавзолея Карасай и Агынтай батыров

Предварительная 3D-модель Мавзолея Карасай и Агынтай батыров

3D-модель Бекат Ата и подземной мечети Древнего Бейнеу

Тем временем, несколько вариантов цифровых копий для различных систем отображения  позволяют использовать созданные модели для различных сценариев демонстрации. Всего предусмотрено три уровня погружения в культурное наследие Казахстана.

1. В музеях, городских школах и профильных вузах, а также в домашних условиях возможен полноценный виртуальный тур, предназначенный для просмотра в VR-очках на мощном ПК или рабочей станции.
2. Упрощенная версия была адаптирована для очков Samsung Gear VR или HTC Focus. Она позволяет изучить экспонаты и культовые объекты с минимальными затратами и успешно применяется в учреждениях образования, не располагающих бюджетами для создания мощных VR-систем.
3. Интернет-версия создает максимальный пользовательский охват и доступность для самых широких слоев населения. Для просмотра этих моделей достаточно любого не слишком старого ПК или смартфона, но при этом они обладают лишь базовым функционалом, не позволяя погрузиться в атмосферу смоделированных объектов.

Внутри мавзолея Ходжи Ахмеда Ясави

Опробованная методика уже доказала свою эффективность и может быть использована для развития музейной отрасли в России или в других странах, создавая подробные копии экспонатов для научной работы и сохранения исторических фактов, а также позволяя «посещать» самые интересные места даже в труднодоступных районах в виде упрощенных моделей из любого уголка планеты. Если раньше нужно было совершить долгое и сложное путешествие, чтобы увидеть уникальные архитектурные объекты, то уже совсем скоро можно будет в Интернете путешествовать по полноценным VR-моделям впечатляющих объектов культурного наследия Казахстана.

Кстати, очень приятно, что наш проект недавно стал лауреатом премии PROIntegration Awards.

Автор: Леонид Жестев

Источник