Применение архивных снимков для решения задач реставрации и воссоздания памятников архитектуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Применение архивных снимков для решения задач реставрации и воссоздания памятников архитектуры

Шишмолина Елизавета Михайловна

Санкт-Петербург 2016 г.



Содержание

Введение

Глава 1. Краткая история. Фотоаппараты и носители информации

1.1 Дагеротипия

1.2 Калотипия

1.3 Амбротипия и коллодионный процесс

1.4 Цветная и цифровая фотография

Глава 2. Реконструкция памятников архитектуры с использованием архивных снимков

2.1 Отбор фотографий для обработки

Глава 3. Практическая часть. Создание модели здания по фотографиям

3.1 Задача 1

3.1.1 Этапы работы в программе Adobe Photoshop CC

3.1.2 Этапы работы в программе Agisoft PhotoScan

3.1.3 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

3.2 Задача 2

3.2.1 Этапы работы в программе PHOTOMOD ScanCorrect

3.2.2 Этапы работы в программе Adobe Photoshop CC

3.2.3 Этапы работы в программе Agisoft PhotoScan

3.2.4 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

3.3 Задача 3

3.3.1 Этапы работы в программе PHOTOMOD ScanCorrect

3.3.2 Этапы работы в программе PhotoTransformator

3.3.3 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

Заключение

Литература



Введение

В наше время памятник архитектуры - это не только объект, представляющий эстетическую ценность, но и важнейшая часть материальной исторической культуры человечества. Предметы архитектурного наследия несут в себе уникальную информацию о художественном стиле эпохи, событиях в жизни людей в данной местности, их культуре, вере, уровне развития общества и экономики. Утрата этого наследия приводит к потере исторических корней и исторической памяти народа.

К сожалению, состояние архитектурных сооружений сильно зависит от условий внешней среды, а главное - воздействия человеческого фактора. В период с 1917 до конца 80-х годов из-за идеологических концепций, в периоды военных действий Революции и Великой Отечественной Войны, а в 1990-2000г. из-за отсутствия финансирования и масштабного передела собственности, пострадало бесчисленное количество памятников: некоторые были навсегда уничтожены, другие же были изменены до неузнаваемости. Далеко не от всех пострадавших памятников остались обмерные данные. Однако по многим из них остались фотоматериалы, разбросанные по многочисленным архивам, снятые членами различных археологических экспедиций, фотографами императорской археологической комиссии, работниками академии художеств, искусствоведами и просто фотографами-любителями, такими как: П. П. Покрышкин, Н.Ф. Чистяков, Н.Г. Матвеев, Д.И. Ермакова, И.С. Радецкий, А.Н.Павлович, Г. В. Занкович, Н.Э. Макаренко, С.А. Орлов. Наши предшественники долго и кропотливо собирали материалы по архитектурной тематике, прекрасно осознавая ценность документальной фотосъемки для архитектурно - археологических исследований. Используя труды этих и других авторов, а также материалы фотоархивов, в наше время есть возможность воссоздать в трёхмерном виде, а уже потом и в натуре, облики многих архитектурных произведений прошлого.

Поэтому, на сегодняшний день, с развитием информационных технологий, задача реставрации и воссоздания памятников архитектуры по архивным снимкам, особенно, востребована и актуальна. Такое восстановление носит не только исторический и духовный аспект: объекты культурного и исторического наследия - это ещё и важный актив современных городов, при правильном использовании приносящий прибыль и существенно влияющий на экономическое развитие населенного пункта, в котором он расположен.

Структура выпускной квалификационной работы состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. В Главе 1 и Главе 2 приведены краткие теоретические материалы, касающиеся темы работы. В Главе 1 содержится информация о материалах, которые применялись для изготовления снимков разных эпох развития фотографии и представлены примеры архивных снимков архитектурных объектов. Также описаны некоторые (основные) типы камер, наиболее активно использовавшиеся, в том числе и для фотографирования памятников архитектуры. В Главе 2 содержатся рекомендации по выбору фотографий, которые в дальнейшем будет необходимо использовать для реконструкции объектов по фотографиям. В Главу 3 помещены практические задачи и подробные методы их решения с использованием имеющегося арсенала программных продуктов. Все используемые в моделировании фотографии были сделаны на стеклянные пластины формата 13*18 см с помощью фотограмметрической камеры UMK10A фирмы Carl Zeiss. Несмотря на то, что все снятые объекты существуют в реальном времени, в целях чистоты эксперимента никакие обмерные работы не проводились, а данные по координатам точек на объекте не использовались.

Глава 1. Краткая история. Фотоаппараты и носители информации

Самый первый аппарат - камера Обскура. Это простейшее устройство явилось прообразом современного фотоаппарата. В конструкцию такой камеры было включено плоское зеркало, расположенное под углом в 45? к оптической оси, матовое стекло и отверстие малого диаметра в качестве объектива (Рис. 1). Содержимое камеры было заключено в два ящика, вложенных один в другой с фокусировкой при их взаимном перемещении (Рис. 2,a). Другой тип конструкции представлял собой неразъёмный корпус в форме ящика с выдвижным тубусом объектива или отверстием (Рис. 2,b). Зеркало проецировало изображение на горизонтально расположенное матовое стекло и служило для зарисовки светописного рисунка карандашом. [9] К сожалению, другого способа фиксации, кроме как зарисовки, тогда еще не было. Часто вместо простого отверстия использовался объектив (обычно одиночная линза), что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. [10] Следует отметить, что кадры, полученные с фотоаппаратов, где вместо объектива используется маленькое отверстие, отличаются математически идеальной линейной перспективой и большой глубиной резкости.

Рис. 1 Принципиальная схема камеры обскура. ab - плоскость зеркала, ac - плоскость матового стекла, dc - поднимающаяся крышка камеры



Рис. 2 Типы камеры Обскура: (a) единый корпус с выдвижным тубусом объектива и (b) раздвижной корпус с перемещающейся объективной доской. [11,12]

дагеротипия архитектура фотография

1.1 Дагеротипия

Достижения в области химии, физики и оптики позволили в первой половине XIX века усовершенствовать камеру Обскура, дополнив её необходимым светочувствительным элементом. Матовое стекло использовалось теперь для наводки на резкость, а потом заменялось медной фотопластинкой, покрытой химическим составом на основе битума, который впоследствии был заменён соляным раствором. После экспонирования в камере (минимум 15 минут), её обрабатывали парами ртути и получалось позитивное изображение. Этот удачный способ закрепления изображения был назван «дагеротипия» (типия - отпечаток) в честь его создателя - француза Луи Дагера. Из-за длительности выдержки этим методом снимали чаще всего неживую природу. [1]

Сохранилось немалое количество снимков городов, улиц, а также различных памятников архитектуры, снятых, как профессионалами, так и любителям (Рис. 3. 4. 5). Способ Дагера лидировал и затмевал многие другие оригинальные способы получения изображения благодаря четкости, достоверности и детальности снимков. К тому же тайны фотопроцесса были преподнесены всему «человеческому роду», а это означает, что с 1839 года данный процесс можно использовать беспрепятственно и без ограничений на территории всех стран (кроме Англии). [1]

Рис. 3 (a) Восточный вокзал, Париж. (b) Деталь фриза, Афины. Фото: Барон Гро, 1850 г. Дагеротипия. [13]



Рис. 4 Вьетнам. Фото: Жюль Итье, 1842 г. Дагеротипия. [14]

Рис. 5 Ближний Восток. Фото: Жиро де Прандже,1842 - 1843 г. Дагеротипия. [15]

Из недостатков ранней дагеротипии можно отметить, что медные пластины были тяжелыми и блестели так, что рассмотреть изображение было проблематично. К тому же изображение на них было непрочным и имело малый спектр тонов, не поддавалось размножению и выглядело позитивным или негативным в зависимости от угла освещения. Сама съемка занимала много времени и сильно зависела от таких факторов, как состояние атмосферы, время суток, сезона, свойств линз объектива, сюжета и квалификации дагеротиписта.

В конечном счете, были найдены множество новых вариаций по усовершенствованию этого метода, которые привели к определённому успеху. [1]

1.2 Калотипия

Первые попытки регистрации изображения на бумаге относились тоже к началу XIX века. Первым, кто начал использовать бумагу как основу, был англичанин Уильям Тальбот. В качестве фотосенсибилизаторов применялись соли серебра. Метод был оригинален тем, что изображения на бумаге получались позитивными сразу, без перехода от негатива. По качеству, такие снимки сильно отставали от дагеротипов, поэтому славы и поддержки метод не снискал. Однако его автор позже изобрёл новый метод (с использованием уже негативного изображения) в котором процесс получения фотографии был разделён на ряд самостоятельных операций: получение негативного изображения, его проявление, печать позитивных изображений на бумаге. Новый способ был запатентован и получил название калопития (kalos - красивый). Первые калотипы выглядели мутными, были составлены как будто из отдельных штрихов и изображения на снимках получались чрезмерно контрастными. По размерам негатив чаще всего совпадал с размерами конечного оттиска. [2] Процесс печатания снимков заключался в том, что два листа фотобумаги, на одном из которых негативное изображение, накладывались друг на друга, а затем их выдерживали на свету. Конечный снимок был выдержан в чёрно-белых, чёрно-желтых и коричневых тонах. [1]

Впоследствии время выдержки удалось сократить до одной минуты, но и этого было много, поэтому калотипия в портретной области коммерчески была невыгодна. Зато в натурных съемках на открытом воздухе она имела успех: самыми популярными темами были пейзажи и виды природы, а также городская архитектура и археология (Рис. 6. 7). Настоящий успех к бумаге пришёл после пика «дагеротипомании» уже в середине XIX века, когда методика Тальбота была сильно усовершенствована. [1]

Существенным несовершенством негативов на бумажной подложке была её волокнистая структура, которую для маскировки пропитывали воском. [16] Также изображение получалось не таким резким и чётким, как при дагеротипии, а более мягким и полутоновым. Распространению калотипии сильно мешали дорогие многочисленные патенты, которые требовал соблюдать её создатель, однако её всё равно очень часто использовали для съёмки различных архитектурных объектов. Многие путешественники и археологи переходили на калотипию, потому что бумагу возить было намного легче, чем медные пластинки. Но в целом, и калотипия и дагеротипия были дорогостоящими из-за необходимости применения серебра. [1]



Рис. 6 (a) Деталь скульптурного декора, Росхейм. (b) Собор, Шартр. Фото: Анри Ле Сек, 1851 - 1852 г. Калотипия. [17]



Рис. 7 Вид собора Нотр-Дам (Парижской Богоматери) со статуей ангела Воскресения. Фото: Шарль Негр (a), 1853 г. Шарль Марвиль (b), 1860 г. Калотипия. [18]

Первая всемирная выставка 1851 года собрала воедино богатое наследие фотографических образов разных стран, а также в качестве отчёта о выставке был опубликован альбом с полутора сотнями снимков. Благодаря этому альбому до наших дней дошли облики многих шедевров «цельнометаллической» архитектуры, которые впоследствии оказались стёртыми с лица земли. [1]

В 1847 г. были внесены принципиальные изменения в конструкцию камеры Обскура: боковые стенки аппарата снабдили мехом (гармошкой) из кожи или из тряпичной материи (Рис. 8). По сравнению с «ящичными» камерами фокусировочный мех обеспечивает наиболее свободные подвижки объектива. [19]



Рис. 8 Павильонные камеры. A - кассетная плоскость, B - объективная доска, C - фокусировочный мех, D - доска с кремальерой

Такие камеры получили название павильонные или штативные. Их активно использовали вплоть до наших дней фотографы, снимающие архитектуру. Правда, в них чаще всего применялись уже не стеклянные пластинки, а крупноформатная пленка. Дело в том, что у таких камер нередко есть возможность сдвигать переднюю стенку (с объективом) относительно оптической оси, оставляя ее параллельной задней - это позволяет снимать высокие здания без искажения перспективы. [20] Наглядное отображение принципа этого процесса представлено на рисунке 9, 10, 11. [29]



Рис. 9 Наклон камеры обеспечивает попадание объекта в кадр целиком, однако это приводит к вертикальным искажения перспективы

Рис. 10 Расположение камеры параллельно объекту позволяет снимать без вертикальных перспективных искажений, но в этом случае в кадр попадает только часть объекта

Рис. 11 Принцип работы камеры с подвижной объектной доской. В этом случае объект попадает в кадр целиком и без искажений



Ещё одной разновидностью фотоаппарата с фокусировочным мехом была складная камера, которая в походном состоянии складывалась, и объектив вместе с мехом убирался в корпус. [21] В некоторых этих камерах благодаря системе подвижных рычагов тоже была предусмотрена подвижка объектива относительно кассетной части.

1.3 Амбротипия и коллодионный процесс

С середины 50-х годов XIX века появилась совершенно новая процедура фиксации изображения, начинавшаяся с получения негатива на стекле, покрытым раствором коллодия и солей серебра. Потом негативный отпечаток накладывался на тёмную поверхность или покрывался лаком и на этом темном фоне выглядел позитивным. Негативы, закрашенные с одной стороны чёрным лаком, становятся непригодными для тиражирования отпечатков, зато они практически не подвержены старению. [22] Этот метод получил название амбротипия (амбротос - бессмертный) и был разработан изобретателем Фредериком Арчером. [2] Новый процесс требовал заметно меньше выдержки, так как коллодий является очень светочувствительным веществом, и поэтому быстро зарекомендовал себя во всех видах съёмки, а гладкая поверхность стекла позволяла получать точное чёткое изображение без зернистости (Рис. 12). Однако амбротипия, несмотря на свою недороговизну и лёгкость процесса, имела ряд недостатков: фотопластинки были чрезвычайно хрупкими, изображение сохраняло монохромность, а оборудование было громоздким и, как следствие, немобильным. [1]



Рис. 12 Предприятие Чарлза Фредрикса, Бостон. 1857 г.Амбротипия. [1]

Существовал иной метод коллодионного процесса с использованием альбуминовой бумаги. При таком подходе негативное изображение на стекле размножалось калотипическим способом, что при этом не снижало качество снимка, так как стеклянная основа фотопластинок не имела текстуры. Несмотря на высокое качество и простоту обработки, к сожалению, такие снимки быстро выцветали и тускнели, поэтому до наших дней дошли лишь немногочисленные экземпляры (Рис. 13. 14) [23]

Рис. 13 Александровская колонна, Санкт-Петербург. Фото: Иван Бианки. 1853 г. Альбуминовая печать. [24]



Рис. 14 (a) Казанский собор и (b) вид через триумфальную арку Генерального штаба, Санкт-Петербург. Фото: Иван Бианки. 1853 г. Альбуминовая печать [24]

С этого момента наблюдается настоящий взлёт фотографии, которая достигла уже некоторой технической зрелости. [2] Открытие мокроколлоидного процесса сделало фотографию доступной для широких масс. Коллодионный процесс оказался настолько технологичным, что в течение всего нескольких лет вытеснил дагеротипию и полностью заменил негативную стадию калотипии. [25]

С середины XIX века фотография тесно соседствовала с архитектурой: в некоторых местах были даже официальные городские фотографы, которые должны были запечатлевать меняющийся и модернизирующий облик городов. Фотограф-художник Эдуард Дени Бальдю снимал весь процесс строительства Лувра (около 2000 снимков) и обновления Тюильри (1854 - 1857 г.г.). [26] Шарль Марвиль десятилетиями снимал Париж. Частная фирма фирма Дельма и Дюрандель поручила архитектору Шарлю Гарнье, возводившему здание Оперы де Пари (Парижской оперы), фотографировать стройку, чтобы сохранить на память различные аспекты строительства и снимать любые важные изменения по ходу строительства. Бельгиец Эдуар Фьерлан, специализировавшийся на топографических и архитектурных видах, снимал сначала городскую архитектуру Антверпена (1860 г.), а потом и Брюсселя (1862 - 1864 г.г.). [30] Особенное внимание фотографов привлекал Хрустальный дворец в Лондонском Гайд-парке, который очень часто попадал в объективы фотографов всех стран. [1]

С этого момента многие архитекторы начинают прибегать к фотографии, как к способу документирования строительных и реставрационных работ в дополнение к рисункам, строительным чертежам и рабочим журналам. [1] Определенным и очень важным этапом развития городской и архитектурной фотографии стало создание во Франции в 1864 году «Международного общества фотографирования архитектуры». Сам факт основания подобной организации свидетельствует об особом интересе к городской и архитектурной фотографии как к самостоятельному жанру. [27]

Эксперименты по улучшению светочувствительности жидкого коллодия продолжались во второй половине 19 века. Опыты привели к определённому успеху, однако настоящую революцию в скоростной съёмке сделал уже другой раствор. Новым составом была бромосеребряная желатиновая эмульсия, которая после 1880 года открыла эру моментального фото. [1] Именно эта желатиносеребрянная технология используется в подавляющем большинстве современных фотоматериалов и по сей день.

Открытие броможелатинового состава совпало с другим, не менее значимым событием - изобретением рулонной фотоплёнки. [2] Изначально фотокамеры заправлялись в темноте роликом пленки изготовителем и после того, как весь цикл кадров был отснят - возвращались назад поставщику для проявки материала и установки нового ролика плёнки. Однако после появились ручные фотокамеры (бокс-камеры) со встроенным механизмом установки и перемотки фотоплёнки (1888 - 1900 г.г.). Бокс-камеры были также оснащены шкалами дальностей, видоискателем и встроенным затвором. [1]

1.4 Цветная и цифровая фотография

Чтобы получить цветное изображение в конце XIX - начале XX века одним из способов было обращение к съёмке со светофильтрами. Объект снимали одним и тем же фотоаппаратом на три фотопластинки через разные светофильтры. [1] Несмотря на достоинства этого метода, из-за временного параллакса последовательная съёмка годилась только для неподвижных сюжетов. [3] Существовало ещё немало других работоспособных технологий, однако, к концу XIX века цветная фотография оставалась уделом энтузиастов, готовых самостоятельно экспериментировать.

В 1936 г. была создана первая цветная фотоплёнка «типа 135» для малоформатных фотоаппаратов с размером кадра 24x36 мм на 35-мм киноплёнку. Название «тип-135» отражает ширину фотоматериала, а единица добавлена, чтобы исключить путаницу с более ранним стандартом. На сегодняшний день это один из немногих форматов фотоматериалов, остающихся на рынке после цифровой революции, произошедшей в конце 1980 г. [28]

Коренные изменения, связанные с широким распространением информационно-коммуникационных технологий, начавшимся во второй половине XX века привели к появлению цифрового фотоаппарата, в котором для записи оптического изображения вместо светочувствительного материала используется полупроводниковая фотоматрица и цифровое запоминающее устройство.

В наше время цифровые фотоаппараты прочно вошли в нашу жизнь и используются во всех сферах деятельности человека.

Методы дагеротипии, калотипии, амбротипии и их вариации хоть и пришли в упадок в конце XIX, однако их использование продолжается, и по сей день, фотографами-любителями.



Глава 2. Реконструкция памятников архитектуры с использованием архивных снимков

Реконструкция памятника архитектуры по фотографиям начинается с моделирования его трёхмерного образа. Моделирование по архивным фотографиям, в основном, актуально использовать, когда здание не сохранилось, а чертежи строения отсутствуют, однако, имеется некоторое количество его качественных фотографии с достаточным взаимным перекрытием с нескольких ракурсов (желательно со всех), по которым возможно восстановить в трёхмерном виде его внешний облик. Также архивные снимки применяют с целью реставрации и воссоздания первоначального образа существующего в реальности объекта и как дополнение к чертежам, если таковые сохранились и являются достоверным источником об обмерных характеристиках архитектурного объекта.

2.1 Отбор фотографий для обработки

Для успешного и качественного построения трёхмерной модели фотографии должны, как можно полнее, удовлетворять следующим условиям:

1. Проекции должны быть центральными (перспективными), при этом нелинейные искажения должны быть минимальными. То есть, для получения фотографий не должны использоваться сверхширокоугольные (типа "рыбий глаз") объективы из-за неизбежно возникающих сильных искажений перспективы: например, задний план на фотографии будет казаться дальше, чем на самом деле, а при удалении от центра снимка форма предметов сильно деформирована. К тому же объекты, расположенные ближе всего к оптической оси таких объективов будут выглядеть заметно больше, чем на самом деле.

2. Рекомендуется использовать фотографии, полученные с широкоугольных объективов, так как они лучше подходят для поиска общих точек между объектами на разных кадрах. По этой же причине фотографии, сделанные с помощью телеобъектива, менее удачны, так как такой тип объектива имеет более узкий угол поля зрения. Наилучшие результаты при обработке могут быть получены с помощью объективов с фокусным расстоянием в 50 мм (35 мм в пленочном эквиваленте).

3. Предпочтительно использовать при сканировании архивных изображений максимально возможное разрешение.

При сохранении лучше выбирать форматы без потери качества и сжатия во избежание нежелательных шумов, которые являются проблемой при последующей обработке.

4. Фотографии должны, по возможности, представлять изображение объекта со всех сторон, а также снимаемый объект должен занимать большую часть кадра или же может быть снят по частям, но при условии достаточного перекрытия кадров. На рисунке 15 приведены примеры правильных и оптимальных позиций камер при съёмке архитектурных объектов.

a - фасад здания (плоский объект)	b - здание целиком (изолированный объект)

Рис. 15 Правильные положения камеры при съёмке архитектурных объектов

Чаще всего в распоряжении имеются только наземные фотографии, не дающие представления о форме и особенностях элементов, находящихся выше точки фотографирования и недоступных для съёмки "с земли" в силу своего пространственного положения. Однако, в некоторых случаях, удаётся найти фотографии с воздушной съёмки на территорию, где находится объект. Если качество и взаимное перекрытие стереопары отвечает необходимым требованиям, то эти снимки можно использовать для моделирования недостающих элементов.

5. Желательно, чтобы каждая грань объекта встречалась, как минимум на двух, а в лучшем случае на нескольких фотографиях. Те точки сцены, которые будут видны менее чем на двух кадрах, попадут в "слепую зону" и программы для обработки их не смогут реконструировать. Чем больше снимков с большим взаимным перекрытием, тем больше "контрольных" точек по которым программа будет совмещать снимки, и тем лучше стартовое качество будущей модели.

6. Чем больше на снимках запечатлено текстурированных предметов, тем лучше программы для обработки находят соответствия между объектами на разных кадрах. Блики, плохое освещение, смазанность, объёмные и нетекстурированные грани, большое количество шума и движущихся объектов на переднем и заднем плане - все эти нюансы дают некачественный, и порой нулевой результат. [4]



Глава 3. Практическая часть. Создание модели здания по фотографиям

3.1 Задача 1

Имеются фотографии высокого разрешения (Рис. 16), сделанные примерно в начале 2000-х годов, на которых запечатлён Никольский Морской Собор (Рис. 17), находящийся в Кронштадте. [31] Снимки формата 13*18 см были выполнены на стеклянных пластинках с помощью универсальной фотограмметрической камеры UMK10A фирмы Carl Zeiss. Негативы были заранее отсканированы на высокоточном фотограмметрическом сканере и сохранены в цифровом виде в формате .TIFF.

Рис. 16 Фотографии

Рис. 17 Схема расположения станций фотографирования. Вид сверху

Обработка фотографий производится в следующих программных продуктах: Adobe Photoshop CC trial version 2015.1.2, Agisoft PhotoScan, Autodesk AutoCAD trial version 2017.

3.1.1 Этапы работы в программе Adobe Photoshop CC

Перед началом работы в PhotoScan снимки необходимо повернуть, обрезать и уменьшить. Данная процедура выполнялась в пробной версии программы Adobe Photoshop CC выпуска 2015.1.2. Поворот снимков в Photoshop осуществляется с помощью операции «произвольное вращение». Инструментом «линейка» соединяют центры противоположных координатных меток (Рис. 18,a), тем самым проверяют горизонтальность положения меток относительно сторон снимка. После необходимо отсечь лишние области прикладной рамки с метками, используя маску (Рис. 18,b): создаётся отдельный слой, закрывающий полезную часть снимка, и применяется инструмент «создать обтравочную маску» по слою фотографии (Рис. 19).

Рис. 18 (a) Увеличенный фрагмент верхней координатной метки и (b) вид маски, которая накладывалась поверх снимка



Рис. 19 Фотографии после отсечения лишних областей

Все снимки сохраняются в формате .TIFF, чтобы избежать появления шумов и потери качества. Также уменьшается размер изображения - это необходимо для последующей работы в программе PhotoScan, так как изначальный размер снимков не позволит сделать обработку оперативно. На этом этапе работа в Photoshop завершена.

3.1.2 Этапы работы в программе Agisoft PhotoScan

Все действия, выполняемые в программе PhotoScan, осуществлялись согласно официальному руководству пользователя. [4]

PhotoScan позволяет создавать в автоматизированном режиме трёхмерные модели объекта по его фотографиям, а также позволяет рассчитывать площадь поверхности, объём объекта и измерять расстояния. Для достижения максимально качественного результата рекомендуется соблюдать рекомендации по выбору фотографий представленные в разделе "Отбор фотографий". Минимальные требования для создания трёхмерной модели - наличие хотя бы одной стереопары на каждый элемент реконструируемой сцены.

Первыми действиями является загрузка и выравнивание фотографий. Из-за отсутствия EXIF файла (метаданные) недостаток информации о камере вбивается вручную в разделе «калибровка камеры» (Рис. 20). В противном случае, PhotoScan задаст фокусное расстояние для снимков в 50 мм, что при большом расхождении с реальными значениями приведёт к ошибочному результату.

Рис. 20 Статус фотографий. NC - нет калибровки. NA - не выровнена

Экспериментально выявлено, что программа успешнее выполняет обработку, если поле «размер пикселя» остаётся без результатов ручного редактирования. Параметры фокусного расстояние по x и y осям (fx, fy в пикселях) и координаты главной точки (cx, cy) задаются в автоматическом режиме.

Коэффициент скоса (skew), коэффициенты радиальной дисторсии (k1, k2, k3, k4) и коэффициенты тангенциальной дисторсии (p1, p2, p3, p4) принято считать нулевыми (их значения у фотограмметрических камер предельно малы и на обработку почти не влияют). Последним шагом перед выравниванием идёт проверка качества загружаемых фотографий. Эта процедура необходима, так как фотографии плохого качества (менее 0,5) могут существенно повлиять на результат выравнивания, поэтому их лучше забраковать на этапе выравнивания (Рис. 21).

Однако в случае, если исключённые фотографии покрывали значимое пространство реконструируемой сцены, то их рекомендуется всё же оставить.

Рис. 21 Параметр качества фотографий

Выравнивание фотографий - это определение параметров внешнего и внутреннего ориентирования. Программа находит общие точки на загруженных фотографиях и определяет положения камер во время съёмки. Результат этапа: построение разреженного облака общих точек в 3D пространстве программы, а также данные о положении и ориентации камер (Рис. 23,a). Разреженное облако точек даёт визуальную оценку качества выравнивания фотографий и в дальнейших стадиях обработки не участвует. После этапа выравнивания программа позволяет визуально оценить соответствия между любой парой фотографий (Рис. 22).



Рис. 22 Просмотр соответствий между 4 и 3,5 снимками. Чем больше синего цвета, тем больше было найдено соответствий между парой снимков



Используя данные о положении и ориентации камер и загруженные ранее в проект фотографии, программа выполняет построение плотного облака точек (Рис. 23,b).

Рис. 23 (a) Разреженное и (b) плотное облако с позициями камер

На основании плотного облака точек программа строит полигональную модель высокого качества. Для моделирования замкнутых типов поверхностей, таких как статуи и здания больше подходит алгоритм "произвольный тип поверхности". Чтобы закрыть многие образовавшиеся дыры, лучше из дополнительных функций включить режим интерполяции.

После построения модели для редактирования в самой программе в основном используются инструменты "удаление областей", "заливка отверстий" и "плавное выделение". С помощью инструмента "плавное выделение", легко удаляются отстоящие от основной модели компоненты и большие полигоны, являющиеся результатом автоматического заполнения отверстий. Полученную на последнем этапе модель (Рис. 24,a) можно экспортировать в ортофотоплан (Рис. 24,b. 25).

Рис. 24 (a) Полигональная модель с позициями камер и (b) ортофотоплан



Рис. 25 Элементы ортофотоплана

3.1.3 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

Импортированный ортофотоплан вставляется в проект программы Autodesk AutoCAD trial version 2017 в формате "растрового изображения". Из-за того, что данные о координатах точек на объекте отсутствуют, ортофотоплан "внемасштабен". Можно использовать и условные единицы, однако, если точно известна длинна какого-нибудь элемента, то возможно вычислить реальные размеры сооружения.

Как результат - метрическая точность у такого варианта моделирования сильно варьируется, да и иногда это не сильно важно, так как полученная модель служит, в основном, для наглядного представления о существовавшем объекте архитектуры.

Элементом, длина которого использовалась для масштабирования всего ортофотоплана, выступил облицовочный кирпич, который покрывает почти всю площадь поверхности собора. Конечно, лучше выбирать для этих целей базис более протяженного характера, однако документов, описывающих размеры фасадных элементов, почти не сохранилось из-за, грянувшей через несколько лет после открытия собора, революции. Из информации, полученной от научных сотрудников музея истории Кронштадта, следует, что кирпич, примененный в облицовке фасада - это немецкий клинкерный кирпич, который изготовлялся по специальному заказу и поэтому не подходил под немецкие стандарты того времени ("Рейх формат" 1872 года 250х120х65мм, который совпадает с основным размером кирпича в России в настоящее время). Более того, все слагающие внешний облик собора кирпичи все разной длинны (от 13 до 28 см), однако единственная величина, сохраняющая постоянство - это их высота, которая везде была равна 70 мм.

Первым делом измеряют инструментом "линейка" размер нескольких кирпичей в разных частях фасада. Это необходимо для более точного определения результирующего значения и понимания правильности выбранной базовой единицы. Все измеренные кирпичи в количестве 20 штук почти не имели различий в длине.

Для того, чтобы рассчитать масштабный коэффициент необходимо разделить реальный размер элемента на измеренный по ортофотоплану. Масштабный коэффициент с помощью функции "масштаб" вбивается в программу и в результате получается правильно масштабированный объект. Чтобы проверить результат, нужно заново измерить ранее задействованные кирпичи. На этот раз длинна должна быть показана не в относительных единицах, а в реальных.

По масштабированному ортофотоплану можно уже проводить измерения элементов фасада и выполнять их чертежи (Рис. 26).



Рис. 26 Элементы чертежа фасада

3.2 Задача 2

Имеются негативы (Рис. 28), снятые на стеклянных пластинах формата 13*18 см с помощью универсальной фотограмметрической камеры UMK10A фирмы Carl Zeiss. На негативах запечатлено здание №15 по Итальянской улице (Рис. 29) до его реконструкции в 1998 - 2001 годах. [8] Также имеется высокоточный эталон, предназначенный для калибровки сканеров. Эталон представляет собой сетку квадратов размером 0,5*0,5 см, нанесённую на прозрачную пластиковую основу (Рис. 27).

Рис. 27 Фрагмент оцифрованной сетки эталона



Рис. 28 Негативы

Рис. 29 Схема расположения станций фотографирования. Вид сверху

Первая задача - необходимо отсканировать стеклянные пластины. Если при этом нет возможности использовать высокоточный фотограмметрический сканер, то данную процедуру можно сделать на планшетном полиграфическом сканере. Однако эти сканеры, при оцифровке графического материала, могут вносить сильные геометрические искажения. [7] Для исправления, неизбежно получаемых искажений необходимо иметь эталон, по которому будут исправляться систематические ошибки сканера. Эталон и фотоматериал должны сканироваться с одинаковым хорошим разрешением и в одной и той же области сканера параллельно его сторонам (допускается перекос относительно полей сканера не более 5°).

Для поставленных задач был выбран сканер Umax PowerLook 2100XL со слайд адаптером. Его основные характеристики представлены в таблице 30. Слайд адаптер необходим для сканирования негативов и прозрачных материалов, таких как пластиковая сетка эталона.

Табл. 30 Основные характеристики сканера Umax PowerLook 2100XL

Тип датчика	ПЗС - матрица
Максимальный формат бумаги	A3
Разрешение	800 dpi
Максимальная оптическая плотность	3.4 D
Глубина цвета (разрядность)	42 бит

Оптическое разрешение, измеряемое в точках на дюйм, определяется количеством ячеек ПЗС - матрицы, делённым на ширину поля сканирования по горизонтали. Оптическая плотность характеризует способность сканера различить близлежащие оттенки, что особенно важно для оцифровки чёрно-белого негатива, который имеет динамический диапазон в 3.0 - 3.6 D. Показатели оптической плотности и разрядности данного сканера позволяют с хорошим качеством отсканировать негативы без провалов в тенях и с максимальным сохранением оттенков в градации серого тона.

Дальнейшая обработка фотографий производится в следующих программных продуктах: PHOTOMOD ScanCorrect local version 5.21, Adobe Photoshop CC trial version 2015.1.2, Agisoft PhotoScan, Autodesk AutoCAD trial version 2017.

3.2.1 Этапы работы в программе PHOTOMOD ScanCorrect

Все действия, выполняемые в программе PHOTOMOD ScanCorrect version 5.21, осуществлялись согласно официальному руководству пользователя. [5] Первым этапом строится поле искажений. Коррекция искажений, вносимых сканером, осуществляется в модуле программы PHOTOMOD ScanCorrect фирмы РАКУРС. Этот модуль входит в стандартный пакет полной версии программы PHOTOMOD 5.21. Задача, решаемая с помощью модуля - получение метрически достоверных данных на основе эталона и растровых образов исходного материала, полученных при сканировании. Действия в ScanCorrect начинаются с загрузки эталона сетки, в котором помечаются соседние по горизонтали кресты (КРЕСТ 1, КРЕСТ 2), вбивается шаг сетки (0,5 см.) и выбирается точка привязки, которая должна оставаться неизменной как на эталоне, так и на всех негативах (по умолчанию - нижний левый угол). Программа рассчитывает поле искажений и информирует о количестве найденных крестов. По завершению процесса обработки выдаётся информация о количестве найденных крестов: чем выше этот показатель, тем качественнее будет сделана компенсация искажений. Крестами белого цвета указаны те пересечения сетки, которые были безошибочно найдены в автоматическом режиме программой. Кресты темного цвета - это плохо различимые пересечения, которые исправляются в ручном режиме. Для контроля вносимых сканером искажений предусмотрена возможность просмотра поля искажений (Рис. 31).

Рис. 31 Поле искажений по x и по y

Цвета обозначают ошибки сканера: зелёный означает, что ошибка предельно мала, красный и синий - положительная и отрицательная направленность уже большей по величине ошибки. Помимо визуальной оценки поля искажений, в программе предусмотрен просмотр статистики, которая содержит гистограммы ошибок раздельно по X, Y осям и статистические данные в числовой форме по X и Y в пикселях (Рис. 32).

Рис. 32 Окно статистики

В таблице 33 приведена расшифровка полей статистики.

Табл. 33 Расшифровка полей окна статистики

Крестов по X/Y	общее количество крестов по оси;
Макс «+» ошибка	максимальное положительное отклонение;
Макс «-» ошибка	максимальное отрицательное отклонение;
Средняя ошибка	среднее по модулю отклонение;
Дисперсия	среднеквадратичное отклонение.

В качестве дополнительного материала при построении поля искажений по растровому эталону, можно использовать корректировочную таблицу координат узлов сетки эталона. В этом случае обработка будет проходить с учётом импортированного в систему текстового файла или введённого вручную набора координат.

Заключительным этапом работы в программе является трансформация по полю искажений всего негативного фотоматериала.

3.2.2 Этапы работы в программе Adobe Photoshop

Этапы работы в программе Adobe Photoshop CC trial version 2015.1.2 аналогичны тем, что приводятся в разделе "Глава 3" - "3.1. Задача 1" пункт "3.1.1." представленной работы. Снимки выравниваются, обрезаются по маске и уменьшаются в 2 раза (Рис. 34).



Рис. 34 Результаты работы в Adobe Photoshop CC

3.2.3 Этапы работы в программе Agisoft PhotoScan

Этапы работы в программе Agisoft PhotoScan аналогичны тем, что приводятся в разделе "Глава 3" - "3.1. Задача 1" пункт "3.1.2." представленной работы. После загрузки фотографий в проект они выравниваются и по ним сначала строится разреженное облако точек (Рис. 35,a), а потом плотное облако точек (Рис. 35,b). Итогом работы в программе является полигональная модель (Рис. 36) с ортофотопланом.



Рис. 35 (a) Разреженное и (b) плотное облако с позициями камер

Рис. 36 Полигональная модель с позициями камер

Качество получившейся полигональной модели достаточно высокое, поэтому можно выполнить экспорт ортофотоплана на всю поверхность фасада (Рис. 37).



Рис. 37 Ортофотоплан

3.2.4 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD trial version 2017 аналогичны тем, что приводятся в разделе "Глава 3" - "3.1. Задача 1" пункт "3.1.3." представленной работы (Рис. 38). Масштабирование всей модели, если нет точек с известными координатами, происходит по реальной длине известного на чертеже предмета. Чем протяженнее базис для масштабирования, тем правильнее будет конечный масштаб чертежа. Окончательный чертёж фасада представлен на рисунке 39.

Рис. 38 План фасада в среде Autodesk AutoCAD 2017

Рис. 39 Чертёж фасада

3.3 Задача 3

Имеется один единственный негатив Петропавловского собора (Рис. 40), снятый на стеклянную пластину формата 13*18 см с помощью универсальной фотограм-метрической камеры UMK10A фирмы Carl Zeiss. Также имеется высокоточный эталон, предназначенный для калибровки сканеров. Эталон представляет собой сетку квадратов размером 0,5*0,5 см, нанесённую на прозрачную пластиковую основу.

Снимки и эталон были отсканированы на сканере Umax PowerLook 2100XL. Подробная характеристика сканера, вид сетки эталона и описание нюансов некоторых этапов процесса приводятся в разделе "Глава 3" - "3.2. Задача 2" представленной работы.



Рис. 40 Скан негатива

Дальнейшая обработка фотографии производится в следующих программных продуктах: PHOTOMOD ScanCorrect local version 5.21, Adobe Photoshop CC trial version 2015.1.2, PhotoTransformator version 4.1.1.1 Professional, Autodesk AutoCAD trial version 2017.

3.3.1 Этапы работы в программе PHOTOMOD ScanCorrect

Этапы работы в программе PHOTOMOD ScanCorrect local version 5.21 аналогичны тем, что приводятся в разделе "Глава 3" - "3.2. Задача 2" пункт "3.2.1." представленной работы. По сетке эталона строится поле искажений, по которому потом трансформируется весь снимок.

3.3.2 Этапы работы в программе PhotoTransformator

Все действия, выполняемые в программе PhotoScan version 4.1.1.1 Professional, осуществлялись согласно официальному руководству пользователя. [6]

Программный комплекс PhotoTransformator в данной работе используется для решения задачи трансформирования одиночного снимка. Это осуществляется путём расстановки направляющих линий: вертикальных (равных абсцисс), горизонтальных (равных ординат) и ортогональных (равных аппликат) (Рис. 41). Данный метод позволяет рассчитать элементы ориентирования фотоснимка при отсутствии каких-либо данных о снимке (метаданных).

Используя все направляющие линии и точку надира, а также точки горизонтального и вертикального схода программа трансформирует перспективный снимок на плоскость. Получившееся изображение (Рис. 42) сохраняется в формат .bmp без потери качества и уже может быть использовано для создания ортофотоплана.

Рис. 41 Направляющие линии по цветам: зелёный - вертикальная, синий - горизонтальная, оранжевый - ортогональная

Рис. 42 Результаты работы в PhotoTransformator



3.3.3 Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD

Этапы работы в программе Autodesk AutoCAD trial version 2017 аналогичны тем, что приводятся в разделе "Глава 3" - "3.1. Задача 1" пункт "3.1.3." представленной работы. Масштабирование всей модели, если нет точек с известными координатами, происходит по реальной длине известного на чертеже предмета. Чем протяженнее базис для масштабирования, тем правильнее будет конечный масштаб чертежа. Окончательный вид чертежа фасада Петропавловского собора представлен на рисунке 43.

Рис. 43 Чертёж собора



Заключение

Актуальность данной работы состоит в подробном изучении этапов реконструкции объектов по их архивным фотографиям. В теоретической части были достаточно подробно расписаны этапы становления фотографического процесса, а результатом практической части стали чертежи фасадных частей зданий или их элементов, полученных с помощью различных современных программных продуктов.

В результате проделанной работы можно сказать, что в настоящее время даже по очень ограниченному набору фотографий можно реконструировать объект, запечатлённый на них. Конечно, есть ряд ограничений, связанных с самими фотографиями и возможностями программных продуктов. В последнем случае нужно отметить, что построение моделей относительно плоских поверхностей, таких, как фасад здания происходит значительно лучше, чем сложных, рельефных, сильно выступающих поверхностей. Можно предположить, что это происходит из-за сильно колеблющегося значения параллакса различных одноимённых точек, так как у объектов, находящихся ближе к плоскости фотоснимка он будет больше, чем у объектов, находящихся дальше. По этой причине и из-за недостаточного количества перекрытий между фотографиями программы по обработке не могут качественно построить модель и конечный результат получается очень "рваными". То есть, даже при не удачном построении модели объекта - проекция на его фасадную плоскость будет выглядеть значительно лучше и качественнее, чем проекция на линию разреза. Поэтому в данной работе результатом практической части выступали ортофотопланы на лицевую часть фасада. Поставленные задачи этой работы следует считать выполненными, что доказывает применимость данной методики для реконструкции объектов по их архивным фотографиям .

Литература

1. Кантел Бажак. История фотографии. Возникновение изображения: пер. с франц. А. Кавтаскина. - М.: АСТ: "Астрель", 2006. 159 с.

2. Митчел Э. Фотография: пер. с англ. - М.: "Мир", 1988. 420 с.

3. А. В. Редько. Основы чёрно-белых и цветных фотопроцессов. - М.: "Искусство", 1990. 256 с.

4. Руководство пользователя Agisoft PhotoScan: Professional Edition, версия 1.2. - СПб.: ООО "ЖивойСофт", 2016. 110 с.

5. Руководство пользователя системы PHOTOMOD 3.10. программа PHOTOMOD ScanCorrect. - М.: ЗАО "Ракурс", 2016. 22 с.

6. Руководство пользователя PhotoTransformator Universal, версия 3.3.10. - СПб.: НПП "ФОТОГРАММЕТРИЯ", 2009. 35 с.

7. С.В. Олейник. ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ СКАНЕРЫ // Геопрофи. - 2004. - №3. - СПб.: "ГРОМ", 2004. 21 - 24 c.

8. Распоряжение губернатора Санкт-Петербурга от 03.11.98 N 1091-р "О РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ ПО АДРЕСУ: ИТАЛЬЯНСКАЯ УЛ., Д. 15, ЛИТЕРА А, И ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЗДАНИЯ ПО АДРЕСУ: ИТАЛЬЯНСКАЯ УЛ., Д. 15"

Ресурсы сети Интернет:

9. http://fotopages.narod.ru/obskyra2.htm

10. https://bajena.wordpress.com/2008/07/22/история-фотографии-камера-обскура-ка/

11. http://www.jnsm.com.ua/cgi-bin/u/book/sis.pl?action=show&Article=8816

12. http://www.antiq-photo.com/spip.php?article1226

13. https://ru.pinterest.com/somewhatremoved/baron-jean-baptiste-louis-gros/

14. http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?page=2&t=444024

15. http://photopoint.com.ua/1016985-samye-rannie-izobrazheniya-blizhnego-vo/

16. https://ru.wikipedia.org/wiki/Калотипия

17. http://www.photo.inspider.ru/articles/485/

18. http://vakin.livejournal.com/953863.html

19. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фокусировочный_мех

20. http://znyata.com/o-foto/class-part2.html

21. https://ru.wikipedia.org/wiki/Складной_фотоаппарат

22. https://ru.wikipedia.org/wiki/Амбротипия

23. https://ru.wikipedia.org/wiki/Альбуминовая_печать

24. https://www.buro247.ru/culture/our-choice/gid-buro24-7-fotobiennale.html

25. https://ru.wikipedia.org/wiki/Коллодионный_процесс

26. http://www.barenz.ru/interesnoe/eduar-deni-baldyu-luchshij-fotograf-francii

27. http://cheloveknauka.com/obraz-goroda-v-hudozhestvennoy-fotografii-frantsii-vtoroy-poloviny-xix-nachala-xx-vekov

28. https://ru.wikipedia.org/wiki/Eastman_Kodak

29. https://ru.wikipedia.org/wiki/Шифт-объектив

30. http://www.nporrtu.ru/blog/fotografy-i-fotostudii/

31. http://www.pravoslavie.ru/news/021028/05.htm

Размещено на Allbest.ru

...