В настоящее время визуальные информационные технологии применяются практически во всех сферах человеческой деятельности. Процесс развития компьютерных технологий привёл к расширению инструментария историка: новые инструменты анализа, репрезентации исторических источников обогатились базами данных, программами лингвистического анализа текста, геоинформационными системами (ГИС); позднее в этот круг вошли графические редакторы и программы трёхмерного моделирования для реконструкции исторических материалов.

Компьютерная историческая реконструкция - воссоздание культуры той или иной исторической эпохи и региона с использованием археологических, изобразительных и письменных источников при помощи информационных технологий.

Технологии трехмерного моделирования расширяют инструментарий исторических исследований, дают новый возможности анализа, синтеза и репрезентации используемой исходной базы, построения компьютерных реконструкций объектов историко-культурного наследия.

Методы реконструкции исторических материалов

В ХХ веке методика создания разного рода исторических реконструкций претерпела значительные изменения. Эпохальные открытия XIX - начала XX века обеспечили массовый интерес к истории и истории культуры, а появление принципиально новых способов создания изображения, таких, как фотография и киносъемка, издание книг массовыми тиражами, возможности цветной высококачественной печати, сделали свое дело с технической точки зрения. Естественное стремление к максимальной точности и правдоподобию реконструкций (в сочетании с возможностью использования достижений прогресса) привело к появлению новых методик и приемов (например, использование фотографий специально выполненных макетов). реконструкция компьютерный информационный

Принципиально новые возможности в задачу популяризации истории (и, в том числе, зримого воссоздания нашего прошлого) принес с собой появившийся в конце XIX века кинематограф. Художники кино многократно воссоздавали историко-культурное пространство различных эпох и цивилизаций (реально существовавших, легендарных, или полностью вымышленных). Некоторые научно-популярные фильмы стали заметными событиями в области массовой культуры, собирая аудиторию сравнимую с аудиторией фильмов экшн.

Новые технические возможности появились в последние десятилетия. С одной стороны, они связаны с появлением различных цифровых методов создания изображения, с другой - с появлением принципиально новых средств телекоммуникаций, развитием традиционных и возникновением новых средств массовой информации. В то же время, во многих странах развитие инфраструктуры, в том числе транспортной системы в сочетании с некоторой стабилизацией внутриполитической ситуации привело к развитию массового туризма. Памятники истории, археологии и культуры, которые 150 лет назад могли увидеть лишь некоторые специалисты и искатели приключений, сегодня стали обычным элементом семейного туризма. Естественно, это привело лишь к усилению интереса к историческому прошлому.

Среди множества технологий компьютерной графики, появившихся в последние десятилетия, можно выделить комплекс инструментов, предназначенных для создания трехмерной анимированной компьютерной графики (т. н. 3D-графика). Соответствующие приложения (самые популярные - 3Ds Max и Maya) были разработаны в конце 80-х годов прошлого века.

Трехмерную компьютерную графику можно упрощенно представить себе следующим образом. Прежде всего художник создает т. н. модели. Моделирование представляет собой процесс создания так называемых сцен, состоящих из различных объектов (своего рода компьютерной скульптуры, виртуальных архитектурных объектов и т. д.), именуемых моделями, а также из виртуальных источников света, видеокамер и, иногда, некоторых других специальных объектов. Моделям может быть назначен материал. Это значит что с каждым объектом сцены (прежде всего моделью) связывается некоторый пакет информации, определяющий свойство его поверхности - цвет, фактуру, (объект можно каким-то образом "покрасить"), прозрачность, возможность отражать другие объекты и т.д. Частью материала может быть графическое изображение в оцифрованном виде, которое с помощью специальных инструментов (компьютерных команд) "накладывается" на поверхность модели. Сцена может быть визуализирована, т. е, превращена в графический файл практически любого формата, и, следовательно, может быть представлена в распечатанном виде или просматриваться на каком либо мониторе. С другой стороны, имея такую сцену, мы можем менять во времени положение объектов в пространстве, а также практически любые их свойства (выраженные в числовом виде). В результате мы получим т. н. анимированную сцену, которая может быть визуализирована в каком либо из форматов видео и просматриваться зрителем как обычный фильм.

Появление такого инструментария дало возможность художникам, в том числе, создавать исторические реконструкции различной степени условности, от схематичных до т. н. "реалистических". Сегодня ни один серьезный проект в области исторического документального кино не обходится без выполненных в самой разнообразной стилистике компьютерных трехмерных реконструкций. Реконструкции, используемые в этих и подобных телефильмах, играют в них различную роль. Они могут быть информативны, т. е. давать зрителю подробное представление об исчезнувших памятниках и целых исторических ландшафтах, но могут также играть и сугубо декоративную роль. Широко известна масштабная реконструкция античного Рима, выполненная с высочайшей степенью детализации и реализованная как в электронной, так и в печатной версии. Различные трехмерные реконструкции публикуются на интернет-сайтах, как предназначенных для профессионалов, так и научно-популярных.

Другая область применения 3D графики - это возможность использовать реконструкции для публикации различных материалов в области истории, археологии и истории культуры, для введения их в научный обиход. Трехмерная компьютерная реконструкция сегодня - это, например, неотъемлемая часть публикации материалов археологических исследований.

Программное обеспечение графической реконструкции

Процесс становления технологий трёхмерного моделирования и признания его в научной среде в качестве инструментария пространственного анализа был достаточно долгим и, как было указано выше, начался еще в конце 1980-х годов в период формирования комплексов программ трёхмерного моделирования.

Одним из первых комплексных пакетов для моделирования и рендеринга был Lightwave 3D, выпущенный в 1990 г. для компьютеров серии Amiga. Программа 3Ds Max компании Autodesk, которую сейчас широко используют в своих исследованиях историки, археологи, историки архитектуры, появилась в 1996 г. Первые опыты использования трехмерных технологий в области исторической реконструкции характеризовались тесным сотрудничеством историков и технических специалистов.

До конца 1990-х гг. использование программ трёхмерного моделирования в исторических исследованиях требовало от гуманитариев или сотрудничества с техническими специалистами, или специальной подготовки. На данный этап времени специально разработанных пакетов программ трёхмерного моделирования для историков пока не нет.

В последнее время в среде компаний, специализирующихся на разработке программ по трёхмерному моделированию и "3D движков", наметилась тенденция к упрощению процесса работы, в результате система взаимодействия пользователя и программы, которая ранее осуществлялась программистом, а сейчас - через визуальный интерфейс программы, стала значительно проще. Благодаря упрощению программного инструментария и сотрудничеству гуманитариев и IT-специалистов, стало возможным использование программ трёхмерного моделирования в исторических исследованиях.

Правильный выбор программного обеспечения играет большую роль в построении виртуальной реконструкции. Сегодня можно выделить три направления программ разработки реконструкции: 2D редакторы (графические редакторы), 3D редакторы (трёхмерные редакторы) и "3D движки" (3D engines).

Построение любой простейшей трёхмерной модели невозможно без использования графических редакторов, которые необходимы для обработки изображений. Полученные изображения (текстуры) служат основой для построения моделей, выступая в качестве материала для трёхмерной модели. Самыми распространёнными графическими редакторами являются программы Adobe Photoshop, Corel Draw, а также их бесплатный аналог "The GNU Image Manipulation Program". Подобные программы не являются уникальными, существует много других менее, известных графических редакторов.

Сегодня существуют разнообразные программы, которые применяются для визуализации, построения трёхмерных моделей и их обработки. Трёхмерные редакторы позволяют исследователю визуализировать реконструируемый объект, смоделировать в программной оболочке тот или иной процесс, событие; с помощью программного модуля расчета прочностных характеристик провести анализ созданной трёхмерной модели. В большинстве случаев конечный результат работы в программе трёхмерного моделирования может быть представлен широкому кругу пользователей, только посредством отдельных снятых картинок реконструкции (скриншотов) или видеофрагментов.

Отметим, что большинство трёхмерных программ являются коммерческими, "обычный" пользователь для просмотра трёхмерной модели, как правило, не будет приобретать программу. Для таких пользователей существуют бесплатные программы-плееры, предназначенные для просмотра трёхмерных моделей; подобные плееры имеются для каждого формата трёхмерной модели, в частности, для формата моделей, созданных в таких программах как AutoCAD или Autodesk 3D Max.

Возможности программ-плееров весьма ограничены, вследствие чего большинство разработчиков виртуальных реконструкций предпочитает представлять свою работу посредством программ "трёхмерных движков", которые существенно улучшают возможности работы с трёхмерной реконструкцией. Таким образом, появляется возможность анализа трёхмерных моделей (речь идёт об анализе параметров трёхмерной модели), реконструкции процессов (событий), появляется возможность работы и просмотра восстановленной виртуальной реконструкции в реальном времени.

Все программы трёхмерных редакторов в основе имеют общую базу. Схожий интерфейс включает в себя следующие элементы и функции: готовые "примитивы", которые применяются при построении любой 3D модели (куб, цилиндр, треугольник, конус, иногда шар и т.д.), функции копирования, вставки, зеркального отражения объекта, функции освещения объекта и т.д. Схожая система построения 3D моделей включает в себя полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон). Методы моделирования могут сочетаться друг с другом. Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов.

Основные программы трёхмерных редакторов: Autodesk 3D Max, Autodesk Maya, Zbrush, AutoCAD, ArhiCAD, Catia, Hexagon, MoI, Nevercenter Silo, 3DWorldStudio, Argile, Google SketchUp, Blender, Wings 3D, Cartography Shop. Последние четыре программы относятся к бесплатному программному обеспечению.

Основные программы трёхмерных конвертеров 3D моделей: Deep Exploration CAD, 3D Photo Browser, 3D Object Converter и др.

3D движки это компьютерные программы, необходимые для построения виртуальных "интерактивных миров", в которые помещаются трёхмерные модели. Наиболее распространёнными трёхмерными движками, применяемыми для разработки виртуальных исторических реконструкций, являются программы: Cry Engine 3, Unreal Tournament UDK, Unity 3DQuest 3D, 3DVia Studio (Virtual Tools), Torque Game Engine, Nebula Device, ShiVa 3D game engine, Unigine, 3D Game Studio и др.

Трёхмерный движок позволяет разработчику создать интерактивную реконструкцию памятника культуры с возможностью просмотра в реальном времени, задать определённый алгоритм развития событий, обучающую систему, создать, например, аналог электронного справочника, интегрировать в виртуальную среду базы данных и т.д. Создать подобный пользовательский функционал и возможности в программах-плеерах просмотра трёхмерных моделей или модулей, существующих в программах трёхмерных редакторов для просмотра трёхмерных моделей (например, в программах AutoCAD, ArhiCAD, Autodesk 3D Max и др.), пока что невозможно. Многие программы трёхмерных движков позволяют сделать все вышеперечисленные операции без навыков программирования, в некоторых из них можно обойтись начальным уровнем технического образования.

Использование трёхмерных движков позволяет разработчику виртуальной реконструкции сделать доступным свой продукт, посредством технологии Web-клиента (или web-плеера), который поддерживают большинство операционных систем. Благодаря данной программе стало возможным предоставить пользователю возможность работать с программой через Интернет.

Среди перечисленных 3D движков только небольшая часть программ и программных модулей имеем возможность транслировать виртуальную реконструкцию через Интернет в окне Web браузера (Internet Explorer, Opera, Mozilla Firefox, Google Chrome, Safari и др.): Unity 3D, Quest 3D, 3DVia, технология Java (Java(TM) Web Start Launcher), технология трансляции трёхмерных моделей в формате VRML (на базе плееров Cortona VRML Client, Cosmo Player, OpenVRML и др.), среда Google Earth и среда Second Life.

Говоря об информационной наполняемости виртуальной реконструкции, мы подразумеваем интеграцию в виртуальное пространство информационного текстового и графического материала (рисунки, планы, чертежи, видео-материалы), баз данных, истории объекта. В данном случае речь идёт о представлении всего комплекса архивных данных, на основании которых осуществляется построение виртуальной реконструкции.

Наиболее простым и доступным для выполнения поставленных задач среди 3D движков, на наш взгляд, является программа Unity 3D, относящаяся к категории условно-бесплатного программного обеспечения. Аналогичная ей технология Quest3D имеет ограниченные возможности онлайн презентации виртуальной реконструкции.

Вспомогательные технологии графической реконструкции

Можно выделить ряд технологий, дополняющих инструментарий исследователя, облегчающих и частично автоматизирующих процесс построения виртуальной реконструкции объекта историко-культурного наследия: фотограмметрия, лазерное сканирование, аэрофотосъёмка.

Фотограмметрия - это научно-техническая область, ориентированная на разработку методов определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных пространственных объектов по результатам измерений их фотографических изображений.

К предметам изучения фотограмметрии стоит отнести геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки. Характеристики объекта могут изучаться по его изображению на одиночном снимке или по паре перекрывающихся снимков, полученных из различных точек пространства.

С необходимостью анализа пространства посредством технологий фотограмметрии исследователь сталкивается при работе с изобразительными источниками, такими как фотографии или аэрофотоснимки. Нередко фотографии являются единственным историческим источником, характеризующим облик исторического материала. Анализ перспективы фотографии, степени искажения пространства, выявление размеров строения невозможно без использования технологий фотограмметрии, осуществляемом в специализированном программном обеспечении, например, в пакете PhotoModeler Scanner и его аналогах.

В задачах построения виртуальной реконструкции технологии фотограмметрии играют не последнюю роль. Анализ материалов аэрофотоснимков и правка перспективы фотографии в большинстве случаев осуществляется не в графических редакторах, таких как Adobe Photoshop или GIMP, а в специализированном программном обеспечении; к нему можем отнести: PHOTOMOD 5, PHOTOMOD 5 GeoMosaic, MapEDIT PRO и др.

Среди программ, используемых в фотограмметрии для анализа фотографий и построений трёхмерных моделей на их основе, стоит отметить: PhotoSculpt Textures, 3DSOM, PhotoModeler и Autodesk 123D Catch (ранее Project Photofly).

Лазерный сканер (3D сканер) - это аппаратное устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D модель. Трёхмерная модель сканируемого артефакта или строения обычно представляется в виде облака точек или готовой трёхмерной моделью. Отметим, что лазерные сканеры появились относительно недавно. Появление на рынке первых лазерных сканеров связано с деятельностью японской компании Cyra Technology. В 1990-х на мировом рынке оборудования стал доступным первый лазерный сканер высокой четкости, который за последние 20 лет получил широкое распространение в среде как технических специалистов, так и гуманитарных (археологов, историков, музееведов и т.д.).

С целью популяризации внедрения лазерных сканеров в гуманитарные исследования для решения задач оцифровки, анализа объектов историко-культурного наследия в 2003 г. компания создала проект CyArk, имеющий целью создание депозитария цифровых копий результатов электронного сканирования объектов историко-культурного наследия, полученных с помощью разработанного фирмой лазерного сканера. Этот некоммерческий проект принёс фирме значительную известность и способствовал распространению практики внедрения аппаратов лазерного сканирования в гуманитарные науки, в частности, в археологии - для решения задач оцифровки археологических артефактов, архитектурных строений, а также рельефа.

Сегодня существует большой выбор разновидностей лазерных сканеров, основные из них это сканеры фирмы CyArk, Optech ILRIS-3D laser scanner, Leica HDS6100, RIEGL LMS-Z390i, IMAGER5006, Topcon GLS-1000, Kreon (серии AQUILON, ZEPHYR и SOLANO), ZScanner и недорогие варианты, такие как, Roland LPX-250, Minolta VI-700, David Laser Skaner.

Стоит отметить, что практика современных зарубежных археологических экспедиций в большинстве случаев не обходится без лазерного сканера. Несмотря на дороговизну, этот способ трёхмерного моделирования получает всё большее распространение в археологии за счёт максимального приближения результатов моделирования к исходному объекту. Причём речь идёт не только о создании трёхмерных изображений археологических находок, но и участков ландшафта в окрестностях памятников, а также видов раскопов и выявленных объектов.

Если использование ГИС в гуманитарных исследованиях началось относительно недавно - около 20 лет назад, то история применения аэрофотосъёмки насчитывает уже более 100 лет. Мощный толчок в развитии аэрофотосъёмки произошёл в ходе Первой мировой войны, когда всеми воюющими странами она использовалась в разведочных целях. После окончания войны активизируется применение аэрофотосъёмки в археологии, проводившейся с самолётов.

В задачах виртуальной реконструкции данные аэрофотосъёмки позволяют создать трёхмерную модель ландшафта и выступить в качестве отправного материала плана территории, где фотография местности с воздуха позволяет уточнить место расположения объекта в пространстве.

В задаче построения виртуальной реконструкции, как правило, большую роль играют плановые аэрофотоснимки (vertical aerial photos), получаемые со спутников или специальных пилотируемых или беспилотных самолётов, вертолётов, гексо-, квадро- или ортокоптеров. Пространственное разрешение снимков зависит от возможностей камеры, а также от грузоподъёмности аппарата. Беспилотные летательные аппараты (Gaui 330x, Xaircraft x650, Dragonfly X4-X8, Microcopter, Conrad Quadrocopter и др.) позволяют исследователю получать фотографии территории с любой высоты, благодаря вертикальному взлёту аппарата, его устойчивости, грузоподъёмности, возможности удержания высоты по GPS и т.д.

Частным случаем использования лазерного сканирования является применение технологий Light Detection and Randing (LIDAR) - лазерного сканирования воздушного базирования, которое основано на измерениях расстояния и точной ориентации этих измерений между сенсором и отражающей поверхностью.

Заключение