| церковь Спасо-Преображения на Нередице | на главную о проекте |
Проблемы и методики трехмерной реконструкции
Мы занимаемся компьютерной реконструкцией памятников истории и археологии с 2005 года. За это время нами было сделано некоторое количество реконструкции памятников истории, археологии и культуры на основе материалов археологических раскопок, а также источников, опубликованных в научной прессе и хранящихся в архивах. С 2005 года мы занимаемся реконструкциями Илурата, города крепости, существовавшего в I – III в.в. н. э. на территории Боспорского царства (теперь на территории Украины в 15 км. от современного города Керчь). С 2006 года мы работаем с материалами, полученными в результате исследования городища Старая Ладога – первой столицы древнерусского государства. В том же 2006 году мы начали работу над проектом, целью которого стала комплексная компьютерная трехмерная реконструкция церкви Спаса-Преображения на Нередицком холме близ Великого Новгорода. Для этого нам потребовалось совместить изображения фресок, сохранившиеся в виде акварельных разверток, живописных копий и архивных фотографий, с трехмерной компьютерной моделью храма. Спустя некоторое время, в 2008 году, мы начали реконструкцию т.н. Двойного склепа, открытого на северном склоне горы Митридат в 18 году археологом Кулаковским и повторно обследованным в 190… М.И. Ростовцевым. Важнейшей частью работы стала реконструкция росписей, покрывавших стены и потолок обеих камер склепа. Сравнивая эти проекты, мы задумались о некоторых закономерностях, возникающих в процессе работы, а также об особенностях каждого из них, связанных как со спецификой как памятников, так и имеющихся в нашем распоряжении материалов. В конце концов, стали использовать свои подходы и методики для каждого из проектов, в то же время используя опыт, полученный во время работы над одним из них для реализации другого. Мы пришли к заключению, что было бы полезно, с одной стороны, прокомментировать нашу работу, чтобы показать зрителю механизмы создания подобных реконструкций, с другой – поделиться нашими мыслями с коллегами, которые занимаются (или собираются заняться) похожими проектами. Предлагаемый текст является не более чем рабочими заметками, ни в коем случае не претендующими на то, чтобы быть истиной в последней инстанции. С нашими работами можно ознакомиться на сайтах ilurat.nw.ru и oldladoga.nw.ru, www.nereditsa.ru. В 2006 г. в издательстве «BHV-Питер» была опубликована книга С. Швембергера, П. Щербакова и В. Горончаровского «Художественное моделирование в 3Ds Max», в значительной степени посвященная вопросам реконструкции археологических памятников. Реконструкции памятников истории, археологии и культуры. Общие вопросы.Идея реконструировать (полностью или частично) исторический объект, памятник культуры или некоторое действо, разумеется, не нова. Множество реконструкций (по большей части художественных, таких как «реконструкция» Вавилонской башни Питера Брейгеля Старшего) было сделано художниками эпохи Возрождения. Позднее, в связи с бурным развитием науки в XVII – XIX веках, появились попытки создания «научных» реконструкций. В конце этого периода традиционная тематика, связанная с легендарной историей была дополнена сюжетами, связанными с вымершими животными и ископаемыми формами человека. Большинство из них, естественно, сегодня вызывают лишь улыбку (за исключением шедевров мирового искусства).
Илл 1. П. Брегель Старший. Вавилонская башня XVI в
Г. Доре. Вавилонская башня XIX в В прошлом веке методика создания разного рода 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). Традиционные материалы (акварель, гуашь, тушь) были блестяще использованы чешским художником З. Бурианом при создании (под руководством ученого-палеонтолога Й. Августы) целой серии книг-альбомов, рассказывающих о происхождении и развитии жизни на Земле. В свое время они стали бестселлерами. Вообще говоря, научно-(или псевдонаучно-)популярные книги, чаще всего связанные с историей и историей культуры, приобрели широчайшую популярность в XX веке, превратившись в специальную индустрию и став, с одной стороны, важным фактором, способствующим популяризации истории, с другой – самостоятельным (иногда – скандальным) специфическим элементом массовой культуры . Принципиально новые возможности в задачу популяризации истории (и, в том числе, зримого воссоздания нашего прошлого) принес с собой появившийся в конце позапрошлого века кинематограф. Художники кино многократно воссоздавали историко-культурное пространство различных эпох и цивилизаций (реально существовавших, легендарных, или полностью вымышленных). Некоторые научно-(или псевдонаучно-)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 нашему прошлому. Среди множества технологий компьютерной графики, появившихся в последние десятилетия, можно выделить одну, оказавшую огромное влияние на процесс создания иллюстративного ряда для Интернета и современных электронных СМИ. Мы имеем в виду комплекс инструментов, предназначенных для создания трехмерной анимированной компьютерной графики (т. н. 3D-графика). Соответствующие приложения (самые популярные – 3Ds Max и Maya (отдельные версии приложений имели названия, незначительно отличающиеся от приведенных)) 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». Справедливости ради заметим, что реконструкции не являются, конечно, ни единственной, ни даже основной сферой применения этой техники. Наибольшее влияние на сегодняшний день она оказала на кинематограф, сделав возможным появление множества полнометражных художественных анимационных фильмов, таких как всем известные «Шрек», «Мадагаскар», «Ледниковый период» и «Наверх». С помощью инструментов 3D графики создаются самые разнообразные визуальные эффекты для игрового кино. Кроме того, существует множество примеров успешного применения 3D графики, без сомнения, очень интересной художественной техники вообще, как в различных видах искусства, так и в других областях (в инженерном и архитектурном проектировании и т. д.). Тем не менее, в жанре исторической (и не только) реконструкции за последние годы были достигнуты впечатляющие успехи. Сегодня ни один серьезный проект в области исторического документального кино (например, «Древние империи» и другие сериалы ВВС и других компаний) 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. Великолепные реконструкции ископаемых животным обеспечили широчайшую популярность сериалам «Прогулки с динозаврами» и «Прогулки с чудовищами» телекомпании ВВС. Различные трехмерные реконструкции публикуются на интернет-сайтах, как предназначенных для профессионалов, так и научно-популярных.
Илл. 5. Реконструкции Древнего Рима. Проект, основанный на сочетании современных фотографий и трехмерных компьютерных реконструкций. 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. Несмотря на то, что сегодня эта деятельность не получила еще достаточного развития (может быть, просто в силу недостаточного финансирования науки), некоторые авторитетные ученые-гуманитарии уже сегодня считают, что 3D графика в XXI веке станет основной формой публикации материалов в соответствующих областях науки. Анализ источников и постановка задачи.Большой интерес публики к истории и истории культуры, сформировавшийся в течение последних полутора веков и широкий общественный резонанс, который имели выдающиеся археологические открытия, сделанные за это время, не означали, к сожалению, что судьба памятников культуры была безоблачной на протяжении этого периода. Памятники гибли во время войн и социальных потрясений, оказывались под позднейшей застройкой, просто разрушались. Создание современных компьютерных трехмерных реконструкций памятников истории и культуры представляет, тем самым, достаточно актуальную задачу. Конечно, никакие технологии никогда не позволят «виртуально восстановить» утраченные памятники. Создание компьютерной реконструкции представляет собой создание некоего нового объекта, в чем-то похожего на графические реконструкции, выполненные традиционными методами, но имеющие неизмеримо большее информационное наполнение. Они никогда не смогут заменить исчезнувшие памятники, но им по силе решить некоторые задачи. Они могут дать представление о памятнике, порой неизмеримо большее, чем традиционные иллюстрации, могут способствовать «полному погружению» зрителя, мы можем почувствовать (за счет анимации камеры) движение человека перемещающегося в пространстве памятника тогда, когда памятник еще не был разрушен или иным образом утерян. Можно восстановить характер освещения пространства, дав тем самым возможность зрителю почувствовать себя участником событий, происходивших много веков назад. Наконец подобная деятельность способствует привлечению внимания общества к проблемам сохранения существующих памятников и, наконец, способствует популяризации истории, археологии и истории искусств. Работа по созданию компьютерных реконструкций должна проводиться совместно специалистом-историком и художником, умеющим работать в технике 3D графики и анимации. Реконструкция, естественно, основывается на вполне определенных источниках. Поэтому начинаться работа должна с постановки задачи и анализа имеющихся источников. Очевидно, объем имеющейся информации должен соответствовать поставленной задаче. Иными словами, надо оценить, во-первых, саму возможность реконструировать объект, во-вторых, - возможный уровень детализации. Источники, используемые при создании компьютерных реконструкций (как, впрочем, и традиционных) могут быть самыми разнообразными. Можно (разумеется, условно) выделить их основные группы, дать им характеристику и проанализировать их применительно к нашим случаям (мы рассматриваем те источники, которые могут использоваться при создании компьютерных трехмерных реконструкций настенной живописи). Архитектурные обмеры, чертежи, топографические планы.Архитектурные обмеры и чертежи имеются в нашем распоряжении в том случае, когда памятник либо сохранился (хотя бы частично), либо был исследован (полностью или частично) до его разрушения. Например, можно попытаться восстановить живописный декор Парфенона (частично сохранившегося памятника) создав компьютерную трехмерную модель на основе имеющихся архитектурных обмеров. В случае реконструкции росписи Нередицкой церкви (построенной дважды) мы располагаем архитектурными обмерами, выполненными Императорской археологической комиссией (ИАК), которые позволяют создать точную архитектурную модель церкви (т. н. сетку), которая может быть впоследствии соединена с изображениями (репродукциями) фресок. Альтернативный путь – создать модель на основе обмеров существующей реконструкции архитектуры церкви, выполненной в материале в 1950 – е годы. Реконструкция боспорских склепов основывается, в частности, на имеющихся в распоряжении исследователей планах и обмерах склепов, выполненных их первооткрывателями и учеными, изучавшими их в период между открытием этих памятников и их утратой. Чертежи и обмеры, полученные в результате археологических раскопок Илурата, Березани и Старой Ладоги легли в основу реконструкций жилищ и оборонительных сооружений, существовавших когда-то на этих поселениях. Без таких источников сколько-нибудь правдоподобная реконструкция памятников истории, имеющих архитектурную основу, невозможна. Работая с такими источниками, мы неизбежно задаем себе некоторые вопросы. Какова их точность? Кем и в каких условиях были выполнены работы? Вопросы эти далеко не праздные. Архитектурные обмеры далеко не всегда выполнялись профессиональными архитекторами или археологами, могли выполняться в спешке и т. д. Большое значение при работе с архитектурными обмерами и аналогичными источниками играет мнение специалистов, изучавших их ранее, и имевших возможность составить о них мнение. Заметим, что, по мнению некоторых специалистов, работы выполнявшиеся исследователями Императорской археологической комиссии при обследовании церковной архитектуры Древней Руси выполнялись на достаточно высоком уровне. Применявшаяся нами методика создания архитектурной реконструкции церкви Спаса-Преображения на Нередицком холме инструментами приложения 3Ds Max на основе обмеров, произведенных специалистами Императорской археологической комиссии, подробно излагается ниже.
Илл. 6. Ф. И. Гросс. План двойного склепа (склепа 1873 г.)
Илл. 7. Церковь Спаса-Преображения на Нередицком холме. Материалы Императорской археологической комиссии. Иллюминированные чертежи и схемы. Мы имеем в виду, например, схемы росписей различных объектов, живописного декора и пр. Такой метод публикации материалов используется также при работе с керамикой и другими предметами декоративно-прикладного искусства. Понятие «иллюминированный чертеж» или «иллюминированная схема» весьма условны, но можно попытаться выделить некоторые общие черты, отличающие их, например, от классических копий (в отличие от копий в академическом понимании, схемы и иллюминированные чертежи могут выполняться в любом материале, чаще всего – в акварели). В случае плохой сохранности настенной живописи такие схемы, чертежи, копии заключают в себе элементы графической реконструкции. Художник, делая прорисовку росписи начинает каким-то образом трактовать то, что он видит. Если разные художники фиксируют одно и то же изображение, то может случиться так, что один художник увидит некоторое изображение, несущее определенный смысл, там, где другой – лишь случайный набор пятен неизвестного происхождения. Особенностью этого вида материалов является то, что они выполняются строго во фронтальной проекции, без ракурсов и учета перспективных искажений, что, однако, не мешает художникам убедительно передавать рисунок, цвет, особенности фактуры, характер повреждений оригинала, Визуальный «эффект перспективы» при этом осознанно теряется. Художник создает цветной чертеж. На определенном этапе создания компьютерной трехмерной реконструкции такие изображения могут быть совмещены с архитектурными моделями (отдельными поверхностями, подчас имеющими сколь угодно сложную форму). Инструменты 3Ds Max позволяют сделать это достаточно корректно, в результате чего оптические эффекты (в первую очередь, эффект перспективы) появляются вновь. Схемы и иллюминированные чертежи представляются нам наиболее подходящим исходным материалом для создания компьютерных трехмерных реконструкций настенных росписей и других подобным их объектов. Мы не могли использовать источники такого рода при работе над реконструкцией живописи церкви Спаса-Преображения на Нередице. Они либо не существуют, либо остались недоступны для нас. В основу комплексной реконструкцией керченского Двойного склепа легли иллюминированные прорисовки настенной живописи художника Гросса. Выполненные с высокой степенью детализации, они позволяют реконструировать склеп с высокой степенью правдоподобия. Отметим, что в случае с Двойным склепом существуют альтернативные материалы (акварели М. Фармаковского), которые мы предполагаем использовать в дальнейшем.
Илл. 8. Ф.И. Гросс. Разрез Двойного склепа
Илл.9. Ф.И. Гросс. Потолок первой камеры склепа. Илл. 10. Ф.И. Гросс. Стена первой камеры склепа. Художественные акварели и зарисовки. В эту группу источников (очень условно) можно отнести изображения, сделанные с натуры с учетом оптических эффектов, таких как перспективные искажения. В этом случае художник изображает, предмет (или его детали) так, как он его видит, пишет так, как он писал бы в реалистической манере пейзаж или натюрморт, выстраивая перспективу и прорабатывая тени. То же относится к различным графическим зарисовкам и наброскам. Цель таких изображений – дать зрителю максимально полное представление о памятнике или его деталях. Такой точной фиксации изображения, как на иллюминированных чертежах мы здесь не видим (не потому, что художник не смог этого добиться, а потому, что не ставил перед собой такой цели). Деление источников на группы, естественно, весьма условно. Нет, разумеется, четкой грани между схемой и зарисовкой. Акварели могли быть выполнены с различными целями и, если угодно, с разной степенью условности. Кроме того, некоторые акварельные фрагменты могут и не содержать перспективных искажений или игры светотени. При компьютерной реконструкции памятника они будут вести себя как иллюминированные чертежи. Акварели Л.М. Браиловского (основной материал, использованный нами при воссоздании исторического интерьера церкви Спаса-на-Нередице) похожи одновременно и на художественную акварель, и на иллюминированный чертеж или схематическую цветную прорисовку. В целом они представляют собой развертку ансамбля настенной живописи, фрески скопированы фронтально, они расположены на листе как архитектурный чертеж. Детали (но не все), однако, изображены с учетом перспективного искажения и светотени. Перспективное искажение отсутствует в изображении фресок, расположенных на плоских участках стен. Фрески, расположенные тех частях стен, которые имеют сложную форму (апсиды), на сводах, парусах, куполе и барабане изображаются с учетом перспективы и законов светотени (фигуры, расположенные на парусах, например, лишены голов). Все это, конечно делает невозможным полную реконструкцию интерьера церкви только на основе акварелей Л.М. Браиловского. С другой стороны, акварели Л.М. Браиловского дают прекрасное представление о фресках церкви Спаса-на-Нередице в целом, и они могут служить прекрасным исходным материалом для создания реконструкции интерьера церкви на определенном уровне детализации. Отдельные фрагменты акварелей могут быть использованы для создания более подробных реконструкций отдельных частей интерьера. При реконструкции Двойного склепа мы не использовали подобных материалов.
Илл. 11. Л.М. Браиловский. Фрески северной стены. Акварель.
Илл. 12. Л.М. Браиловский. Развертка купола и сводов. Акварель Илл. 13. Л.М. Браиловский. Фрески парусов и купола. Акварель. Головы евангелистов не изображаются из-за перспективных искажений. Фотографии. Фотографии считаются (безусловно, по праву) самым объективным способом передачи изображения, известного в конце XIX – начале XX в.в. Это правильно, хотя можно сделать несколько замечаний на эту тему. Во-первых, старые фотографии неизбежно подвергались ретушированию, что могло привести к неким искажениям, особенно в случае плохой сохранности оригинала. Ретушер в этом случае может начать по-своему «реконструировать» объект. Во-вторых, необходимо убедиться в том, что камера во время съемки располагалась перпендикулярно изображению, иначе возникали бы перспективные искажения. Также крайне желательно наличие ровного, равномерно распределенного освещения. Заметим, что в любом случае при фотографировании, например, купола церкви, избежать пространственных искажений невозможно. В-третьих (и это самое важное для нас), работая с материалом конца XIX – начала XX в.в мы имеем дело исключительно с черно-белой фотографией. Получается, что, достигая высокой степени детализации и объективности, мы теряем при этом всю информацию о цветовом решении живописного убранства и значительно ослабляем эмоциональное восприятие реконструкции.
Илл. 14. Фигуры Евангелистов на парусах. Фотографии. Фигуры Евангелистов изображены полностью. Неизбежно возникает желание объединить плюсы (и, в то же время избавится от минусов) различных видов источников (объективность фотографии и цвет прорисовок и акварелей), создав некий новый вид исходного материала, т. е. попытаться каким-то образом «иллюминировать» (с помощью компьютерных технологий или традиционных техник?) фотографию. Информационным источником в этом случае могут служить как имеющиеся цветные схемы и акварели, так и (в случае с церковью Спаса-на-Нередице) сохранившиеся фрагменты фресок. Мы планируем попытаться сделать что-либо в этом направлении в будущем, но я не берусь предсказать результат этого эксперимента. На сегодняшний день фотоматериалы при создании реконструкций мы не использовали. Перечисленные выше виды источников являются основными для реконструкции исторических памятников. Кроме них существует множество других, которые также могут быть весьма полезны. Они, как правило, носят вспомогательный характер, тем не менее хочется сказать несколько слов и о них. Материалы археологических раскопок. Могут использоваться в качестве источника дополнительной информации при реконструкции некоторых деталей сооружений. Например, фрагменты черепицы, найденные во время раскопок Илурата, были использованы для реконструкции крыш. Сами строения реконструировались по архитектурным обмерам руин, открытых во время раскопок (см. выше). Различные изображения, синхронные памятнику, который мы реконструируем. Речь идет об изображениях самого различного характера (граффити, изображения на монетах и т.д.). На основание таких материалов (естественно, в сочетании с результатами археологических раскопок) была сделана реконструкция оборонительных сооружений Илурата. Аналогии. Могут использоваться для реконструкции частей памятника, утраченных еще в древности. Реконструкции, сделанные на основе аналогий, чаще всего будут носить гипотетический характер. Письменные источники. Описания памятника, сделанные исследователями видевшими его до разрушения могут помочь нам в интерпретации материала. Кроме того, можно использовать сохранившиеся в других местах аналоги, данные традиции и прочее. Говоря о всех этих материалах необходимо иметь в виду следующее. Мы можем создать убедительную реконструкцию в том случае, если мы имеем достаточное количество однотипных источников (комплект чертежей, серию фотографий, на которых представлена хотя бы большая часть фресок, и т. д.). Существующие разрозненные копии отдельных фресок вряд ли могут быть использованы для создания достаточно убедительной реконструкции, хотя могут быть полезны как источник дополнительной информации. Необходимо, кроме того отметить следующее. Различные материалы часто противоречат друг другу. Если мы обнаруживаем во время работы такие несоответствия, то единственный выход для нас – создать некоторую иерархию источников, то есть приняв один из них (предположительно самый точный из всех) за основной. Итак, подведем итоги. Для реконструкции церкви Спаса Преображения на Нередицком холме мы имеем следующие группы источников:
Для реконструкции Двойного склепа мы имеем в своем распоряжении чертежи и иллюминированные прорисовки, выполненные художником Гроссом (каждая композиция прорисована на отдельном листе) и репродукции акварелей М. Фармаковского, представляющие отдельные планы. Кроме того мы имеем описания (словесные) сделанные учеными, исследовавшими его в XIX – начале ХХ века. Проанализировав имеющиеся у нас материалы (с учетом их характеристик, данных выше) мы можем сформулировать план работ для каждого из наших проектов. Церковь Спаса-Преображения на Нередицком холме. В рамках этого проекта мы решили выполнить следующие работы. В рамках этого проекта:
В дальнейшем:
Двойной склеп, находившийся в Керчи.
Методикa создания компьютерных реконструкций. Практические рекомендацииК сожалению, та ситуация, в которую попали церковь Спаса-на-Нередице и боспорские склепы, не уникальна. Желание начать работы по созданию компьютерных трехмерных реконструкций утраченных (полностью или частично) памятников высказывается специалистами, работающими в различных музеях, исследовательских институтах и других организациях, имеющих дело со сходной проблематикой. В этом разделе приводятся практические рекомендации по созданию трехмерных компьютерных реконструкций памятников истории и культуры, имевших когда-то живописное убранство, ныне, по тем или иным причинам оказавшимся утраченным. При реконструкции церкви Спаса-на-Нередице и Двойного склепа нами применялась, в общем и целом, одна и та же методика. Можно, однако, отметить и некоторые различия. Они связаны, в основном, с двумя факторами. Первое. Прорисовки (иллюминированные чертежи) Ф.И. Гросса гораздо более детализированы, чем Акварельные разверстки Л.М. Браиловского и выполнены в очень крупном масштабе (примерно 1:5). Второе. Физические размеры склепа несравнимо меньше, чем у церкви, что, естественно, облегчило нашу работу. Ниже мы обратим внимание на эти различия. Мы надеемся, что информация, приведенныа ниже может быть полезна исследователям, работающим в области истории, археологии, истории искусства, специалистам по охране и сохранению культурного наследия при подготовке проектов, связанных с сохранением памятников культуры в цифровой форме, в том числе по созданию информационных систем. С другой стороны, наши заметки адресованы, специалистам, имеющим некую подготовку в компьютерной трехмерной графике, и, как мы надеемся, дадут им возможность начать аналогичные работы. Приведенная ниже методика основана на использование приложения 3Ds Max, однако не составляет труда найти аналогичные инструменты и в приложение Maya. Заметим, что знание последовательности «кнопок», которые необходимо нажать в определенной последовательности, не является достаточным для получения адекватного результата. Наша цель – показать основные этапы работы по созданию трехмерной компьютерной реконструкции. Приведенные ниже рекомендации ни в коем случае не являются пособием по трехмерному моделированию. Так, мы не описываем простейших операций, таких, как создание геометрических примитивов и сплайнов, выделение, перемещение, вращение и масштабирование объектов, выбор типа материалов и текстур, присвоение имен объектам и материалам. Мы не сообщаем базовой информации, касающейся объектов Editable Poly и т.д. Но мы, в тоже время, не описываем подробно, например, интерфейсы модификаторов, которые используем в процессе работы. Для изучения основных операций используемых в приложении 3Ds Max, необходимо обратиться к специальным руководствам. Мы также стремились сделать наше изложение максимально простым и доступным даже для тех, чей опыт работы в трехмерной графике невелик. Работы по созданию трехмерной компьютерной реконструкции памятника, декорированного настенной живописью, можно разделить на три основных этапа:
Мы рассмотрим далее первые два этапа. Визуализация представляет собой достаточно стандартный набор инструментов, одинаковый для самых разных задач. Выделить какие-либо приемы, особенно часто применяемые при создании именно трехмерных компьютерных реконструкций памятников истории и культуры сложно. Моделирование сложной архитектуры. Работа с графическими материалами.Подготовка сцены. Представление материалов. Как уже было сказано выше, архитектурная модель памятника создается на основании архитектурных обмеров, планов и чертежей. Модель, созданная на основе фотоматериалов, видеосъемки, живописных изображений и зарисовок, точной не будет. Они могут служить лишь вспомогательным материалом*. Существует весьма полезный прием, позволяющий представить имеющиеся источники в трехмерной сцене в виде плоскостей, на которые нанесено изображение. Процедура. Создадим объект «плоскость» (create – geometry – plane) и зададим ей размеры, в точности совпадающие с размерами нашего чертежа (плана, обмера), выраженными в пикселях (если этого не сделать, то изображение исказится).
Илл. 15. Свиток Create Geometry Затем создадим материал на основе текстуры bitmap (material editor – material slot – standard material – maps – diffuse color – bitmap).
Илл. 16. Material Editor и Material/Map Browser Откроется окно проводника, после чего вы сможете выбрать нужный вам графический файл (текстура bitmap позволяет «наклеить» на сетку графическое изображение). Включите функцию Show Map in Viewport (соответствующая кнопка на Material Editor toolbar). Назначим материал нашим плоскостям (Material Editor – Select Material – Toolbar – Assign Material to Selection).
Илл. 17. Назначение материала выделенным объектам или их частям Обязательно дадим названия нашим объектам (плоскостям) и материалам. Теперь расположим различные проекции в пространстве так, как показано на рисунке. При необходимости, проекции и разрезы, не нужные для работы в данный момент, можно скрыть (раскрыть) (RMB – Hide Selection/Unhide All/Unhide by Name) или заморозить (разморозить) (RMB – Freeze Selection/Unfreeze All/Unfreeze by Name)**. Для точной подгонки плоскостей необходимо визуализировать сцену (как правило, неоднократно). Бывает полезно при этом изменять прозрачность материалов (Material Editor – Blinn*** Basic Parameters – Opacity).
Илл. 18. Счетчик прозрачности. Моделирование стен на основе сплайнов. Существует несколько способов, позволяющих создавать архитектурные модели. Если в нашем распоряжении имеется точный план объекта (в виде графического файла), то представляется оптимальным начать работу с моделирования стен на основе сплайнов. Для этого нам понадобится плоскость с «наклеенным» на нее планом. В окне проекции Top «обведем» сплайном контуры стен храма. Мы создаем сплайн типа «линия» (Create – Shapes – Splines – Line).
Илл. 19. Свиток Create Splines Если во время работы (при создании сплайна) линия прервалась, то не спешите начинать все сначала. Начните новую линию. Чтобы получился единый объект, сбросьте флажок Start New Shape (если вы забыли это сделать, то просто присоедините новый сплайн к уже имеющемуся (Modify – RMB – Attach)). Затем перейдите на уровень редактирования «вершины» (Vertex). Выделите крайние вершины в месте разрыва линии. Последовательно примените инструменты Fuse и Weld. Получится непрерывная линия. Работать будет удобно если сделать сплайн видимым в окне проекций Top (Modify – Rendering – Enable in Viewport), затем настройте счетчик Thickness при включенной кнопке Radial. Не переходя на другой уровень редактирования, назначьте вершинам определенный тип. Для этого необходимо выполнить последовательность операций Select Vertex – RMB – Smooth/Corner. Назначьте вершинам, расположенным в углах стен тип Corner, остальным – Smooth. В дальнейшем мы применим к нашему сплайну модификатор Extrude, а затем конвертируем полученный объект в сетку типа Editable Poly. Чтобы у нас получилась сетка, с которой нам было бы удобно работать в дальнейшем, сплайн должен отвечать некоторым требованиям. Во-первых, вершины должны быть расположены равномерно. Добавьте необходимое количество вершин для того, чтобы этого добиться, используя инструмент Refine. Во-вторых, необходимо настроить параметры интерполяции. Для этого достаточно включить функцию Optimize вкладки Interpolation. После того, как нами получен сплайн, максимально точно повторяющий контуры стен, мы применяем к нему модификатор Extrude (Select Spline – Modify – Extrude).
Илл. 20. Модификатор Extrude Он позволит нам «построить» стены на основе нашего сплайна, как бы выдавив их из него. Его интерфейс очень прост. Он содержит только одну вкладку – Parameters. Настройте параметры Amount (это высота стен) и Segments (количество сегментов, на которые сетка делится по вертикали).
Илл. 21. Интерфейс модификатора Extrude Для настройки высоты стен нам придется использовать (открыв (RMB – Unhide by Name)) плоскости, показывающие разрезы, сделанные в различных направлениях. Доведем высоту сетки до уровня стен боковых апсид. Для настройки количества вертикальных сегментов включите режим просмотра Smooth + Highlight (RMB в левом верхнем углу окна проекций), и добавьте к нему функцию Edged Faces (там же). Количество вертикальных сегментов должно быть таким, чтобы в итоге получилась более или менее равномерная сетка, состоящая из квадратных ячеек. Это необходимо для корректной работы инструментов, которые мы будем применять в ходе дальнейшей работы. Установим флажок Cap End. В результате применения модификатора Extrude мы получим сетку, имеющую сложную форму в сечении (ее обеспечивает сплайн) и одинаковую высоту по всей сетке. Вместе с тем, анализ источников (архитектурных обмеров) показывает, что высота церкви не была одинаковой на всем протяжении стен. Большинство древних памятников несколько ассиметричны, поэтому нам придется уточнять нашу модель в дальнейшем вручную. Рассказывая о приемах создания стен с помощью сплайнов, мы имели в виду, прежде всего, реконструкцию архитектуры церкви Спаса-на-Нередице. Склепы могут быть устроены иначе. Они вырублены в каменном массиве. Кроме того, их архитектура гораздо проще. При работе, над реконструкцией склепов способ представления материалов остается такой же, в то время, как процесс создания архитектурной модели несколько изменяется и упрощается. Основным приемом моделирования становится метод создания и редактирования объектов типа Editable Poly – основной метод моделирования в 3Ds Max, представляющий собой большой набор самых разнообразных инструментов, предназначенных для создания объектов любой сложности, обладающими при этом множеством свойств. Конечно, мы применим его и при моделировании архитектуры церкви Спаса-на-Нередице. Но вернемся к реконструкции Двойного склепа. Итак, мы расположили в сцене исходные материалы с помощью описанных выше приемов. Сначала создается плоскость по размерам и пропорциям похожая на абрис пола одной из камер склепа (задней) и имеющую достаточное (но не избыточное количество граней). Затем она конвертируется («превращается») в редактируемую сетку (объект типа Editable Poly, Select Plane – RMB – Convert To – Editable Poly).
Илл. 22. Конвертирование объекта в сетку EditablePolyс помощью инструментов плавающей панели Затем мы переходим на вкладку Modify и выбираем уровень редактирования Vertex. Далее, выделяя и перемещая вершины, мы придаем нашей плоскости форму пола. Следующий этап – применение инструмента Extrude, входящего в комплекс Editable Poly (не путать с одноименным модификатором). Он может применяться к различным подобъектам Editable Poly – вершинам, ребрам, границам и полигонам. Применяя его к выделенным наборам ребер, мы можем создать модель пола с учетом ступенек. Затем, применив тот же инструмент к границе объекта, мы можем начать моделировать стены. Теперь вернемся к реконструкции архитектуры церкви Спаса-на-Нередице. Мы видим, что стены боковых апсид значительно ниже стен центральной апсиды и остальных стен церкви. Чтобы продолжить моделирование, конвертируем наш объект (сплайн с примененным модификатором Extrude) в объект Editable Poly. Мы видим, что сетка имеет своего рода «крышку» сверху (следствие установки флажка Cap End). Она представляет собой один полигон с большим количеством вершин****. Наша задача – «поднять» одну часть полигона (стены и центральную апсиду), оставив на месте боковые апсиды. Для этого разделим полигон на несколько, выделив необходимые участки. Для этого применим инструмент Create (редактирование на уровне ребер). Затем выделим нужные нам полигоны и применим инструмент Extrude (редактирование на уровне полигонов).
Илл. 23. Инструмент Extrude (комплекс EditablePoly) – не путать с одноименным модификатором! Его интерфейс несколько отличается от интерфейса одноименного модификатора. Вместо счетчика Amount мы имеем счетчик Extrusion Height. Чтобы добиться разделения полученной в результате выдавливания полигонов сетки на несколько сегментов по вертикали, необходимо несколько раз (столько, сколько сегментов мы хотим порлучить) нажать кнопку Apply. В блоке Extrusion Type выберем кнопку Group или Normal. Мы получили приблизительную модель стен. Моделирование верхней части стен. Завершение моделирования стен. Верхняя часть стен имеет сложную форму. Стены, декорированные лопатками, заканчиваются закомарами, при этом лопатки разделяются, и отдельные ветви их смыкаются вверху закомар. Мы, кроме того, должны иметь ввиду, что стены сами по себе имеют довольно сложную форму. Все это можно отнести и к апсидам. Поэтому, чтобы завершить моделирование, нам придется использовать самые разнообразные инструменты, имеющиеся в арсенале приложения 3Ds Max. Их существует великое множество и каждый художник, использующий эту технику, может отдавать предпочтение каким-то своим наборам инструментов. Кроме того, метод полигонального моделирования не является, вообще говоря, единственным, существуют и другие (прежде всего, следует отметить моделирование на основе сплайнов или кривых NURBS). Поэтому, говоря о продолжении и завершении моделирования сложных форм и поверхностей, присущих архитектуры церкви Спаса-на-Нередице, мы покажем лишь некоторые, наиболее часто используемые приемы. Создание закомар. Инструмент Extrude Along Spline. В верхней части стен лопатки раздваиваются, после чего ветви, вырастающие из двух соседних лопаток, соединяются, образуя закомару – полукруглое завершение наружной стены церкви, соответствующее внутренней форме свода. Мы будем моделировать закомару в два этапа – сначала создадим арку над стеной, а затем «зашьем» пространство между стеной и аркой. Мы создадим арку с помощью инструмента Extrude Along Spline, доступным при редактировании полигональных сеток на уровне Polygons (Select Object – Modify – Polygon – Edit Polygons - Extrude Along Spline).
Илл. 24. Интерфейс инструмента ExtrudePolygonsAlongSplines Для этого создадим сплайны, представляющие центральную ось арок. Для этого используем соответствующие разрезы и работаем в различных окнах проекций. Затем подготавливаем сетку – выделяем верхнюю часть каждой лопатки и делим ее на две части в соответствии с архитектурными источниками, применяя для этого уже знакомые инструменты Create, Insert и Vertex Connect. Затем выделяем полигоны, которые мы хотим «выдавить» вдоль соответствующего сплайна. И применим инструмент Extrude Along Spline. Настроим параметр Segments, который позволит разделить полученную арку на несколько сегментов, добиваясь, тем самым, желаемой гладкости. Завершая первый этап, соединим арку с верхней поверхностью стены. Для этого, во-первых, удалим полигоны на конце арки и полигоны, образующие соответствующую площадку на верхней поверхности стены. Далее, имеются два варианта. Первый – применить инструмент Bridge. Этот инструмент доступен на разных уровнях редактирования, но в нашем случае оптимально применить его на уровне редактирования Border («граница дырки»), Выделим две границы и применим инструмент (Select Object – Modify – Border – Edit Border – Bridge). Выберем режим работы Use Bordder Selection. Если полученный результат нас не удовлетворил (ребра оказались «скрученными», например), то попробуем исправить ситуацию, поменяв значения в счетчиках Twist 1 и Twist 2 (по умолчанию – 0). Все остальные параметры можно оставить без изменений. Если по каким-нибудь причинам этот инструмент вам показался неудобным, можно создать нелостающие полигоны «вручную». Для этого активизируем инструмент Create (вкладка Edit Geometry, уровень редактирования Polygons). Становятся видны вершины. Для создания нового полигона необходимо последовательно выделить (не нажимая клавишу Ctrl) нужные вершины (соответствующие ребра при этом подсветятся). Метод, основанный на создании новых полигонов «вручную» более универсален. Нам остается только соединить арки со стенами. Для этого выделим и удалим полигоны, расположенные на верхней части стен и на нижней части арок. Затем, перейдя на уровень редактирования Border, выделим соответствующую границу и применим инструмент Cap (Select Object – Border – Edit Border – Cap). Никаких настроек он не имеет, он просто создает полигон, краями которого является выделенная граница. При желании, его можно разделить на несколько полигонов описанным выше способом. Создание закомар закончено. Уточнение формы стен с помощью модификаторов FFD. Мы уже говорили о некоторой асимметрии, неровности, присущей памятникам древности (не всем, конечно). Это может быть связано и с влиянием времени, и с замыслом архитектора, и с ошибками, допущенными при строительстве (известно предание о том, что в архитектуре афинского Парфенона вообще отсутствуют прямые линии). Не учитывать это при создании компьютерной трехмерной реконструкции означает лишить ее правдоподобия. С другой стороны, с помощью современных средств создания трехмерной графики и архитектурного проектирования мы, по умолчанию, создаем абсолютно правильные геометрические фигуры – сферы, плоскости, многоугольники и т.д. Поэтому появляется необходимость создать ощущение асимметрии искусственно. На чем мы можем основываться? Скорее всего, имеющиеся у нас архитектурные обмеры не обеспечат нас информацией о форме стен (в деталях) с достаточной точностью. Для сравнения вспомним о том, что в настоящее время проводятся работы по созданию максимально точных баз данных, позволяющих очень подробно описать форму памятника. Для этого (в течение долгого времени) проводится огромное количество измерений с использованием самых современных технологий. Мы, естественно не располагаем в наших случаях результатами таких измерений, но, используя имеющиеся в нашем распоряжении материалы (передающие общие особенности формы, его абрис), мы можем приблизиться к решению этой задачи. Для этого постараемся уточнить форму. Это можно сделать, уточняя модель, перемещая отдельные вершины, но этот путь является неоправданно долгим и малоэффективным. Мы рекомендуем использовать для этих целей модификаторы FFD (Free-Form Deformation). Они действуют следующим образом. Вокруг сетки, к которой применен такой модификатор, формируется решетка (Lattice) с контрольными точками (Control Points), количество которых намного меньше, чем вершин полигональной сетки. Количество контрольных точек можно определять с помощью кнопки Set Number of Points. Существуют два вида FFD-модификаторов – FFD(box) и FFD(cyl). Они различаются формой решетки: в первом случае она имеет форму прямоугольного параллелепипеда, во втором – цилиндра. Перемещая решетку, можно определить ту часть сетки, на которую будет воздействовать модификатор. Альтернативный метод – выделить определенные полигоны и применить модификатор не снимая выделения и оставаясь на уровне редактирования Polygons. Модификатор будет воздействовать не на всю сетку, а только на выделенные полигоны. Теперь мы можем менять форму сетки, перемещая контрольные точки модификатора. Если количество контрольных точек подобрано грамотно, то можно достаточно быстро и эффективно редактировать исходную сетку.
Илл. 25. Модификаторы FFD(Box) После окончания редактирования можно снова конвертировать полученный объект (сетка + модификатор) в объект Editable Poly (Select Object – RMB – Convert To – Editable Poly). Эту операцию (применение модификатора с последующей конвертацией объекта в сетку) можно применять сколько угодно раз. С помощью описанного приема можно весьма эффективно уточнить молученную модель стен, придав им в определенных местах наклон или кривизну. Моделирование оконных и дверных проемов. Создание составных объектов Boolean. Составные объекты (Compound Objects), это новые объекты, которые создаются из двух или нескольких исходных объектов (т. н. операндов). Булиновские объекты (один из видов составных объектов) – это объекты, полученные из двух исходных объектов (операндов), в результате произведения над ними некоторых действий – объединения, пересечения, вычитания и «вырезания» (Union, Intersection, Substraction, Cut). Этот инструмент можно применить при создании оконных и дверных проемов и ниш, расположенных в стенах. Для этого сперва создадим сплайны по форме проемов и применим к ним модификатор Extrude. Полученные объекты должны быть шире, чем стены в тех местах, где расположены окна и двери, кроме того они должны иметь некоторое количество продольных сечений. Расположите эти объекты-заготовки для окон и дверей в соответствующих местах так, чтобы они пересекали стены. Затем необходимо выделить стену, активизировать инструмент создания объектов Boolean (Create – Compound Objects – Boolean). Выделенный объект (стена) по умолчанию станет операндом А. Далее, выберите тип операции (Parameters – Substraction) и выделите соответствующую заготовку для окна или двери (Pick Boolean – Pick Operand B). Илл. 26. Свиток Compound Objects Создание окна или двери почти завершено (нишу можно создать таким же способом, только соответствующая заготовка должна пересекать стену не полностью). Остается сделать некоторые замечания. Во-первых, проемы и ниши в стенах старинных зданий могут иметь сложную форму – внешний и внутренний контуры могут отличаться по форме и размерам. Добиться этого можно двумя путями: либо доработать модель-заготовку (конвертировать в объект Editable Poly и редактировать с помощью соответствующих инструментов), либо доработать итоговую модель. Для этого полученный объект (Boolean) нужно конвертировать в объект Editable Poly. Впрочем, это конвертирование придется сделать в любом случае, вне зависимости от того, какой путь вы выбрали для уточнения формы. Дело в том, что булиновские объекты крайне неудобны для дальнейшего использования (хотя их можно редактировать). Во-вторых, необходимо учесть следующее. Получить корректные результаты при использовании булиновских операций можно при условии, что сетки обеих операндов состоят из равномерно распределенных граней, имеющих примерно одинаковый размер. В-третьих, сетка, полученная после конвертации булиновского объекта, может иметь несколько «неправильный» вид. В этом случае ее придется редактировать, например, присоединяя одни точки к другим. Моделирование сложных форм (своды) путем постепенного увеличения количества полигонов. Некоторые архитектурные элементы могут иметь необычайно сложную форму. В случае церкви Спаса-на-Нередице это своды. Сложность их формы можно сравнить, разве что, с формой головы человека. Чтобы создать правдоподобную модель таких архитектурных форм, естественно было бы использовать приемы моделирования, которые применяются при создании моделей живых существ. Проиллюстрируем этот метод примером моделирования головы человека. Сначала создадим своего рода заготовку – прямоугольный параллелепипед (примитив Box) с минимальным количеством граней, примерно совпадающий по своим параметрам с пропорциями предмета, который мы моделируем. Затем, добавляя по мере необходимости новые грани (выделяя соответствующие ребра и соединяя их) и перемещая вершины, мы будем постепенно усложнять и уточнять форму до тех пор, пока не получим достаточно убедительную модель. Заметим, что предлагаемый прием моделирования очень похож (и это не случайно) на методику классического (академического) рисунка и предполагает наличие некоторой художественной подготовки. С технической точки зрения, смысл такого моделирования в том, что количество вершин, с которыми нам придется работать (т. е. выделять и перемещать) минимально. Сглаживание сетки. Инструментарий 3D Max (как и других приложений) позволяет добиваться визуального ощущения плавного перехода между гранями. Процесс применения соответствующих инструментов называется сглаживанием (Smooth). При создании геометрических примитивов грани могут определенным образом сглаживаться между собой (флажки Smooth, флажки группы Smooth для тора). Они обеспечивают некоторое сглаживание, которое сохраняется при конвертации примитивов в редактируемые сетки. Аналогично обстоит дело при создании исходных объектов другими путями (например, путем моделирования на основе сплайнов). Для дальнейшего сглаживания могут применяться как некоторые модификаторы (Smooth, MeshSmooth, TurboSmooth), так и инструменты, входящие в комплекс редактирования объектов Editable Poly (MSmooth, инструменты вкладок Subdivision Surface и Smoothing Groups).
Илл. 27. Интерфейс инструмента Subdivision Surface Группы сглаживания. Полигоны (грани) могут быть распределены по так называемым группам сглаживания (Smoothing Groups). Это означает следующее: полигоны, входящие в одну группу сглаживания, сглаживаются между собой (разумеется, при условии, что они между собой соприкасаются), полигоны, входящие в разные группы сглаживания – нет. Полигон может входить в состав скольких угодно групп сглаживания. Как инструменты комплекса Editable Poly, так и модификаторы, обеспечивающие сглаживание сеток, имеют функцию «Разделять по группам сглаживания» (Separate By Smoothing Groups), т. е. дальнейшее сглаживание производится только внутри групп сглаживания, граница между группами сглаживания остается жесткой. Чтобы назначить группы сглаживания (или присоединить полигоны к уже существующей группе), необходимо выделить соответствующие полигоны и нажать кнопку с номером группы сглаживания. Чтобы исключить полигоны из группы сглаживания, необходимо выделить (подсветится номер (или номера) групп сглаживания), затем нажать кнопку с номером соответствующей группы. Чтобы исключить полигоны из всех групп сглаживания, необходимо выделить их и
Илл. 28. Блок Smoothing Groop нажать кнопку Clear (Editable Poly – Polygon – Polygon Properties – Smoothing Groups). Сглаживание архитектурной модели. Для сглаживания модели сложной архитектуры можно применить два варианта действий. Первый – назначить различные группы сглаживания полигонам, образующим резкие переходы формы (например, стены на углах здания, граница между стеной и апсидой). В этом случае получится довольно резкий переход от одной поверхности к другой. Дальнейшее сглаживание, осуществляемое посредством применения модификаторов или соответствующих инструментов комплекса Editable Poly, не уберет этих границ. В некоторых случаях, однако, переход от одной поверхности к другой происходит без образования заметной границы. Тогда можно добиться довольно правдоподобного результата за счет уточнения модели на границах поверхностей (например, с помощью добавления дополнительных рядов ребер). Создание материалов. Точное текстурирование поверхностей.Создание материалов на основе текстур Bitmap. С помощью различных инструментов приложения 3d Max (как и других аналогичных приложений) можно создавать самые разнообразные материалы и назначать их моделям или их частям. Таким образом можно имитировать поверхности, имеющие самые разные фактуры, цвет, а также изображения, нанесенные на них. Если мы хотим создать трехмерную компьютерную реконструкцию утраченного (полностью или частично) памятника истории и культуры, то одна из задач, которая может нам встретиться, и которую мы должны попытаться решить – воссоздать настенную роспись. Единственный путь к поставленной цели – каким либо образом совместить плоское изображение (уже существующее или созданное специально для нашей реконструкции – не важно) и трехмерную модель. Приложение 3Ds Max располагает для этого специальным набором инструментов*****. Речь идет о материалах, созданных с использованием текстуры Bitmap. Текстуры этого типа позволяют выбрать графический файл и использовать его либо как изображение, нанесенное на поверхность, либо как информацию (карту), на основе которой моделируются определенные свойства поверхности – создаются вмятины и трещинки, шероховатость, моделируется возможность отражать свет, прозрачность и пр. Важно отметить следующие особенности предлагаемого метода. Если изображение совмещено с трехмерной моделью с помощью текстуры Bitmap («наклеено» на нее), то оно будет «следовать» за ней при всех изменениях ее (модели) положения, а также при любом изменении ее формы. Именно это отличает предложенную методику от некоторых других, например от совмещения изображения с видеосъемкой памятника (если уцелели его стены). В последнем случае можно совместить изображение и видео в каком-то одном кадре, но в следующем – придется делать все заново. Кроме того, характер распределения света по поверхности изображения будет зависеть от освещенности модели и меняться вместе с ним. Процедура «нанесения» изображения на поверхность путем создания и наложения материалов, основанных на текстурах Bitmap следующая. Выделим объект или его часть. Затем создадим материал типа Standard. Для этого достаточно выделить слот в редакторе материалов (Material Editor). Созданный таким образом материал будет по умолчанию относиться к категории Standard. Выберем шейдер, т. е. определенный алгоритм затенения объекта, (например, Oren-Nayar-Blinn) из списка, расположенного в левой части раздела Shader Basic Parameters интерфейса редактора материалов.
Илл. 29. Выбор шейдера Затем назначим текстурную карту (текстуру) диффузному цвету (основному или локальному цвету) объекта. Для этого необходимо либо нажать квадратную кнопку, находящуюся на позиции Diffuse (свиток Oren-Nayar-Blinn Parameters), либо соответствующую кнопку в разделе Maps. В открывшемся списке Material/Map Browser выберем текстуру Bitmap. Откроется окно Select Bitmap Image File, в котором надо выбрать соответствующий графический файл. Материал создан. Чтобы назначить его выделенному объекту (или его части) нужно нажать кнопку Assign Material to Selection панели инструментов редактора материалов. Для того, чтобы увидеть результат непосредственно в окне проекции (не прибегая к визуализации) нажмите кнопку Show Map in Viewport, расположенную на той же панели. Материал создан и назначен объекту.
Илл. 30. Интерфейсинструмента Select Bitmap Image File Замечания. 1. Для того, чтобы назначить материал части объекта, нужно выделить некоторый набор полигонов или элементов сетки и назначить материал этому выделению. Эта возможность существует для любых сеток, (Editable Poly, Editable Mesh, Editable Patch) а также для объектов, полученных в результате применения модификаторов Edit Mesh и Edit Patch. Эта возможность отсутствует для объектов, полученных в результате применения модификатора Edit Poly. 2. Говоря о графических файлах, мы имеем в виду растровые файлы. 3. Редактор материалов имеет большое число инструментов, предназначенных для создания и редактирования материалов и текстур. Их обзор не входит в наши задачи. Система координат UVW и работа с ней. При работе с материалами, основанными на текстуре Bitmap (как, впрочем, и в целом ряде других случаев) возникает проблема точного наложения картинки на поверхность. Принципиально это не что иное, как вопрос о том, как наложить плоскую карту земной поверхности на сферу и получить всем известный глобус. Как известно, эта задача решается с помощью системы координат и различных систем проекций. Примерно то же самое происходит и в нашем случае. Существует некоторая система координат, обозначаемая UVW, которая позволяет соотнести некоторую точку плоского изображения с точкой трехмерной поверхности. Имеется также набор инструментов, позволяющий определить и уточнить (если это требуется) характер такого соответствия. При создании исходных объектов можно установить такую систему координат стазу же. При работе с объектами, получаемыми в результате дальнейших преобразований исходных объектов (например, конвертации) необходимо применить соответствующие инструменты для добавления системы координат UVW к имеющейся сетке. Ниже приводятся основные сведения, необходимые для работы с системой координат UVW. За подробной информацией об этих инструментам отсылаем читателя к специальным руководствам.
Илл. 31. Добавление (генерирование) системы координат UVW при создании геометрического примитива (флажок GenerateMappingCoords.) В группу модификаторов, предназначенных для точного нанесения изображения на поверхность, входят (наряду с другими, которые мы здесь рассматривать не будем) два необходимых нам инструмента: UVW Map и Unwrap UVW. Модификатор UVW Map позволяет добавить систему координат к объекту, либо к его части. Для этого надо просто выделить объект или его часть и применить к нему модификатор. Кроме того, он позволяет уточнять положение изображения на поверхности. Для этого предусмотрена возможность работы с т. н. габаритным контейнером – Gismo. Габаритный контейнер определяет область, к которой применен модификатор UVW Map и способ отображения изображения на плоскость. Для того, чтобы уточнить положение изображения на поверхности, нужно перейти на уровень редактирования Gismo и применить к габаритному контейнеру стандартные инструменты трансформации – перемещение, вращение и масштабирование.
Илл. 32. Уровень редактирования Gismo
Илл. 33 -34. Изображение по-разному расположено на плоскости. Во втором случае габаритный контейнер повернут на 45 градусов. Другая возможность, которую предоставляет модификатор UVW Map – подбор формы габаритного контейнера. Для того, чтобы подобрать оптимальную форму контейнера необходимо выбрать ту позицию в списке Mapping, которая наиболее соответствует форме поверхности объекта, на который мы хотим наложить материал.
Илл. 35. Интерфейс модификатора UVWMap. Точная подгонка изображения. Модификатор Unwrap UVW. Применение модификатора UVW Map дает корректные результаты в случае, если поверхность, с которой мы имеем дело, не очень сложная. В противном случае нам понадобится более тонкий инструмент. Таким инструментом является модификатор Unwrap UVW. Он позволяет, в том числе, редактировать изображение, нанесенное на поверхность, используя те же приемы, что и при работе с редактируемыми сетками, т.е. перемещение, вращение и масштабирование на уровне подобъектов – вершин, ребер и граней. Для этого нужно нажать кнопку Edit раздела Parameters интерфейса модификатора. Откроется окно Edit UVWs. Далее, выбрав желаемый уровень (вершины, ребра, грани) и используя инструменты выделения, перемещения и масштабирования (они имеют стандартные для приложения значки) можно попробовать добиться желаемого результата.
Илл. 36. Искажение (корректировка) изображения полученная с помощью модификатора UnwrapUVW
Илл. 37. Интерфейс окна EditUVWs Создание фактур и моделирование микрорельефа поверхности. Материалы, имевшиеся в нашем распоряжении при создании реконструкции боспорского склепа, позволили нам попытаться добиться правдивой детализации модели. Точные и подробные прорисовки Ф.И. Гросса (см. выше) позволили нам применить некоторые специфические инструменты. Речь идет о создании материалов с использованием текстур Opacity, Bump и Displacement. Создавая материалы, мы можем не только «раскрашивать» поверхности, но и задавать их свойства, такие, как прозрачность, шероховатость, способность отражать или преломлять свет, и другие. Для задания этих свойств мы можем, наряду с другими, использовать и текстуру Bitmap. Так, если мы использовали в качестве исходного образа для текстуры прозрачности черно-белое изображение, то поверхность, к которой мы применили материал, будет прозрачной там, где изображение черное, непрозрачным там, где – белое и полупрозрачным в местах полутонов. Аналогично можно задавать с помощью текстур и другие свойства поверхности.
Илл. 38. Ф.И. Гросс. Фрагмент поверхности потолка первой камеры склепа, выполненный в крупном масштабе. В то же время – изображение для текстуры Diffuse(основной цвет) На основании имеющихся у нас прорисовок, используя какой-нибудь графический редактор, создадим изображения для карт прозрачности (Opacity) и давления (Bump).
Илл. 39. Изображение для карты прозрачности
Илл. 40. Изображение для карты давления Создадим материал на основе трех текстур Bitmap (основной цвет, прозрачность, давление). Для этого используем соответствующие кнопки блока Maps редактора материалов. Назначим этот материал специально созданной поверхности, расположенной на очень небольшом расстоянии перед поверхностью стены (или потолка) склепа. Благодаря карте прозрачности, в тех местах, где изображение утрачено или повреждено, мы увидим каменную стену склепа. Текстура Bump обеспечит эффект «продавленности» трещин.
Илл. 41. Список доступных текстур (раздел Maps редактора материалов) Замечание. В качестве изображений для текстуры Bump можно использовать и цветные изображения. В этом случае приложение автоматически воспримет его как черно-белое. Для создания материала каменной стены склепа мы использовали фотографии реальных камней. Одно и то же изображение использовалось для создания текстур основного цвета, прозрачности и давления. Кроме того, использовалась четвертая текстура – смещение (Displacement). Еe действие очень похоже на действие текстуры Bump, но эффект получается более полным. Важной особенностью сцен, в состав которых входят материалы, содержащие текстуру Displacement является то, что их визуализация занимает очень много времени. Итоги работы. Дополнительные возможности и перспективы.Проф. Н.В. Борисов, зав. кафедрой информационных систем в искусстве и гуманитарных науках Выполненный этап работ по комплексной компьютерной трехмерной реконструкции церкви Спаса-Преображения на Нередицком холме близ Великого Новгорода позволил разработать методику такой реконструкции с использованием технологий трехмерной компьютерной графики. Эта методика позволила дать трехмерное виртуальное представление системы росписи Церкви.
Илл. 42. Церковь Спаса Преображения на Нередице. 3D-реконструкция. Внешний вид
Илл. 43. Церковь Спаса Преображения на Нередице. 3D-реконструкция. Внутреннего убранства. Применение этой методики выявило , также, проблемы ограниченности тех информационных источников, которые были использованы для виртуальной реконструкции Церкви на этом этапе. Предполагается, что в дальнейшем целесообразно, для создания подробной комплексной реконструкции интерьера храма, использовать созданную нами архитектурную модель храма и черно-белые фотографии фресок (возможно, иллюминированные). Разработанная методика показала свою эффективность при создании комплексной компьютерной трехмерной реконструкции Двойного склепа. Эти реконструкции выполнены с большим количеством деталей на основе иллюминированных прорисовок Гросса.
Илл. 44. «Двойной склеп». 3D-реконструкция
Илл. 45. «Двойной склеп». 3D-реконструкция Это позволяет надеется, что использование этой методики с учетом новых информационных материалов даст возможность создать уточненную и детализированную комплексную компьютерную трехмерную реконструкцию интерьера церкви Спаса-Преображения на Нередицком холме. Результаты работ представлены на сайте www.nereditsa.ru и на образовательном портале СПбГУ по вопросам архитектуры и искусства Древней Руси. Работа поддержана грантом РГНФ № 07-04-12159в «Мультимедийная информационная система «Архитектура и настенная живопись Новгородской церкви Спасо-Преображения на Нередице»» и проектами СПбГУ «Формирование образовательного портала по вопросам архитектуры и искусства Древней Руси на примере Храма Спаса Преображения на Нередицком холме и его окрестностей» (№15.3.08, 2008 г.) и «Информационное наполнение образовательного портала по вопросам архитектуры и искусства Древней Руси на примере храма Спаса-Преображения на Нередицком холме и его окрестностей» (№15.3.09, 2009 г.).
46. Церковь Спаса Преображения на Нередице. 3D-модель Е.В. Логдачева, С.В. Швембергер
|
