Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Археология — наука, которая изучает материальный мир прошлого. Как и многие другие науки, она возникла в далёком прошлом и вскоре подверглась внедрению информационных технологий. И в этой статье вы узнаете, что это за технологии, и почему они так полезны для археологии.
Первой задачей любого археолога является изучение объекта (артефакта, памятника) и последующее получение данных о нём. В первую очередь мы обращаемся за помощью к геоинформационным системам. Вообще ГИС служат, чтобы создавать, редактировать и хранить цифровые карты различных местностей, а также различную информацию об объектах, которые ходят в них. Но для археологии они особенно важны: с помощью них можно создавать информационные системы конкретных регионов, в которых намечаются исследования, планы работ и изучать географическое наследие, оставленное предыдущими поколениями. Да, ГИС могут на основе карт, созданных в прошлом, реконструировать ландшафт, который был в это время. Да, с картографией даже в Новое Время ещё были проблемы: половина населения верила, что за горизонтом море заканчивается обрывом, и вода падает прямо в котлы, в которых черти варят отважных, но глупых мореплавателей, которые возгордились и решили отправиться на поиски неизведанного, а другая половина, верящая, что Земля – это шар, считала Антарктиду самым огромным материком, благодаря тяжести которого север находится наверху, а юг – внизу, и Земля не переворачивается и не болтается, как маячок. Однако изобразить качественно ландшафт какого-либо конкретного небольшого региона люди умели, и очень даже хорошо, ещё в Средневековье. ГИС сканируют карты, оцифровывают их и переводят в векторный формат, после чего их можно наложить на современные карты и с помощью этого зафиксировать изменения в ландшафте. Также ГИС, проведя всю эту операцию с картой какого-либо поселения, могут автоматически обнаружить место, где оно располагалось, благодаря чему не нужно тратить много времени на поиски места, опираясь на какие-либо письменные источники, которые зачастую дают очень смутное представление о географическом положении объектов и местах происшествия событий.
Сравнительный анализ ландшафта XVI века и в наши дни с помощью шведской коллекции карт
Итак, ГИС нам помогли найти место, где нужно начать работы. Прежде чем приняться за дело, сначала необходимо изучить объект, если он находится на поверхности в открытой местности. Для этого делаются снимки объекта со всех сторон, а затем и с высоты птичьего полёта. Если местность лесистая, то снимаем только с высоты птичьего полёта: объект будет заметен благодаря изменениям в цвете и плотности растительности.
А вот если объект под землёй находится, то процесс становится посложнее.
В первую очередь нужно провести георадиолокацию с помощью георадара. Этот прибор улавливает сигналы и импульсы, исходящие от предметов, которые отличаются от основной среды диэлектрической проницаемостью или проводимостью. Так мы узнаём площадь объекта, диапазон, в котором необходимо копать. Дальше проводится электроразведка. Из чего бы ни состояла земля у тебя под ногами, это проводит ток, и электроразведочная аппаратура измеряет его сопротивление, и если между введенными в землю электродами есть какой-либо объект, то оно не будет соответствовать тому, которое должно быть. Помимо электроразведки также применятся и магниторазведка: магнитометр улавливает магнитные поля, которые образуются вокруг объекта, с помощью чего мы можем максимально точно узнать его местоположение и занимаемую площадь.
Георадарное сканирование
3D-модель результатов сканирования
Электроразведка
Магниторазведка
Показатели магниторазведки
Очень полезной вещью в археологии служат экспертные системы. Как правило, их задачей является анализ обнаруженного артефакта или реликвии. Экспертная система в первую очередь обрабатывает находки, выделяя её характерные элементы, после чего подбирает к ним максимально идентичные элементы других предметов того же рода, с помощью чего устанавливает его принадлежность. В качестве примера можно привести монету: экспертная система обрабатывает изображения, надписи или узоры на монете, в базе данных ищет максимально похожие и автоматически определяет, что это за монета. Экспертные системы в большинстве специализируются в узком кругу, потому что любая археологическая находка может иметь огромное множество аналогичных предметов у других народов, живших в самых разных уголках нашей планеты в самые разные времена, поэтому специализировать всего лишь одну экспертную систему сразу на всём – такая себе идея…
Исходная монета
То, что видит система в результате обработки
После сбора артефактов, их фотографируют и тщательно обрабатывают: с помощью программы Adobe Photoshop проходит тоновая и цветовая корректировка, ликвидируются излишние тени и излишний свет, искажения объектива фотоаппарата, добавляется чёткость. Затем нам нужно собранную информацию о находке и структурировать. Тут на помощь приходит такая полезная штуковина, как системы управления базами данных: они позволяют сортировать данные по самым разным критериям и вести быстрый поиск. Регистры археологических находок, музейные каталоги, базы данных по различному материалу – всё это появилось благодаря внедрению в археологию СУБД, которые позволяют работать с большими объёмами информации.
Когда все начали использовать системы автоматизированного проектирования в целях разработки чего-то нового, у археологов загорелась лампочка над головой: «А почему бы с помощью этого не восстанавливать что-нибудь старое?» Так в целях реконструкции археологических памятников начали применять САПР-технологии. Наиболее популярны в археологии Auto CAD, Auto CAD Map, MicroStation и Easy Cad. С помощью них создаются полевые чертежи, трёхмерные реконструкции раскопов, а также уже обнаруженных археологических памятников и артефактов: от вышеупомянутой крохотной монетки до “на девять десятых разрушенного и на три четверти затопленного” Херсонеса. Если раньше мы могли видеть древние города в виде плоских изображений на рисунках и чертежах, в которых ещё и ошибок да неточностей было больше, чем людей на китайском пляже, то сегодня мы видим их задокументированные качественные 3D-модели, в которых легко заметить и исправить любую несостыковку. Это привело к появлению в настоящее время целой отдельной науки, посвящённой 3D-моделированию древних городов – виртуальной археологии. В виде 3D-моделей можно восстановить давным-давно разрушенные города в их былом величии и размерах. Таким образом были смоделированы многие давно канувшие в лету сооружения: базилика Святого Франциска Ассизского, один из древнейших городов Чатал-Хойюк, форум Траяна и многие другие проекты уже реализованы, но ещё больше предстоит реализовать!
Бернард Минс, археолог из Университета Содружества Виргинии, основал Лабораторию виртуального курирования, которая занимается созданием музейных экспонатов для людей с плохим зрением. Он объединил усилия с Историческим сообществом Виргинии, и сейчас они вместе занимаются тактильной разработкой артефактов. Для этого копируются подлинники и печатаются на 3D-принтере. Уже создано очень много разных экспонатов, но самый интересный из них – грамота с подписью Джорджа Вашингтона. Похожей персоной может похвастаться Калифорнийский университет в Сан-Диего: в нём возглавляет команду исследователей Томас Леви. На Ближнем Востоке сосредоточено около трети всемирного наследия, однако в связи, скажем так, нестабильной политической обстановкой все они находятся в опасности. Поэтому команда Леви занимается фотографированием объектов с воздуха и на основе этих снимков создаёт 3D-модели запечатлённых объектов.
Одним из наиболее ярких примеров виртуальной реконструкции древнего города является проект по воссозданию древнего индийского дворцового комплекса Фатепур-Сикри, о котором следует рассказать подробнее. Проект был осуществлен при участии департамента САПР и графики и Национального центра программных технологий.
Работа проводилась в несколько этапов. Сначала был собран археологический материал, который давал обширную информацию: детальные планы различных секций сооружений, фотографии, археологические исследования и т.п. При использовании ортогональных проекций обнаружилось, что большинство планов не стыкуются между собой, что чертежи выполнены в разных масштабах с ошибками, а высота многих объектов указана неверно. Все нестыковки изучались с помощью полевых замеров и проверялись по фотографиям местности; часть информации была уточнена на основе исторических архивов.
Ортогональная проекция дворца
На следующем этапе необходимо было выбрать подходящее ПО для перевода ортогональных проекций в 3D-модель. Такой программой стала AutoCAD, позволяющая впоследствии легко экспортировать данные в 3D Studio MAX. Проволочная модель экспортировалась в 3D Studio MAX и оптимизировалась, то есть лишние полигоны убирались. Важной задачей в данном проекте было определение оптимального соотношения между мощностью компьютеров и подробностями модели.
Моделирование с помощью AutoCAD
Текстуры готовились на базе сохранившихся фотографий. Данные внешнего и внутреннего освещения моделировались программно. Текстуры оказались наиболее важной и сложной частью проекта, поскольку именно они придавали виртуальному городу реалистичность. Многие узоры воссоздавались вручную по сохранившимся обломкам, реставрировались и ретушировались художниками.
Текстуры — работа художников
Итоговые параметры модели были весьма впечатляющими: примерно 600 тыс. треугольников и около 44 Mбайт текстур. Вот, друзья, при общих усилиях групп археологов, 3D-визуализаторов, художников, аниматоров, программистов, специалистов по звуку и дизайнеров была создана 3D-реконструкция столь прекрасного, триста лет назад заброшенного дворцового комплекса.
Результат работы
После ознакомления с применением информационных технологий в археологии становится понятно, что благодаря им эта наука стала значительно лучше. Раньше много времени занимали поиски находок: если объект находился под землёй, то единственным ориентиром были какие-либо письменные источники, которые далеко не всегда чётко дают понять, где именно надо копать, поэтому одна ошибка занимала много времени. Да и к тому же человек, не знавший, сможет ли он хоть что-нибудь найти, всегда мог повредить артефакт или памятник. А сейчас мы в точности до миллиметра знаем, где копать, что позволяет избежать повреждений ценности. СУБД позволяют нам структурировать, архивировать, документировать и распространять наши знания о материальной культуре тех, кто жил задолго до нас, а САПР дают возможность и вовсе погрузиться в их мир, в их быт, в их культуру.
Автор: Лев Котенев
Первой задачей любого археолога является изучение объекта (артефакта, памятника) и последующее получение данных о нём. В первую очередь мы обращаемся за помощью к геоинформационным системам. Вообще ГИС служат, чтобы создавать, редактировать и хранить цифровые карты различных местностей, а также различную информацию об объектах, которые ходят в них. Но для археологии они особенно важны: с помощью них можно создавать информационные системы конкретных регионов, в которых намечаются исследования, планы работ и изучать географическое наследие, оставленное предыдущими поколениями. Да, ГИС могут на основе карт, созданных в прошлом, реконструировать ландшафт, который был в это время. Да, с картографией даже в Новое Время ещё были проблемы: половина населения верила, что за горизонтом море заканчивается обрывом, и вода падает прямо в котлы, в которых черти варят отважных, но глупых мореплавателей, которые возгордились и решили отправиться на поиски неизведанного, а другая половина, верящая, что Земля – это шар, считала Антарктиду самым огромным материком, благодаря тяжести которого север находится наверху, а юг – внизу, и Земля не переворачивается и не болтается, как маячок. Однако изобразить качественно ландшафт какого-либо конкретного небольшого региона люди умели, и очень даже хорошо, ещё в Средневековье. ГИС сканируют карты, оцифровывают их и переводят в векторный формат, после чего их можно наложить на современные карты и с помощью этого зафиксировать изменения в ландшафте. Также ГИС, проведя всю эту операцию с картой какого-либо поселения, могут автоматически обнаружить место, где оно располагалось, благодаря чему не нужно тратить много времени на поиски места, опираясь на какие-либо письменные источники, которые зачастую дают очень смутное представление о географическом положении объектов и местах происшествия событий.
Сравнительный анализ ландшафта XVI века и в наши дни с помощью шведской коллекции карт
Итак, ГИС нам помогли найти место, где нужно начать работы. Прежде чем приняться за дело, сначала необходимо изучить объект, если он находится на поверхности в открытой местности. Для этого делаются снимки объекта со всех сторон, а затем и с высоты птичьего полёта. Если местность лесистая, то снимаем только с высоты птичьего полёта: объект будет заметен благодаря изменениям в цвете и плотности растительности.
А вот если объект под землёй находится, то процесс становится посложнее.
В первую очередь нужно провести георадиолокацию с помощью георадара. Этот прибор улавливает сигналы и импульсы, исходящие от предметов, которые отличаются от основной среды диэлектрической проницаемостью или проводимостью. Так мы узнаём площадь объекта, диапазон, в котором необходимо копать. Дальше проводится электроразведка. Из чего бы ни состояла земля у тебя под ногами, это проводит ток, и электроразведочная аппаратура измеряет его сопротивление, и если между введенными в землю электродами есть какой-либо объект, то оно не будет соответствовать тому, которое должно быть. Помимо электроразведки также применятся и магниторазведка: магнитометр улавливает магнитные поля, которые образуются вокруг объекта, с помощью чего мы можем максимально точно узнать его местоположение и занимаемую площадь.
Георадарное сканирование
3D-модель результатов сканирования
Электроразведка
Магниторазведка
Показатели магниторазведки
Очень полезной вещью в археологии служат экспертные системы. Как правило, их задачей является анализ обнаруженного артефакта или реликвии. Экспертная система в первую очередь обрабатывает находки, выделяя её характерные элементы, после чего подбирает к ним максимально идентичные элементы других предметов того же рода, с помощью чего устанавливает его принадлежность. В качестве примера можно привести монету: экспертная система обрабатывает изображения, надписи или узоры на монете, в базе данных ищет максимально похожие и автоматически определяет, что это за монета. Экспертные системы в большинстве специализируются в узком кругу, потому что любая археологическая находка может иметь огромное множество аналогичных предметов у других народов, живших в самых разных уголках нашей планеты в самые разные времена, поэтому специализировать всего лишь одну экспертную систему сразу на всём – такая себе идея…
Исходная монета
То, что видит система в результате обработки
После сбора артефактов, их фотографируют и тщательно обрабатывают: с помощью программы Adobe Photoshop проходит тоновая и цветовая корректировка, ликвидируются излишние тени и излишний свет, искажения объектива фотоаппарата, добавляется чёткость. Затем нам нужно собранную информацию о находке и структурировать. Тут на помощь приходит такая полезная штуковина, как системы управления базами данных: они позволяют сортировать данные по самым разным критериям и вести быстрый поиск. Регистры археологических находок, музейные каталоги, базы данных по различному материалу – всё это появилось благодаря внедрению в археологию СУБД, которые позволяют работать с большими объёмами информации.
Когда все начали использовать системы автоматизированного проектирования в целях разработки чего-то нового, у археологов загорелась лампочка над головой: «А почему бы с помощью этого не восстанавливать что-нибудь старое?» Так в целях реконструкции археологических памятников начали применять САПР-технологии. Наиболее популярны в археологии Auto CAD, Auto CAD Map, MicroStation и Easy Cad. С помощью них создаются полевые чертежи, трёхмерные реконструкции раскопов, а также уже обнаруженных археологических памятников и артефактов: от вышеупомянутой крохотной монетки до “на девять десятых разрушенного и на три четверти затопленного” Херсонеса. Если раньше мы могли видеть древние города в виде плоских изображений на рисунках и чертежах, в которых ещё и ошибок да неточностей было больше, чем людей на китайском пляже, то сегодня мы видим их задокументированные качественные 3D-модели, в которых легко заметить и исправить любую несостыковку. Это привело к появлению в настоящее время целой отдельной науки, посвящённой 3D-моделированию древних городов – виртуальной археологии. В виде 3D-моделей можно восстановить давным-давно разрушенные города в их былом величии и размерах. Таким образом были смоделированы многие давно канувшие в лету сооружения: базилика Святого Франциска Ассизского, один из древнейших городов Чатал-Хойюк, форум Траяна и многие другие проекты уже реализованы, но ещё больше предстоит реализовать!
Бернард Минс, археолог из Университета Содружества Виргинии, основал Лабораторию виртуального курирования, которая занимается созданием музейных экспонатов для людей с плохим зрением. Он объединил усилия с Историческим сообществом Виргинии, и сейчас они вместе занимаются тактильной разработкой артефактов. Для этого копируются подлинники и печатаются на 3D-принтере. Уже создано очень много разных экспонатов, но самый интересный из них – грамота с подписью Джорджа Вашингтона. Похожей персоной может похвастаться Калифорнийский университет в Сан-Диего: в нём возглавляет команду исследователей Томас Леви. На Ближнем Востоке сосредоточено около трети всемирного наследия, однако в связи, скажем так, нестабильной политической обстановкой все они находятся в опасности. Поэтому команда Леви занимается фотографированием объектов с воздуха и на основе этих снимков создаёт 3D-модели запечатлённых объектов.
Одним из наиболее ярких примеров виртуальной реконструкции древнего города является проект по воссозданию древнего индийского дворцового комплекса Фатепур-Сикри, о котором следует рассказать подробнее. Проект был осуществлен при участии департамента САПР и графики и Национального центра программных технологий.
Работа проводилась в несколько этапов. Сначала был собран археологический материал, который давал обширную информацию: детальные планы различных секций сооружений, фотографии, археологические исследования и т.п. При использовании ортогональных проекций обнаружилось, что большинство планов не стыкуются между собой, что чертежи выполнены в разных масштабах с ошибками, а высота многих объектов указана неверно. Все нестыковки изучались с помощью полевых замеров и проверялись по фотографиям местности; часть информации была уточнена на основе исторических архивов.
Ортогональная проекция дворца
На следующем этапе необходимо было выбрать подходящее ПО для перевода ортогональных проекций в 3D-модель. Такой программой стала AutoCAD, позволяющая впоследствии легко экспортировать данные в 3D Studio MAX. Проволочная модель экспортировалась в 3D Studio MAX и оптимизировалась, то есть лишние полигоны убирались. Важной задачей в данном проекте было определение оптимального соотношения между мощностью компьютеров и подробностями модели.
Моделирование с помощью AutoCAD
Текстуры готовились на базе сохранившихся фотографий. Данные внешнего и внутреннего освещения моделировались программно. Текстуры оказались наиболее важной и сложной частью проекта, поскольку именно они придавали виртуальному городу реалистичность. Многие узоры воссоздавались вручную по сохранившимся обломкам, реставрировались и ретушировались художниками.
Текстуры — работа художников
Итоговые параметры модели были весьма впечатляющими: примерно 600 тыс. треугольников и около 44 Mбайт текстур. Вот, друзья, при общих усилиях групп археологов, 3D-визуализаторов, художников, аниматоров, программистов, специалистов по звуку и дизайнеров была создана 3D-реконструкция столь прекрасного, триста лет назад заброшенного дворцового комплекса.
Результат работы
После ознакомления с применением информационных технологий в археологии становится понятно, что благодаря им эта наука стала значительно лучше. Раньше много времени занимали поиски находок: если объект находился под землёй, то единственным ориентиром были какие-либо письменные источники, которые далеко не всегда чётко дают понять, где именно надо копать, поэтому одна ошибка занимала много времени. Да и к тому же человек, не знавший, сможет ли он хоть что-нибудь найти, всегда мог повредить артефакт или памятник. А сейчас мы в точности до миллиметра знаем, где копать, что позволяет избежать повреждений ценности. СУБД позволяют нам структурировать, архивировать, документировать и распространять наши знания о материальной культуре тех, кто жил задолго до нас, а САПР дают возможность и вовсе погрузиться в их мир, в их быт, в их культуру.
Автор: Лев Котенев
