Боян Георгиев

web | Културно наследство...

В настоящото проучване ще бъдат представени някои технологически възможности за генериране на тримерна информация и нейното визуализиране с оглед на получаване на максимално пълна представа за обемите и пространствата в и около обекти на културно-историческото наследство (КИН). В проучването се третират само онези възможности, които се базират предимно на съвременните постижения на информационните технологии. Няма да бъдат предмет на разглеждане класическите видео и фотографски техники, а само техни модификации, които участват частично като изходна информация в някои случай.

Какво е новото

Несъмнено при популяризацията на качествата на един обект от КИН е изключително важна визуалната информация. В близкото минало възможностите за поднасяне на такава информация се ограничаваха до двумерни печатани изображения или видео и кино филми. Развитието на съвременните интерактивни мултимедийни технологии и разпространението на техните продукти на цифрови носители или през интернет повишиха значително възможностите за визуално представяне на обектите. Предимствата на тези технологии могат да бъдат обобщени в две основни насоки. Първата е в подобряване не само на качеството на изображенията, но и повишаване на възможностите за пространствено възприемане на обектите, въпреки използването на класическа плоскост на изобразителна равнина - повърхността на екрана на компютърния монитор. Втората е свързана с интерактивността - наблюдателят е активен участник в действието, той сам управлява визуализацията и се поставя в ролята на посетител на обекта, който самостоятелно го разглежда. При един предварително изготвен видеоматериал зрителят е принуден да изгледа всичко в последователност и по начин, който е бил предвиден от създателите му. Той не може да се "отклони от обиколката" или да се "загледа" в нещо, което го интересува.

Технологии за генериране на тримерна пространствена информация

В този раздел ще бъдат разгледани две основни технологии за генерирането на тримерна информация - фотопанорамите и тримерните виртуални модели. Освен по методите за създаването и използваните технологии, те се различават и по отношение на приложението си. Докато първите могат да отразят само действително съществуващи обекти на КИН, то вторите могат да бъдат приложени изключително успешно и за пресъздаване на вече несъществуващи такива. Това е особено полезно за масовата публика, която трудно може да си представи качествата на една сграда или архитектурен ансамбъл само по частични археологически находки. Тази технология дава и по-богати възможности за различни възстановки и реконструкции на обекти, без да се нарушава автентичността на откритите артефакти чрез изграждане на строителен обект върху тях.

Фотопанорами

Като краен резултат фотопанорамите представляват изображения на съществуващото или изкуствено генерирано пространство, проектирано върху сферична или цилиндрична повърхнина. Сферичните биха могли да се определят като "пълни", тъй като при тях практически няма липсваща част от изобразеното пространство. В някои класификации те се наричат и "кубични" поради един от методите на съхраняването им чрез 6 квадратни изображения. Те са изключително полезни при възпроизвеждане на вътрешни пространства. При цилиндричните част от изображението липсва. Това, което се намира точно над наблюдателя и под него, не се изобразява при този вид - частична панорама.

Методите за генериране на фотопанорамите могат да бъдат обобщени в две големи групи - чрез обединяване на отделни снимки или чрез специални въртящи се камери.

Фотопанорами, създадени от отделни кадри

При този метод са необходими множество отделни фотокадри, които частично се припокриват. В последствие те се съединяват в пълни сферични или частични цилиндрични панорами. Тази технология не изисква сложни и скъпи устройства - необходим е дигитален фотоапарат, специална глава и статив, програмен продукт за обединяване на снимките. Принципно резултати с по-ниско качество могат да се получат и без специализирани технически устройства, а само при ползването на програмния продукт за обединяване на снимките. Качеството на крайния продукт обаче зависи от всички компоненти, необходими за получаването му.

Първият елемент в технологията е цифровият фотоапарат. За целта може да се използва стандартен модел, като, разбира се, по-голямата резолюция на получаваните отделни изображения ще доведат и до по-голямо качество на получената панорама. При изборът на камера следва да се избере такава, при която има качествена оптика като за предпочитане са широкоъгълните обективи. Това определя и предимствата на полупрофесионалните модели със сменяема оптика. Обективът е препоръчително да има обхват 120 или 150 градуса. Това ще даде възможност за генерирането на една пълна сферична или цилиндрична панорама да се използват минимален брой кадри - съответно 4 или 3 кадъра за покриване на пълното завъртане.

Вторият елемент в технологията е стативът и главата за монтаж на фотоапарата. Ако изискванията към статива са сравнително стандартни - максимална стабилност при минимално собствено тегло и възможност за точно хоризонтиране, то изискванията към главата са по-специални. Проблемът е, че за да се осъществи с минимални неточности свързването на кадрите впоследствие, завъртането на фотоапарата следва да става около неговия оптичен център. Тоест около фокалната точка на монтирания обектив. Този тип глави следва да позволяват максимална точност на преместване на фотоапарата в трите направления при закрепването му около точката на въртене. Съществуват и решения, при които се осигурява плавното автоматично завъртане на фотоапарата във всички направления (фиг. 1).

Фиг. 1. Специална автоматична глава за панорами RODEON modular от фирма Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH, Германия
© Фотография: Dr. Clauss Bild- und Datentechnik GmbH, Германия

Познати са и специални устройства, в които са обединени първите два компонента от технологията. Това са обикновено четири, пет или повече фотоапарата с широкоъгълни обективи, обединени в едно общо устройство, които едновременно експонират четири или пет снимки. Те после се обединяват в полусферична или цилиндрична панорама. Поради точните фиксирани разстояния между отделните кадри, процесът на обединяването им може напълно да се автоматизира. Разработени са и специални камери с обективи в няколко посоки, които снимат едновременно (фиг. 2).

Фиг. 2. Вляво Event Cam съставена от 10 Canon S60s апарата, които снимат едновременно. Вдясно Ladybug™2 на PointGrey Research Inc (Канада), която може да измършва и видеозаснемане
© Фотография: http://www.tbk.de и PointGrey Research Inc.

В резултат изходните материали за произвеждане на панорами могат да се получават много бързо и впоследствие да се визуализира цял маршрут. Обикновено такива устройства се монтират върху покрива на автомобил, като се правят панорамни снимки през еднакви разстояния от порядъка на десетина метра. Такава технология е приложена при Градските панорами в Google Maps. Панорами са направени за централните градски части на много градове в САЩ, както и в много селища във Франция по пълния маршрут на колоездачната обиколка на страната през 2008 г. (фиг. 3).

Фиг. 3. Екран от Google Maps със кадър от амфитеатъра в Ним, Франция
© Фотография: Google Maps

Съществуват и специални разработки на широкоформатни камери, монтирани на специални въртящи се поставки, които могат да реализират изключително висококачествена панорама с експонирането на два или три кадъра, заснети с много голяма скорост. Подобно е решението на фирма Seitz AG, Швейцария и нейния модел Roundshot D3 (фиг. 4).

Фиг. 4. Камерата Roundshot D3
© Фотография: Seitz AG

В зависимост от използваното оборудване се прави планиране на заснимането на отделните кадри по редове. Според ъгълът на обхват на обектива се определя и броя на кадрите, които следва да се заснемат при отчитане на необходимото застъпване между тях.

Третият компонент на технологията представлява програмен продукт, в който полуавтоматично се обединяват получените кадри. Операторът следва да разположи последователно отделните изображения и може да коригира минимално разположението им с оглед на получаването на максимално качествен резултат. Един от водещите продукти в това отношения е Stitcher на фирмата RealViz, Франция (фиг. 5).

Фиг. 5. Лого на програмата Stitcher на фирмата RealViz, Франция
© Фотография: RealViz

Камери за пълни сферични панорами

Разработени са и специални камери, които извършват заснемането на една панорама като цялостен кадър. Те обикновено действат на принципа на вертикалното сканиране. С помощта на широкоъгълен обектив вертикалният им обхват дори надминава 180 градуса, а механиката ги завърта изключително прецизно с постоянна скорост на 360 градуса. Така полученият кадър е с много добро качество и голяма резолюция. Освен за целите на визуализацията, чрез подобни камери могат да се постигат и допълнителни резултати. В комплекта на модела SpheroCam на фирма SpheronVR AG, Германия, се включва и калибриран статив, който позволява заснемането на две панорами от различна височина. Чрез специализиран програмен продукт при използването на тези две панорами могат да се извършват и измервания на разстояния (фиг. 6).

Фиг. 6. Камерата SpheroCam на фирма SpheronVR AG
© Фотография: SpheronVR AG

Тримерни модели

Чрез генерирането на един тримерен модел практически се създава виртуално описание на геометрията и материалното изграждане на повърхностите на различни обекти. От него могат впоследствие да се генерират различни по качества и характеристики визуализации на тримерното пространство. В това направление могат да бъдат разграничени две принципни възможности за генерирането на моделите:

1. Създаване на "бързи" тримерни модели

Съществуват програмни продукти, при които моделът се генерира на базата на няколко снимки от обекта от различни гледни точки. С тяхна помощ в програмата ръчно се генерира обобщен обемен модел на сградата или пространството. В следващата фаза чрез командни процедури на специализирания програмен продукт се извличат необходимите фрагменти от снимките и с тях се "облича" моделът. По този начин относително бързо се създават тримерни модели на сгради със сравнително проста обемно-пространствена форма, но с множество детайли и украси по фасадните плоскости - корнизи, пиластри, сложни по форма отвори на врати и прозорци и др. Такива са възможностите на продукта на фирма Autodesk Inc. - Autodesk ImageModeler 2009. Същият доскоро бе притежание на фирма REALVIZ® от Франция и бе известен под наименованието ImageModeler® (фиг. 7).

Фиг. 7. Момент от създаването на тримерен модел с ImageModeler®.4.0
© Илюстрация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

2. Създаване на подробни тримерни модели

Това е "класическата" технология за изграждане на пълен тримерен модел на сградата или пространството. Освен че е много трудоемък, процесът на изграждане на модела изисква значително количество данни за обекта - мащабни и оразмерени планове, разрези, изгледи. Моделът може да се създаде в различни продукти за архитектурно проектиране, каквито са ArchiCAD на фирма GraphiSoft Inc., ALLPLAN на фирма Nemetschek AG, Architectural Desktop и REVIT Architecture на фирма Autodesk Inc., Triforma на фирма Bently Systems Inc. или да се изработи с някои от многобройните продукти за тримерно компютърно моделиране (фиг. 8).

Фиг. 8. Работни екрани от създаването на модел с REVIT Architecture
© Илюстрация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

За получаване на качествен фотореалистичен краен резултат моделът обикновено се пренася и дообработва в някоя от програмите за визуализация - Cinema 4D на фирма MAXON Computer GmbH, Германия, Artlantis Render на групата фирми Abvent, Франция, 3D Studio Max на фирма Autodesk Inc. и др. (фиг. 9).

Фиг. 9. Момент от обработката на модел в 3D Studio Max
© Илюстрация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

Технологии за визуализация на виртуални обеми и пространства

Разгледаните по-горе възможности за генериране на информация за обектите от КИН обикновено не могат директно да бъдат използвани за визуализация и популяризация на обектите. Суровата информация от специализираните камери за панорамни снимки се записва в специални файлови формати, които могат да бъдат ползвани от специфични програмни приложения, разработени за управлението на конкретната камера. Тримерните виртуални модели също могат директно да бъдат разглеждани само от програмата, чрез която са създадени. За масово ползване на получената визуална информация следва да се произведат файлове в общодостъпни формати, възможни за разглеждане чрез конвенционални средства. В зависимост от наличната изходна информация и поставяните цели на разработваните продукти, както и на тяхното разпространение - на оптични носители или в интернет среда, могат да се изберат различни крайни файлови формати.

QuickTime VR - QTVR (QuickTime виртуална реалност)

Това е специален файлов формат, разработен чрез технологията QuickTime на фирма Apple Inc., САЩ. Той позволява визуализацията на панорамни снимки посредством самостоятелния продукт QuickTime Player, или при използването на специализирани вложки (plugin) за различните програми за сърфиране в интернет (Web browser) (фиг. 10).

Фиг. 10. Разглеждане на фотопанорама на Църквата "Св. Георги" и Църквата "Св. Спас" в Долни Лозен чрез специализирана вложка (plugin) чрез QuickTime Player
© Илюстрация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

Посредством елементарни манипулации с мишката и клавиатурата зрителят може сам да определя продължителността и посоката на изобразяване на панорамната снимка, чрез което се създава впечатление за самостоятелно разглеждане на обекта. Достъпни са възможности за уголемяване и намаляване на изображението, все едно че наблюдателят се приближава или отдалечава от даден обект. Освен отделни панорами, формата QTVR позволява дефинирането на активни зони, чрез които да се стартира зареждането на друга панорама. По този начин се получава възможността за въображаема "разходка" в пространството. Така зрителят може да се разходи из една сграда, преминавайки от едно помещение в друго, или да се придвижва в различни точки от едно по-голямо помещение. Този тип файлове са известни още с названието QuickTime VR сцени.

Файлове във формат QTVR могат да бъдат генерирани от направените по фотографски път панорамни снимки или да бъдат извлечени чрез процеса на фотореалистична визуализация от тримерни модели (фиг. 11).

Фиг. 11. Разглеждане на виртуален модел на сграда в QTVR формат
© Илюстрация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

Flash

Описаните по-горе възможности могат да бъдат реализирани и чрез запис на информацията за отделната панорама или свързаните сцени във формат .swf. Форматът Adobe Flash (по-рано известен като Shockwave Flash и Macromedia Flash) се развива и разпространява от фирмата Adobe Systems. Това е един силно разпространен и популярен формат, създаден за интегрирането на анимации и интерактивно съдържание в интернет среда. Благодарение на него се получават файлове с относително по-малък обем при запазване на качеството на изображението. В него могат да се добавят активни зони не само за превключване към други панорами, но и за активиране на други действия - извеждане на отделно изображение, извеждане на текстова информация, звук и др. (фиг. 12 ).

Фиг. 12. Панорама на двора на къщата "Георгиади" в Пловдив
© Фотография: доц. д-р арх. Б. Георгиев, ст. ас. арх. Д. Георгиева, арх. М. Велков

Видеофилм

Този вариант на визуализация е добре известен и масово прилаган. При наличие на реалистичен тримерен модел на представяния обект чрез него може да се добие представа за обемно пространственото въздействие на обекта или модела от различни гледни точки или при движение в или около него. При виртуалните реконструкции чрез възможностите на анимацията могат да бъдат представени етапи от изграждането на обекта във времето, той да бъде показан на части и др. (фиг. 13).

Фиг. 13. Филм, който демонстрира периодите на изграждане на Боянската църква
© Модел: арх. Димитър Анков; Анимация: доц. д-р арх. Б. Георгиев

Създаването на подобни анимации се извършва обикновено с помощта на програмите за тримерна визуализация, последвани от обработка на получената информация чрез програми за генериране на анимации. Като форма на представяне те са предпочитани при случаите на групови презентации при необходимост от целенасочено, режисирано представяне на определени качества на обекта и при всички случай, когато не се разчита на активност от страна на наблюдателя.

Виртуална реалност - VRML формат

VRML (Virtual Reality Modeling Language - Език за моделиране на виртуална реалност, преди 1995 г., известен като Virtual Reality Markup Language). Това е текстов формат на описание на тримерни обекти с възможности и за използване на цвят, растерни текстури, прозрачност и др. материални характеристики, които допринасят съществено за реализма на изображението при представяне на тримерния обект. Чрез използването на специална вложка (plugin) за интернет програма за сърфиране наблюдателят може да се разхожда из виртуалното пространство. Последством манипулации, извършвани с мишката или при използване на клавиатурата, зрителят може да се движи из модела с различна скорост, като се запазва постоянна дистанция от въображаемия под или основа на модела. Преминава се през отвори, възможно е изкачването по стълби и рампи. В модела могат да бъдат заложени и активни обекти, чрез които да се изпълняват предварително определени движения - отваряне и затваряне на врати, поява и изчезване на обекти, надписи, образи и др. Близък по въздействие на компютърните игри - този формат дава изключително богати възможности за реалистично запознаване и "преживяване" на обектите от КИН (фиг. 14).

Фиг. 14. Момент от разходката из виртуалния модел на Църквата "Св. Стефан" - Несебър
© Модел: арх. Д. Делчев; Виртуална реалност: доц. д-р арх. Б. Георгиев

Основно качество на този метод за представяне на обекти от КИН е интерактивността.Чрез нея зрителят става съучастник в процеса на опознаване на обекта, активира се неговото любопитство и желание за допълнителна информация.

Описаните по-горе технологии на визуализация са в процес на непрекъснато усъвършенстване. Бързото развитие на интернет приложенията и повсеместното навлизане на информационните и комуникационните технологии във всички области на съвременния живот оказват своето огромно влияние и в процесите на опазването, промотирането и обучението, свързани с КИН и културния туризъм. Овладяването им и прилагането на техния потенциал в реални проекти е една от основните задачи, изпълнявани в Мултимедийната лаборатория за културно-историческо наследство при Архитектурния факултет на УАСГ.

© Боян Георгиев
=============================
© Електронно издателство LiterNet, 05.06.2009
Културно наследство: образование - наука - опазване, интегрирани в туризма (Heritage: ESPRIT). Под общата редакция на проф. д.а.н. арх. Тодор Кръстев. Варна: LiterNet, 2009