Текст книги "Информационные технологии в реставрации архитектурного наследия"

Дарья Лемытская
Информационные технологии в реставрации архитектурного наследия

© Сибирский федеральный университет, 2020

Введение

Учебное пособие разработано для дисциплины «Информационные технологии в реставрации архитектурного наследия». Данное пособие предназначено для магистров специальности 07.04.02 «Реконструкция и реставрация архитектурного наследия».

Цель изучения дисциплины: формирование системы теоретических знаний об основных положениях и направлениях использования информационных технологий (ИТ) в различных аспектах деятельности реставратора, практических умений и навыков использования цифровых технологий (ЦТ) в архитектурно-реставрационной деятельности.

Основные задачи дисциплины:

1) изучить основные ИТ в области архитектурной реставрации;

2) изучить ЦТ исследования объектов архитектурной реставрации;

3) научиться владеть ЦТ визуального представления результатов профессиональной архитектурно-реставрационной деятельности.

В настоящее время ИТ охватили практически все сферы деятельности человека, в т. ч. архитектурно-реставрационную.

Информационные технологии представляют собой комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы.

Выделяют три класса ИТ, которые позволяют работать с предметными областями различного рода:

• глобальные ИТ, включающие модели, методы и средства, формализующие и позволяющие использовать информационные ресурсы общества в целом;

• базовые ИТ, предназначенные для определённой области применения;

• конкретные ИТ, которые реализуют обработку конкретных данных при решении конкретных функциональных задач пользователя (например, задачи планирования, учёта, анализа и т. д.).

Основная цель ИТ заключается в производстве и обработке информации для её последующего анализа человеком и принятия на основе проведённого анализа оптимального решения, касающегося выполнения какого-либо действия.

Ниже приведены основные виды ИТ.

1. Технология обработки данных предназначена для решения хорошо структурированных задач, по которым имеются необходимые входные данные и известны алгоритмы и другие стандартные процедуры их обработки. Эта технология применяется на уровне исполнительской деятельности персонала в целях автоматизации постоянно повторяющихся операций управленческого труда.

2. Технология управления предназначена для информационного обслуживания всех работников предприятий, связанных с принятием управленческих решений.

3. Технология поддержки принятия решений предназначена для выработки управленческого решения, происходящей в результате итерационного процесса, в котором участвуют система поддержки принятия решений (вычислительное звено и объект управления) и человек (управляющее звено, задающее входные данные и оценивающее полученный результат).

4. Технология экспертных систем основана на использовании искусственного интеллекта. Экспертные системы дают возможность менеджерам получать консультации экспертов по любым проблемам, о которых в этих системах накоплены знания.

1. Базы данных в архитектурно-реставрационной деятельности

База данных (БД) – именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащую изучению для организации управления и автоматизации.

Система управления базами данных (СУБД) – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления БД.

Модель данных – формальная теория представления и обработки данных в СУБД. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. В зависимости от вида организации данных, различают следующие важнейшие модели БД:

• иерархическую (данные представляются в виде древовидной структуры);

• сетевую (данные организуются в виде графа);

• реляционную (данные представлены в виде совокупности таблиц, связанных отношениями);

• объектно-ориентированную (объединение сетевой и реляционной моделей).

Программы, с помощью которых пользователи работают с БД, называются приложениями. С одной БД могут работать множество различных приложений. Для поиска информации в БД используется автоматизированная информационная система (АИС).

Основными компонентами БД являются:

• информационный банк, содержащий тексты документов и вспомогательную информацию;

• программная оболочка, предоставляющая сервисные средства работы с информационным банком.

Применение БД в архитектурно-реставрационной деятельности

ИТ могут быть использованы для сбора и систематизации исторической и технической информации о реставрируемых объектах. Архивирование и хранение наработанной исторической, проектной и исполнительной документации открывает перспективу создания единой национальной БД.

Наиболее часто в архитектурно-реставрационном проектировании используются нормативно-правовые и нормативно-технические БД. Они представляют собой ежедневно обновляемые и поддерживаемые в актуальном состоянии массивы правовых актов и тесно связанных с ними справочных, нормативно-технических и научных материалов, охватывающих все сферы правовой деятельности РФ.

БД по законодательству появились на рынке программного обеспечения России в начале 1990-х годов. В настоящее время в нашей стране существует целый ряд справочных правовых систем различной направленности. Наиболее распространены из них «КонсультантПлюс» и «Гарант». Основное различие БД состоит в количестве имеющихся в них документов, что и по сей день является одним из главных критериев их оценки.

В РФ ведётся единый государственный реестр объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов РФ, содержащий сведения об объектах культурного наследия.

Реестр представляет собой государственную информационную систему, подключаемую к инфраструктуре, обеспечивающей информационно-технологическое взаимодействие информационных систем, используемых для предоставления государственных и муниципальных услуг в электронной форме, и включающую в себя банк данных, единство и сопоставимость которых обеспечиваются за счёт общих принципов формирования реестра, методов и формы ведения реестра.

Сведения, содержащиеся в реестре, являются основными источниками информации об объектах культурного наследия и их территориях, а также о зонах охраны объектов культурного наследия при формировании и ведении информационных систем обеспечения градостроительной деятельности, иных информационных систем или банков данных, использующих (учитывающих) данную информацию.

2. Информационные технологии в популяризации объектов культурного наследия. Инфографика. Виртуальная реконструкция

Популяризация объектов культурного наследия – деятельность, направленная на организацию общественной доступности и восприятия объекта культурного наследия, духовно-нравственное и эстетическое воспитание физических лиц, повышение их образовательного уровня и организацию досуга, а также иные мероприятия, способствующие реализации государственной охраны, сохранения и использования объекта культурного наследия.

Один из активных способов популяризации объектов культурного наследия в различных областях – инфографика.

Инфографика – графический способ подачи информации, данных и знаний, задача которого – быстро и чётко преподносить сложную информацию. Одна из форм графического и коммуникационного дизайна представлена на рис. 1. Средства инфографики, помимо изображений, могут включать в себя графики, диаграммы, блок-схемы, таблицы, карты, списки.

Рис. 1. Пример инфографики исторического центра Санкт-Петербурга

Виртуальная реконструкция – технология визуализации, применяющаяся при воссоздании отдельных предметов искусства и памятников архитектуры (утраченных либо частично разрушенных объектов). Она позволяет создавать как трёхмерные модели отдельных сооружений, так и ансамбли целиком; создание трёхмерной модели архитектурного памятника опирается на собранный исторический материал, а достоверность воссозданного образа архитектуры зависит от работы исследователя и основывается не только на традиционных знаниях, но и на владении компьютером.

В 1996 г. профессор факультета искусств университета Вирджинии Бернард Фришер (Bernard Frischer) основал виртуальную лабораторию всемирного наследия (Virtual World Heritage Laboratory, University of Virginia). Одним из результатов работы лаборатории стал международный проект (США – Италия) виртуальной реконструкции Древнего Рима (Rome Reborn – «Возрождённый Рим») периода конца бронзового века (1000 г. до н. э.) до раннего Средневековья (550 г. н. э.) (рис. 2). Это период, когда Рим уже достиг своего пика развития. Население города к тому моменту составляло около миллиона человек, уже были построены первые христианские храмы. С 1997 г. над проектом совместно работали Институт высоких технологий и гуманитарных наук при университете Вирджинии, Калифорнийский университет, Политехнический университет в Милане, университет Бордо III и университет города Кан.

Рис. 2. Виртуальная реконструкция Древнего Рима

Rome Reborn 1.0 (2007 г.) – первая версия виртуальной модели Рима периода правления римского императора Константина Великого (320 г. н. э.) – представляет собой цифровую карту местности, охватывающую 250 детализированных и 6750 схематических построек того времени. Ролик позволяет увидеть город с высоты птичьего полёта и даже заглянуть внутрь некоторых сооружений – в Колизей, Сенат или базилику императора Максенция. В основу 3D-модели легли многолетние археологические и другие виды исторических исследований, а также макет Поля Биго «План Рима» (рис. 3). Это гипсовый макет площадью около 70 м² (11 м × 6 м), выполненный в масштабе 1:400. Он изображает 3/5 части античного Рима в эпоху Константина I (начало IV в. н. э.).

Рис. 3. Поль Биго и его макет «План Рима», 1911 г.

В настоящий момент создана усовершенствованная версия проекта Rome Reborn 2.1 с применением новых современных технологий (процедурные модели, использование визуализатора Mental Ray и т. д.). Созданная модель была импортирована в ресурс Google Earth, благодаря чему с ней смогли познакомиться пользователи во всём мире (рис. 4).

Рис. 4. Колизей, ресурс Google Earth

Название VIZERRA (visio – «зрение, образ», erro – «бродить», terra – «земля») было выбрано в связи с тем, что проект Vizerra начинался как платформа для виртуальных путешествий. VIZERRA – это 3D-технология, позволяющая создавать уникальные интерактивные 3D-модели любых объектов, территорий, зданий и т. д. за счёт трансформации больших объёмов статичных данных в интерактивное 3D, при этом сохраняя фотореалистичность и небольшой размер файла (до 150 Мб для стандартных проектов). Главные отличия интерактивной 3D-модели от обычной состоят в том, что пользователь может свободно передвигаться внутри пространства такой модели, летать или ходить, менять времена суток и года, осматривать объекты в различных режимах, взаимодействовать с различными объектами внутри модели, получать о них справочную информацию и многое другое.

На данный момент Vizerra в основном представляет собой библиотеку виртуальных 3D-копий реальных достопримечательностей. В их числе монастыри, храмы, площади и памятники древних культур: Мачу-Пикчу, Староместская площадь в Праге, Ангкор-Ват и др. (рис. 5, 6).

Рис. 5. Виртуальная реконструкция Собора Василия Блаженного. Vizerra

Рис. 6. Виртуальная реконструкция мавзолея Тадж-Махал. Vizerra

Сотрудниками музея-заповедника «Старая Ладога» и преподавателями Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) выполнен проект «Виртуальная трёхмерная реконструкция Старой Ладоги – комплекса археологических памятников» – 3D-реконструкция и визуализация объектов, найденных в ходе археологических исследований памятника истории и археологии Северо-запада России Старая Ладога.

Рис. 7. Виртуальная трёхмерная реконструкция деревянной постройки Старой Ладоги

В рамках федерального проекта «Актуализация историко-культурного наследия» создаётся виртуальная трёхмерная реконструкция комплекса православных храмов Енисейска. На основе сохранившихся архивных и музейных материалов, имеющейся проектной документации в 2009 г. воссозданы 4 культовых сооружения: Спасский мужской монастырь, Троицкая и Успенская церкви, Богоявленский собор (рис. 8, 9).

Рис. 8. Виртуальная трёхмерная реконструкция Успенской церкви (г. Енисейск)

Рис. 9. Виртуальная трёхмерная реконструкция Троицкой церкви (г. Енисейск)

3. Информационные технологии в сохранении культурного наследия. Оцифровка ценных объектов

Оцифровка – это описание объекта, изображения или аудио-, видеосигнала в виде набора дискретных цифровых замеров этого сигнала/объекта при помощи той или иной аппаратуры, т. е. его перевод в цифровой вид, пригодный для записи на электронные носители. Объекты оцифровки – фотоплёнки, негативы, фотографии, иконы, гравюры, картины, рукописи и т. д.

Оцифровка ценных объектов используется в следующих случаях:

• для решения учётных задач и в целях предотвращения подмен при их перемещении (выставки, реставрация вне музея и т. д.);

• при оформлении документов на их перемещение и при создании картотек;

• для их размещения в буклетах, каталогах выставок и т. д.;

• для их размещения на сайтах, виртуальных интернет-представлениях;

• для их внесения в Госкаталог РФ.

Оцифровку можно производить цифровыми камерами, сканерами, специальной техникой для 3 D-сканирования.

При помощи цифровых камер может быть выполнена:

• микросъёмка фрагментов музейных предметов с использованием бинокулярного микроскопа – появляется возможность фиксировать цифровой камерой красочные слои живописи, обеспечивать документирование этапов реставрации;

• съёмка в инфракрасном диапазоне – помогает при реставрации, экспертизе; получаемое при этом изображение позволяет определять за счёт отличий в химическом составе красителей разных красочных слоёв под верхним (видимым) красочным слоем более ранний рисунок, возможно, авторский (рис. 10, 11).

Рис. 10. Протокольная фиксация состояния сохранности живописи 1497 г. из иконостаса Успенского собора Кирилло-Белозерского музея. Фрагмент иконы «Оплакивание»

Рис. 11. Цифровое фото – макросъёмка в инфракрасных лучах. Фрагмент иконы «Оплакивание». Выявление состояния сохранности красочного слоя

Информационные технологии уже более 20 лет помогают музеям, библиотекам, архивам России сохранять культурное наследие страны, вести просветительскую, научную и образовательную работу среди населения.

Наиболее масштабными проектами по размерам оцифровки исторических документов являются:

• объединённая БД «Мемориал» – на сегодняшний день её объём насчитывает порядка 35 млн записей и более 20 млн страниц документов;

• проект «Русская классика», в рамках которого оцифровываются и переводятся в электронный вид книги XIX–XX вв. из фондов Российской государственной и Российской национальной библиотек (рис. 12);

Рис. 12. Оцифровка ценных книг

• оцифровка фондов Государственного музея истории Санкт-Петербурга и Государственного музея «Эрмитаж»;

• оцифровка шедевров из собрания Государственного музея изобразительных искусств им. А. С. Пушкина – в электронный вид уже переведено более 1,2 тыс. картин: японская графика XVI–XX вв., британская и российская гравюра XVIII–XIX вв. (рис. 13, 14).

Рис. 13. Л. Ф. Абботт «Портрет Горацио Нельсона», 1798 г. (из собрания Государственного музея изобразительных искусств им. А. С. Пушкина)

Рис. 14. Сэр Лоуренс «У фонтана», 1897 г. (по собственной композиции, офорт на стали, лак, из собрания Государственного музея изобразительных искусств им. А. С. Пушкина)

4. Информационные технологии в сохранении культурного наследия. Реставрация живописи и монументального искусства

Современные компьютерные технологии в последнее время стали часто использоваться при изучении памятников живописи и при их реставрации. Основная работа при реставрации живописи на фрагментах заключается в поиске стыкующихся между собой элементов. До недавнего времени процесс подбора пар фрагментов производился вручную. Помимо колоссальных временных затрат, недостатком метода ручной подборки является то, что фрагменты постоянно подвергаются механическому воздействию. Каждая попытка состыковать два фрагмента путём прикладывания одного фрагмента к другому ведёт к постепенному «затиранию» изломанных боковых граней штукатурного основания.

Сложностью при работе с живописью является гигантское число вариантов соединений фрагментов, а использование компьютерных технологий автоматизирует процесс восстановления, исключая субъективный подбор, тем самым обеспечивая достоверные результаты.

Возможность компьютеров в обработке и хранении больших объёмов информации об изображениях позволяет использовать для стыковки фрагментов не только информацию о контуре фрагментов, но и о распределении цвета по поверхности, векторе мазка (если он имеется), а также результаты проведённых расчётов по стыку фрагментов.

Фрески Андреа Мантеньи капеллы Оветари (Ovetari) церкви Эремитани (Eremitani) в Падуе были разрушены во время бомбардировок американской авиации 11 августа 1944 г. (рис. 15).

Рис. 15. Фрески Мантеньи в капелле Оветари церкви Эремитани в Падуе

После войны в Центральном институте реставрации в Риме, куда были отправлены ящики с фрагментами, была попытка частично восстановить отдельные сцены капеллы Оветари, но затем от всех дальнейших попыток отказывались. В августе 1992 г. все фрагменты были объединены на Национальной Вилле в городе Стра. Здесь под управлением Центра историко-культурного наследия региона Венето был создан единый каталог фрагментов. Впоследствии все фрагменты были сфотографированы и перенесены в компьютер в виде цифровых цветных снимков. В таком виде они использовались для виртуальной реконструкции (рис. 16).

Рис. 16. Восстановление фресок капеллы Оветари

Метод, разработанный в университете г. Падуи (отделение физики им. Галилео Галилея), предполагает использование компьютерной технологии для ориентации крупного фрагмента с отчётливой частью рисунка относительно полноцветной копии восстанавливаемой фрески.

На сегодня локализованы 789 фрагментов из первой сцены «Святой Джакомо перед Ероде» и 437 из второй сцены «Поход к страданию Святого Джакомо». Этот результат сопоставим с реставрацией фресок в капелле Оветари, выполненной в 1947 г. традиционной техникой.

Церковь Успения на Волотовом поле, построенная в 1352 г., была разрушена в августе 1941 г. Это был один из самых полных ансамблей монументальной живописи Новгорода. В 1955 г. руины церкви были законсервированы, и почти полвека фрески пролежали под руинами стен. Штукатурное основание волотовских фресок очень тонкое (1–2 мм), поэтому живопись разбилась на множество мелких фрагментов – 1 710 370, большая часть из которых мелкие (1–2 см²) (рис. 17, 18).

Рис. 17. Планшет с фрагментами живописи церкви Успения на Волотовом поле

Рис. 18. Восстановленные фрески церкви Успения на Волотовом поле

Разработка компьютерной технологии подбора стыкующихся фрагментов была начата по инициативе новгородских художников-реставраторов ещё в 1991 г. Работы по разработке программы были приостановлены в 1992 г. и возобновлены только в июле 2002 г. Компьютерная технология, разработанная для работы с фресками церкви Успения на Волотовом поле, позволяет выделить из массы небольших фрагментов (средний размер штукатурки с живописью Успенской церкви – от 1 до 6 см²) те пары, которые вероятнее всего могут стыковаться друг с другом, при этом хранение изображений в электронном виде позволяет стыковать фрагменты бесконтактно, не разрушая изломы боковых граней.

При помощи сканера (цифровой видео– или фотокамеры) в компьютерную БД заносится цифровое изображение фрагментов. После этого начинается процесс формирования контура изображения на фрагменте и внешнего (габаритного) контура. Для оптимизации поиска стыка составляется список максимально подходящих к данному фрагменту пар. Из этого списка автоматически исключаются те фрагменты, которые не подходят друг другу по цвету. На последнем этапе компьютер анализирует результаты и выдаёт определённый набор совпавших пар. Это не означает, что все пары в действительности стыкуются. Однако эксперту остаётся проверить на стыковку не 20 тыс. пар (для 200 фрагментов), а всего 200–300 пар. Параллельно с ручным поиском стыкующихся фрагментов фресок идёт процесс внедрения компьютерной технологии по подбору волотовской живописи.