Текст книги "Информационные технологии в реставрации архитектурного наследия"

5. Цифровые технологии исследования объектов культурного наследия. 3d-моделирование-макетирование

3D-моделирование-макетирование – технология создания точной копии объекта при помощи 3 D-принтера. 3 D-принтеры делятся на принтеры выливающие или распыляющие и спекающие или склеивающие различные материалы.

3D-принтеры выливающие или распыляющие FDM (fused deposition modeling) (рис. 19) – принтеры, которые выливают различный материал слой за слоем через сопло-дозатор (принтеры Stratasys, различные кулинарные, медицинские принтеры).

Технология Polyjet (рис. 20) была изобретена израильской компанией Objet в 2000 г. (в 2012 г. куплена компанией Stratasys). Суть технологии: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ-излучения. Важной особенностью, отличающей Polyjet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.

Преимущества:

• толщина слоя до 16 мк;

• быстрая печать (т. к. жидкость можно наносить очень быстро).

Недостаток: печать только с использованием фотополимера – узкоспециализированного, дорогого пластика, как правило, чувствительного к УФ и достаточно хрупкого.

Применение: промышленное прототипирование и медицина.

Рис. 19. Пример FDM принтера

Рис. 20. Пример Polyjet принтера

LENS (laser engineered net shaping) (рис. 21). Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера, мгновенно спекается и слой за слоем формирует трёхмерную деталь. До появления этой технологии печатать можно было только объекты из пластика, а с помощью данного принтера можно смешивать порошки различных материалов, получать сплавы и печатать стальные и титановые объекты.

Производитель оборудования: Optomec.

Применение: например, титановые лопатки для турбин с внутренними каналами охлаждения.

LOM (laminated object manufacturing) (рис. 22). Укладывается тонкий ламинированный лист материала, который вырезается по контуру объекта с помощью ножа или лазера. Таким образом получается один слой, на него укладывается следующий лист и т. д. После этого все листы прессуются или спекаются. Возможна печать 3D-модели из бумаги, пластика или алюминия. Для печати моделей из алюминия используется тонкая алюминиевая фольга, которая вырезается по контуру слой за слоем и затем спекается с помощью ультразвуковой вибрации.

Рис. 21. Пример LENS принтера

Рис. 22. Пример LOM принтера

3D-принтеры спекающие или склеивающие различные материалы SL (Stereolithography – стереолитография) (рис. 23). Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того, как один слой готов, платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту, далее запекается следующий слой и т. д. Иногда происходит наоборот: платформа с деталью поднимается вверх, а лазер расположен снизу. После печати таким методом требуется постобработка объекта – удаление лишнего материала и поддержки, иногда поверхность шлифуют. В зависимости от необходимых свойств конечного объекта, модель запекают в ультрафиолетовых духовках.

Преимущества:

• быстро и точно (до 10 мк);

• для спекания фотополимера достаточно лазера от Blu-ray проигрывателя, благодаря чему на рынке появляются дешёвые и при этом точные принтеры, работающие по такой технологии.

LS (laser sintering – лазерное спекание) (рис. 24). Технология похожа на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.

Преимущества:

• менее вероятно, что деталь сломается в процессе печати, т. к. сам порошок выступает надёжной поддержкой;

• материалы в порошковой форме довольно легко найти в продаже, в т. ч. это может быть бронза, сталь, нейлон, титан.

Недостатки:

• поверхность получается пористая;

• некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом;

• спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают (в зависимости от размера и толщины слоёв, некоторые предметы могут остывать до одного дня).

Рис. 23. Пример стереолитографии

Рис. 24. Пример лазерного спекания

3DP (three dimensional printing) (рис. 25). Технология была изобретена в 1980 г. в MIT студентом Paul Williams и продана в несколько коммерческих организаций, одна из которых – zCorp (в настоящее время поглощена 3D Systems). На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка и т. д. На выходе, как правило, получается материал sandstone (похожий по свойствам на гипс).

Преимущества:

• т. к. используется клей, в него можно добавить краску и печатать цветные объекты;

• технология относительно дешёвая и энергоэффективная;

• можно использовать в условиях дома или офиса;

• можно использовать порошок стекла, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки; используя похожую технологию, можно печатать съедобные объекты, например, из сахара или шоколадного порошка – порошок склеивается специальным пищевым клеем, в клей может добавляться краситель и ароматизатор (как пример, новые 3 D-принтеры от компании 3D Systems, которые были продемонстрированы на CES-2014 – ChefJet и ChefJet Pro).

Недостатки:

• на выходе получается достаточно грубая поверхность, с невысоким разрешением (≈ 100 мк);

• материал нужно подвергать постобработке (запекать), чтобы придать ему необходимые свойства.

Рис. 25. Пример 3DP принтера

3D-принтеры используют в реставрации объектов культурного наследия при создании демонстрационных макетов, точных копий фрагментов исторических объектов (рис. 26, 27).

Рис. 26. Пример макета объекта культурного наследия, созданного 3D-принтером

Рис. 27. Высокоточные образцы барельефов ворот Флорентийского баптистерия для производства бронзовых копий элементов оригинальных ворот

6. Цифровые технологии исследования объектов культурного наследия. 3D-сканирование

3D-сканирование – технология оцифровки объекта при помощи лазерного дальномера, георадара, фотограмметрии и специального программного обеспечения для сканирования.

Трёхмерный лазерный сканер при помощи лазерного дальномера вычисляет расстояние до объекта и измеряет вертикальный и горизонтальные углы, получая XYZ-координаты. В зависимости от масштабов зоны измерения, сканеры делятся на фасадные и интерьерные.

Бесконтактные активные сканеры излучают определённые волны, направленные на объект. В качестве измерителя используется свет или луч лазера, иногда применяются ультразвук или рентгеновские лучи. В результате сканер обнаруживает отражение испускаемых волн, и на его основе создаёт модель реального объекта.

Бесконтактные пассивные сканеры не издают излучений, а используют отражения, имеющиеся вокруг объекта (например, световые).

Бесконтактные сканеры, особенно пассивные, сильно зависят от окружающих условий. С их помощью нельзя проводить измерения, например, в тёмное время суток, когда освещение недостаточно яркое, ведь они используют свет для создания модели.

Принцип работы 3D-сканера

Благодаря излучению, которое исходит от анализируемого объекта, лазерный сканер точно определяет координаты каждой точки поверхности предмета. В результате образуется т. н. «облако точек», каждая из которых имеет чёткие и крайне точные трёхмерные координаты. Это и называется скан, который превращается в объёмную модель. В зависимости от размеров объекта и свойств его поверхности, количество точек, необходимых для создания макета, может варьироваться от нескольких тысяч до сотен миллионов.

Лазерный сканер устанавливается напротив снимаемого объекта на штатив. Пользователь задаёт требуемую плотность облака точек (разрешение) и область съёмки, затем запускает процесс сканирования. Для получения полных данных об объекте, как правило, приходится выполнять данные операции с нескольких станций (позиций) (рис. 28, 29).

Затем выполняются обработка первоначальных данных, полученных со сканера, и подготовка результатов измерений в том виде, в котором они необходимы. Профили и сечения, плоские планы, трёхмерные модели, вычисления площадей и объёмов поверхностей – всё это, а также другую необходимую информацию можно получить в качестве конечного результата работы со сканером (рис. 30, 31).

Рис. 28. Пример сканируемого объекта – барельеф

Рис. 29. Установка лазерного сканера над объектом

Рис. 30. Обработка полученных данных сканированного объекта

Рис. 31. Пример результата работы сканера – копия барельефа, изготовленная на 3D-принтере

Контактные сканеры обводят предмет специальным высокочувствительным щупом и на основе полученных данных создают объёмную модель объекта в памяти компьютера (рис. 32).

Рис. 32. Пример работы контактного 3D-сканера

Георадар. Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными методиками исследований, способами обработки, типами отражения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представлениями результата.

1. Геологические и гидрогеологические задачи:

• картирование геологических структур – восстановление геометрии относительно протяжённых границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов;

• определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн с опорой на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью пород;

• определение толщины ледяного покрова;

• определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений;

• определение мощности зоны сезонного промерзания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов.

2. Поиск локальных объектов, обследование инженерных сооружений, нарушения штатной ситуации:

• трубопроводов;

• кабелей;

• участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта – рекультивированных земель, засыпанных выемок;

• погребённых отходов и захоронений;

• подземных выработок, подвалов, карстовых и суффозионных провалов;

• границ распространения углеводородных загрязнений;

• поиск скрытых нарушений в станах наземных сооружений, шахт, тоннелей, в опорах и перекрытиях;

• поиск нарушений, возникших в процессе строительства или в процессе эксплуатации в конструкции автомобильных и железных дорог, взлётно-посадочных полос аэродромов и т. д.

Область применения георадаров в реставрации и реконструкции. Для целей реконструкции, реставрации зданий, мониторинга их состояния актуальна задача исследования подземных частей сооружений – фундаментов, опор и т. п., определения их геометрических параметров, конструкционных особенностей, глубины основания.

Использование георадара позволяет:

• выявить неоднородность грунтов основания;

• оценить гидрогеологические особенности;

• существенно сократить количество шурфов и скважин;

• определить конструктивные параметры фундамента и несущих конструкций;

• в ряде случаев оценить целостность (деформированность) элементов здания;

• построить трёхмерную модель сооружения.

Для зданий старой постройки и архитектурных памятников часто нет точных материалов многочисленных реконструкций и перестроек. В этом случае использование георадара – оптимальный способ обследования сооружения.

В ряде случаев необходимость оперативного дистанционного обследования фундаментов как старых, так и современных зданий связана с развитием в их основании опасных геологических процессов.

Пример исследования георадаром здания в центре Москвы (70-е гг. XIX в.) представлен на рис. 33, 34. Вертикальные объекты на радарограммах – части фундамента, вне здания видны коллектор и кабель. Выявлено строение насыпного грунта и неоднородность состава пород основания. Отмечено, что уровень грунтовых вод в настоящее время находится выше основания фундамента. Последующими раскопками подтверждены выявленные радаром погребённые особенности территории.

Рис. 33. План обследуемого здания

Рис. 34. Радарограммы обследования здания георадаром

Фотограмметрия – научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по их фотоизображениям. Своё начало фотограмметрия берёт с появления фотографии и почти сразу же стереофотографии. Развитие техники, летательных аппаратов, оптики привело к громадному развитию фотограмметрии и её использованию во многих сферах деятельности.

Существует два основных направления в фотограмметрии:

• фототопография – создание карт и планов Земли (и других космических объектов) по снимкам;

• наземная, прикладная фотограмметрия – решение прикладных задач в архитектуре, строительстве, медицине, криминалистике и т. д.

Фотограмметрия в архитектурно-реставрационной деятельности используется при выполнении обмерных работ, а также в научно-исследовательских целях (рис. 35).

Рис. 35. План Вознесенского войскового кафедрального собора, совмещённый с ортофотопланом, г. Новочеркасск

Для создания 3D-моделей объектов используют программное обеспечение Photomodeler Scanner, Agisoft PhotoScan, Colmap, Autodesk 123D Catch и др. Одной из доступных и простых в использовании программ является Agisoft PhotoScan (рис. 36).

Рис. 36. Интерфейс программного обеспечения Agisoft PhotoScan

Программное обеспечение Agisoft PhotoScan позволяет автоматически создавать высококачественные 3D-модели объектов на основе цифровых фотографий; способно обрабатывать любые фотографии, снятые любым цифровым фотоаппаратом с любых ракурсов; процесс обработки фотографий полностью автоматизирован и не требует предварительной калибровки камер или ручной маркировки фотографий.

Список литературы

Нормативные правовые акты федеральных органов исполнительной власти, нормативно-технические документы

1. РНиП 1.02.01–94. Реставрационные нормы и правила. Инструкция о составе, порядке разработки, согласовании и утверждении научно-проектной документации для реставрации недвижимых памятников истории и культуры. Введ. 30.03.1994.

2. Руководство по применению фотограмметрических методов для составления обмерных чертежей инженерных сооружений. Утв. НТС ПНИИИС Госстроя СССР 01.01.1984.

3. СРП–2007. Свод реставрационных правил. Рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов РФ. 5-я редакция.

Основная литература

4. Золотова Е. В. Современные архитектурные обмеры объектов недвижимости / Е. В. Золотова. М.: Архитектура-С, 2009. 112 с.

5. Методика и практика сохранения памятников архитектуры: сб. ст. М.: Стройиздат, 1974. 144 с.

6. Михайловский Е. В. Основы современного подхода к реставрации памятников культуры / Е. В. Михайловский // Методика и практика сохранения памятников архитектуры: сб. ст. М.: Стройиздат, 1974. 144 с.

7. Подъяпольский С. С. Реставрация памятников архитектуры / С. С. Подъяпольский, Г. Б. Бессонов, Л. А. Беляев, Т. М. Постникова. М.: Стройиздат, 1988. 264 с.

8. Соколова Т. Н. Архитектурные обмеры / Т. Н. Соколова, Л. А. Рудская, А. Л. Соколов. М.: Архитектура-С, 2006. 114 с.

Дополнительная литература

9. Виртуальная реконструкция историко-культурного наследия в форматах научного исследования и образовательного процесса: сб. науч. ст. / под ред. Л. И. Бородкина, М. В. Румянцева, Р. А. Барышева. Красноярск: СФУ, 2012. 196 c.

10. Гаццола П. Консервация и реставрация памятников и исторических зданий / П. Гаццола, Х. Дайфуку, Э. А. Коннели, П. Санпаолези, М. Секино, Х. Форамитти; пер. с фр. Н. И. Суходрев, Ж. С. Розенбаума. М.: Стройиздат, 1978. 320 с.

11. Каптерев А. И. Компьютеризация информационных технологий: учеб. пособие / А. И. Каптерев. М.: Литера, 2013. (Современная библиотека). С. 297–298.

Электронные ресурсы

12. Анисимова Т. И. Использование компьютерной технологии при реставрации живописи XIV в. церкви Успения на Волотовом поле / Т. И. Анисимова, А. В. Зотов, В. П. Поневаж, П. Ф. Чумаков. URL: http://art-con.ru/node/477 (02.02.2020).

13. Единый государственный реестр объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов РФ. URL: https://opendata.mkrf.ru/opendata/7705851331-egrkn (02.02.2020).

14. Использование 3D-сканирования и 3D-печати при реставрации старинных ворот. URL: https://3d.globatek.ru/3d-scanners/case_studies/artec_spider_restavracia/ (03.02.2020).

15. Историко-культурное наследие города Енисейска. URL: https://www.yeniseisk-heritage.ru/3d-reconstructions/ru (17.04.2020).

16. Классификация 3D-принтеров (7 технологий 3D-печати). URL: https://geektimes.ru/post/208906/ (07.05.2020).

17. Макет «План Рима». URL: https://bubligum9000.livejournal.com/30200.html (21.03.2020).

18. Обобщённый банк данных «Мемориал». URL: https://obd-memorial.ru/html/ (02.02.2020).

19. Русская классика. URL: http://classica.rhga.ru/ (26.03.2020).

20. Старая Ладога. URL: http://www.oldladoga.ru/ (10.04.2020).

21. VIZERRA. URL: https://vimeo.com/vizerra (22.02.2020).