Опыт создания программного обеспечения на базе игрового движка Unity 3D для решения задач реконструкции фасадов Георгиевского собора г. Юрьев-Польский (Владимирская область)

Информационные технологии в наши дни развиваются все быстрее, постоянно трансформируясь и проникая практически во все сферы человеческой деятельности. Историческая наука – не исключение. Применение ИТ в исследованиях исторического плана началось уже более, чем полвека назад. Наиболее молодыми в данном направлении являются технологии трехмерного моделирования объектов историко-культурного наследия – их применение началось около двадцати лет назад. На сегодняшний день аппаратно-программное обеспечение позволяет использовать решения BIM (информационное моделирование зданий) и CAD (система автоматизированного проектирования) в исследовательских целях историков. Существует большое количество программ для 3D-моделирования и оцифровки объемных объектов, среди которых наиболее популярными являются 3DsMax, AutoCAD, ArchiCAD, ReCap, MudBox, производимые компанией Autodesk, PhotoScan компании Agisoft, SketchUp компании Trimble Navigation, и т.д. Все они способны выполнять широкий спектр задач, связанных с моделированием и реконструкцией объектов культурного наследия. Но их функционал достаточно обширен, а овладение им требует времени и усилий, что не всегда доступно исследователям. К тому же для корректной и быстрой работы этих программ необходимо достаточно мощное аппаратное обеспечение, приобрести которое может не каждый. Лицензии для указанных программ также могут быть достаточно дорогими, а потому их покупка для конкретной работы представляется для многих ученых нецелесообразной. И самое главное – пока не существует широко распространенной программы, разработанной специально для историков. Исследователи в основном пользуются различными программами, пытаясь создать универсальную модель.

Нередко специфика исследования требует наличия опций, не имеющихся в известных программах трехмерного моделирования. А потому для конкретного исследования необходимо разрабатывать собственные программные решения. Пример такого рода дает исследование, представленное в данной статье и ориентированное на изучение истории Георгиевского собора в г. Юрьев-Польский (Владимирская область). Специфика этого памятника домонгольского белокаменного зодчества (построен великим князем владимирским Святославом Всеволодовичем в 1234 году) в том, что после его разрушения и восстановления в 1471 году была утрачена часть резных сюжетов, покрывающих фасады собора, а оставшиеся рельефы были в произвольном порядке помещены на фасады, другие же расположены в кладке собора над его сводами. Уже более ста лет ученые пытаются восстановить сюжетные линии, которые некогда украшали белокаменный храм. Неоднократно различными исследователями принимались попытки реконструкции собора, но разрозненность сохранившихся рельефов затрудняла проведение этой работы. Такие исследователи, как Г. К. Вагнер^[1], Н. Н. Воронин^[2], С. В. Заграевский^[3], А. И. Скворцов^[4], В. В. Кавельмахер^[5] и другие, предпринимали попытки восстановить первоначальный архитектурный облик собора и порядок резных сюжетов, но полемика вокруг их реконструкций активна и по сей день. Лишь некоторые сюжеты удалось реконструировать, совмещая сохранившиеся рельефы. Исследователи работали при помощи отрисовки сюжетов на бумаге, либо совмещая фотографии. Первый способ несовершенен тем, что рисунки художника могут носить идеализированный характер и не содержать шероховатостей или мелких деталей рельефа, важных при их соединении. Для второго варианта важно расположение камеры и угол ее наклона. Фотография не может точно передать размеров и изгибов рельефов из-за разной цветопередачи снимков, баланса света и тени и прочих параметров. Не говоря уже о том, что без применения компьютера исследователь сталкивается с большим количеством кадров (снимков), хаотически расположенных на столе, что значительно осложняет процесс реконструкции.

Технологии трехмерной оцифровки и реконструкции объектов культурного наследия используются уже достаточно давно. Среди них наиболее известны такие примеры, как проект Rome Reborn^[6] или реконструкция Страстного монастыря на Пушкинской площади^[7], а также модели, построенные лабораторией Дармштадского университета^[8]. Все эти проекты связаны с реконструкцией здания или комплекса зданий и проведены с помощью технологий фотограмметрии и лазерного сканирования. В результате реализации проектов, указанных выше, были получены полноценные трехмерные модели. Примеры упомянутых исследований дали импульс автору данной статьи провести апробацию этих технологий в задаче реконструкции фасадов Георгиевского собора, так как высокая детализация и ортогональная проекция моделей позволили бы проводить исследования практически в реальных условиях, сопоставляя точные трехмерные копии каменных рельефов. Содержательная задача сводилась к анализу сохранившихся каменных рельефов с целью выявления таких их последовательностей, которые составляли бы те или иные связные сюжеты библейского характера, мифологические и другие сюжеты – с тем, чтобы в дальнейшем рассмотреть возможность реконструкции фасадов Георгиевского собора, декорированных уникальными белокаменными рельефами. Работа была проведена в несколько этапов.

* * *

На первом этапе исследования была проведена наземная и воздушная съемка объекта с помощью квадрокоптера DJI Phantom 3 Pro и фотокамеры Canon GP-2 с объективом Canon EF 70-200mm. В результате подробной съемки собора было получено около 4000 кадров как с изображениями собора целиком, так и с отдельными элементами фасадов, снятыми с разных ракурсов (рис. 1). Такое количество снимков необходимо для повышения четкости получаемых моделей в дальнейшем.

На втором этапе в программе Agisoft PhotoScan было создано плотное облако точек всего собора (90 млн. точек). Плотное облако было загружено на ресурс Pointbox.xyz^[9], где его параметры были сопоставлены с чертежами собора и приняты в качестве эталонных. После этого в той же программе была проведена пофасадная оцифровка изображений горельефной резьбы с их последующим сохранением в 2D и 3D-графике (рис. 2). Получилось около двухсот сюжетов разной степени сохранности (рис. 3). Каждый из них прошел центровку в программе Autodesk 3DsMax, где изначально планировалось сопоставить рельефы. Но автор статьи столкнулся с проблемой ограниченности аппаратных ресурсов, так как обработка сразу такого большого количества рельефов становилась невозможной из-за недостатка мощности компьютера. Вторым минусом стала дополнительная подгрузка текстур, привязанных к модели в PhotoScan, что замедляло процесс еще сильнее. Других программ, способных сразу обработать такое большое количество рельефов и не потерять возможностей функционала, найдено не было. Встал вопрос разработки собственного программного обеспечения, способного решить поставленную задачу и быть полезным для других исследователей, имеющих аналогичные проблемы при реконструкции объектов.

Был создан план разработки программы «Реконструктор фасадов Георгиевского собора» для персонального компьютера, в которой возможность совмещения каменных рельефов сочеталась бы с полной библиотекой обнаруженных рельефов, содержащей описания изображенных на них сюжетов. Программа должна обладать двумя сменяющимися экранами, на одном из котором исследователю предлагалось бы выбрать подложку для конкретного исследования (были взяты реконструкции Г.К. Вагнера, А.В. Столетова, С.В. Заграевского, а также актуальные чертежи собора и пустое полотно) и накладывать модели каменных рельефов на эту подложку. На другом экране установлена библиотека сюжетов, где возможность осмотреть белокаменный рельеф со всех сторон соединена с описанием каждого изображения. Такая система значительно упрощает работу исследователя, так как поиск нужного сюжета и его расположение на конкретном месте с помощью мыши значительно упрощается, а простой функционал программы не перегрузит вычислительные мощности компьютера.

Для создания программы такого рода необходима некая база, способная учесть все перечисленные планы разработки. В связи с этим автором были выбраны два игровых движка (программы с предустановками для создания игр и приложений) с возможностью обработки 3D-графики: Unity 3D и Unreal Engine 4. Примеры разработанных на них игр и приложений известны по всему миру, их используют как отдельные разработчики, так и крупные корпорации. Их несомненным достоинством является открытая бесплатная лицензия, позволяющая использовать данные программы любому пользователю. Выбор в данном случае был отдан базе Unity 3D, так как этот движок требует меньше аппаратных ресурсов, имеет более удобный интерфейс и язык программирования (по опыту автора). Разработка подобного приложения на движке Unreal Engine возможна в дальнейшем, но на данном этапе работы такая задача перед исследователем не стоит.

Работа с программой Unity состоит из двух основных частей: организации моделей (или спрайтов, если речь идет о 2D-графике) и программирования. Организация моделей в пространстве подразумевает как загрузку новых образцов и их импорт из других программ, так и создание примитивных объектов в самой программе Unity (таких, как куб, сфера, капсула, полотно, редактируемый рельеф и другие). С помощью примитивных объектов в данной программе была разработана система перемещения каменных рельефов. Подгруженная модель с текстурой группировалась с обычным кубиком, у которого отключался материал (Mesh Renderer). Затем бокс коллизий (физическое пространство объекта, которое отвечает за взаимодействие с окружающей средой) вытягивался до размеров рельефа. После этого были написаны специальные коды для перемещения и поворота объектов. Программа способна отслеживать положение курсора, а потому в коде при зажатой левой кнопке мыши кубик с рельефом перемещается за курсором. При нажатии колесика мыши и движении ее в сторону рельеф поворачивается по оси Y с той скоростью, которую задает пользователь (в коде этого удалось достигнуть, умножив угол поворота рельефа на единицу времени, за которую перемещается сам курсор). Рельефы было решено оставить без физических свойств, так как совмещение сюжетов иногда требует наложения одного каменного рисунка на другой. Таким путем удалось решить проблему перемещения и поворота импортированных рельефов.

Для пустой подложки, на которой размещаются рельефы, был выбран мягкий синий материал, который не мешает исследователю подробно рассматривать рельефы. Далее были сделаны подложки с реконструкциями и актуальными изображениями храма (на объект Plane в формате текстуры было отражено изображение собора и масштабировано до размеров 1 к 1, соответственно размерам рельефов). Эти подложки позволяют исследователю как просто располагать сюжеты в нужной последовательности, так и помещать их на изображениях собора.

Затем был разработан интерфейс программы. Для расположения и упорядочения моделей рельефов было создано меню прокрутки с правой стороны экрана. Для каждого рельефа был оформлен отдельный пункт меню, а также с помощью скрипта выделены верхние уровни (разделение сюжетов по темам, а затем и сами сюжеты). При нажатии кнопки соответствующего пункта, в центре подложки создается модель рельефа, привязанного к конкретному пункту меню (точка появления рельефа на экране была определена пустым объектом GameObjeсt). Такой вариант создания регулируется конкретным скриптом, в котором также присутствует функция удаления объекта нажатием клавиши Delete. Аналогичное меню было сделано в нижней части экрана для подложек, а с правой стороны располагается памятка-инструкция для исследователя (рис. 4).

Также была создана сцена для просмотра объектов с их описанием. Она отличается лишь тем, что на экране создается только один объект, а на специальной панели рядом с объектом выводится привязанный к нему текст (рис. 5). При нажатии на кнопку нового объекта старый удаляется, а его место занимает новый. Переключение между сценами возможно при помощи кнопок 1 и 2 клавиатуры.

Последним шагом стало создание стартового меню программы, из которого возможен переход на любую из сцен, а также выход из приложения. Кнопка Escape выводит на экран предложение выйти из программы. Эти простые функции стали завершающими при разработке приложения.

На данном этапе программа проходит альфа-тестирование. На его первых этапах выявлено несколько проблем, которые требуют доработки. Перед автором статьи стоит задача проведения более подробной съемки объекта (планируется получить более 12 тысяч фотографий) и создание максимально точных моделей. У программы имеется проблема со срабатыванием некоторых пунктов меню и сохранением текущего результата. После исправления всех багов и добавления новых необходимых функций программа станет доступна для бета-тестирования и будет предложена исследователям Георгиевского собора.