Лазерное 3D-сканирование в оцифровке, реконструкции и копировании скульптурных памятников

Парфенов Вадим Александрович ORCID: 0000-0002-2048-4677 доктор технических наук профессор, кафедра фотоники, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) 197376, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Ул. Профессора Попова, 5 Parfenov Vadim Aleksandrovich Doctor of Technical Science Professor, Photonics Department, St.Petersburg Electrotechnical University 197376, Russia, Saint Petersburg, ul. Professor Popov, 5 vadim_parfenov@mail.ru

Введение

Применение лазерной техники в области сохранения объектов культурно-исторического наследия является новым, но быстроразвивающимся научно-техническим направлением. Его основоположником является американский физик Джон Асмус, который в 1972 году впервые продемонстрировал возможность использования лазеров в реставрации, а также для неразрушающего контроля и 3D-визуализации исторических памятников ^[1],[2]. В своих работах Дж.Асмус использовал технологию лазерной очистки и голографию, но сегодня в музейной работе применяют также множество других лазерных методов, включая спектроскопию комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной плазмы, лазерную доплеровскую виброметрию, цифровую спекл-интерферометрию, 3D-сканирование и др. ^[3],[4],[5].

Основным достоинством технологии 3D-сканирования является то, что в отличие от голографии, она позволяет не только фиксировать объемное изображение объектов, но и предоставляет высокоточную информацию об их размерах ^[3],[5] – ^[8]. В результате сканирования создается так называемое облако точек – точечная компьютерная модель поверхности исходного объекта, которая является его виртуальной копией (по сути дела – его высокоточным электронным паспортом). Изображение 3D-моделей, получаемых в результате сканирования, можно рассматривать на экране компьютера под любым углом зрения (как бы «облетая» памятник со всех сторон) и с любым увеличением. Поскольку 3D-модель – это компьютерный файл в одном из графических форматов (как правило, STL или OBJ), она может быть легко экспортирована во все основные стандарты обмена 3D-данными для последующей обработки. Благодаря этому, с помощью специализированных компьютерных программ можно производить различные вычисления, например, определять объем и площадь развернутой поверхности объекта, получать его обмерные чертежи и т. д.

Информация, которую содержит в себе 3D-модель памятников, может оказаться просто незаменимой в случае их повреждения или гибели в результате войн, стихийных бедствий или вандальных нападений. 3D-модели могут быть использованы для создания всевозможных компьютерных анимаций, например, для исторических реконструкций дворцов, парковых ансамблей, улиц давно исчезнувших городов и т. д. Другая интересная возможность связана с созданием виртуальных музеев. В этом случае в единую «галерею» (доступную ее посетителям благодаря сети Интернет) можно собрать наиболее известные памятники из одного конкретного музея или даже музеев со всего света. Помимо повышения доступности музейных коллекций это открывает широкие возможности для обмена информацией между музейными специалистами из разных стран за счет введения в полноценный научный оборот большого количества памятников.

Помимо этого, 3D-модели можно использовать для компьютерной реконструкции скульптур, барельефов и архитектурных объектов, в том числе по их отдельным фрагментам. Например, в случае поврежденных памятников при помощи методов компьютерной графики можно реконструировать их предполагаемый первоначальный вид, либо промоделировать различные варианты реставрационных «доделок», не прикасаясь при этом к самому памятнику. Подобный подход позволяет спланировать весь комплекс необходимых работ в процессе будущей реставрации. 3D-сканирование может быть полезно и для решения проблемы изменения габаритов памятника при литье скульптур из бронзы, свинца и других металлов. В реставрационной практике нередки ситуации, когда поврежденные части скульптур приходится изготавливать заново. Эти новые части, отлитые в формы, изготовленные по оригиналу скульптуры, из-за усадки формовочного материала могут значительно отличаться от него по размерам. Эту проблему можно легко решить, создав литейную форму с «припуском» за счет масштабирования 3D-модели с учетом усадки (для этого в исходной модели достаточно увеличить соответствующий фрагмент памятника в необходимой пропорции).

Другое важное и перспективное применение – это мониторинг состояния экстерьерных (т. е. экспонируемых на открытом воздухе) памятников. В результате периодического (с интервалом от нескольких месяцев до года) сканирования и создания 3D-моделей поверхности одного и того же памятника (целиком или его отдельных фрагментов) возможен контроль за ходом процессов его разрушения ^[9],[10]. Например, можно следить за увеличением размеров трещин, площади гипсовых корок и биообрастаний (речь идет о колониях микроорганизмов – биодеструктуров, приводящих к разрушению памятников) и т. д. Точно так же можно проверять состояние памятников до начала и после завершения реставрационных работ.

Отдельная область применения 3D-сканирования – это создание высокоточных физических копий и реконструкция поврежденных и/или утраченных памятников ^[5],[12].

О ряде упомянутых выше работ, выполненных в Санкт-Петербурге под руководством автора, и пойдет речь в данной статье.

3D-сканирование в копировании скульптурных памятников

Как и все памятники, экспонируемые на открытом воздухе, скульптуры не вечны, так как любые материалы, использованные при их создании (будь то мрамор, бронза и даже гранит) постепенно разрушаются с течением времени. В этой ситуации на повестку дня уже давно встал вопрос о необходимости постепенной замены экстерьерных скульптур на копии с последующим переносом оригиналов в закрытые музейные помещения. Как показывает мировая практика, сегодня это единственная возможность сохранить для потомков творения мастеров прошлого, по крайней мере, наиболее ценные их них. И хотя идея замены оригиналов на копии всегда вызывала и вызывает в обществе и даже среди музейных работников неоднозначное отношение, другого способа спасти памятники от разрушения в наши дни не существует.

Именно по такому пути уже давно пошли во многих городах Европы, а в последние годы и в нашей стране. Однако сегодня, когда хранители, искусствоведы и реставраторы постепенно приходят к согласию о необходимости копирования памятников в принципе, все более актуальным становится вопрос о том, какие технологии можно (а самое главное – допустимо) использовать при создании копий?

На протяжении многих веков копии памятников из камня изготавливались вручную из исторического (авторского) материала. В XX в. появились новые технологии копирования. Поначалу они основывались на изготовлении гипсовой модели с последующей отливкой копии из цемента или камнезаменителя. Позднее появилась технология, при которой копии стали изготавливать путем заливки или набивки композиции на основе синтетического связующего (полиэфирной смолы) и минерального наполнителя (мраморной крошки с добавлением красителя) в форму, изготовленную из силиконового герметика. Однако очень серьезным недостатком данной технологии является то, что она является контактной. В процессе изготовления копии (на стадии создания формы) оригинальная скульптура подвергается значительному химическому и физико-механическому воздействиям, что может нанести урон состоянию сохранности памятника. Так, после использования силиконовых герметиков на поверхности белого мрамора зачастую остаются трудноудаляемые следы в виде потеков желто-коричневого цвета, кусочки формовочного пластилина и чешуйки самого силикона. Другая проблема состоит в том, что при разборе армированной силиконовой формы могут появиться механические повреждения, проявляющиеся в виде сколов и даже сломов отдельных мелких деталей скульптуры (кончиков пальцев, завитков волос и т.д.).

В итоге копируемой скульптуре может потребоваться внеплановая реставрация, а, следовательно, возникает поистине парадоксальная ситуация. Копии создаются для сохранения оригиналов, но в результате копирования оригиналу скульптуры может быть нанесен непоправимый вред!

Однако, применение 3D-сканирования создает очень эффективную альтернативу контактному копированию скульптурных памятников. Речь идет о способе создания копий, в основе которого лежит инновационная технология, основанная на комбинации 3D-сканирования и камнеобрабатывающих фрезерных станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Это позволяет изготавливать копии скульптурных памятников из натурального камня (мрамора, известняка, гранита и т.д.).

Впервые подобное копирование памятников было выполнено в Великобритании ^[13]. Главное достоинство данного метода состоит в том, что он является бесконтактным и не оказывает никакого негативного воздействия на оригинал памятника. Благодаря этому, в настоящее время лазерная технология копирования получила широкое распространение в ряде стран Европы (в Италии, Франции и Австрии). Однако в России ее применение пока еще находится в зачаточной стадии.

Впервые технология бесконтактного копирования скульптурных памятников в нашей стране была использована при создании копии мраморного бюста «Примавера» (XVIII в., Италия) из коллекции ГМЗ «Царское село» (г. Пушкин, Санкт-Петербург). Эта работа была выполнена петербургской реставрационной компанией «Ресстрой» при участии специалистов СПбГЭТУ «ЛЭТИ», которые занимались созданием компьютерной 3D-модели этого памятника (см. Рис. 1).

Рис. 1. Скульптура «Примавера»: слева – процесс лазерного 3D-сканирования, справа – готовая 3D-модель на экране компьютера

Сама копия скульптуры была изготовлена при помощи фрезерного станка-робота из белого каррарского мрамора в Италии (Рис. 2) и была установлена на месте оригинального памятника возле Екатерининского дворца. Более подробные сведения об этом проекте приведены в работах ^[14],[15].

Рис.2. Скульптура «Примавера»: слева – процесс изготовления копии на станке с ЧПУ (октябрь 2009 г.); справа – готовая копия (июль 2010 г.)

Еще одним примером бесконтактного копирования скульптурных памятников в России является создание копии мраморного бюста российского императора Петра I из коллекции музея-заповедника «Петергоф» в Санкт-Петербурге. Эта скульптура была преподнесена в дар Французской Академии наук в Париже в связи с отмечавшимся в 2017 году 300-летним юбилеем визита Петра I во Францию. Идея данного проекта была предложена А.К.Орловым, чрезвычайным и полномочным Послом России во Франции в 2008–2017 гг., и нашла активную поддержку со стороны директора ГМЗ «Петергоф» Е. Я. Кальницкой, которые общими усилиями смогли найти спонсоров данного проекта.

В создании копии бюста Петра I активное участие вновь принимала научная группа автора данной статьи. Работа по копированию этого памятника началась с проведения его 3D-сканирования в фондохранилище ГМЗ «Петергоф». Затем, как и в случае «Примаверы», копия была изготовлена из глыбы мрамора на станке с ЧПУ в Италии в г. Каррара. Все подробности данного проекта описаны в работе ^[16], а на Рис. 3 можно видеть фотографии оригинала памятника и его копии.

Результаты работ по созданию копий мраморных бюстов Петра I и «Примаверы» являются убедительным доказательством высокой эффективности лазерного бесконтактного метода создания физических копий скульптурных памятников из камня. Его относительно невысокая стоимость, быстрота исполнения и обеспечение полной сохранности оригинала в процессе работы являются наиболее значимыми достоинствами данного метода.

Рис. 3. Мраморный бюст Петра I: слева – оригинал; в центре – процесс изготовления копии на станке с ЧПУ; справа – готовая копия

Применение 3D-сканирования для реконструкции и реставрации исторических памятников

Выше говорилось о возможности применения 3D-сканирования для виртуальной реконструкции памятников. Интересным примером работ такого рода является проект по реконструкции полностью утраченной скульптуры из бывшей усадьбы Сергиевка в пригороде Санкт-Петербурга, которая в XIX веке была загородной резиденцией герцога Лейхтенбергского, пасынка Наполеона Бонапарта.

Герцог Лейхтенбергский был собирателем древностей и обладал богатейшей коллекцией произведений искусства. К сожалению, практически всё это уникальное собрание погибло в годы Великой Отечественной войны, так как Сергиевка оказалась в эпицентре боевых действий. В числе погибших произведений искусства была цинковая скульптура XIX века «Ева у источника».

Данная скульптура была изготовлена в XIX веке методом фрагментарного литья из шпиатра в знаменитой литейной мастерской Морица Гайса (Moritz Geiss) в Берлине ^[5]. Шпиатр, представляющий собой сплав цинка с оловом, это сравнительно недорогой заменитель бронзы. Благодаря своим свойствам, этот материал широко применялся в XIX веке при изготовлении скульптурных памятников. «Ева у источника» изображала полулежащую обнаженную фигуру молодой женщины и была копией мраморной скульптуры с одноименным названием, созданной в 1818 году английским скульптором Эдвардом Ходжесом Бейли (Edward Hodges Baily) (1788-1867). Считается, что данная скульптура олицетворяет собой «Потерянный Рай». Долгие годы «Ева» из усадьбы Сергиевка считалась полностью утраченной, но ее фрагменты были неожиданно обнаружены в 2007 году в земле во время строительных работ.

Рис. 4. Фрагменты скульптуры «Ева»

Эти фрагменты представляли собой груду разрозненных обломков (Рис. 4), что не позволяло провести реконструкцию данного памятника традиционными методами. Хотя отдельные фрагменты «Евы» хорошо «сочленялись» между собой, реконструировать скульптуру целиком (даже с использованием доделочной массы – традиционного способа восстановления полуразрушенных памятников) было невозможно, так как из-за значительных утрат скульптуры не удавалось правильно сориентировать их друг относительно друга в пространстве. Однако в результате использования лазерного 3D-сканирования и последующего компьютерного 3D-моделирования удалось провести виртуальную реконструкцию данной скульптуры (Рис. 5).

Рис. 5. Виртуальная реконструкция скульптуры «Ева» (участки поверхности темно-серого цвета показывают местоположение сохранившихся фрагментов скульптуры)

На заключительном этапе данного проекта с помощью технологии 3D-печати FDМ (Fused deposition modeling) была изготовлена реплика скульптуры «Ева», которая позволяет судить о том, как выглядел оригинал данного памятника (Рис. 6). Более подробные сведения об этом проекте приведены в работе ^[21].

Рис. 6. Реплика скульптуры «Евы»

Здесь необходимо заметить, что упомянутая технология FDM является одной из разновидностей так называемых аддитивных технологий, которые основаны на создании трехмерных объектов в результате их послойного «выращивания» из различных материалов (пластика, фотополимера, металлического порошка и др.). Отправной точкой для создания копий объектов методами 3D-печати являются их компьютерные 3D-модели, которые могут быть получены в результате 3D-сканирования или 3D-моделирования.

В настоящее время аддитивные технологии находят все более широкое применение при создании реплик объектов культурного наследия ^[18] – ^[21]. Обычно реплики изготавливают по технологии FDM или с помощью технологии лазерной стереолитографии. Однако принципиально новым направлением в применении аддитивных технологий в музейной работе может стать реставрация памятников из металлов. Для восполнения утрат таких объектов можно использовать технологию лазерной наплавки, которая позволяет воссоздавать утраченные части памятника из металлических порошков путем их плавления под действием высокоинтенсивного лазерного излучения. В одной из недавних работ автора данной статьи ^[22] была продемонстрирована возможность реставрации памятника из чугуна в результате комбинированного использования порошковой наплавки и лазерной сварки (Рис. 7). Данная работа – это первый случай применения лазерной наплавки для восполнения утрат исторических памятников из металлов.

Рис. 7. Декоративный элемент чугунной ограды XIX века из Некрополя Александро-Невской лавры в Санкт-Петербурге: слева – общий вид, справа – реконструкция одного из утраченных кончиков «звезды» в результате применения лазерной наплавки

Заключение

В данной статье описаны результаты наиболее интересных работ по реставрации и реконструкции скульптурных памятников в Санкт-Петербурге, выполненных при помощи лазерного 3D-сканирования. Приведенные в статье примеры показывают возможность эффективного решения сложных задач современной музейной работы при использовании 3D-сканирования в комбинации с другими инновационными технологиями. Это открывает перспективы для широкого применения лазерного 3D-сканирования для оцифровки, виртуальной реконструкции, реставрации и создания копий объектов культурно-исторического наследия.

Автор выражает надежду на то, что в ближайшей перспективе технология 3D-сканирования получит еще более широкое применение в музейной практике в нашей стране.