Войнаровский Александр Евгеньевич —
генеральный директор ООО «НПП «Фотограмметрия»,
доцент Санкт-Петербургского государственного университета,
к.т.н.
генеральный директор ООО «НПП «Фотограмметрия»,
доцент Санкт-Петербургского государственного университета,
к.т.н.
Трехмерное лазерное сканирование и цифровая фотограмметрическая съемка — новые возможности в решении задач реставрации настенной живописи.
Одними из наиболее интересных объектов, на которых довелось работать в последние годы НПП «Фотограмметрия», являются Никольский Морской собор в г. Кронштадте (илл. 1) и Вознесенский Войсковой кафедральный собор в г. Новочеркасске (илл. 2).
Объекты очень похожи и строились примерно в одно и то же время. Морской собор задумывался как главный храм военных моряков, а Вознесенский собор (третье по величине соборное здание в России) — главный храм донского казачества.
Илл.1. Никольский Морской собор (ортофотоплан фасада) в г. Кронштадт.
Илл.2. Вознесенский Войсковой кафедральный собор (ортофотоплан фасада).
Нами был выполнен полный комплекс обмерных работ, что, учитывая размеры соборов и сложность декора, явилось довольно сложной и нетривиальной задачей. Но, пожалуй, наиболее интересная часть работы была связана с настенной живописью. В данной статье представлены некоторые результаты данной работы и новые подходы, которые были использованы для достижения поставленных задач.
Как известно, одной из важнейших задач при выполнении научной реставрации памятников архитектуры является создание полной, достоверной и точной обмерно-фиксационной документации.
Благодаря современным технологиям, помимо традиционных форм фиксации памятников, таких как чертежи и фотоснимки, сегодня доступны новые виды обмерно-фиксационной документации:
Ниже рассмотрим подробнее каждый из них.
1. Точные трехмерные модели, получаемые в результате трехмерного лазерного сканирования — наиболее достоверная и полная форма фиксации геометрии памятника (илл. 3). Если параллельно со сканированием выполняется цифровая фотограмметрическая съемка, возможно создание цветной модели, фиксирующей не только геометрию, но и цветовые характеристики памятника (илл. 4).
Илл.3. Трехмерная черно-белая точечная модель Вознесенского Войскового кафедрального собора в разрезе.
Илл.4. Трехмерная точечная модель Вознесенского Войскового кафедрального собора (интерьеры окрашены по результатам фотограмметрической съемки).
2. Ортофотопланы
Ортофотоплан — ортогональная проекция точной трехмерной модели объекта на заданную плоскость. Данная форма фиксации сочетает в себе геометрические свойства обмерного чертежа с изобразительными свойствами фотоснимков (илл. 5).
Причем точность и детальность могут быть обеспечены наивысшие, соответствующие требованиям любого масштаба (илл. 6).
Илл.5. Ортофотоплан северного окна Никольского Морского собора в Кронштадте.
Илл.6. Фрагмент ортофотоплана северного окна Никольского Морского собора, показанного на илл. 3. Разрешение оригинала — 0.8 мм/пиксель (масштаб фиксации 1:4).
При создании ортофотопланов важнейшим параметром, определяющим затраты на выполнение документации, является детальность выходного изображения. Для оценки данного параметра мы используем термин «масштаб фиксации», то есть предельный масштаб, в котором
ортофотоплан может быть выведен на печать с фотографическим качеством, при котором изображение сохраняет четкость и не расплывается.
Масштаб фиксации определяется, главным образом, оптическим разрешением фотограмметрической съемки.
Данную зависимость представим в виде таблицы:
3. Чертежи, совмещенные с ортофотопланами (илл. 7–10). Как видно, чертежи и ортофотопланы выполнены в одной проекции, одной системе координат, и изображения абсолютно совпадают. Очевидным достоинством такого материала является то, что настенная живопись зафиксирована на нем в масштабе всего объекта, причем с необходимой точностью и разрешением.
Илл.7. Вертикальный разрез Вознесенского Войскового кафедрального собора, г. Новочеркасск. Разрешение ортофотопланов — 1–2 мм/пиксель.
Илл.8. План Вознесенского Войскового кафедрального собора, г. Новочеркасск. Разрешение ортофотопланов — 1–2 мм/пиксель.
Илл.9. Вертикальный разрез Никольского Морского собора. Разрешение ортофотопланов — 1–2 мм/пиксель.
Илл.10. План Никольского Морского собора. Разрешение ортофотопланов — 1–2 мм/пиксель.
4. Фоторазвертки (илл. 12), полученные из трехмерной точечной модели объекта (илл. 11).
Детальность изображения при создании разверток может быть обеспечена такая же, как и при создании ортофотопланов (в данном случае 0.8 мм./пиксель, что соответствует масштабу фиксации 1:4).
Илл.11. Трехмерная модель фрагмента малой восточной апсиды Никольского Морского собора.
Илл.12. Фоторазвертка фрагмента малой восточной апсиды Никольского Морского собора. Разрешение развертки — 0,8 мм/пиксель.
Развертки получают автоматизированными средствами, методом проецирования точек трехмерной модели на аппроксимирующую математически правильную поверхность, которая затем разворачивается на плоскость. На илл. 11 и 12 представлен достаточно простой случай — поверхность фрагмента апсиды может быть описана уравнением цилиндра и развернута на плоскость без искажений.
Если же мы имеем дело с поверхностями более сложными (сфера, эллипсоид), то получить развертки, полностью свободные от искажений не удастся. В данном случае целесообразно использовать методы математической картографии, применив ту или иную картографическую проекцию, можно сохранить не искаженными требуемые параметры. На илл. 13 показана трехмерная модель главного купола Вознесенского Войскового кафедрального собора в г. Новочеркасск, который представляет собой практически правильную сферу диаметром более 17 метров.
Илл.13. Трехмерная точечная модель главного купола Вознесенского собора (перспектива).
На илл. 14 показан ортофотоплан купола, а на илл. 15 и 16 — развертки, полученные с применением картографических проекций.
Изображения, представленные на илл. 13–16, получены по одним и тем же данным и отличаются лишь видом проекции и, соответственно, характером искажений.
Равновеликая проекция сохраняет площади контуров, то есть площади всех контуров на куполе и на развертке, полученной с применением данной проекции (илл. 15), будут совпадать. Этот вид разверток можно использовать, например, для подсчета площадей утрат, площади золочения или для оценки участков, пораженных грибком.
Равноугольная проекция (илл. 16) искажает площади, но сохраняет не измененными углы и подобие фигур. Данную проекцию можно использовать, например, для изготовления шаблонов, трафаретов при реставрации настенной живописи, мозаики.
Кроме того, хотелось бы обратить внимание на то, что представленные виды обмерно-фиксационной документации в электронном виде содержат достаточно полную информацию о фиксируемых поверхностях: каждая точка трехмерной модели, ортофотоплана или развертки имеет трехмерные координаты, яркость, цветовую характеристику и показатель интенсивности отражения лазерного луча сканирования. На основе данной информации можно выполнять анализ и получать различные количественные и качественные характеристики зафиксированных поверхностей или их участков, а также визуализировать результаты анализа. Цифровая форма представления данных, а также пиксельная структура ортофотопланов и разверток облегчают решение задач автоматизации данных процессов. На илл. 17 показан фрагмент развертки цилиндрической поверхности большой восточной апсиды Никольского Морского собора в г. Кронштадте. На илл. 18 красным цветом показаны участки золочения, выделенные автоматически при помощи спектрального фильтра. После такого выделения площадь позолоты определяется мгновенно и с высокой точностью. На илл. 19 показан результат автоматического выделения контуров на основе градиента яркости исходного изображения.
Илл.14. Ортофотоплан главного купола Вознесенского собора.
Илл.15. Развертка главного купола Вознесенского собора, полученная с применением азимутальной равновеликой проекции.
Илл.16. Развертка главного купола Вознесенского собора, полученная с применением азимутальной равноугольной проекции.
Илл.17. Фрагмент развертки цилиндрической поверхности большой восточной апсиды Никольского Морского собора.
Илл.18. Красным цветом показаны участки золочения, выделенные автоматически при помощи спектрального фильтра.
Илл.19. Результат автоматического выделения контуров на основе градиента яркости исходного изображения.
Все представленные обмерно-фиксационные материалы получены по оригинальной технологии совместной обработки результатов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки, ядром которой является программный комплекс ScanIMAGER Professional (разработка НПП «Фотограмметрия»). Мы постоянно совершенствуем данную технологию, уделяя особое внимание задачам автоматизации, и будем признательны архитекторам и реставраторам за замечания, а также за практические советы и пожелания по ее развитию.
---------------------
Alexander Ye. Woinarovski, general manager of “NPP Photogrammetry” LTD, professor of St. Petersburg State University
3D Laser Scanning and Digital Photometric-Shooting — New Possibilities to Resolve the Problems of Conservation-Restoration of Wall-Painting
Of the most interesting objects on which NPP “Photogrammetry” has recently dealt with are St. Nicolas’ Naval Cathedral in Kronstadt and Annunciation Military Cathedral in Novocherkask.
Those objects are much alike and built almost at the same time. The Naval Cathedral was intended as the main one for sailors of the Russian Navy, and the Annunciation Cathedral (the third largest cathedral in Russia) — as a main cathedral for the cossack army of the Don.
In both the whole complex of metrical survey has been carried out, and taking into account the cathedrals’ sizes and their complicated decor, the most interesting were works connecting with their wall-painting. The present article deals with the results of the works done and new approaches used to fulfill them.
---------------------
журнал: РЕЛИКВИЯвыпуск: №28 / 2012 год
раздел: Научные исследования и технологии
статья: А.Е. Войнаровский, ООО «НПП «Фотограмметрия»
Трехмерное лазерное сканирование и цифровая фотограмметрическая съемка — новые возможности в решении задач реставрации настенной живописи.
---
Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.