3D-модели древних артефактов или цифровая археология

В новой лаборатории «ЦифрА» Института археологии и этнографии СО РАН ученые сканируют древние каменные орудия, черепа животных и кости первобытных людей, получая точное трёхмерное изображение с большим разрешением. В электронной библиотеке цифровой лаборатории состоят сотни археологических артефактов. Здесь применяют экспериментальное и ГИС-моделирование, трасологические методы и математическую статистику для исследования материальной культуры древних сообществ.

Готовая 3D модель становится частью документированной таким образом коллекции, которую после этого можно демонстрировать всем интересующимся, не тревожа при этом физический оригинал. Сама возможность создания и передачи электронных копий археологического материала — огромный шаг к коллективным исследованиям. Цифровую модель каменного орудия можно выслать по электронной почте коллегам для совместного изучения. Благодаря возникновению направления цифровой археологии многие исследователи со всего мира могут увидеть своими глазами и даже подержать в руках (после распечатки на 3D принтере) уникальные артефакты.

Технология создания трёхмерной модели позволяет многократно увеличить изображение для более тщательных исследований и даже «разрезать» электронную версию находки на тонкие слои, сделать различные измерения (метрические, объем артефакта, центр гравитации). Всё это было недоступно до недавнего времени. Фигурка из мамонтового бивня, обнаруженная на памятнике «Турист-2» два года назад, была отсканирована, и сотрудникам цифровой лаборатории ИАЭТ СО РАН удалось восстановить её утраченные части, реконструировать изначальную форму, определить направление отверстий и вычислить центр массы. Выяснилось, что предмет нашивался на одежду, поскольку отверстия были сделаны наискосок и находились выше центра массы изделия, что обеспечивало его устойчивое положение в качестве нашивки.

Цифровой археологический артефакт — бесценное новшество для ученых. С его помощью можно осуществлять ранее недоступные исследования. Так, измерив тысячи координат, теперь можно сравнить по форме как каменные орудия из разных археологических памятников и даже с разных континентов, так и антропологические и палеонтологические находки. Основное преимущество такого анализа перед другими гуманитарными исследованиями — его верифицируемость. Если другой ученый исследует те же 3D-модели, то он получит точно такой же результат.

Данный метод с высокой степенью точности является относительно новым в мировой практике и позволяет анализировать артефакты и костные остатки всех периодов и территорий: от палеолита до современности. По трёхмерному образцу можно изготовить точный дубль-макет любого артефакта, например, для экспонирования на выставке. Это особенно полезно в случаях, когда речь идет о хрупких вещах или об антропологических материалах, требующих высокой сохранности ДНК для генетических исследований.

Центральный зал лаборатории украшают два отечественных сканера RangeVision — компактный портативный и более мощный, стационарный. Они установлены на штативах напротив стола, на котором стоит маленький постамент (поворотный столик) для изучаемых артефактов — небольшое возвышение с фотофиксом, мягким креплением из эластичной массы. Портативный сканер уже успел посетить Францию, где были отсканированы артефакты, найденные в ходе наших полевых работ на неандертальской стоянке Жонзак. Фотограмметрические исследования на этой стоянке выполнялись сотрудником нашего института Светланой Шнайдер.

— Сканер отдельно калибруется под артефакты разного размера, среднее число снимков для создания модели -12−13, — поясняет научный сотрудник лаборатории «ЦифрА» Павел Чистяков. — Камеры направлены к объекту под разными углами. Они фиксируют геометрию объекта и его текстуру. Перед началом сканирования проектор накладывает на объект движущуюся сетку светотеней, а камера фиксирует эту сетку и по ней строит цифровую модель поверхности объекта. Точность и детальность изображений от 0,15 до 0,04 мм.

Научный сотрудник Василий Ковалёв перешёл в лабораторию «ЦифрА» из Новосибирского Государственного Университета, где он занимался 3D-моделированием в лаборатории междисциплинарных исследований палеолитического искусства Евразии.

— Одно из направлений применения 3D реконструкции — это изучение петроглифов, — поясняет Василий Ковалёв. — При помощи фотограмметрии и 3D сканирования удаётся получить цифровую копию поверхности рисунков с высокой детализацией.

Информацию о технологии и морфологии петроглифов можно использовать для их относительного датирования. Совместно с сотрудником ИАЭТ СО РАН Лидией Зоткиной мы автоматизируем классификацию следов различных типов инструмента на поверхности петроглифов. При помощи специальной программы можно автоматически различать 3D-рельеф выбивки, нанесённой каменным или металлическим орудием. На эту тему недавно вышла совместная статья.

Основная цель лаборатории — не ограничиваться 3D моделированием для фиксации или визуализации объектов, а перейти к решению научно-исследовательских задач с помощью объёмных моделей высокого разрешения, — поделился сотрудник планами лаборатории. — Ученые получают возможность анализировать форму каменных орудий, сравнивая их по целому ряду метрических параметров, характеристик граней. Это позволяет обойтись без субъективных оценок и данных.

Руководитель лаборатории «ЦифрА» доктор исторических наук Ксения Колобова рассказала, что 3D-моделирование широко применяется в археологии во всем мире. Технологию начали использовать около 20 лет назад для документирования археологических объектов от отдельного артефакта до целого памятника.

— Создаваемая во время раскопок виртуальная трёхмерная модель позволяет зафиксировать и сохранить всю информацию о пространственных характеристиках исследуемого археологического объекта гораздо более точно, чем текст, чертежи и фотографии. При полевой 3D-фиксации можно использовать лазерное сканирование, технологию структурированного подсвета и фотограмметрию.

«ЦифрА» — одна из первых археологических лабораторий в России, где занимаются исследованием масштабированных трехмерных моделей. Здесь изучают предметы древнего искусства периода палеолита и бронзового века, исследуют каменные и костяные орудия палеолита и неолита, древние инструменты для обработки сырья, керамику неолита и эпохи бронзы. С помощью различных инструментов реконструируются утраченные фрагменты артефактов или костей, как это было недавно исполнено китайскими коллегами, работавшими с челюстью денисовского человека, обнаруженной на высокогорном тибетском плато. Точные измерения позволяют проводить исследования на высоком уровне, и в сочетании с трасологическими исследованиями реконструировать функцию артефактов. Сравнение формы каменных орудий и костей может дать исследователям информацию о наиболее вероятных путях миграции и возможном взаимодействии древних людей, о популяционной динамике человека и видовом разнообразии животных.

Разработка и внедрение в производство современных технологий выполняются в рамках реализации научно-технических проектов в соответствии с национальным проектом «Наука», который разработан в соответствии с майским указом президента РФ. Срок его реализации — с октября 2018 года по 2024 год. Согласно целям нацпроекта, в 2024 году Россия должна войти в пятёрку ведущих стран мира, осуществляющих научные исследования и разработки в приоритетных областях научно-технологического развития.
Благодарим специалистов лаборатории «ЦифрА» Института археологии и этнографии СО РАН и лично Василия Ковалёва за предоставленный материал.