3D-сканирование стало важным инструментом цифровой фиксации объектов культурного наследия. С его помощью можно получить пространственные данные о фасадах, интерьерах, строительных конструкциях, скульптуре и сложном архитектурном декоре, а затем использовать их при исследованиях, подготовке обмерной документации, проектировании и реставрации.
Однако понятие «3D-сканирование» значительно шире одного только лазерного сканера. В зависимости от поставленной задачи специалисты могут применять наземное лазерное сканирование, фотограмметрию, съёмку с беспилотных летательных аппаратов, методы ближней 3D-оцифровки отдельных элементов и сочетание нескольких технологий.
Для исторического объекта это особенно важно: памятник невозможно просто привести к условно правильной геометрии. Необходимо зафиксировать его фактическое состояние со всеми индивидуальными особенностями, деформациями, следами перестроек и сохранившимися архитектурными деталями.
Что такое 3D-сканирование объектов культурного наследия
Под 3D-сканированием обычно понимают получение цифровых данных, описывающих форму и геометрию реального объекта в трёхмерном пространстве.
В результате можно получить пространственное представление:
- целого здания;
- отдельного фасада;
- интерьера;
- лестницы или свода;
- колонны;
- лепного элемента;
- барельефа;
- скульптуры;
- фрагмента исторического декора;
- археологического объекта.
Размер объекта практически не определяет саму идею технологии: цифровая фиксация может применяться и для небольшого декоративного элемента, и для крупного архитектурного комплекса.
Но оборудование, методика и необходимая точность в этих случаях будут совершенно разными.
3D-сканирование и лазерное сканирование — это одно и то же?
Не совсем.
Лазерное сканирование является одним из способов получения трёхмерных данных.
Для цифровой фиксации наследия также могут использоваться:
- наземное лазерное сканирование;
- мобильное лазерное сканирование;
- фотограмметрия;
- аэрофотограмметрия с БПЛА;
- структурированный свет;
- другие методы ближней 3D-оцифровки.
Поэтому правильнее рассматривать 3D-сканирование как общее направление цифрового документирования, внутри которого выбирается технология, наиболее подходящая для конкретной задачи.
Лазерное сканирование исторического здания
Наземный лазерный сканер измеряет расстояния до большого количества точек поверхности.
После съёмки с нескольких позиций формируется пространственный массив — облако точек.
Так можно зафиксировать:
- геометрию фасада;
- планировку помещений;
- высотные отметки;
- форму сводов;
- положение колонн;
- лестничные марши;
- оконные и дверные проёмы;
- отклонения поверхностей;
- сложную конфигурацию исторических конструкций.
Основная ценность метода заключается в возможности работать не с несколькими отдельными размерами, а с большим массивом пространственных измерений.
Фотограмметрия при реставрации памятников
Фотограмметрия получает пространственную информацию другим способом.
Объект фотографируют много раз с различных ракурсов, обеспечивая перекрытие между соседними изображениями. Специализированное программное обеспечение находит соответствующие точки на снимках и восстанавливает пространственную геометрию.
На основе фотограмметрии можно получить:
- облако точек;
- трёхмерную полигональную модель;
- текстурированную модель;
- ортофотопланы;
- цифровые изображения фасадов и деталей с метрической привязкой.
Большое преимущество фотограмметрии — подробная информация о внешнем виде поверхности.
На качественной текстурированной модели можно видеть:
- цвет;
- фактуру;
- рисунок материала;
- декоративную окраску;
- визуально различимые повреждения.
Поэтому при исследовании объектов культурного наследия лазерное сканирование и фотограмметрия часто не конкурируют, а дополняют друг друга.
Зачем использовать дрон при создании 3D-модели
Наземная съёмка не всегда позволяет увидеть все поверхности исторического здания.
Особенно сложно зафиксировать:
- скаты кровли;
- купола;
- шпили;
- башни;
- верхние поверхности карнизов;
- труднодоступные участки фасада.
В таких случаях применяют фотограмметрическую съёмку с беспилотного летательного аппарата.
Полученные с воздуха фотографии можно объединить с наземными данными, чтобы уменьшить количество зон, отсутствующих в итоговой цифровой модели.
Особенно полезен комбинированный подход для храмов, усадеб, дворцов, промышленных памятников и других сооружений со сложной архитектурой.
3D-сканирование архитектурного декора
Одно из направлений, где 3D-технологии особенно полезны, — цифровая фиксация архитектурных деталей.
Например:
- лепнины;
- розеток;
- капителей;
- маскаронов;
- барельефов;
- скульптур;
- орнаментов;
- резных деревянных элементов;
- сложных каменных профилей.
Обычный архитектурный чертёж хорошо передаёт основные размеры, но сложную пластическую форму невозможно полностью описать несколькими проекциями и линейными измерениями.
3D-оцифровка позволяет сохранить именно пространственную геометрию элемента.
Как сканируют небольшие декоративные элементы
Для небольшой детали методика может значительно отличаться от сканирования целого здания.
Если требуется очень подробная фиксация рельефа, могут использоваться системы ближнего сканирования или фотограмметрия высокого разрешения.
При этом важно учитывать:
- размер объекта;
- сложность рельефа;
- свойства поверхности;
- необходимую детализацию;
- дальнейшее назначение модели.
Например, модель, предназначенная только для цифрового архива, и модель, которая впоследствии будет использоваться при изготовлении физического элемента, могут требовать разного качества исходных данных.
Какие результаты получают после 3D-сканирования
Фраза «создать 3D-модель» слишком общая, поскольку результат может быть представлен в разных формах.
Облако точек
Большой набор точек с известными координатами.
Это один из основных исходных форматов после лазерного сканирования и фотограмметрической обработки.
Полигональная модель
Поверхность объекта представляется сеткой из множества полигонов.
Такой формат особенно удобен для сложных архитектурных и скульптурных форм.
Текстурированная модель
На геометрическую поверхность накладывается информация, полученная из фотографий.
В результате модель передаёт не только форму, но и внешний вид объекта.
Ортофотоплан
Изображение поверхности, скорректированное по геометрии таким образом, чтобы по нему можно было выполнять измерения при соблюдении условий создания материала.
Особенно полезны ортофотопланы фасадов и сложных поверхностей.
Обмерные чертежи
На основе пространственных данных можно создавать:
- планы;
- фасады;
- разрезы;
- сечения;
- чертежи отдельных элементов.
HBIM-модель
Пространственные данные также могут использоваться как основа для информационной модели исторического здания.
При этом HBIM представляет собой уже не просто геометрию, а структурированную цифровую среду со сведениями о конструкциях, материалах, истории и состоянии объекта.
Зачем 3D-сканирование нужно перед реставрацией
Перед разработкой проектных решений необходимо достоверно зафиксировать исходное состояние объекта.
Сканирование позволяет получить данные о фактической геометрии, которая может значительно отличаться от старых чертежей.
Например, в историческом здании могут присутствовать:
- деформированные стены;
- неодинаковые проёмы;
- перекошенные конструкции;
- следы предыдущих перестроек;
- поздние пристройки;
- частично утраченный декор;
- изменённые уровни перекрытий;
- отклонения элементов от первоначального положения.
Полученные сведения могут использоваться при разработке проектно-сметной документации для объекта культурного наследия.
Может ли 3D-сканирование выявить повреждения
В определённых пределах.
По цифровым данным хорошо анализируются геометрические и визуально наблюдаемые изменения.
Например:
- отклонение стены от вертикали;
- прогиб конструкции;
- утрата части архитектурного элемента;
- смещение крупного фрагмента;
- деформация поверхности;
- заметная трещина при достаточной детализации данных.
Но сама 3D-модель не позволяет автоматически установить техническое состояние конструкции.
Она не определяет:
- прочность материала;
- состояние внутренней части стены;
- причину возникновения трещины;
- скрытую коррозию металлических деталей;
- состояние закрытых отделкой элементов;
- физико-механические характеристики материала.
Для этого требуются инженерные, инструментальные, лабораторные и другие методы обследования.
Поэтому 3D-сканирование является источником точных пространственных данных, а не универсальной системой диагностики.
Можно ли по 3D-модели воссоздать утраченный элемент
Возможно, если существует достаточная достоверная информация об исходном элементе.
Наиболее очевидный пример — несколько повторяющихся деталей фасада.
Предположим, на здании существовало десять одинаковых декоративных элементов, два из которых полностью утрачены.
Сохранившийся аналог можно:
- оцифровать;
- получить его пространственную геометрию;
- сопоставить с архивными материалами;
- использовать как один из источников при разработке решения о воссоздании.
Но сама цифровая модель не доказывает историческую достоверность.
Если элемент полностью исчез и не сохранилось ни аналога, ни надёжной исторической документации, компьютер не может достоверно «догадаться», каким он был.
Научное воссоздание должно основываться на:
- архивных фотографиях;
- чертежах;
- натурных фрагментах;
- исторических описаниях;
- достоверных аналогах;
- результатах исследований.
3D-сканирование скульптур и произведений декоративного искусства
Технология полезна не только для зданий.
Пространственная фиксация применяется при работе со скульптурой и сложными произведениями декоративно-прикладного искусства.
Цифровая модель позволяет сохранить:
- общие пропорции;
- пластику формы;
- характер рельефа;
- геометрию отдельных деталей;
- состояние объекта на момент исследования.
Такие материалы могут дополнять фотографии и традиционную графическую документацию.
При необходимости работы с памятниками, рельефами и другими художественными объектами применяется профессиональная реставрация, консервация и воссоздание произведений скульптуры и декоративно-прикладного искусства.
3D-печать и реставрация: можно ли просто напечатать утраченную деталь
Цифровая модель технически может использоваться для изготовления физического прототипа или формы.
Но возможность 3D-печати и допустимость установки изготовленного элемента на объект культурного наследия — совершенно разные вопросы.
В реставрации необходимо учитывать:
- исторический материал;
- технологию изготовления;
- достоверность формы;
- характер поверхности;
- физические свойства нового материала;
- принятые проектные решения.
Поэтому цифровые производственные технологии могут быть вспомогательным инструментом, но не заменяют профессиональную реставрационную методику.
Как проходит 3D-сканирование исторического объекта
Процесс начинается с определения задачи.
1. Определяется цель
Необходимо понять, для чего требуются данные:
- для архитектурных обмеров;
- проектирования;
- фиксации декора;
- анализа деформаций;
- создания цифрового архива;
- HBIM;
- последующего мониторинга.
2. Выбирается методика
Для большого фасада может быть эффективен лазерный сканер.
Для кровли — фотограмметрия с БПЛА.
Для небольшого барельефа — ближняя фотограмметрия или специализированный 3D-сканер.
Нередко оптимальный результат достигается сочетанием методов.
3. Выполняется полевой сбор данных
Объект фиксируется с необходимого количества точек или ракурсов.
Важно уменьшить количество закрытых участков и обеспечить необходимое качество данных.
4. Данные объединяются и обрабатываются
Отдельные сканы регистрируются в общей системе координат, фотографии проходят фотограмметрическую обработку, удаляются ненужные данные.
5. Формируется требуемый результат
Исходное облако точек может быть преобразовано в чертежи, полигональную модель, ортофотоплан или использоваться для создания HBIM.
6. Материалы передаются проектировщикам и исследователям
Полученные данные становятся одним из источников для дальнейшей профессиональной работы.
Насколько точным бывает 3D-сканирование
Некорректно говорить, что любое 3D-сканирование обеспечивает некую универсальную «миллиметровую точность».
Результат зависит от:
- типа оборудования;
- расстояния до поверхности;
- разрешения съёмки;
- условий окружающей среды;
- методики;
- геодезического обеспечения;
- обработки данных;
- характеристик самого объекта.
Главное — не стремиться к максимальной детализации вообще, а заранее определить точность, необходимую для конкретной задачи.
Например, требования к общей модели крупной усадьбы и к цифровой фиксации небольшой скульптурной детали будут различаться.
Почему чрезмерная детализация тоже может быть проблемой
Современное оборудование способно создавать огромные массивы данных.
Но максимальный объём информации не всегда означает лучший результат.
Избыточно подробная модель:
- занимает значительный объём памяти;
- медленнее обрабатывается;
- усложняет работу проектировщиков;
- может содержать подробности, не имеющие значения для поставленной задачи.
Поэтому ещё до начала полевых работ необходимо определить, какие результаты действительно нужны.
3D-сканирование не равно готовой BIM-модели
Ещё одна распространённая ошибка — считать, что после сканирования автоматически появляется полноценная BIM-модель.
На самом деле последовательность другая:
реальный объект → измерения → облако точек → обработка → моделирование → информационная модель.
Облако точек является результатом измерений.
HBIM-модель создаётся уже специалистами и предполагает структурирование геометрии и дополнительной информации.
Таким образом, 3D-сканирование может стать основой для HBIM, но эти понятия не являются взаимозаменяемыми.
3D-сканирование до начала реставрации
Цифровая фиксация исходного состояния особенно ценна до проведения вмешательств.
Она позволяет сохранить информацию о том, как выглядел объект непосредственно перед началом работ.
Это может быть важно, если впоследствии:
- часть отделки будет демонтирована;
- отдельные конструкции окажутся раскрыты;
- повреждённые элементы будут укреплены;
- поздние наслоения будут удалены;
- какие-либо элементы придётся разобрать для проведения реставрации.
3D-фиксация во время реставрационных работ
В ходе реставрации могут обнаруживаться сведения, которые невозможно было получить до начала работ.
Например:
- скрытая историческая кладка;
- следы ранее существовавшего проёма;
- первоначальная окраска;
- неизвестная конструкция;
- фрагмент утраченного декора.
Если такой элемент после завершения последующих операций снова будет закрыт, его цифровая фиксация позволяет сохранить гораздо больше информации, чем одна фотография.
3D-сканирование после реставрации
Повторная съёмка позволяет создать данные о состоянии объекта после выполнения работ.
Таким образом можно сформировать цифровую последовательность:
до реставрации → во время работ → после завершения.
Она может быть полезна при будущем обслуживании и исследованиях объекта.
3D-модели для мониторинга состояния памятника
Если сканирование повторяется по сопоставимой методике, результаты разных периодов можно сравнивать.
Так можно анализировать:
- изменения положения поверхности;
- деформации;
- утраты отдельных фрагментов;
- изменения геометрии крупных конструкций.
Однако достоверный мониторинг предъявляет более строгие требования к методике, точности и сопоставимости данных.
Недостаточно просто отсканировать объект два раза и визуально наложить модели друг на друга.
Почему цифровая копия особенно ценна для культурного наследия
Каждый памятник уникален.
Если исторический элемент будет утрачен, получить информацию о его исходной геометрии постфактум может оказаться невозможно.
Поэтому цифровая фиксация имеет ценность даже независимо от текущего реставрационного проекта.
Облака точек, фотографии и модели могут стать частью цифрового архива и использоваться:
- при будущих исследованиях;
- при следующей реставрации;
- для анализа произошедших изменений;
- для подготовки обмеров;
- в образовательных и музейных проектах;
- для виртуального представления памятника.
Но цифровая копия не заменяет сам объект культурного наследия. Главной целью остаётся сохранение подлинного памятника.
Какие ограничения есть у 3D-сканирования
Несмотря на возможности технологии, у неё существуют ограничения.
Фиксируется не всё
Большинство методов получает информацию преимущественно о доступной поверхности.
Скрытые внутри конструкции элементы требуют других исследований.
Поверхность может быть закрыта
Растительность, мебель, строительные леса, соседние конструкции и другие препятствия создают зоны отсутствия данных.
Некоторые материалы сложны для сканирования
Стеклянные, зеркальные, сильно отражающие или другие сложные поверхности могут создавать проблемы для отдельных технологий.
3D-модель требует интерпретации
Цифровая форма сама по себе не объясняет историю здания, причины повреждения или ценность элемента.
Данные необходимо хранить
Цифровой архив имеет смысл только при правильно организованном хранении исходных файлов, моделей и информации о методике их получения.
Когда 3D-сканирование особенно оправданно
Технология наиболее полезна для объектов:
- со сложной геометрией;
- с большим количеством лепного или скульптурного декора;
- с деформированными конструкциями;
- без актуальной обмерной документации;
- имеющих труднодоступные поверхности;
- требующих создания HBIM;
- для которых необходим подробный цифровой архив;
- где предполагается последующий мониторинг состояния.
При небольшом объёме локальных работ полноценное сканирование всего сооружения может быть избыточным. Поэтому технология всегда должна выбираться под реальную задачу.
3D-сканирование и традиционные методы реставрации
Цифровые технологии не отменяют классические исследования.
Трёхмерная модель показывает форму.
Исторические документы рассказывают о развитии объекта.
Натурные исследования помогают установить особенности материалов и конструкций.
Инженерное обследование позволяет оценить техническое состояние.
Лабораторные исследования дают информацию о составе материалов.
Архитектор-реставратор объединяет эти сведения при разработке профессиональных решений.
Поэтому наиболее эффективен не выбор между «традиционной» и «цифровой» реставрацией, а грамотное сочетание методов.
Как 3D-сканирование используется в проекте реставрации
Упрощённо процесс выглядит следующим образом:
- Определяется задача цифровой фиксации.
- Выбирается подходящий метод или сочетание технологий.
- Выполняется сбор пространственных данных.
- Формируются облака точек, модели и другие необходимые материалы.
- Данные сопоставляются с натурными и историческими исследованиями.
- На основании комплекса исходной информации разрабатываются проектные решения.
- При необходимости объект повторно фиксируется в ходе и после проведения работ.
Полный комплекс производственных мероприятий выполняется в рамках профессиональной реставрации объектов культурного наследия.
Итог
3D-сканирование значительно расширяет возможности цифрового документирования объектов культурного наследия.
При помощи лазерного сканирования, фотограмметрии, аэросъёмки и других технологий можно зафиксировать фактическую геометрию исторического здания, создать облака точек и трёхмерные модели, получить данные о сложном архитектурном декоре и сформировать цифровой архив состояния памятника.
Особую ценность технология имеет при реставрации фасадов, сложных интерьеров, лепного декора, скульптуры и объектов, для которых отсутствуют достоверные современные обмеры.
Но 3D-сканирование не определяет историческую ценность объекта, не диагностирует автоматически скрытые повреждения и не способно без научного обоснования восстановить полностью утраченный элемент.
Это инструмент фиксации и работы с пространственными данными. Его эффективность определяется тем, насколько грамотно цифровая информация объединяется с историко-архивными, натурными, инженерными и технологическими исследованиями.
Именно такой комплексный подход позволяет использовать современные технологии не вместо традиционной реставрации, а для более точного сохранения подлинного исторического объекта.
Все основные направления по исследованию, проектированию и выполнению работ представлены в разделе объекты культурного наследия.