 |
Google переводчик
|
|
|
Проект "Виртуальная реконструкция московского монастыря «Всех скорбящих радости»: анализ эволюции пространственной инфраструктуры на основе методов 3D моделирования" (Virtual Reconstruction of Moscow Monastery «All Sorrow Joy»: Analysis of Spatial Infrastructure Evolution on Basis of 3D Modelling methods) проводится при финансовой поддержке гранта РФФИ, № 11-06-00453a. (2011 - 2012 гг.).
Выявление и анализ источниковой базы реконструкции является одним из начальных этапов построения виртуальной реконструкции. На этом этапе задача сводится к поиску и анализу как изобразительного материала (планов, чертежей, рисунков, фотографий и т. д.), так и описательных источников, позволяющих дополнить недостаток графической информации. Подчас для исторически достоверной реконструкции того или иного строения приходится прослеживать весь процесс изменения монастырской застройки, анализировать причины, повлиявшие на необходимость продолжения строительных работ, дабы восстановить наиболее точно интерьер строений. В большинстве случаев, при недостатке информации о той или иной постройке на определённом временном срезе состояния монастыря, облик которого мы собираемся воссоздать, информация заимствуется из более поздних источников, упоминающих о данном строении, после чего при помощи метода «временного вычета» делается вычет всех изменений, произошедших с объектом и материалом, и проводится ретроспекция состояния объекта на реконструируемое время.
Пространственная реконструкция ландшафта монастыря
Источников по истории монастыря сохранилось достаточное количество, что позволяет нам говорить о возможности его достоверной реконструкции. В разделе характеристика комплекса источников был рассмотрен процесс реконструкции плана застройки монастыря Всех скорбящих радости начала XX в. Полученный план был взят нами за основу основного источника по пространственной организации монастыря. Один из планов (выкопировка из плана г. Москвы 1937 г.), положенный в основу реконструкции плана территории монастыря Всех скорбящих радости начала XX в., содержал данные топографии с отметками высот, которые оказались незаменимыми при решении задачи реконструкции территории. Процесс построения трёхмерной модели территории, был начат исходя из данных плана г. Москвы 1937 г.
Существует несколько путей построения трёхмерной модели монастырского ландшафта. Рассмотрим эти варианты, чтобы выбрать оптимальный:
1. Основываясь на реконструированном плане территории монастыря начала XX в., можно построить карту высот в одной из программ геоинформационных систем (MapInfo, ArcView и т.д.) с последующим этапом интеграции созданной карты в трёхмерный движок Unity3D. Базируясь на данных карты, программа Unity3D может автоматически сгенерировать поверхность ландшафта.
Учитывая, что первоначально процесс пространственной реконструкции монастыря осуществлялся в графическом редакторе Adobe Photoshop, переносить все объекты в новую программную среду потребовало бы значительных затрат времени.
2. Построить трёхмерную модель ландшафта можно в одном из трёхмерных редакторов на основе плана территории монастыря начала XX в. (например, с помощью Autodesk 3D Max или специализированных программах построения трёхмерных моделей ландшафтов, таких как Daz Bruce, Terragen и т.д.).
3. Построить трёхмерную модель ландшафта можно в «трёхмерном движке» (например в Cry Engine, Unity3D, Quest3D и др.). В нашем случае реконструкция ландшафта будет осуществляться в программе Unity3D на основе восстановленного плана территории монастыря начала XX в. Использование данного подхода в контексте нашего исследования оправдано потребностью постоянной доработки трёхмерной модели ландшафта, наличием в редакторе ландшафта Unity3D более широко набора возможностей и удобным интерфейсом редактирования окружающей среды.
Мы остановились на третьем варианте.
Отметим, что использование программ трёхмерных движков (в том числе Unity3D) для реконструкции территории по планам с данными топографии сопровождается рядом трудностей, о которых речь пойдёт ниже.
При использовании метода построения трёхмерной модели ландшафта в программе «трёхмерного движка» Unity3D генерация поверхности будет осуществляться вручную, используя инструментарий программы редактора ландшафта Unity3D.
К сожалению, несмотря на достаточно хорошую проработанность инструментария реконструкции природных условий, разработчикам программы не удалось создать хорошего полнофункционального инструментария для генерации высот по данным топографического плана интегрированного в программу Unity3D. Вследствие чего автором данного исследования, исходя из опыта работы в других программах трёхмерных редакторов (Torque Game Engine), был доработан программный инструментарий и предложен метод построения трёхмерной модели ландшафта в программе Unity3D.
Построение ландшафта производилось в несколько этапов:
1) интеграция плана, содержащего отметки высот, в трёхмерное пространство;
2) определение масштаба реконструкции;
3) размещение на плане объектов шкалы высот (измерительного прибора);
4) генерация ландшафта;
5) нанесение почвенного и растительного покрова;
6) размещение водоёмов на территории монастыря – Васильевского пруда.
Рассмотрим эти этапы подробнее:
1. Начальный этап построения трёхмерной модели ландшафта осуществлялся в программе Adobe Photoshop CS3. Для облегчения процесса генерации ландшафта в программе Unity3D на плане территории монастыря 1909 г. мы обозначили границы слоёв красным цветом и жёлтым цветом - отметки высот от уровня моря (см. рис.35). В качестве исходного материала план территории с отметкой слоёв и высот был помещён в библиотеку программы 3D World Studio. Затем в программе была создана трёхмерная модель «plane», на которую в качестве текстуры из библиотеки материалов был нанесён план территории монастыря. Последующим этапом стала процедура определения масштаба виртуальной реконструкции.
Для того чтобы задать плану территории реальный масштаб, т.е. 1:1 на плане в качестве точки ориентира было выбрано одно из строений монастыря (простой формы), параметры которого нам известны по сохранившимся планам и чертежам. Таким строением стало здание трапезной монастыря. Отправными точками ориентира стали параметры основания здания: длина 40 метров и ширина 14,3 метра. Далее в программе 3D World Studio над объектом «plane» были построены два объекта шкалы с размерами параметров здания. Последующей операцией стало масштабирование объекта «plane» и текстуры плана до момента, когда две трёхмерные модели шкалы с размерами сторон основания здания трапезной совпадут по размеру со зданием трапезной, обозначенным на текстуре плана. Факт совпадения означает, что модель «plane» с нанесённой текстурой плана имеет масштаб 1:1.
2. Следующим этапом работы стал процесс интеграции трёхмерной модели «plane» в программу Unity3D. К сожалению, программа 3D World Studio не имеет возможности прямого экспорта модели в программу Unity3D, в связи с чем, нам потребовалось прибегнуть к сторонним программам для адаптации формата файла (конвертации файла) в формат совместимый с программой Unity3D. Далее в программе 3D World Studio производилась процедура экспорта плана (без двух объектов шкалы с параметрами основания трапезной) в формат DirectX .x и через программу Deep Exploration файл пересохранялся в формат совместимый программой Unity3D - .3ds. После завершения процедуры экспорта, модель плана территории монастыря была внесена в библиотеку Unity3D, в специальную созданную папку «3d models» для моделей объектов монастыря. После запуска Unity3D программа заново пересчитывает файлы, существующие в её директории, таким образом, она самостоятельно находит созданную нами папку «3d models».
В программе Unity3D в рабочую сцену был вставлен первый объект – план территории монастыря с отметками высот. Несмотря на то, что в программе 3D World Studio был задан масштаб плана, процедура эспорта – импорта из программы в программу приводит в большинстве случаев к изменению масштаба объекта. Для того чтобы привести масштаб в соответствие, в программе Unity3D по аналогии с вышеописанной методикой работы в 3D World Studio было создано два объекта шкалы с параметрами основания здания трапезной, и над объектом «Plane» осуществлялись похожие операции масштабирования.
3. Далее в программе Unity3D была создана модель ландшафта, которая по размеру совпадает с масштабом плана. Прежде чем приступить к процедуре генерации поверхности ландшафта, в программе Unity3D были созданы трёхмерные модели отметок высот с размерами от самой низкой точки - 161,6 метра до наивысшей – 167,2 метра от уровня моря, которые размещались на модели «plane» на месте точек отметок высот. Для дальнейшей работы над трёхмерной моделью ландшафта потребовалось настроить функцию Flatten heightmap, задав программе самую низкую точку на поверхности ландшафта. Самой низкой точкой на поверхности ландшафта является высота 161,6 метра. Васильевский пруд, расположенный на территории монастырского огорода на отметке с высотой 166,5 метров, предположительно его глубина не могла превышать трёх метров. После размещения трёхмерных моделей отметок высот на модели «plane», начался процесс генерации поверхности ландшафта.
4. В основе процесса генерации поверхности ландшафта лежит принцип построения трёхмерной модели по типу слоёного торта. Поскольку функция Flatten heightmap по умолчанию определила минимально низкую точку ландшафта на 161,6 метра, именно на такую высоту трёхмерная модель ландшафта после её применения была автоматически приподнята, в результате чего совпала с одним из столбиков высот, поставленном на модели «plane» (далее план №1). После был создан дубликат трёхмерной модели «plane» (план №2), приподнятый на высоту следующего наименьшего по высоте столбика – 162 метра от уровня моря. После применения функции Flatten heightmap ландшафт, поднявшись на высоту 161,6 метра, закрыл собою план №1. Далее в программе в программе Unity3D через генератор ландшафта «Terrain» в разделе «Set the terrain height» производилась процедура генерации поверхности ландшафта на высоте 162 метра, т.е. на поверхности ландшафта по данным плана №2 по границе слоя данной виртуальной высоты кистью выделялись все участки поверхности за исключением границ слоя самого низшей точки поверхности. В результате операции мы получали срез ландшафта на данной высоте (в нашем случае 162 метров). Затем, поднимая план №2 к следующей отметке высот и осуществляя аналогичную операцию, создавался срез следующей высоты, и так вплоть до наивысшей отметки высот (167,2 метра). В результате удалось достичь наиболее точных результатов при создании трёхмерной модели рельефа и минимизировать время создания модели. Аналогичная процедура генерации поверхности ландшафта в программах, таких как Autodesk 3D Max, требует гораздо больше времени и осуществляется более сложными программными операциями.
5. Прежде чем приступить к процессу нанесения почвенного и растительного покрова на трёхмерную модель ландшафта, нами была собрана библиотека материалов текстур поверхности, характеризующихся различными типами почв, и библиотека растительного покрова, в которую вошли растения, произраставшие на территории монастыря по данным архивных источников, а также сохранившиеся к настоящему времени.
Под процессом формирования библиотеки почвенного покрова в процессе построения виртуальной модели ландшафта мы понимаем сбор материала (текстуры) поверхности земли. Что касается территории монастыря, здесь речь идёт о текстурах поверхности земли парка, монастырского огорода, кладбища, дорожного покрытия улицы и т.п.
В ходе анализа ряда фотографий территории монастыря нами был выделен ряд материалов дорожного покрытия (в частности, брусчатки), тротуара, а также парковых дорожек. Часть материалов поверхности земли и растительного покрова была сфотографирована, обработана в программе Adobe Photoshop и интегрирована в библиотеку материалов поверхности ландшафта в Unity3D. Другая была взята с Интернет библиотеки сайта Unity3D (раздел компоненты материалов ландшафта - Terrain Assets) и приобретена в Asset Store; в архив компонентов материалов ландшафта вошла также большая библиотека по деревьям, кустарникам, травянистым и декоративным растениям (см. рис.37-38). Ряд деревьев были смоделированы нами самостоятельно по фотографиям - посредством встроенного в программу Unity3D модуля реконструкции древонасаждений (раздел программы Create Object – Create Other – Tree).
К сожалению, имеющиеся в нашем распоряжении архивные фотографии как визуальный источник для реконструкции, в связи с неудовлетворительным качеством чёрно-белой съёмки начала XX в., не всегда позволяют правильно идентифицировать растительность, произраставшую на территории монастыря. На фотографиях монастырского парка и кладбища удалось идентифицировать ряд деревьев и кустарников, таких как липа, берёза, тополь, сирень и др. Идентификация небольших растений, включая кустарники, возможна только при наличии более детальной съёмки; таких фотографий в нашем распоряжении немного, значительная часть фотографий с детальной съёмкой относится к территории кладбища.
На ряде могил среди растений удаётся идентифицировать декоративные растения, такие как розы, пионы, гвоздики и т.п. Остальные элементы растительного покрова (некоторые виды деревьев, кустарников, травянистых и декоративных растений) которые не были отражены в источниках и фотографиях, но предположительно могли произрастать на территории монастыря, были реконструированы по данным издания «Флора Москвы» (Варлыгина Т.И., Головкин Б.Н., Киселёва К.В. и др. Флора Москвы / под. ред. проф. В.С. Новикова. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы. – 2007. 512 С.).
После обработки материалов в программе Adobe Photoshop и интеграции в библиотеку программы Unity3D дальнейший процесс нанесения почвенного покрова осуществлялся в редакторе ландшафта (раздел «paint the terrain texture»). Отметим, что не все участки территории монастыря были полностью затекстурированы посредством функции «paint the terrain texture». Такие элементы территории парка и кладбища как дорожка, дорожное покрытие улицы (брусчатка, тротуары и т.п.) были нанесены на трёхмерную модель ландшафта в виде отдельных трёхмерных моделей. Основываясь на плане территории монастыря, в программе 3D World Studio была построена трёхмерная модель парковых и кладбищенских дорожек. Далее был произведён экспорт моделей в формат файла DirectX - .x.
К сожалению, работа в нескольких программах над компонентами виртуальной реконструкции монастыря иногда осложняется техническими «нестыковками» форматов программ. Как было отмечено выше, в нашем случае программа, в которой осуществлялось построение трёхмерных моделей (3D World Studio), не позволяла делать прямой экспорт модели непосредственно в трёхмерных движок Unity3D. Для решения проблемы нестыковки форматов и адаптации трёхмерной модели для Unity3D нами были найдены программы конвертеры. Такой программа стала Deep Exploration CAD, позволяющая делать экспорт трёхмерной модели в любой существующий формат 3D файлов.
Таким образом, первые трёхмерные модели были открыты через функцию «Открыть» в формате «.x» и пересохранены в универсальный формат, совместимый с программой Unity3D – «.3ds». В большинстве случаев даже после сохранения в формате файла, понимаемого Unity3D, требуется проведение процедуры адаптации трёхмерной модели. Учитывая, что программа 3D World Studio является облегчённым трёхмерным редактором, предназначенным для построения трёхмерных моделей с помощью технологии «brush», при конвертации файлов в другой формат модель считывается компьютером не как единое целое – модель, а как ряд её составляющих, связанных в единую группу. Подобная связь в программе Unity3D приводит к низкой производительности вычислительных мощностей компьютера.
Для снижения затрат усилия видеокарты компьютера при обработке каждого кадра на трёхмерной сцене мы осуществили процедуру адаптации трёхмерной модели в программе Autodesk 3ds Max Design 2012 (версия под 64-bit систему). Описанная нами процедура адаптации будет аналогична для каждой трёхмерной модели, создаваемой нами в программе 3D World Studio. Исключением является модель плана территории монастыря, которую в связи с наличием только одного элемента, составляющего трёхмерную модель «plain», не потребовалось специально адаптировать для Unity3D, и мы ограничились только пересохранением формата из «.x» в «.3ds». Первоначально в программе Autodesk 3ds Max Design 2012 модель конвертировалась с помощью опции «Convert To» - «Convert to Editable Mesh», и только после в разделе модификаторов «Attach List» производилась процедура объединения группы объектов (деталей модели) в единую модель, после результат работы пересохранялся в формат «.3ds» (см. рис.41). После пересохранения файла рабочая папка с трёхмерными моделями была переписана в библиотеку программы Unity3D в специальную созданную папку 3d models для моделей объектов монастыря.
Следующим этапом стало размещение модели парковой и кладбищенской дорожки на территории ландшафта. На территории монастырского огорода с середины XIX в., как отмечает в воспоминаниях священник И.П. Сперанский, располагался Васильевский пруд: «По преданию эта местность освящена молитвенными подвигами Св. Блаженного Василия, Христа ради юродивого, Московского чудотворца, который избегая городского шума часто уединялся здесь. Существовал в этой местности пруд, известный именем Васильевского, с течением времени высохший, а в настоящее время на половину уже засыпанный». Границы пруда были отмечены на ряде планов территории монастыря 1890, 1894 и 1914 гг., основываясь на данных которых удалось пространственно разместить пруд на реконструированном плане 1909 г. Посредством генератора высот в программе Unity3D в пределах границ пруда, обозначенных на плане 1909 г. (план №1) был смоделирован пруд глубиною в пределах 2 метров, нанесён почвенный (текстура илистого берега, песка и т.п.) и растительный покровы (камыши, осока и т.п.).
Реконструкция трёхмерных моделей построек монастыря
В данном разделе пойдёт речь о построении трёхмерных моделей.
На данный этап времени мы не ставили целью реконструкцию интерьера монастырских построек, хотя сохранившиеся источники по ряду строений монастыря позволяют нам это сделать.
Мы не будем подробно останавливаться на рассмотрении методики реконструкции каждой из трёхмерных моделей, т.к. технология реконструкции, адаптации трёхмерной модели для Unity3D является одинаковой. В случае отдельных особенностей процедуры построения трёхмерной модели мы будем отмечать ряд особенностей процесса.
См. также публикации
Характеристика комплекса источников 
ИНСТРУКЦИЯ: навигация, управление, работа с источниками ЧИТАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО
Виртуальная реконструкция монастыря Всех скорбящих радости
Этапы построения виртуальной реконструкции
