Компьютерные технологии в археологии

Александр Прохоров

Использование СУБД и ГИС в археологии

Экспертные системы в археологических исследованиях

CAПР в археологии

   Виртуальная реконструкция Фатепур-Сикри

   Виртуальная реконструкция Форума Траяна

   Виртуальные реконструкции, выполненные компанией «Инфобайт»

   Археологические музеи в Интернете

Заключение

 

Как и в любой современной науке, в археологии активно используются компьютерные технологии. Спектр их применения чрезвычайно широк — от таких универсальных программ, как офисные пакеты и системы управления финансами, до узкоспециализированных, предназначенных, например, для виртуальной реконструкции древних городов.

Использование СУБД и ГИС в археологии

адача структуризации археологических данных с целью поиска и анализа информации существовала с момента появления археологии как науки. Бумажные каталоги на определенном этапе сменились электронными базами данных. СУБД позволили оперировать большими объемами информации, вести поиск и сортировать данные по большому количеству критериев. Это, в свою очередь, привело к созданию баз данных разного профиля: появились административные и исследовательские регистры памятников, музейные каталоги, базы данных по раскопкам (находки с атрибутами, взаиморасположение в слоях и т.д.), базы по вещевому материалу, надписям, результатам анализов, библиографическим и библиотечным каталогам и т.д.

Привязка археологических данных к местности стимулировала широкое привлечение геоинформационных систем (ГИС). По сути дела, ГИС — это автоматизированная система обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. По структуре ГИС является СУБД, имеющей географическую привязку данных к определенной точке на местности и встроенную систему пространственного анализа. С помощью ГИС можно создавать археологические информационные системы отдельных географических регионов, планов раскопок археологических памятников, изучать древние карты и т.д.

Использование ГИС дает возможность не только фиксировать пространственное расположение археологических находок, но и прогнозировать местонахождение памятников на еще не исследованных территориях, основываясь на тенденциях их распространения. Например, карта нахождения артефактов позволяет составить схему расположения поселений.

Интересным примером использования ГИС в археологии является реконструкция изменения ландшафта на основе древних карт. Для этого карты сканируются, оцифровываются, переводятся в векторный формат и накладываются на современные цифровые карты. После идентификации определенных объектов, присутствующих на картах, осуществляется привязка старой карты к новой. Анализ совмещенных карт позволяет интерпретировать изменения ландшафта с течением времени. Структура поселений на древних картах часто коррелирует со структурой поселений на картах времен раннего средневековья. Это значит, что можно получить карту распространения древних поселений без проведения археологических раскопок.

В качестве примера можно привести работы шведских археологов. В Швеции сохранилась уникальная коллекция карт начиная с XV-XVI веков, охватывающих большие площади страны. На рис. 1 показаны отсканированная карта XVIII века с древними поселениями, полями и лугами и современная экономическая карта с наложением изображения старой карты.

В начало В начало

Экспертные системы в археологических исследованиях

есьма перспективным направлением применения компьютеров в археологии является использование разного рода экспертных систем при анализе археологической информации. Большинство таких систем предназначено для установления типа артефакта или материала. В качестве примера приведем весьма интересный проект «Нумизматика и компьютерные методы», описание которого можно найти по адресу http://liafa.jussieu.fr/~latapy/NI/ex_eng.html. Цель данного проекта — создание программного обеспечения для анализа древних монет. Основное назначение разработанных программ заключается в классификации крупных партий монет для выделения наиболее интересных экспонатов по ряду критериев (раритет, изображения исторических личностей и т.п.). В работе над проектом принимали участие археологи и специалисты в области компьютерных методов распознавания образов. Основная задача заключалась в идентификации монет на основе распознавания элементов изображения на монете.

Принцип работы системы иллюстрируют рис. 2, 3. Первая стадия обработки состоит в использовании обычных фильтров, которые позволяют выделить характерный элемент узора на монете. После этого применяются алгоритмы распознавания элементов узора, дающие возможность выделить отдельные зоны (примитивы), которые могут относиться к изображениям определенных объектов. Такими примитивами на монете могут быть текст, диадема, колеса, лошади. Идентификация происходит на базе сравнения изображения с элементом базы данных известных примитивов.

Система компьютерного распознавания совмещена с экспертной системой, которая позволяет анализировать найденные примитивы. Например, в приведенном примере легко распознаваемая диадема позволяет сделать вывод о том, что на монете изображен портрет короля. Следовательно, далее необходимо распознать элементы лица (глаза, нос, рот и т.п.). Тот факт, что на монете изображен король, подсказывает программе, что в тексте с большой степенью вероятности следует распознавать имя короля (на этой стадии подключается база данных имен королей). На другой стороне монеты система легко прочитывает профиль лошади и колеса. На базе указанных элементов экспертная система с большой вероятностью делает вывод о том, что на монете изображена колесница. Затем может идти поиск монет из базы данных, на которых есть подобное изображение колесницы, и т.д.

В начало В начало

CAПР в археологии

ривычной для нас областью использования CAПР является разработка новых изделий, однако с таким же успехом CAПР-программы могут применяться для реконструкции археологических объектов, например древних построек. У археологов большой популярностью пользуется AutoCAD, а также программы MicroStation, AutoCAD Map, Easy CAD и многие другие. Основной способ применения подобных программ археологами — подготовка полевых чертежей и трехмерные реконструкции раскопов, погребальных сооружений и поселений, а также архитектурных памятников и археологических находок (рис. 4).

До недавнего времени большинство важнейших архитектурных ансамблей прошлого документировалось в виде фотографий и чертежей ортогональных проекций сохранившихся структур, причем в этой информации было много нестыковок и ошибок. Сегодня 3D-реконструкция позволяет качественно изменить картину документирования древних архитектурных сооружений.

Когда вы строите 3D-модель, любая нестыковка сразу оказывается очевидной. В случае воссоздания архитектурных ансамблей прошлого CAПР используется для того, чтобы представить, как могла выглядеть некогда существовавшая структура, и чтобы в нее точно вписывались все элементы, дошедшие до наших дней. При этом CAПР-модели могут исходить не только из геометрических построений, но и из условий прочности, устойчивости и т.п.

Кроме того, трехмерные модели могут отображать как архитектурные сооружения, так и иные археологические объекты, доступ к которым ограничен прежде всего во избежание их порчи или разрушения.

Мощные вычислительные способности современных компьютеров привели к появлению новой научной дисциплины — виртуальной археологии.

Имея набор трехмерных моделей памятников старины, их можно объединить в виртуальную модель и поместить наблюдателя в этот виртуальный археологический экспонат. Такая модель может быть интерактивной, то есть она позволяет наблюдателю осуществлять навигацию в виртуальном пространстве, осматривая некогда существовавшие архитектурные ансамбли и целые древние города.

При этом вся ассоциированная информация (археологические, исторические и архитектурные данные, сведения о культуре) доступна по щелчку мыши. Пользователям представляется уникальная возможность увидеть архитектурный ансамбль в том виде, как он выглядел в прошлом, и тут же переключиться на модель современного состояния того же архитектурного комплекса.

На протяжении многих лет средствами полевой археологии собирались данные о некогда существовавших городах. Древние постройки, как правило, сохранились в виде обвалившихся стен, разрушенных войнами, пожарами, стихийными бедствиями. И только с появлением мощных компьютеров образы минувших эпох стали воссоздаваться виртуальными средствами в былом великолепии. Кроме того, внедрение технологии виртуальной реальности сблизило археологию с индустриями обучения и развлечений.

Постепенно становится выполнимой мечта археологов воссоздать все, что когда-либо было построено нашими предками: Стоунхендж, Колизей, Помпеи, афинский Акрополь... Многие проекты уже осуществлены. Различными коллективами выполнено уже довольно много реконструкций. В качестве виртуальной модели можно увидеть Колизей времен династии Флавиев (80-е годы н.э.), посетить виртуальную модель базилики Сан-Франческо в Ассизи, узнать, как выглядел Чатал-Хойюк — древнейший город мира, который когда-то существовал на юге Центральной Турции. Английский археолог Джеймс Меллаарт раскопал его в 1950-1960-х годах. «С тех пор как был обнаружен Чатал-Хойюк, мы узнали, что одна из первых известных нам городских культур возникла на три тысячи лет раньше, чем мы предполагали, причем возникла не на берегах Евфрата и Тигра, не в Египте, а в Анатолии, столь пустынной в наши дни», — пишет немецкий археолог Генрих Клотц.

Виртуальная реконструкция Фатепур-Сикри

Одним из наиболее ярких примеров виртуальной реконструкции древнего города является проект по воссозданию древнего индийского дворцового комплекса Фатепур-Сикри (Fatehpur Sikri), о котором следует рассказать подробнее. Проект был осуществлен при участии департамента САПР и графики (CAD and Graphics Department) Национального центра программных технологий (National Center for Software Technology) (Бомбей, Индия).

Работа проводилась в несколько этапов. Сначала был собран археологический материал, который давал обширную информацию: детальные планы различных секций сооружений, фотографии, археологические исследования и т.п. При использовании ортогональных проекций (рис. 5) обнаружилось, что большинство планов не стыкуются между собой, что чертежи выполнены в разных масштабах с ошибками, а высота многих объектов указана неверно. Все нестыковки изучались с помощью полевых замеров и проверялись по фотографиям местности; часть информации была уточнена на основе исторических архивов.

На следующем этапе необходимо было выбрать подходящее ПО для перевода ортогональных проекций в 3D-модель. Такой программой стала AutoCAD (рис. 6), позволяющая впоследствии легко экспортировать данные в 3D Studio MAX. Проволочная модель экспортировалась в 3D Studio MAX и оптимизировалась, то есть лишние полигоны убирались (рис. 7). Важной задачей в данном проекте было определение оптимального соотношения между мощностью компьютеров и подробностями модели.

Текстуры готовились на базе сохранившихся фотографий. Данные внешнего и внутреннего освещения моделировались программно. Текстуры оказались наиболее важной и сложной частью проекта, поскольку именно они придавали виртуальному городу реалистичность. Многие узоры воссоздавались вручную по сохранившимся обломкам, реставрировались и ретушировались художниками (рис. 8).

Итоговые параметры модели были весьма впечатляющими: примерно 600 тыс. треугольников и около 44 Mбайт текстур.

В работе над проектом участвовали несколько рабочих групп:

• группа археологов — сбор археологической, исторической и культурной информации;

• группа моделирования — перевод двумерных данных в 3D-модель, оптимизация проволочной модели, моделирование освещения и т.п.;

• группа художников — подготовка текстур и их ретуширование;

• группа аниматоров — подготовка виртуального тура по архитектурному комплексу (walkthrough-движка1 );

• программисты — подготовка walkthrough-движка для ПК;

• специалисты по звуку — редактирование и синхронизация национальной музыки, сопровождающей виртуальный тур;

• дизайнеры — подготовка пользовательского интерфейса.

В проекте были использованы программные продукты:

• AutoCAD — для перевода 2D-данных в 3D-модель;

• 3D Studio MAX — для наложения текстур, имитации освещения;

• Adobe Photoshop — цифровое ретуширование текстур;

• Adobe Premiere — редактирование аудио- и видеоматериалов;

• Sound Forge — редактирование аудио;

• Visual C++ — разработка walkthrough-движка.

Результаты работы представлены на рис. 9. Демонстрация возможна на ПК под управлением Windows, имеющем характеристики не ниже следующих: Pentium III; 128 Мбайт RAM; 8 Мбайт AGP-карта; CD-ROM; Windows 98; DirectX 6.1; DirectX 6.0 Media.

Виртуальная реконструкция Форума Траяна

Форум Траяна был возведен в 107-113 годах н.э. по проекту архитектора Аполлодора из Дамаска. Он включал многие шедевры древнеримской архитектуры; особенно славилась базилика Ульпиа, потолок которой был выстлан пластинами из чистого золота.

Сегодня от форума сохранилась лишь 38-метровая колонна Траяна, возведенная в честь побед императора над даками. К сожалению, почти все остатки построек форума сегодня скрыты под улицей Виа деи Фори Империали (рис. 10).

Несмотря на то что не сохранился до наших дней во всем своем великолепии архитектурный ансамбль, создана его виртуальная модель — результат сотрудничества Института Гетти (Getty Education Institute), музея J. Paul Getty Museum (www.getty.edu/museum) и Школы изящных искусств и архитектуры UCLA (School of the Arts and Architecture) (http://www.arts.ucla.edu). Найти описание проекта можно по адресу http://www.getty.edu/artsednet/Exhibitions/Trajan/Virtual/index.html. Судить о подробности данной виртуальной модели можно по фрагментам, запечатленным на рис. 11 и 12.

Виртуальные реконструкции, выполненные компанией «Инфобайт»

Описание целого ряда археологических проектов по созданию виртуальной реальности можно найти на сайте http://www.infobyte.it.

Базилика Сан-Франческо в Ассизи

В сентябре 1997 года в умбрийском городе Ассизи произошло сильное землетрясение. Последствия его для прославленной базилики были катастрофическими. Рухнули части ее свода, украшенные фресками. Часть великолепных работ Джотто (1267-1337) и Чимабуэ (1240-1302) была полностью уничтожена. Однако после виртуальной реставрации можно посещать базилику и любоваться шедеврами Проторенессанса (рис. 13).

Проект выполнен при поддержке CNR (Italian National Research Center) на базе SGI IRIX — Linux.

Колизей

Модель построена на основе археологических и исторических исследований. Виртуальная реконструкция Колизея (рис. 14) является образцом виртуальной археологической модели. Можно увидеть памятник архитектуры таким, каким он был 2000 лет назад.

Проект выполнен на базе SGI IRIX.

Гробница Нефертити

Виртуальная реконструкция гробницы Нефертити была сделана для выставки «Нефертити — свет Египта», организованной Институтом Гетти (Getty Conservation Institute).

Гробница была обнаружена в 1904 году и закрыта в 1950-м во избежание разрушения фресок. После реставрации, проводившейся в 1986-1992 годах, гробница была частично открыта для посещения.

Долгое время проблема ограничения доступа с целью лучшего сохранения уникального комплекса была очень актуальна. Теперь она решена благодаря созданию виртуальной модели (рис. 15).

Проект выполнен на базе SGI IRIX — Linux.

Археологические музеи в Интернете

Для того чтобы прогуляться по трехмерной виртуальной модели Колизея, используя Интернет-доступ, понадобится слишком большой трафик, пока не доступный многим пользователям Сети, а вот просмотреть многочисленные фотографии экспонатов, а также увидеть панораму раскопа или руин древнего города не представляет особого труда. Например, вооружившись плагином QuickTime и обратившись по адресу www.compart-multimedia.com/virtuale/us/roma/romana.htm, можно посмотреть на руины древнего Рима (рис. 16).

По адресу www.u.arizona.edu/~mlittler/casagrande.htm можно осуществлять панорамную навигацию, осматривая территорию раскопа Касса Гранде (рис. 17). И примеров подобных археологических мультимедиаданных в Интернет можно найти множество.

В начало В начало

Заключение

ледует отметить, что мы коснулись лишь некоторых аспектов применения компьютеров в археологии, оставив за рамками статьи целый ряд тем. Например, существует такое интересное направление, как системное моделирование: ученые пытаются решить археологические проблемы, задавая определенные правила, ограничения, входящие и исходящие ресурсы, и понять, как происходили такие сложные процессы, как, например, колонизация Америки или гибель цивилизации майя. Не обходятся без компьютеризированной техники и современные полевые исследования, во время которых применяются GPS-системы, электронные теодолиты, цифровые камеры и другие приборы.

Лабораторное оборудование археолога в настоящее время включает компьютерные системы видеозахвата и анализа изображений. Ценные археологические данные дает компьютерная обработка изображений аэрофотосъемки и спутниковых данных, и этот перечень еще можно продолжать.

КомпьютерПресс 7'2003

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует