Моделирование и реконструкция археологических объектов

Моделирование и реконструкция археологических объектов

И. В. Журбин

Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск

В настоящее время наиболее перспективным направлением применения компьютерных технологий в археологических исследованиях является разработка методов создания и анализа пространственных компьютерных моделей. Подход, обеспечивающий более высокий уровень применения математических методов для анализа археологических данных, "состоит в такой математической обработке исходной системы количественных показателей, которая раскрывает сущность изучаемой реальности в формализованной математической форме, то есть в виде ее моделей" [Ковальченко, 1987. С. 357].

Пространственное моделирование является результатом развития естественнонаучной "компоненты" в археологии. На начальном этапе в качестве основных направлений применения математических методов в археологических исследованиях были выделены математическая статистика, перфокарточные картотеки и машинный поиск информации [Колчин, 1965] [1]. Используя современную терминологию, ставилась задача разработки методов и средств для формализации археологических данных, ввода их в компьютер, хранения и статистического анализа археологической информации. Именно это определило интенсивное развитие математических методов, адаптацию их к анализу археологических материалов [Методологические… 1982; Новые методы… 1982]. Привлекательность использования формализованных методов при обработке археологических материалов определялась тем, что математико-статистические методы позволяют дать более широкую трактовку данных, содержащихся в источниках, а также точнее охарактеризовать тенденции и закономерности развития изучаемых исторических процессов и явлений. Ввиду значительного объема исходных данных для статистического анализа возникла необходимость использования специализированных программных средств для их накопления и дальнейшего хранения полученной информации. Именно это определило основное содержание следующего этапа "компьютеризации" в археологии - разработку археологических баз данных и информационно-поисковых систем [Базы данных… 1995; Компьютеры… 1996].

Качественный скачок в развитии компьютерных технологий в археологии связан с развитием методов компьютерной графики, а также средств ввода и обработки изображений. Первоначально изображения археологических памятников, отдельных объектов и находок рассматривались как вспомогательный ресурс, предназначенный для более наглядного представления объектов, описанных в базах данных [Афанасьев и др., 2001; Деревянко и др., 1998]. Параллельно разрабатывались методики документирования результатов археологических раскопок на основе разнообразных программ компьютерной графики [Вальков, 1999; Смирнов, Трифоненко, 1997]. В дальнейшем это направление успешно развивалось в рамках образовательных и музейных проектов, систем виртуальной реальности, основанных на археологических данных [Трехмерные реконструкции…]. Необходимость и востребованность указанных видов компьютерных изображений в археологических исследованиях очевидна. Тем не менее, хотелось бы подчеркнуть, что при этом используется только визуальный, иллюстративный аспект археологической компьютерной графики. Такой подход предполагает лишь повышение наглядности археологических материалов. Аналитические возможности компьютерной графики для анализа археологических данных используются относительно недавно. В первую очередь это связано с применением специализированного класса программного обеспечения - геоинформационных систем [Афанасьев, 2004]. По существу ГИС представляет собой точную, детальную и достоверную модель территории, описывающую пространственные объекты этой территории, их местоположение, характеристики и взаимосвязи. Моделирование исторических процессов на основе пространственного анализа в ГИС основано на выявлении взаимосвязи расположения археологических памятников, участков производственной и хозяйственной деятельности древнего населения с ландшафтом [Доорн, 1993; Коробов, 2004].

Известные опыты моделирования в археологии предполагают реконструкцию исторических событий в пределах регионов в целом. При этом каждый археологический памятник рассматривается как монолитный точечный объект с географическими координатами и относительно небольшим количеством обобщающих характеристик (например, тип памятника, культурно-историческая принадлежность и пр.). Но не менее интересной и сложной задачей является моделирование процесса формирования отдельного археологического памятника или выявленных объектов и комплексов на его территории. В данном случае культурный слой памятника рассматривается как система со сложной структурой, взаимосвязь и взаимное расположение элементов которой позволяют сформулировать обоснованные предположения о возникновении, формировании и развитии изучаемого археологического объекта. Более того, возможность пространственного моделирования заложена в самой методике археологических исследований. Именно последовательная фиксация характеристик культурного слоя в процессе раскопок и дальнейший совместный анализ полученных материалов позволяет проследить динамику формирования и существования исследуемого памятника. Таким образом, основываясь на наборе исходных данных, мы получаем возможность построения пространственной компьютерной модели культурного слоя памятника. Исходные данные для моделирования содержатся в традиционной археологической документации - послойные планы расположения объектов, прорисовка стратиграфии культурного слоя, карты распределения находок по горизонтам и связанные с ними коллекционная и полевые описи.

Модель включает пространственно-упорядоченный набор объектов, геометрические параметры и взаимное расположение которых отражают соответствующие параметры слоя археологического памятника [Груздев, Журбин, 2002]. Иными словами, компьютерная модель археологического памятника включает все объекты и слои, зафиксированные в процессе раскопок, - сооружения, ямы, очаги, прослойки, напластования, отдельные находки и пр. На первом этапе формируется набор пространственных моделей для каждого из выделенных объектов и слоев с применением компьютерных технологий. Задачей этого этапа является максимально точное восстановление формы и геометрических параметров каждого из моделируемых объектов на основе данных археологических раскопок. Дальнейшее развитие модели связано с расположением в виртуальном пространстве реализованных ранее моделей отдельных объектов и слоев, а также их взаимная координатная привязка. Созданная таким образом компьютерная модель является полноценным образом культурного слоя памятника. Кроме геометрических параметров модель описывает свойства всех компонентов культурного слоя, например структуру, состав, материал, морфологию, технологию изготовления, датировку и пр. Очевидно, что степень соответствия создаваемой в компьютере виртуальной реконструкции культурного слоя во многом определяется точностью описания археологических объектов в исходных археологических материалах.

С точки зрения компьютерных технологий для реализации описанной методики построения пространственной модели культурного слоя необходимо специализированное программное обеспечение. Исходя из поставленной задачи, программа должна обеспечивать возможность создания формализованного описания и хранения разноплановой информации обо всех компонентах культурного слоя археологического памятника. При этом существенным требованием является гибкость управления данными и удобство выбора структуры хранения археологической информации, предпочтительной для исследователя. Эти функции могут быть реализованы с использованием технологии баз данных. Кроме того, необходима возможность создания трехмерных пространственных образов археологических объектов, описанных в базе данных. Произвольный выбор режима отображения моделей объектов (масштаб, ракурс, цвет и пр.) обеспечивает наглядность при анализе исходных данных. В настоящее время перечисленные функции реализуются другим классом программного обеспечения - системами автоматизированного проектирования. В свою очередь, использование идеологии геоинформационных систем предоставляет возможность упорядоченного расположения моделей отдельных археологических объектов в виртуальном пространстве культурного слоя, а также реализацию разнообразных алгоритмов пространственного анализа. Сочетание указанных возможностей при компьютерном моделировании археологических памятников позволяет широко использовать различные математические методы и системный анализ при археологических реконструкциях. В Физико-техническом институте УрО РАН (г. Ижевск) разрабатывается программный комплекс [2], реализующий все перечисленные возможности, а также методика, алгоритмы и технология пространственного моделирования археологических объектов [Груздев, Журбин, 2002; 2003]. Программа не только ориентирована на создание пространственной модели культурного слоя, но и обеспечивает возможность анализа и интерпретации археологических данных, реконструкцию исторических процессов на основе модели [Груздев, Журбин, 2004].

При создании пространственной модели культурного слоя используются данные раскопок, в первую очередь послойные планы расположения объектов и стратиграфические разрезы. Технология векторизации полевых чертежей, разработанная специалистами Удмуртского института истории, языка и литературы УрО РАН (г. Ижевск), позволяет создавать оцифрованные плоскостные карты горизонтальных (рис. 1а-в) и вертикальных (рис. 1г) разрезов археологических объектов [Степанова, Смагин, 1999. С. 239-243]. Расположение каждого из этих планов однозначным образом определено относительно репера, что позволяет установить координаты любого объекта, зафиксированного на карте. В результате оцифровки каждый планиграфический разрез хранится в компьютере как совокупность границ, которые разделяют различные элементы культурного слоя - объекты планировки, слои, прослойки, напластования, линзы, заполнение объектов и пр. Грунты различного состава и цветности, составляющие регулярные и нерегулярные слои, прослойки и напластования, кодируются в базе данных в соответствии с исходной археологической документацией и, как правило, обозначаются на плане различной штриховкой.

Дальнейшая задача состоит в преобразовании набора плоскостных двумерных планов в трехмерную пространственную модель культурного слоя памятника. Для повышения эффективности данного этапа предложена процедура цветового преобразования оцифрованных планов. Эта процедура предполагает замену "штрихового" обозначения слоев на цветовую "заливку" (см. табл.). Выбор контрастных цветов для различных типов и структур грунтов существенно ускоряет процесс "связывания" в единую пространственную модель набора сечений каждого из объектов, выявленных на различных планиграфических разрезах. Результат цветового преобразования исходных данных представлен на рис. 2. Формирование пространственной модели отдельных археологических объектов предполагает размещение оцифрованных границ каждого из объектов в пространстве и последующее "связывание" между собой контуров границ на различных глубинах фиксации (рис. 3а). Моделирование пространственного образа объекта реализуется за счет построения поверхностей (рис. 3б) [Груздев, Журбин, 2002].

Ввиду того что большинство археологических объектов имеет сложную структуру, т. е. представляет собой комбинацию в пространстве слоев грунта нескольких типов, следующим этапом моделирования является создание комбинированных объектов. Процедура формирования комбинированного объекта состоит в упорядоченном расположении созданных ранее моделей элементарных объектов в пространстве и их объединении (рис. 4, 5) [3]. Очевидно, что модели отдельных объектов планировки нельзя рассматривать вне общего массива культурных напластований памятника. Именно этим определяется необходимость формирования виртуального образа моделируемого пространства. На данном этапе создаются компьютерные модели протяженных объектов, т. е. объектов, выходящих за рамки моделируемого пространства, по какой-либо координате. Примерами таких объектов могут служить различные типы слоев и напластований, регулярных для моделируемого памятника, - дерновый слой, основной культурный слой, "материк" и пр. (рис. 6). Формирование пространственной модели культурного слоя памятника в целом завершается размещением моделей локальных археологических объектов в виртуальном пространстве культурного слоя. Это обеспечивается двумя основными процедурами: координатной привязкой модели объекта к точке расположения реального объекта в пространстве культурного слоя и пространственной ориентацией модели любого объекта в соответствии с его реальным положением (рис. 7).

Разработанная методика и программное обеспечение предоставляют дополнительные возможности при визуализации созданной пространственной модели [Груздев, Журбин, 2002].

Произвольный выбор проекции позволяет получить отображение модели культурного слоя в различных плоскостях и под любым углом. По умолчанию выбраны четыре проекции - вид сверху, вид слева, вид справа и изометрия.

Гибкий выбор режима отображения объектов модели. По желанию пользователя каждый объект модели может быть отображен в одном из трех видов - слитное, скелетное и комбинированное представления. Слитное представление отображает объект однородной средой (замкнутая поверхность), скелетное - в виде проволочной фигуры (отображение ребер), комбинированное - в виде замкнутой поверхности с видимыми гранями.

Управление "прозрачностью" при отображении объектов. Свойство прозрачности позволяет регулировать режим отображения при визуализации каждого из элементов пространственной модели. Это предоставляет возможность исключить из отображения пространственной сцены объекты, расположенные на переднем плане (рассмотрение внутренней части моделируемого пространства), или часть поверхностей, составляющих комбинированный объект (анализ внутренней структуры объекта). Степень прозрачности выбранного объекта определяет пользователь.

Построение пространственного среза. Эта процедура заключается в получении плоскостного изображения, на котором представлен разрез культурного слоя при произвольном расположении плоскости среза в моделируемом пространстве.

Фильтрация объектов при визуализации - выбор и выделение при отображении пространственной модели группы схожих по некоторым признакам объектов.

Использование перечисленных режимов позволяет моделировать процесс формирования и развития зафиксированных объектов. В качестве примера можно рассмотреть один из "сценариев" использования ямы (рис. 5). Основой моделирования является принцип восстановления относительной хронологии, который базируется на анализе стратиграфии культурных напластований. На каждом этапе развития исследуемого объекта отображаются лишь те элементы компьютерной модели, которые маркируют очередную стадию его существования. Начальный этап сооружения хорошо выявляется по выбросу "материкового" суглинка, расположенного по периметру ямы (слой 4 - см. табл.; рис. 8). "Материковый" выброс перекрывает слой погребенной почвы (на рис. 8 не показан). Серым цветом на рис. 8 показана внешняя граница ямы. Вероятно, на начальной стадии существования ямы внутри нее была деревянная конструкция, остатки которой зафиксированы на дне (рис. 9). Через некоторое время яма забутовывается суглинком с относительно небольшим количеством примесей (слой 6 - см. табл.), который по периметру уплотняется сильно перемешанным слоем на основе глины ("пестроцвет", слои 15 и 15а; рис. 10). В результате вторичного использования на полученной площадке скапливается мощный слой угля, золы и кальцинированных костей (слои 8, 17). Мощность углистой прослойки достигает 10 см. На следующем этапе использования ямы остатки кострища засыпаются перемешанным слоем (слой 16, "пестроцвет"), содержащим уголь, гумус и коричневую глину (рис. 11). Вероятно, перемешанный слой 16 получился непосредственно в процессе забутовки, т. к. вокруг ямы выявлены линзы коричневой глины (слой 7). Эти линзы перекрывают "материковый" выброс и расположены на одном уровне с "пестроцветом". В дальнейшем поверхность ямы нивелируется (рис. 12, 13). Первоначально она засыпается гумусированным слоем (слой 10а), после чего песком (слой 5), который при подсыпке перемешивается с глиной (слой 14).

Совершенно очевидно, что предложенный вариант реконструкции носит вероятностный характер, т. е. восстанавливает одну из возможных "траекторий" развития объекта. При выборе других правил, критериев и методов анализа результат будет отличаться от предложенного. Важно то, что разработанная методика, технология и программное обеспечение позволяют исследователю "разыгрывать" практически произвольные "сценарии", опираясь на единый набор исходных данных. Таким образом, основной принцип состоит в том, что не существует ограничений в выборе направления исследований при обработке археологических материалов. В зависимости от поставленной задачи сам специалист-археолог может формировать методику анализа компьютерной модели памятника, а также контрастно выявлять интересующие его параметры культурного слоя. Построение и использование пространственной компьютерной модели поможет решить проблемы реконструкции археологических объектов, сохранения историко-культурного наследия, повышения наглядности обучающего процесса и музейных экспозиций. Следовательно, такая модель является не только виртуальным образом культурного слоя, но и многофункциональным археологическим источником для решения широкого круга задач.

12 Следующая ⇒