CC BY
30Галайда И.И. Фотограметрия.
Галайда И.И. (Москва). Центр Подводных Исследований Русского Географического Общества
Фотограмметрия как эффективный метод фотофиксации больших объектов под водой в сложных условиях.
The article by RGO specialist Igor Galaida attempts to give examples of 3D models made in different shooting conditions in the Gulf of Finland.
Фотофиксация неотъемлемый элемент любого археологического исследования, который, зачастую, лучше любого описания или схемы создает представление об объекте исследования. В последнее десятилетие начали применять и все активнее используют 3D моделирование, для фиксации результатов исследования. В археологии используют два основных способа создания 3D моделей: с помощью лазерного сканирования и фотограмметрии. В этой статье мы рассмотрим метод фотограмметрии как наиболее простой, эффективный и не требующий использования специального технологически сложного оборудования, кроме фотоаппарата.
Фотограмметрия — научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по их фотографиям. Создание трехмерной модели происходит путем совмещения множества фотоснимков, сделанных с высоким наложением (60% и более) и в разных плоскостях относительно объекта съемки. При этом построение глубин и объема модели основано на принципе бинокулярного зрения человека, на том как человек воспринимает глубину при наблюдении, то есть фотографии объединяются в стереоскопические пары по тем же законам перспективной и центральной проекции, что и изображения на сетчатках глаз. Такой способ совмещения при правильной съемке дает результаты высокой точности, не уступающие лазерному сканированию.
В подводной археологии из-за труднодоступности, сложности условий, в которых проводятся работы, множестве факторов риска для водолазов, особенно остро стоит вопрос с отображением подводных объектов. Гидроакустические сонограммы, сделанные с поверхности дают условное представление о том, как выглядит объект, чертежи и
рисунки тоже весьма условны, фотопланы, собранные из множества фотографий сильно искажены и деформированы при ручной сборке, к тому же эта сборка занимает очень много времени. 3Б модель правильно передает форму объекта с учетом изменения высот и фотопланы, сделанные на основе такой модели, не будут содержать искажений и гораздо более детализированы. По моему мнению 3Б моделирование наиболее наглядный и удобный способ фотофиксации подводных объектов, в частности в сложных условиях Балтийского моря.
В этой статье я хочу привести примеры 3Б моделей, сделанных в разных, по сложности, условиях съемки в Финском заливе.
Фотоплан 1. Артиллерийские орудия.
Пример № 1. Плохая видимость.
Никого не удивить тем, что на Балтике плохая видимость. Часто после шторма ил, лежащий на дне в большом количестве, потревоженный волнением делает видимость минимальной, а то и вовсе нулевой. В верхних слоях воды в сезон присутствует сосновая пыльца, а потом и слой одноклеточных водорослей, превращая воду в зеленую жижу. Нельзя забывать и о термоклинах, создающих особый визуальный эффект при смешивании воды разных температур, следовательно, постоянную расфокусировку камеры. Также дноуглубительные работы, да и просто молочно-белый туман из мелкодисперсного ила, стоящий над поверхностью дна, не способствуют улучшению видимости.
В районе «Маркизовой лужи» был обнаружен обломок корабля, при первом обследовании видимость была нулевая и на ощупь удалось понять, что это часть днища деревянного корабля с развалом пушек на нем. Весной, когда видимость становится лучше, мы повторили обследование, но видимость оказалась не более полуметра, визуально и наощупь мы так и не смогли посчитать количество пушек. Я предпринял попытку съемки, для этого я сделал специальную раму, на которой параллельно закрепил две камеры гоупро, чтобы увеличить угол захвата так как снимал с очень близкого расстояния, не более чем полметра. Съемка длилась около 20 минут, а последующая обработка дала положительный результат.
Галайда И.И. Фотограметрия...
Пример № 2. Съемка подо льдом.
Плюсы съемки подо льдом в том, что видимость, как правило, лучше, чем в то время, когда льда нет, нет зависимости от корабля и от погоды, но есть и минусы: бывает очень холодно наверху, съемке мешает сигнальный конец, но без него подо льдом никак, требуется больше времени и людей, чтобы поставить палатки, доставить снаряжение, подготовить майны. Но оно того стоит.
Типичная для акватории прозрачность воды
Во время одной из осенних экспедиций мы обследовали корпус затонувшего в 1869 году парусно-винтового клипера «Джигит», длина 47 метров, максимальная ширина 9 метров, съемку провести не получилось из-за очень плохой видимости. Зимой в феврале в этом районе встал прочный лед и было принято решение провести съемку.
При первом погружении мы заметили, что видимость стала лучше, но взвесь все равно присутствовала, кроме того, палуба была покрыта однотонным илом, на котором было очень мало выделяющихся фрагментов и соединить такие маловыразительные фотографии не представлялось возможным, программа реагировала на взвесь. Чтобы разрешить возникшую проблему я придумал разбросать по заиленной палубе маркеры, которые стали бы связующими точками. В качестве маркеров я не нашел ничего лучше, чем использовать гранулированный порошок гидроксида кальция, белые гранулы которого хорошо контрастируют на поверхности ила, кроме того он безвреден и постепенно растворяется в воде. Маркеры отлично сработали и позволили полностью собрать верхнюю палубу клипера съемочный процесс занял 3 погружения по 25 - 30 минут съемки, могло бы получиться быстрее если бы не нужно было всплывать и переходить в другую майну (см.фотоплан 2).
II < '* З^ЯИ и
я ' V
■II
' " ' .....Л-л
4 .
Фотоплан развала пушек
Фотоплан «Кетч»
Эффективно выполнять работу на больших глубинах бывает очень сложно, так как на ныряльщика воздействует ряд негативных факторов, мешающих принимать правильные решения. Помимо быстро набегающей декомпрессии, азотного наркоза и большого количества баллонов, которые мешают и сковывают движения при съемке на Балтике еще добавляются такие стрессовые факторы как ледяная вода и плохая видимость, все это усугубляет состояние ныряльщика и в непредвиденных ситуациях на глубине он может повести порой непредсказуемо. Чтобы избежать таких ситуаций и выполнять минимум действий на дне необходимо максимально подготовиться на поверхности.
Галайда И.И. Фотограметрия... В качестве примера могу привести объект: Английский кетч с грузом посуды находится на глубине 61 метр, размеры объекта: длина 19
метров, максимальная ширина 6 метров.
Перед съемкой были проведены необходимые подготовительные работы: заведен спусковой конец, нанесены маркеры. План погружения был с 20 минутным нахождением на максимальной глубине, таким образом на съемку приходилось примерно 15 минут. В итоге за первое съемочное погружение мне удалось отснять весь объект, но кормовая часть была в сильной мути, второе погружение оказалось тоже не удачным мутная вода не позволяла доснять кормовую часть. Третье погружение мы сделали после двухдневного шторма, во время спуска уже на дне я обнаружил, что спусковой конец отвязался от объекта и груз, с привязанным к нему концом, просто лежит в иле на дне. Понимаю, что времени на поиски совсем нет, а в руках камера, подготовленная еще на поверхности, с разложенными армами и включенным светом. Встаю на дно и вытягиваю из ила груз и удерживая его в руках, начинаю медленно пятится назад, через несколько метров упираюсь в борт объекта, повезло, остается еще несколько минут на сьемку, на этот раз корму получилось отснять (см. фотоплан 3).
Оптимизация процесса съемки и последующей обработки является очень важным критерием успешного создания трехмерной модели, особенно в условиях Финского залива, где погружения к объекту съемки, в силу ряда обстоятельств таких как погода, труднодоступность и прочее, могут повторяться очень редко, а иногда лишь раз в сезон. Исходя из этого я считаю основным приоритетом максимально использовать возможность съемки, применять различные приспособления, которые облегчат и ускорят этот процесс, чтобы дать хороший результат даже за одно погружение. К таким приспособлениям можно отнести: использование нескольких камер, закрепленных на раме, для одновременной съемки, применение буксировщиков при длинных проходах, специальных осветительных люстр, помощи команды осветителей и ряда других усовершенствований, цель которых не усложнить, тем самым затянуть, а лишь ускорить и облегчить процесс съемки.
Технология трехмерного моделирования методом фотограмметрии, при правильной съемке, не уступает лазерному 3D сканированию по точности передачи формы и размеров объекта съемки, но превосходит по передаче текстур и их детализации. При этом обе эти технологии мы можем использовать совместно и тем самым упростить и ускорить процесс создания больших и сложных моделей.
Способ трехмерной фотофиксации может применяться не только в археологии, но также и в подводно-технических работах, например, при мониторинге, оценке состояния и оценки повреждений различных гидротехнических сооружений, трубопроводов, подводной части портовых сооружений, терминалов, водозаборов, дамб и других подводных технических конструкций. Полноценная объемная модель гидротехнического сооружения или необходимой части этого сооружения даст всю исчерпывающую информацию о внешнем состоянии объекта и позволит специалистам дистанционно, в комфортных условиях всесторонне изучить и оценить состояние конструкции, степень ее износа, обнаружить, измерить и детализировано исследовать повреждения и тем самым выработать оптимальную схему ремонта обслуживания.
Трехмерные модели затонувших кораблей показывают нам то, что не могут увидеть даже водолазы, наблюдающие лишь небольшие фрагменты в луче фонаря. Конструктивные особенности, повреждения, ставшие причиной гибели, все малейшие детали может изучить исследователь, путешествуя по реалистичной 3D модели. Привычка к восприятию исследуемого объекта через его двухмерное изображение, сформировавшаяся в обществе, приводит, порой, к стигматизации трехмерного моделирования, как чего-то сложного и тяжелого для восприятия, но современные средства визуализации, компьютеры, планшеты, телефоны и другие, делают 3D модели доступными всем заинтересованным.
Демонстрируют всю простоту использования, наглядность, информативность и интерактивность и благодаря своей зрелищности, в отличие от двухмерных чертежей и схем, понятных зачастую только специалистам, способствуют популяризации науки в самом широком смысле.
В статье использованы фотографии Игоря Галайды.
