Научни изследвания от ново поколение. Така се определя навлизането на цифровизацията и по-конкретно фотограметрията в археологията, историята, теологията – накратко в почти всички научни изследвания, които използват физическите данни на предмети, природни и архитектурни структури. Именно такива нови методи представят ст. преп. Емануил Стоянов от Факултета по математика и информатика и ст. преп. Божидар Стоянов от Факултета по технически науки. Работата им е част от престижната Национална научна програма „Културноисторическо наследство, национална памет и обществено развитие“, по която Шуменският университет е партньор. За участие в нея са одобрени БАН и едва още 4 български университета.
С какво са ценни ортофото моделите за развитието на науката – повече от участниците в проекта ст. преп. Емануил Стоянов и ст. преп. Божидар Стоянов:
UniMedia: Какво представлява научната дисциплина Фотограметрия?
Ст. преп. Божидар Стоянов: Думата фотограметрия се обяснява чрез гръцки език и се състои от три части – photos, което означава „светлина“, gramma, което е „запис“ и metreo – „измерване“. Дословният превод на съставната дума фотограметрия означава измерване на запис от светлина. Самото определение обаче за науката фотограметрия (доскоро беше научно направление, но в момента вече се е оформила като самостоятелна наука) е наука, изучаваща методите и средствата за определяне на формата, размерите, положението и редица други количествените и качествените характеристики на обектите въз основа на фотографски изображения. Зараждането й е пряко свързано с откриването на фотографията през 1839 година, когато за пръв път е регистриран като патент способ за получаване на фиксирано фотографско изображение върху тънък сребърен слой. През 1852 година френският военен инженер Еме Лоседа пръв използва фотографски изображения за топографски цели, което ще рече – картиране по снимков материал. Три години по-късно се прави първото в историята заснемане от въздуха на улиците на Париж.
UniMedia: Какви са етапите при построяване на моделите?
Ст. преп. Емануил Стоянов: Най-общо казано се преминава през две основни фази, при създаването на модели по фотограметричен способ. Първата фаза е снимачната, която се изразява в планиране на полета и заснемане на желаната зона (т.е. облитането). За осъществяване на тази фаза ние използваме безпилотно летателно средство (дрон), който е в състояние да изпълнява предварително програмирани полети.
Втората фаза е изчислителната и се реализира в седем последователни стъпки:
Първата е подравняването на фотографиите. На този етап за всяка от снимките се намират елементите на т.нар. „външно ориентиране“ – аеротриангулация. Използват се два вида точки – свързващи, които са ясно различими едноименни точки в зоната на застъпването между снимките и т. нар. опорни точки, които се опознават във всяка една от снимките и имат много прецизни координати. За тяхното измерване се използват професионални GPS приемници. Всяка опорна точка е с много голяма точност, говорим за до 2 мм. Ние специално използваме базата на Шуменския университет в катедрата по геодезия, която разполага с професионални GPS приемници, имащи такава точност. В резултат на етапа подравняване се генерира т.нар. разреден облак от свързващи точки, избрани в зоната на застъпване. Този разреден облак включва около 4 хиляди точки.
Фрагмент от плътния облак точки на Кръглата църква, Велики Преслав
На втората стъпка в изчислителната фаза се генерира т.нар. плътен облак от точки. Това е най-тежкият процес, при който на базата на вече разчетените позиции на камерите се изчислява дълбочинна карта с пространствена информация. На този етап разреденият облак се сгъстява драстично с пространствено определени точки. Като казвам драстично имам предвид, че от няколко хиляди при разредения облак, при гъстия облак те стават десетки милиони, а в някои обекти и стотици милиони.
Фрагмент от полигоновия модел на Кръглата църква, Велики Преслав
След това идва третата стъпка в изчислителната фаза – това е построяването на триизмерен полигонов модел, който накратко ние наричаме МЕШ. Това всъщност представлява векторна реконструкция на обекта и релефа чрез мрежа от свързани непрепокриващи се триъгълници. Върховете на тези триъгълници всъщност са точките от плътния облак. Мрежата от триъгълници е нерегулярна, защото гъстотата й зависи от характера на релефа, формите на обектите, които заснемаме, а също и от количеството на детайлите, попадащи в единица пространство.
Четвъртата стъпка е създаване на текстурите, които ще покриват пространствения модел. Всъщност след като се изгради триизмерният полигонов модел, състоящ се от триъгъници, всеки триъгълник си има лице, което се запълва с парченца от реалните фотографски снимки. По този начин се създава текстура на модела, която е фотореалистична.
Йерархичен блоков модел на Кръглата църква – изглед от северозапад
Петата стъпка в изчислителната фаза е построяването на йерархичен блоков фотомодел с текстури. Форматът на този модел всъщност позволява да се визуализират 3D модели с висока резолюция и различни степени на детайлизация според мащаба на изобразяване. Това са пирамидалните модели. В зависимост от мащаба, в който разглеждаме модела, триъгълниците или се редуцират или се сгъстяват.
Шестата стъпка е генериране на т.нар. цифров височинен модел, който представлява двумерно растерно изображение, представено в оттенъци на сивото. В него височината на всеки пиксел се задава с неговия цвят или степен на сивото.
Последната, седма стъпка, е създаването на ортофотоплан или още орторектифицирано изображение. То представлява растерно изображение с висока резолюция и детайлност. В него точките в изходните изображения са пренаредени така, че представят заснетата повърхност в ортогонална проекция, т.е. всяка точка в това изображение е погледната точно вертикално отгоре.
Кое е ценното в този план? Че там са отстранени всички грешки, с които са били натоварени снимките, а това са деформации от обектива и наклона на камерата в момента на експонацията. Друг вид грешки са предизвикани от променливия мащаб в различните части на снимките, поради влиянието на релефа. Всъщност ортофотопланът е изцяло наново генерирано изображение, в което имаме напълно вярна геометрия и напълно верни метрични пропорции.
UniMedia: Каква е точността на изображението?
Ст. преп. Божидар Стоянов: Точността на крайните продукти зависи най вече от условията, при които е извършено заснемането. В зависимост от поставената задача и размера на обектите, които ще се фотографират, се избират оптималните параметри на заснемане. Например при сравнително големи обекти, които обхващат площ от няколко десетки декара, единични паметници или мегалитни блокове със средни размери, там може да се гони сантиметрова или милиметрова точност. А при най-малките обекти, каквито например са епиграфските паметници, където дори дълбочината на линиите, които са издълбани имат значение, там може да се постигнат части от милиметъра.
UniMedia: Къде може да намери приложение фотограметричното моделиране?
Ст. преп. Емануил Стоянов: Специално нашият екип използва фотограметричното моделиране в три направления. Това са:
- цифровизиране на културноисторическо наследство;
- мониторинг на рискови процеси и явления;
- моделиране на заобикалящата ни среда за различни анализи и изследвания.
По първото направление приложенията са изключително много. Например за цифровизацията на археологически обекти – в тази връзка ние сме правили обекти като Шуменската крепост, крепостта Траянови врата, Кръглата църква във Велики Преслав, Мадарския конник, крепостта на Мадарското плато.
Друго приложение са архитектурните паметници (голяма част от тях са вече културно-историческо наследство).
Комбинирана визуализация на полигонов и йерархичен 3D модел на читалище „Добри Войников“ – Шумен
Това са архитектурни шедьоври, които сме длъжни да съхраним за поколенията напред. По това приложение сме създали модел на читалище „Добри Войников“ и някои параклиси на територията на България.
Друга област е заснемането и моделирането на древните мегалити на територията на днешна България. Днес с мегалитите се занимава археоастрономията, това са такива обекти и древни съоръжения, в които се намира определен астрономически контекст. Специално в това направление ние сме правили платото Белинташ, скалата Ин Кая и съвсем наскоро светилището Кабиле в Ямболска област.
Още едно приложение в първото направление е разчитане и съхраняване на епиграфски паметници. В тази посока сме осъществили разчитането на няколко обекта, а именно „Каменната картинна галерия“ във Велики Преслав, която представлява група рисунки и надписи по източната крепостна стена на Преслав. В момента сме в процес на създаването на моделите и визуализацията, извеждане на семантичната информация чрез прилагане на цифрови филтри. За пореден път се потвърди това, че на камък, на който нищо не се вижда, вече погледнато върху филтрирания модел може да бъдат забелязани неща, които никой не е видял. И надеждата ни за „Каменната галерия“ е да открием точно такива рисунки, които до момента не са описани.
Надписът върху кръст, заснет в горите около с. Костенец
През лятото на 2021 година открихме и един каменен кръст в горите около село Костенец, който също беше разчетен успешно, а визуално нищо не се виждаше. Ние приложихме фотограметричния метод и разчетохме името на погребания и годината, в която е станало това. Имаше и интересни символи и знаци на самия кръст.
Чрез цифровизирането на културно-историческото наследство във всички тези области на приложения – археологически обекти, архитектурни паметници, древни мегалити, разчитане и съхраняване на епиграфски паметници – с тези модели могат да се провеждат анализи и изследвания с високо ниво на сигурност във физическите параметри на заснетия обект.
Второто направление – мониторинг на рискови процеси и явления. Тук визираме анализирането на срутищни и свлачищни процеси като напр. опасно отцепване на скални блокове. Това моделиране може да се прилага и при прогнозиране на скъсвания на язовирни стени или при възможни наводнения. Имам предвид пътя на водната маса – откъде би минала тя и с каква дълбочина и ширина на водния поток. Мониторингът може да намери приложение при засичане на релефни отклонения след земетресения, повреди на многоетажни сгради, паметници на културата и пр.
По отношение моделирането на обкръжаващата ни среда визирам създаването на високоточни теренни модели за симулационно обучение на бойни и граждански пилоти.
Ст. преп. Божидар Стоянов: Когато говорим за приложения, трябва да споменем какви видове фотограметрия има. Класическата фотограметрия е въздушната, която се основава на аерофотоснимки. Но освен нея има и космическа фотограметрия, която се базира на сателитни изображения. Има и подводна фотограметрия, която заснема подводни обекти. Преди няколко години стана известен един проект Black Sea Map, при който нашата част на шелфа беше заснета много подробно. Макар, че първоначалната цел е била да се заснеме релефът на дъното, в резултат на това заснемане бяха открити останките на над 40 кораба от различни епохи, които са идеално съхранени.
Кръглата църква 3D модел – изглед от североизток
Ст. преп. Емануил Стоянов: По Националната научна програма „Културноисторическо наследство, национална памет и обществено развитие“ започнахме да работим миналата година и първият проект за нас бе Кръглата църква във Велики Преслав. На църквата направихме високо точен модел като успяхме да я заснемем фотограметрично на възможно най-ниската височина, което пък ни позволява най-високата точност на модела.
3D модел на Кръглата църква – част от вътрешността на храма
Моделът се състои от около 200 млн. триъгълника – тежък модел, но и много, много прецизен. Ортофотопланът е перфектно геопозициониран и ориентиран по посоките на света. При Кръглата църква, понеже тя има сравнително тесни, затворени пространства, се наложи един специфичен способ за фотограметрично заснемане, който ние прилагаме за първи път. Става дума за комбиниране на въздушна и наземна фотограметрия. Наземната фотограметрия се използва за интериорни заснемания на архитектурни пространства. Така се получава много точен и прецизен модел. В тази връзка предстои обявяването на едно забележително откритие за Кръглата църква, което ще обявим скоро.
Ст. преп. Божидар Стоянов: В рамките на този проект бе заснето и светилището в Кабиле, което се намира в Ямболска област. Там също в резултат на фотограметричната обработка се показаха някои новости, които също предстоят да бъдат обявени в най-близко време.
Дигитален образ на надпис и изображения върху кръста край с. Костенец
Други актуални проекти са свързани с вече споменатите епиграфски паметници. Това са най-малките ни обекти, където самите размери на камъните рядко надминават 20-30 см. Това, което ни интересува върху тези малки обекти, са надписите, знаците и рисунките, които са издълбани. Поради естеството на заснемания обект и размерите му, там се наложи да приложим изключително подробно фотограметрично заснемане, при което получената точност беше една десета от милиметъра във всички посоки – хоризонтална и дълбочинна точност. Това го правим за първи път.
Разговорите с колегите ни от НЦ „Преславска книжовна школа“ ни дадоха повод да осъзнаем, че това разкрива съвсем нови възможности при изследванията на епиграфските паметници в посоки, които до момента не са били възможни. В това отношение е известно, че епиграфските паметници са работени от различни майстори и всеки от тях има свой почерк. Той може да бъде описан, като уникална комбинация от характеристики, като например – строга последователност при изчертаване на елементите на знаците, приложена сила на натиск, дълбочинни колебания и изкривявания вследствие на някаква физиологична особеност, предпочитан профил на режещия инструмент и др. Към почерка също може да се добави и посоката на линиите, когато се чертае някакъв знак. Това до момента не е можело да бъде изследвано, но в резултат на фотограметричния модел, където буквално виждаме какъв е бил профилът на режещия инструмент, можем да проследим как протича износването му, докато се тегли линията. Защото когато се издълбава един знак, режещият инструмент постепенно се затъпява и се променя профилът на дирята. По този начин може да се определи посоката на изчертаване на линиите.
Както виждате, това са изводи и области на изследване, които до момента по никакъв начин не са били засягани, гледайки един знак върху епиграфски паметник.
UniMedia: Това ли е бъдещото на интердисциплинарните изследвания?
Ст. преп. Божидар Стоянов: Фотограметрията има изключително много приложения – навсякъде, където се изисква анализ на пространствена информация. Вижте, ние разработваме тези модели в помощ на различни групи специалисти и засега всички те приемат с радост нашите резултати. Най-ценното при нашите модели е, че те са много точни, геопозиционирани, напълно измерими и върху тях могат да се провеждат всякакви анализи и изследвания.
Ст. преп. Емануил Стоянов: Според мен бъдещето е в интердисциплинарните взаимодействия и екипната работа. Едни ще правят моделите, други ще ги изследват, а трети ще ги използват и популяризират. Това го доказва общата ни работата по Националната научна програма „Културноисторическо наследство, национална памет и обществено развитие“.
UniMedia
