В статье освещается процесс создания цифровых двойников пространственных объектов культурно-исторического наследия, что становится общемировой практикой на фоне распространения компьютерных технологий и методов дистанционного зондирования. Работа подчеркивает значимость цифровизации в России как приоритетного направления развития, влияющего на экономику и социальную сферу. Статья акцентирует внимание на отсутствии высокоточных цифровых моделей объектов культурного наследия в Краснодарском крае, что подчеркивает необходимость создания электронных ресурсов для улучшения доступности и популяризации таких объектов. Описывается подход к созданию геопортала, который будет включать трехмерные модели объектов культурного наследия с детальными описаниями и предложениями по их посещению, что обогатит туристско-экскурсионную сферу. В рамках проекта для демонстрации методики были отобраны пять объектов, учитывая их доступность, размеры, уникальность и значение для культурного туризма. Основные работы включали стереофотосъемку и картографо-геодезические измерения для создания трехмерных моделей. Процесс создания трехмерной модели описан поэтапно, начиная от подготовки и отбора снимков до финального этапа — текстурирования модели. Результатом стали высококачественные трехмерные модели, созданные с использованием программного обеспечения Agisoft Metashape, обеспечивающего точное моделирование и высокую степень детализации. Статья подчеркивает важность этих моделей для сохранения исторической ценности объектов и создания достоверного цифрового контента. Результаты проекта поддерживают идею о ценности интеграции цифровых технологий в управление культурным наследием, предлагая новые перспективы его презентации и изучения.
Введение
Исследования и разработки в области создания цифровых двойников пространственных объектов ведутся на мировом уровне, что стало возможным благодаря широкому внедрению компьютерных технологий, а также развитию соответствующего программного обеспечения и прогрессу в области дистанционного зондирования земли. В данной сфере активно работают как малые предприятия и академические учреждения, так и крупные международные корпорации, в числе которых Microsoft и Apple. В Российской Федерации процесс цифровизации определяется как одно из ключевых направлений стратегического развития экономики и социальной сферы. Стратегическая задача создания электронных баз данных, включая сбор и обработку геопространственных данных, открывает новые горизонты для эффективного управления инвентаризацией, мониторингом, защиты и регулирования объектов культурно-исторического значения, а также их широкой популяризации среди населения.
В Краснодарском крае в настоящее время продолжается выполнение ряда работ по формированию баз геоданных муниципальных округов для задач обновления и разработки генеральных планов градостроительного развития. Развитие цифровых технологий для анализа и управления пространственными данными активно происходит на всей территории Российской Федерации.
На текущий момент территория Краснодарского края испытывает дефицит в высокоточных цифровых трехмерных моделях объектов культурно-исторического наследия (КИН). Существует пробел в наличии электронного ресурса, который бы предоставлял возможность широкой общественности ознакомиться с характеристиками данных объектов, привлекать интерес к их историческому и географическому значению. Реализуемый проект направлен на разработку электронного ресурса — геопортала, интегрирующего трехмерные модели культурно-исторических объектов с обстоятельным описанием и предложениями по виртуальному туризму и образовательным инициативам.
В ходе предварительного этапа апробации разработанной методологии формирования геопортала цифровых двойников объектов культурно-исторического наследия было осуществлено отборочное исследование пяти объектов. Отбор проводился на основе анализа пригодности объектов для цифровой репликации, опираясь на критерии, такие как доступность объекта для исследовательских нужд, его физические габариты и характеристики (включая типы сооружений, зданий, комплексов), а также уникальность и потенциал для развития туризма и культурного обмена.
Создание цифровых двойников (трехмерных моделей) объектов культурно-исторического наследия было осуществлено путем стереофотографической съемки, выполненной с использованием наземной цифровой зеркальной фотоаппаратуры. Данная стереофотосъемка дополнялась картографическими и геодезическими измерительными работами, целью которых было установление точных габаритов объектов. Измерения проводились по четко определяемым на изображениях контурным точкам.
Камеральная обработка
Процесс камеральной разработки трехмерной модели осуществляется поэтапно. На начальном этапе производится тщательный отбор и подготовка фотоматериалов, включая коррекцию яркости и цветового баланса изображений, их конвертацию в формат, подходящий для дальнейшей обработки, и исключение кадров ненадлежащего качества.
На первом этапе на каждый снимок были наложены маски для удаления шума и посторонних объектов с модели (рис. 1). В среднем для создания модели было использовано порядка 20 снимков.
Рисунок 1. Нанесение масок на снимки
Специализированный программный комплекс выполняет сопоставление соответствующих точек между снимками, что позволяет алгоритмически определить полный набор характеристик фотоустройства: его позиционирование в трехмерном пространстве (в рамках заданного масштаба), направленность, а также особенности внутренней структуры, включая фокусное расстояние и характеристики искажения линз. В результате данного процесса формируется трехмерное разреженное облако ключевых точек, сопровождающееся детализированными пространственными сведениями о фотоустройстве. В последующем эти данные применяются для более детальной обработки 3D-модели.
Рисунок 2. Процесс формирования облака ключевых точек
На последующем этапе обработки данные о положении и ориентации камер применяются для создания детализированного облака точек с помощью программного обеспечения Agisoft Metashape, на основе которого разрабатывается трехмерная полигональная модель, точно воспроизводящая физические очертания объекта. Помимо стандартного подхода, программное обеспечение допускает ускоренное формирование модели, основываясь исключительно на данных разреженного облака точек. Предлагаются два метода для составления полигональной модели: генерация карты высот для обработки плоских поверхностей, например в ландшафтном дизайне или при создании барельефов, а также свободный метод, применяемый к объектам различной геометрии. Окончательное формирование модели включает возможные корректировки для достижения максимальной точности.
Финальная фаза процесса заключается в наложении текстур и/или создании ортофотоплана, при этом доступно множество техник для реализации текстурной составляющей модели (рис. 3, 4).
Программное обеспечение предоставляет функциональность для определения координатной системы, что обеспечивает корректное масштабирование, которое в свою очередь дает возможность проводить количественный анализ геометрических параметров объектов. Также применение систем координат упрощает интеграцию трехмерных моделей в геоинформационные системы. Стоит отметить, что некоторый функционал в программной среде становится доступным исключительно после присвоения системы координат. Программа позволяет присвоить систему координат несколькими путями. Например, один из способов — определение координатной системы путем использования опорных точек. В таком случае необходимо знать точные координаты реперов и марок на фотоснимках. Другой способ — определение системы координат путем извлечения пространственной информации из сведений фотоустройств, дальнейшая аппроксимация этих данных и применение на фотоизображение. Стоит отметить, что способ с применением меток и реперов увеличивает точность определения координат и, как следствие, точность модели в целом. Это связано с тем, что маркеры и реперы обеспечивают более точную геопривязку, нежели фотограмметрические способы.
Рисунок 5. Процесс расстановки опорных точек
Однако метод применения опорных точек позволяет не только присваивать координатную систему, но и использует данные опорных точек для оптимизации и выравнивания изображений, определение пространственных параметров, а также структурирование блоков информации на фотоизображении.
Для определения маркеров в пространстве программе необходимо как минимум два фотоизображения. Чем больше фотоизображений используются в процессе определения маркера, тем более высокая точность конечной модели. В программе Agisoft Metashape установка опорных точек реализована как ручным способом, так и автоматическим. Различия функций ручной установки опорной точки и автоматической в том, что в ручном режиме необходимо указать опорную точку на всех фотоизображениях, где можно наблюдать эту опорную точку. В автоматическом режиме достаточно указания всего лишь на одном изображении и определения проекции снимка, далее программа определяет положение опорной точки на других снимках автоматически. Данные, определенные автоматически в последующем, могут быть отредактированы для повышения качества модели и понижения погрешности. Данный способ рекомендуется разработчиками как основной для формирования 3D-моделей.
Во время выравнивания фотоизображения вычисляются параметры внешнего и внутреннего ориентирования фотоустройства. Так как процесс основан только на данных, предоставляемых изображениями, это может вести к определенным отклонениям в результатах. Точность этих оценок зависит от множества факторов, включая степень перекрытия снимков и геометрию поверхности объекта, что в итоге может вызывать нелинейные искажения модели. Геопривязка модели осуществляется через линейные трансформации, использующие семь параметров преобразования подобия, что позволяет корректировать только линейные деформации модели. Нелинейные искажения, возникшие на этапе выравнивания, не подлежат исправлению в таком контексте. Ошибки, связанные с геопривязкой модели, обычно являются основной причиной несоответствий. Возможные нелинейные деформации, появившиеся на этапе выравнивания, могут быть скорректированы оптимизацией разреженного облака точек и параметров калибровки камеры, исходя из известных опорных координат. В процессе этой оптимизации Metashape пересчитывает координаты точек и параметры фотоаппарата, минимизируя сумму ошибок проецирования и выравнивания в соответствии с опорными координатами. Рекомендуется предварительное редактирование разреженного облака точек с удалением точек, которые заведомо некорректны, что может значительно улучшить точность геопривязки в результате оптимизации.
Разработка портала
Разрабатываемый геопортал строился на основе программных продуктов с открытым исходным кодом, включая свободные системы управления базами данных (СУБД) — PostgreSQL. Для геоинформационных задач данная СУБД применяется с помощью специализированного расширения — PostGIS. Реализация веб-приложения осуществляется с использованием веб-фреймворка Flask на языке программирования Python.
Пространственная база PostgreSQL предназначена для хранения данных системы — базовой векторной картографической подложки, 2D-представления объектов культурного наследия (точечный слой), 3D-моделей объектов культурного наследия, а также фотографий и описательной части реализуемых объектов проекта.
Для отображения картографической составляющей (2D и 3D) используются свободно распространяемые JavaScript библиотеки CesiusJS и Leaflet.
Веб-приложение представляет собой клиент-серверное приложение, разработанное с использованием фреймфорка Flask на языке Python, и имеет микросервисную архитектуру, которая обладает гибкостью и расширяемостью, что в дальнейшем позволит увеличить функциональные возможности приложения.
В качестве веб-сервера с возможностью обратного проксироварования, кэширования и балансировки нагрузки выбрано программное обеспечение с открытым программным кодом NGINX.
В веб-приложении реализованы два способа взаимодействия с ресурсом:
- интерфейс администратора;
- интерфейс пользователя.
Интерфейс администратора позволяет осуществлять добавление информации об объектах: добавлять, удалять и редактировать описание объектов культурного наследия в пространственной базе данных; загружать и удалять фотографии объектов, а также трехмерные модели объектов.
Интерфейс пользователя позволяет осуществлять просмотр трехмерных моделей, фотогалереи и описания объектов культурного наследия Краснодарского края.
Формирование интерфейсов осуществляется при помощи шаблонизатора Jinja. На данном этапе реализована базовая html-страница base.html, включающая шаблон навигационной панели, которая используется в качестве основного шаблона при генерировании других страниц: главной страницы, страницы просмотра галереи, карты и трехмерной модели. Блок-схема структуры веб-приложения представлена на рисунке 6.
Рисунок 6. Блок-схема структуры веб-приложения
Заключение
В качестве заключения проекта по разработке электронного ресурса, включающего высокоточные цифровые трехмерные модели объектов культурно-исторического наследия Краснодарского края, следует отметить его значимость для ознакомления широкой аудитории с этими объектами. Такой ресурс способен не только привлечь общественное внимание к изучению культурно-исторического наследия, но и стать инструментом популяризации истории и географии региона. Результаты проведенной работы демонстрируют успешную разработку и апробацию методики по созданию цифровых моделей таких объектов.
Была разработана четкая процедура, обеспечивающая оценку необходимых ресурсов и планирование времени на реализацию проекта по различным объектам наследия. Применение предложенного алгоритма позволяет точно планировать будущие проекты и гарантирует относительно низкие затраты, основными статьями которых являются транспортные и временные издержки, а также стоимость лицензионного программного обеспечения. Готовые цифровые двойники могут быть опубликованы как в собственных информационных ресурсах, так и в существующих базах данных цифровых моделей. Размещение моделей на множестве цифровых платформ, включая специализированные порталы для цифровых моделей, обеспечит повышенное внимание к объектам культурно-исторического наследия Краснодарского края.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Карагян А.В., Волкова Т.А., Миненкова В.В. (все - Кубанский государственный университет, Краснодар).
Опубликовано в сборнике материалов «Передовые исследования Кубани», Кубанский научный фонд, 2024, стр. 46-51.