Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

КЛЮЧЕВЫЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ МАТЕРИАЛЬНОГО КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ В ПРОЦЕССЕ ИХ ВИРТУАЛИЗАЦИИ

Войтин А.О. 1 Тявкин И.В. 1 Точка В.Н. 1 Тютюнник В.М. 1
1 Тамбовский филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный институт культуры»
Представление внешнего облика объекта материального культурного наследия посредством реализации трёхмерной модели является перспективным направлением развития технологий создания виртуальных туров по экспозициям музеев. Качественная трёхмерная модель предполагает высокий уровень детализации, подразумевающий большое количество вершин и полигонов. Также определяющим результат является использование качественных текстур цвета. Однако визуализация большого количества вершин имеет известные ограничения, связанные с возможностями и классом аппаратной части компьютера. В статье приведена технология многоуровневого текстурирования (с использованием текстур различного типа) в целях оптимизации количества вершин и полигонов модели, а также качества внешнего вида трёхмерной модели. Приведён результат использования описанной технологии на примере реализации информационной системы, внедрённой в целевую организацию – Тамбовский областной краеведческий музей.
актуализация культурного наследия
трёхмерная модель
текстурирование
виртуализация экспозиций
1. Касьянов В.Н. Музеи и Интернет // Проблемы интеллектуализации и качества систем информатики. – Новосибирск: Ин-т систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, 2006. – С. 83–84.
2. Войтин А.О. Концептуальное проектирование баз данных и информационной системы актуализации объектов культурного наследия / А.О. Войтин, В.М. Тютюнник // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11–2. – С. 242–246.
3. Войтин А.О. Моделирование информационного пространства объекта культурного наследия / А.О. Войтин, В.М. Тютюнник // Глобальный научный потенциал. – 2015. – № 9. – С. 107–110.
4. Войтин А.О. Новые подходы к сохранению и актуализации культурного наследия / А.О. Войтин, В.М. Тютюнник // В мире научных открытий. – 2014. – № 4. – С. 37–45.
5. Войтин А.О. Обобщенная процедурная модель трехмерного представления объекта наследия культуры / А.О. Войтин, В.М. Тютюнник // Наука и бизнес: пути развития. – 2014. – № 5. – С. 121–125.
6. Тявкин И.В. Технология реализации виртуального тура «Воронцовская коллекция» / И.В. Тявкин, А.О. Войтин, В.М. Тютюнник // Наука и бизнес: пути развития. – 2013. – № 4. – С. 91–94.
7. Тютюнник В.М. Взаимосвязи информатики и науковедения: анализ данных и модели. – Тамбов, 1989. – 46 с.

Традиционные механизмы сохранения и представления (актуализации) объектов материального культурного наследия, используемые в музейных организациях, имеют ряд существенных недостатков: до сих пор низкий уровень внедрения современных информационных технологий, слабое информационное взаимодействие между родственными организациями, затруднённый обмен коллекциями, ограничение расстоянием для натурного представления объектов материального культурного наследия конечному пользователю, оптические искажения при виртуализации и др. При этом каждый объект являет собой не только внешний облик, но и массив информации, с ним связанной. При очном изучении объекта в музейной организации информация доступна в ограниченных формах и количестве: экскурсионная лекция и краткое описание выставочного стенда. Остальной информационный массив разрознен, трудно или вообще не доступен в ходе посещения музея.

Сегодня большая часть музейных организаций мира имеет собственные web-ресурсы. В настоящее время в сети Internet представлены два типа музейных сайтов: информационные ресурсы реально существующих музеев; «виртуальные» музеи. В представлении большинства пользователей эти группы обобщены под терминами – виртуальный музей, цифровой или электронный музей [1].

Первая группа web-сайтов преобладает по количеству над второй и представляет собой информационный ресурс, содержащий сведения о конкретной музейной организации (полное название музея, его история, экскурсии, время работы и т.п.). Может быть представлена исследовательская деятельность музея в виде публикаций научных сотрудников. Об экспозициях и экспонатах содержатся поверхностные, обобщенные сведения. Иными словами, это «сайт-визитка», представительство в сети Internet конкретно взятой организации. Ко второй группе условно можно отнести Internet-ресурсы, содержащие упорядоченные в некую структуру факты, описывающие или презентующие конкретные объекты (экспонаты) реального музея. Эта структура есть экспозиция «виртуального» музея, либо являющаяся проекцией реально существующей экспозиции в виртуальное пространство, либо сформированная специально для web-публикации.

Таким образом, информационный ресурс реально существующего музея и «виртуальный» музей – различные информационные сущности.

В течение нескольких последних лет мы пытаемся разработать современный организационно-технологический механизм сохранения и виртуализации объектов материального культурного наследия различных структур, базирующийся на основных положениях музеологии, практических наработках музейного дела, учитывающий законодательные акты РФ и регулирующие документы международного уровня (UNESCO, ICOM), а также разработанные нами модели трёхмерной виртуализации [2–6]. Причём основной целью разработки этой технологии является реализация именно 3d моделей в процессе виртуализации объектов культурного наследия, в отличие от широко распространённых 2d моделей, которые до сих пор представляются на сайтах музеев и в научной литературе, как объёмная виртуализация.

В рамках проводимого исследования осуществлена программная реализация виртуального представления экспозиции Тамбовского областного краеведческого музея [4]. Состав элементов управления интерфейса и их функции аналогичны виртуальному представлению экспозиции «Воронцовская коллекция» Тамбовской областной картинной галереи [6]. Дизайн эскизов внешнего вида интерфейса ИС разработан и предоставлен в виде массива графических файлов сотрудниками Тамбовского областного краеведческого музея.

При реализации ИС представления экспозиции Тамбовского областного краеведческого музея использован опыт разработки и внедрения ИС, представляющей экспозицию «Воронцовская коллекция» в Тамбовской областной картинной галерее [6], а также учтены комментарии пользователей внедрённой ИС.

Разработка данной информационной системы основана на математическом аппарате [3], процедурных [5], концептуальной и логической моделях [2], представленных и детализированных в соответствующих публикациях. Построена UML-диаграмма базы данных ИС, приведённая в [2].

На этапе создания трёхмерных объектов сцены виртуального представления экспозиции Тамбовского областного краеведческого музея использован подход многоуровневого текстурирования. Наибольший расход вычислительных ресурсов персонального компьютера при работе с трёхмерной графикой связан с расчётом и отрисовкой вершин (Vertex) и полигонов (Polygon, Poly) моделей. Существуют известные ограничения по их количеству: для персональных компьютеров это 2 000 000 вершин (Vertex) в сцене, для игровых консолей – 5 000 000. В связи с этим разработчиками предпринимаются различные подходы к оптимизации, как в аппаратной части, так и в программно-контентной. Совершенствование аппаратных средств происходит сравнительно медленными темпами, а переход на новые графические платы расширения (видеокарты, видеоадаптеры) связан со значительными затратами. Программно-контентные подходы широко распространены: использование низкополигональных моделей (LowPoly) на значительных расстояниях в сцене и замена их на более детализированные (HighPoly) по мере приближения камеры к ним; использование однополигональных (Plane) моделей, нормали (Normal) которых всегда обращены к пользователю, независимо от перемещений камеры, и т.д.

Для максимально эффективного результата оптимизация начата на этапе создания контента, в данном случае трёхмерных моделей. При проведении оптимизации важно было соблюсти оптимальный баланс визуального эффекта трёхмерной модели (степени детализации прорисовки объекта культурного наследия) и количества использованных при этом вершин (Vertex) и полигонов (Poly).

На примере экспозиции «Крестьянский быт Тамбовщины» Тамбовского областного краеведческого музея, картины «Черемуха» художника Е.В. Рябинского рассмотрен вариант использования низкополигональной (LowPoly) трёхмерной модели и многоуровневого текстурирования. Данная трёхмерная модель состоит всего из 16 вершин, с помощью которых сформированы контуры багета и полотно экспоната.

Многоуровневое текстурирование трёхмерных моделей в реализации описываемой виртуальной экспозиции состоит из трёх уровней:

– DiffuseMap (рис. 1);

– NormalMap (рис. 2);

– SpecularMap (рис. 3).

pic_5.tif

Рис. 1. Вид текстуры DiffuseMap

pic_6.tif

Рис. 2. Вид текстуры NormalMap

pic_7.tif

Рис. 3. Вид текстуры SpecularMap

При создании текстур полигонам (Poly) трёхмерной модели объекта культурного наследия назначены соответствующие графические изображения, формирующие визуальный облик объекта. С помощью программных надстроек блока текстурирования используемого графического пакета произведено редактирование параметров наложения изображений текстур. В целях оптимизации загрузки текстур создана так называемая текстура-развёртка в редакторе трёхмерной графики с помощью технологии «запекания» (Render to Texture). Смысл этой операции: получить на выходе вместо множества файлов один (тем самым ускоряя загрузку), с разрешением кратным степени 2 (256256, 512512, 128256). Однако ряд аппаратных средств (видеокарт, видеоадаптеров) не поддерживает в должной мере прямоугольные текстуры, несмотря на соответствие требуемому разрешению. Для устранения подобной ситуации произведено «запекание» (Render to Texture) с требуемым разрешением, с равными сторонами (квадрат).

На рис. 1 приведена текстура-развёртка типа DiffuseMap. Данная текстура использована для представления реальных цветов визуального облика объекта культурного наследия.

Для передачи объёма микрорельефа визуального облика на основе текстуры-развёртки DiffuseMap сгенерирована карта нормалей (NormalMap, рис. 2). Нормаль – это вектор, перпендикулярный поверхности в каждой данной её точке. Карта нормалей – это текстура, цветовая информация которой (в виде градаций фиолетово-синих цветов) считывается как информация о расположении нормали каждой точки того или иного объекта. Для объектов с простой геометрией использован подход генерации карты нормалей (NormalMap) на основе цветовой текстуры (DiffuseMap), при помощи свободно распространяемого программного модуля (плагина) компании NVIDIA, который называется NormalMap Filter.

Для геометрически сложных объектов, где в силу заметной потери детализации нельзя обойтись небольшим количеством вершин, применён следующий подход:

– строится высокополигональная (High- Poly) модель;

– выполняется «запекание» (Render to Texture) карты нормалей напрямую с высокополигональной (HighPoly) модели;

– высокополигональная (HighPoly) модель упрощается путём сокращения вершин (Vertex) в тех местах, где можно обойтись без прорисовки деталей с помощью вершин (Vertex), до низкополигональной (LowPoly) модели, повторяющей основные части реального объекта;

– карта нормалей, полученная с высокополигональной (HighPoly) модели, присваивается упрощённой низкополигональной (LowPoly) модели, имитируя нормали сокращённых полигонов (Poly) модели.

Поверхности объектов реального мира отражают падающий свет по-разному, за счёт этого в сознании человека формируются визуальные и тактильные образы об объекте и его свойствах. Для придания трёхмерной модели объекта максимального соответствия реальному прототипу текстуры цвета DiffuseMap и текстуры развёртки, карты нормалей NormalMap дополнены третьим типом – текстурой карты отражений (SpecularMap, рис. 3). Карты отражений (SpecularMap) представляют собой изображения, где с помощью градаций чёрного и белого цветов определяется интенсивность отражения падающего света. Области (пиксели, pixels) тёмного цвета отражают свет минимально, светлого – максимально. Карты отражений генерируются на основе текстур DiffuseMap с помощью графических редакторов.

Общий вид трёхмерной виртуальной экспозиции (виртуального тура) «Крестьянский быт Тамбовщины» представлен на рис. 4, из которого отчётливо видно главное преимущество нашего метода: совершенно отсутствуют оптические искажения геометрических размеров в проекциях всех видимых объектов, что позволяет реалистично имитировать и визуализировать действия человека в динамике при осмотре объекта культурного наследия.

pic_8.tif

Рис. 4. Общий вид виртуализованной экспозиции «Крестьянский быт Тамбовщины»

На рис. 5 продемонстрирован результат вышеописанного многоуровневого текстурирования. Хорошо заметен эффект применения к трёхмерной модели карт нормалей (NormalMap) и карт отражения (SpecularMap): на плоских полигонах, составляющих багет картины, прорисован объёмный узор микрорельефа багета, следов кисти художника с отражениями от позолоты.

pic_9.tif

Рис. 5. Результат использования многоуровневого текстурирования

Таким образом, разработанный механизм состоит в исполнении следующих трёх этапов:

1) объект материального культурного наследия представляется в качестве информационного массива, подразделяющегося на две части:

– массив сведений об объекте материального культурного наследия и его связях с другими объектами. Данные сведения собираются из фондов музейных организаций, библиотек и архивов, сети Internet. Использование подобного массива позволяет предоставить конечному пользователю возможность максимально полного ознакомления с интересующей областью науки, культуры и истории, которые касаются данного объекта. Формирование массива сведений об объекте материального культурного наследия представляется соответствующей процедурной моделью;

– визуальный облик реализуется в трёхмерной модели с применением многоуровневого текстурирования. Использование многоуровневого текстурирования в комплексе позволяет достичь максимального визуального сходства с реальным объектом. Создание трёхмерных моделей объектов материального культурного наследия различных структур представляется соответствующей процедурной моделью;

2) информационное пространство множества объектов культурного наследия организуется таким образом, чтобы одновременно и в трёхмерном пространстве были учтены и представлены: типовые информационные свойства объекта, перспектива и геометрия в пространстве, координаты объекта и их преобразования в пространстве. Информационное пространство множества объектов культурного наследия и организация интерактивного доступа к нему представляются соответствующими аналитическими моделями;

3) реализуется информационная система сохранения и виртуализации (актуализации) объектов материального культурного наследия. Проектирование ИС основано на аналитических моделях, результаты которого представляются концептуальной моделью ИС и UML-диаграммой разработанной базы данных. Реализация ИС представляется структурой и описанием взаимодействия основных программных блоков ИС (логической моделью).

Приведённая технология позволяет осуществить визуализацию максимально достоверного (соответствующего реальности) образа объекта материального культурного наследия с минимальными затратами ресурсов компьютера. Тестирование разработанной ИС показало, что для корректного функционирования (плавной смены ракурса и перемещения взгляда пользователя) ИС достаточно процессора Intel Celeron 1,6Ghz (Athlon 64 2,4 Ghz) или новее, если используется дискретное решение видеоадаптера. Минимальная конфигурация дискретной видеокарты в данном случае должна соответствовать параметрам: 128 Bit, 512 Mb, поддержка Shader Model 1.1 и DirectX 9.0c (рекомендуемые требования Shader Model 2.0). В случае, когда используется интегрированное решение видео, необходимо использовать процессор уровня не ниже Intel i3 (встроенное графическое ядро Intel Graphics 3000) или AMD A8-3850 (встроенное графическое ядро Radeon 6550D), либо новее. Указанные аппаратные средства принадлежат к начальному ценовому диапазону, что делает доступным использование виртуального тура для широких групп пользователей.

Интересной особенностью предложенного организационно-технологического механизма 3d виртуализации является факт возрождения достаточно старой, но не реализованной ранее идеи объединения различных информационно-документальных потоков в единую музейно-архивно-библиотечно-информационную технологию [7]. Эта технология проявляется в тот момент, когда пользователь виртуального тура «осматривает» какой-либо музейный объект в динамике и объёме, а в это время на экране появляется информация из библиотечного, архивного или иного информационного фонда (например, из Интернета), которая детально описывает все стороны этого объекта: историю его создания, полные сведения об авторах, совокупность юридических документов, характеристики объекта, упоминания о нём в литературе и т.п.


Библиографическая ссылка

Войтин А.О., Тявкин И.В., Точка В.Н., Тютюнник В.М. КЛЮЧЕВЫЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТОВ МАТЕРИАЛЬНОГО КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ В ПРОЦЕССЕ ИХ ВИРТУАЛИЗАЦИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 5-2. – С. 220-224;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35887 (дата обращения: 17.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252