Сохранение православных храмов и архитектурных памятников XVII–XIX вв. в максимально достоверных формах – одно из приоритетных направлений современной музеефикации и деятельности по охране историко-культурного наследия России [1, 2]. Это обстоятельство определяется исключительной важностью сбережения, сохранения и актуализации для потомков достижений и традиций национальной культуры в условиях физического старения и естественного разрушения архитектурных объектов. На состояние и защищенность артефактов культурного наследия России негативное влияние оказывают многочисленные факторы различной физической природы [3]. Нейтрализация (или ослабление) угроз существованию или сохранению первоначального облика памятников затрудняется трудоемкостью и затратностью существующих технологий и ограниченностью ресурсов, выделяемых для реставрации и/или восстановления. Все это вынуждает искать принципиально новые подходы к проблемам охраны, сбережения и реконструкции памятников историко-культурного наследия.
Перспективный способ решения указанной проблемы – виртуальная реконструкция памятников культуры на базе современных компьютерных технологий с применением методов и инструментальных средств 3D-моделирования [4]. Как известно, виртуальная реконструкция – научное направление, в котором нашли отражение результаты взаимного развития и влияния методов и средств современной информатики, информационных технологий, искусственного интеллекта, культурологии и архитектурного дизайна. Эксперты в области музеефикации рассматривают виртуальную реконструкцию как специальный инструмент социогуманитарного исследования, главной задачей которого является точное воссоздание какого-либо объекта или события в трехмерной среде для его визуализации, сохранения внешнего облика и формирования информационно-методической платформы для дальнейшего научного исследования [5]. Опираясь на отечественный опыт виртуальной реконструкции, также отметим, что комплекс 3D-моделей культового или архитектурного объекта следует рассматривать как особую (визуальную) форму представления структурированных знаний – модель предметной области, удобную для последующего гуманитарного исследования.
Сегодня наблюдается динамичный рост количества публикаций, в которых обсуждаются вопросы развития и практического использования компьютерных технологий для идентификации виртуальных моделей и воссоздания первоначального облика избранных объектов культовой архитектуры. Практически утраченные или требующие особого отношения объекты нередко могут быть восполнены лишь с помощью мультимедийного контента в формате цифровых технологий. Применение электронных ресурсов может помочь наиболее целостно отобразить объекты материального и нематериального культурного наследия. С привлечением данных ресурсов возможно реконструировать виртуальными средствами также объекты культурного наследия, которым грозит физическое разрушение или утрата. Как показал анализ потока публикаций [6], виртуальные реконструкции объектов историко-культурного наследия являются одной из наиболее динамично развивающихся сфер приложения ИТ в отечественных социогуманитарных исследованиях. Произошедший в начале XXI в. «цифровой поворот» в гуманитарных науках существенно актуализировал проблему реконструкции и сохранения историко-культурного наследия в цифровой среде [7].
По оценкам ведущих экспертов [4, 5], основные трудности в создании унифицированных методик виртуальной реконструкции исторических памятников в значительной степени обусловлены: недостатком или противоречивостью первичной информации об исследуемом объекте, сложностью структуризации и представления знаний предметной области, гетерогенностью существующих инструментальных программных средств и технологий и, собственно, уникальностью процесса визуальности артефактов в виртуальной цифровой среде, требующего от исследователей высокой квалификации для реализации междисциплинарного подхода к задачам идентификации, анализа и синтеза 3D-моделей.
Цель исследования – анализ существующих подходов к проблеме виртуальной реконструкции культовых и архитектурных объектов, а также структуризация и формальное представление перспективной междисциплинарной технологии синтеза 3D-моделей, основными компонентами которой выступают информационные и когнитивные технологии (ИТ и КТ) с учетом эффекта их конвергенции.
Материалы и методы исследования
Анализ доступных источников, отражающих отечественный и мировой опыт разработки и применения 3D-моделирования культовых сооружений и архитектурных объектов, позволил выделить ряд общих положений, которые лежат в основе современных гибридных технологий виртуальной реконструкции историко-культурного наследия.
1. Любая виртуальная реконструкция культового, архитектурного (или иного физического) объекта должна базироваться на системном подходе к изучению архивных документов и материалов и их научно-историческом анализе.
2. Систематизированные информационные материалы об объекте должны быть размещены в унифицированной источниковой базе с открытым доступом.
3. Принципиальными являются вопросы о научно обоснованной декомпозиции проблемы виртуальной реконструкции, выборе системы показателей качества реконструкции и форм представления ее результатов.
4. Научно обоснованные виртуальные реконструкции как отдельных компонентов, так и всего культового объекта должны быть верифицированы на основе общепринятой методики.
5. Применение для решения частных задач реконструкции апробированных методов, технологий и унифицированных инструментальных средств математического моделирования и интеллектуального анализа данных.
В процессе настоящего исследования был изучен и проанализирован отечественный опыт создания 3D-моделей виртуальной реконструкции Страстного монастыря в г. Москве [1], виртуальной реконструкции Московского женского монастыря «Всех скорбящих радости» начала ХХ в. [2], Казанского кафедрального собора г. Иркутска и др. культовых объектов.
Базовую методику виртуальной реконструкции с интерактивным показом представим в виде обобщенного алгоритма (рис. 1).
Рис. 1. Схема обобщенного алгоритма виртуальной реконструкции объекта историко-культурного наследия
ЭТАП 1. Осуществляется предварительное профессиональное обследование физического состояния объекта историко-культурного наследия с фиксацией результатов.
ЭТАП 2. На этом этапе производится комплекс поисковых и научно-исследовательских работ, связанных с выявлением и изучением всех доступных источников информации (архивные материалы, чертежи, фотографии, эскизы, мемуары и др.). Основное внимание уделяется вопросам критического анализа, проверки достоверности данных и систематизации полученной информации.
ЭТАП 3. Разработка концепции виртуальной реконструкции. Декомпозиция исходной задачи виртуальной реконструкции на совокупность частных задач анализа, синтеза и идентификации составных компонентов исследуемого объекта. На практике в ходе формирования концепции формируется и утверждается техническое задание и другие документы на выполнение проекта виртуальной реконструкции.
ЭТАП 4. Планирование комплекса работ по виртуальной реконструкции объекта с учетом располагаемых ресурсов и привлекаемых профильных специалистов. Как правило, здесь составляется календарный план выполняемых мероприятий с указанием содержания выполняемых работ, сроков их реализации, используемых инструментальных средств, привлекаемых ресурсов и конкретных исполнителей.
ЭТАП 5. Формирование и обновление унифицированной информационной базы (УИБ) виртуальной реконструкции. Основное содержание этапа составляют действия по накоплению, обобщению и формализации информации и созданию базы данных, а в перспективе – специализированной базы знаний предметной области. Предполагается, что наряду с режимами адресного поиска и доставки информации по запросу пользователя допускаются режимы форматирования, обновления и пополнения содержания документов УИБ. После завершения основных работ по созданию УИБ осуществляется ее верификация.
ЭТАП 6. Обоснование (или уточнение) методики виртуальной реконструкции объекта с учетом арсенала доступных инструментальных средств поддержки D-моделирования [4, 5].
ЭТАП 7. Выбор комплекса инструментальных программных средств для решения задач виртуальной реконструкции. Для каждой стадии виртуальной реконструкции из набора имеющихся в распоряжении средств выбираются программные пакеты с учетом следующих требований: унификация; совместимость; масштабируемость и др.
ЭТАП 8. Виртуальная реконструкция каркаса и базовых компонентов объекта.
ЭТАП 9. Виртуальная реконструкция элементов объекта. Интеграция виртуальных моделей на единой информационной платформе.
ЭТАП 10. Виртуальная реконструкция ландшафта и окружения объекта.
ЭТАП 11. Интеграция УИБ и комплекса 3D-моделей в открытую информационную среду. Кроме этого, в состав комплекса 3D-моделей вводятся компоненты, поддерживающие интерактивный режим работы с пользователем.
ЭТАП 12. Верификация комплекса 3D- моделей виртуальной реконструкции объекта. На основе известных методов и инструментальных средств верификации пространственных моделей сложных систем осуществляется верификация комплекса 3D-моделей виртуальной реконструкции объекта.
Изложенный выше алгоритм реализации технологии виртуальной реконструкции культового (или архитектурного объекта) в связи с уникальностью последнего и сложностью формирования полноценной УИБ предметной области имеет, как правило, итерационный характер. По результатам верификации УИБ (этап 5) в теле алгоритма возможны циклы, связанные с изменением структуры и содержания УИБ (циклы типа «этап 5 – этап 2» и «этап 5 – этап 3»). В случае неудачной верификации всего комплекса 3D-моделей на этапе 12 предусматриваются циклы, обусловленные возвратом исследователей к работам, выполняемым на этапах 7–11.
Наиболее трудоемкими, ответственными и одновременно наименее формализованными на настоящее время остаются исследования, проводимые на этапах 1–4 виртуальной реконструкции. В значительной степени это обстоятельство определяется уникальностью исследуемого культового объекта и спецификой решаемой задачи виртуальной реконструкции. Междисциплинарный характер и многоаспектность научных исследований накладывают дополнительные требования на выбор стратегии, методов и средств информационно-аналитической поддержки выполнения комплекса разноплановых работ. Методологическую базу исследований составляют положения и принципы системного подхода, методы гуманитарного исследования, методы прикладной информатики и искусственного интеллекта. Опираясь на отечественный опыт успешного решения задач виртуальной реконструкции культовых объектов, можно указать на ведущую роль информационных и когнитивных технологий, которые часто выступают в формате тандема. Современная интерпретация взаимного развития, проникновения и интеграции информационных и когнитивных технологий при решении проблем конкретной предметной области приводит нас к понятию «конвергенция» [8].
Конвергенция (от англ. convergence – схождение в одной точке) означает взаимное влияние и взаимопроникновение технологий, их частичное объединение в единую научно-технологическую область знания, когда границы между отдельными технологиями стираются, и на стыке разных областей в процессе системной междисциплинарной работы появляются инновационные результаты. Влияние феномена конвергенции науки и технологии на нашу цивилизацию носит системный характер. Это новое целостное представление о мире, новое знание; новый результат познания внешнего мира; новый результат познания внутреннего мира самого субъекта. Опираясь на рекомендации известных работ [8, 9], в данном исследовании конвергенцию технологий будем понимать как процесс синергетического взаимодействия и сходимости когнитивных и информационных технологий, развивающихся в одном направлении и совместно решающих нетривиальные задачи виртуальной реконструкции избранных объектов гуманитарной сферы.
Рис. 2. Диаграмма сотрудничества ИТ и КТ для второго и третьего этапов виртуальной реконструкции
Наиболее значительным эффектом проявления конвергенции информационных и когнитивных технологий при решении проблемы виртуальной реконструкции является создание инновационной формы представления знаний предметной области – комплекса пространственных моделей, интегрированных в открытую интерактивную информационную среду. Разработка и использование такой концептуальной модели фактически поднимает накопленные и систематизированные знания об исследуемом культовом объекте и его окружении на более высокий междисциплинарный уровень гуманитарного исследования.
Особенности механизма конвергенции информационных и когнитивных технологий на отдельных этапах виртуальной реконструкции покажем с использованием диаграмм взаимодействия, синтаксис которых разработан в составе универсального языка визуального моделирования UML [10]. При этом ограничимся рассмотрением этапов 1–4 реализации методики виртуальной реконструкции (рис. 1), для которых построим диаграмму сотрудничества (кооперации) технологий.
Известно, что в диаграмме сотрудничества (collaboration diagram), относящейся к группе диаграмм взаимодействий UML, основной акцент сделан на визуальном представлении объектной архитектуры системы реконструкции и отображении отношений (механизма взаимодействия) информационных объектов, посылающих и получающих сообщения.
На рис. 2 представлена диаграмма сотрудничества ИТ и КТ при выполнении комплекса работ на втором и третьем этапах виртуальной реконструкции.
Отметим, прежде всего, разделение областей ответственности ИТ и КТ. Инструментальные программные средства ИТ здесь традиционно используются для предварительной обработки и цифровизации первичной информации, а также для автоматизации аналитической и исследовательской деятельности. Итогом практического приложения базовых ИТ является создание УИБ исследуемого культового объекта, которая представляет собой базу данных с соответствующей системой управления, обеспечивающей комфортный доступ пользователя к цифровым копиям документов. Для обеспечения автоматизированного поиска информации в УИБ с учетом принятой модели разграничения прав доступа создается система управления базами данных (СУБД).
Потенциал КТ в большей степени востребован при разработке моделей представления и интерпретации знаний, а также при создании базы знаний предметной области на основе дальнейшей обработки, визуализации и анимации накопленной в УИБ информации. Одной из ответственных прикладных задач является идентификация отсутствующих (утраченных) конструктивных элементов исследуемого объекта с применением нейросетевых и семантических моделей и процедур машинного обучения. Для получения формального представления и семантического анализа дополнительной информации об объекте и его окружении используются эвристические методы исследования с привлечением профильных экспертов [3].
Одним из перспективных приложений одновременно средств ИТ и КТ являются задачи оцифровки и интеллектуального анализа (сегментация, кластеризация, распознавание, идентификация) результатов лазерного сканирования объекта и окружающего ландшафта в целях получения изображений высокой четкости, уточнения числовых характеристик и создания точных геометрических моделей местности. Другим научным направлением реализации потенциала конвергентной технологии, использующей новейшие достижения в области современных ИТ и КТ, может стать разработка методологии верификации УИБ.
Таким образом, применение виртуальной реконструкции, сочетающей теоретическое гуманитарное знание и прикладные практики, позволяет получить новые научные данные, основанные на достоверных исторических сведениях и представленные с использованием инструментальных средств современных ИТ и КТ.
Выводы
1. Обобщение накопленного опыта и структуризация технологии виртуальной реконструкции являются важным этапом ее развития и формализации на основе применения современных методов и инструментальных средств прикладной информатики, математического моделирования и интеллектуального анализа данных.
2. Следует ожидать, что результатом совместного развития и конвергенции ИТ и КТ в контексте постановки и решения проблемы виртуальной реконструкции объектов историко-культурного наследия будет создание базы знаний предметной области, которая, в свою очередь, является ключевым компонентом прототипа специализированной интеллектуальной информационной системы поддержки виртуальной реконструкции.
3. Технология виртуальной реконструкции объектов историко-культурного наследия при активном развитии и последующей формализации основных видов работ на платформе интерактивной информационной среды 3D-моделирования в перспективе может стать универсальным рабочим инструментом гуманитарного исследования.