Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 3

Фирсова О. Л.

Очевидно, что информация о состоянии стенописи, которую дают изображения на фотографиях, получаемые посредством проекции трехмерных объектов на плоскость, ограничена, а рисуемые от руки с натуры или с фотографий схемы – картограммы росписей весьма неточны.

Одним из характерных видов разрушений настенных росписей являются трещины и утраты штукатурной основы. В случае древнерусских стенописей, в которых штукатурная основа нанесена по левкасным гвоздям, основной причиной ее разрушений, локализованных над шляпками гвоздей, является увеличение последних в объеме вследствие коррозии (ил. 1–3). В этой ситуации необходимо проведение систематических обследований состояния штукатурной основы с целью обнаружения разрушений штукатурки на самых ранних стадиях и своевременного консервационного вмешательства.

Очевидно, такой мониторинг разрушений может быть эффективен только в том случае, если он проводится с достаточной регулярностью и высокой точностью. Причиной, по которой обследования состояния стенописей проводятся сегодня лишь эпизодически, является

большая трудоемкость и стоимость установки лесов и тур, с которых только и возможно их проведение.

Одним из возможных путей решения задачи высокоточного мониторинга стенописей, существенно менее трудоемкого и, соответственно, более экономичного, чем обследование с лесов и тур, является использование технологии трехмерного (3D) лазерного сканирования.

При лазерном сканировании производятся измерения расстояний между сканером и отдельными точками поверхности исследуемого объекта. Скорость таких измерений определяется быстродействием сканера и составляет от нескольких тысяч до полумиллиона точек в секунду. В результате формируется так называемое «облако» точек, которое несет в себе информацию о размерах и стереометрической форме предмета. По сути дела, это облако точек есть ничто иное, как объемная виртуальная копия, которая позволяет рассматривать объект с разных сторон, увеличивать или уменьшать его изображение на экране компьютера, делать разрезы, сечения в любой заданной плоскости, вычислять площадь развернутой поверхности и т. д.

Отличительной особенностью лазерных сканеров является высокая точность измерений координат отдельных точек поверхности объекта, которая составляет от нескольких миллиметров до десятков микрон (в зависимости от дальности и принципа действия прибора), что позволяет фиксировать мельчайшие детали рельефа исследуемой поверхности. Другое важное достоинство данной технологии – это возможность дистанционных измерений (с расстояния нескольких десятков метров) {121} .

121

Фрейдин А. Я., Парфенов В. А. Трехмерное лазерное сканирование и его применение для съемки архитектурных сооружений и реставрации памятников // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 8. С. 44–49.

В том случае, когда необходимо фиксировать состояние объекта с полихромной поверхностью, например живопись на стене, можно объединить лазерное сканирование с цифровой фотограмметрической съемкой. Сочетание этих двух методов позволяет получать цветные ортофотопланы с очень высоким разрешением. При этом в отличие от обычных ортофотопланов (получаемых методом традиционной фотограмметрии) каждая точка цифрового изображения несет в себе информацию о ее геодезических координатах по трем измерениям {122} .

122

Войнаровский А. Е. Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки для фиксации и обмеров памятников архитектуры // Реликвия (Реставрация. Консервация. Музеи). 2009. № 21. С. 58–61.

См. также зарубежные работы: Remondino F., Guarnieri A., Vettore A. 3D modelling of closerange objects: Photogrametry or laser scanning? // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5665. P. 216–225; Kadobaya shi R., Kochi N., Otani N., Fur ukawa R. Comparison and evaluation of laser scanning and photogrammetry and their combined use for digital recording of Cultural Heritage, Int. Arch. Of PRS&SIS. Instambul, Turkey, 2004. Vol. 35(5).

В последние годы технология лазерного 3D-сканирования находит все более широкое применение в области реставрации и воссоздания памятников культуры, а также для создания виртуальных экспозиций в музеях, то есть в тех случаях, когда требуются точные сведения о форме различных объектов, образуемой их внешней поверхностью, – памятников архитектуры, археологии, скульптуры и пр. {123} . Точна я фиксация рельефа поверхности объекта и его объемных форм посредством лазерного сканирования позволяет использовать этот метод, в частности, для экспертизы станковой живописи {124} , а также мониторинга состояния ее основы и красочного слоя {125} .

123

См. в статье А. Я. Фрейдина и В. А. Парфенова (прим. 1), а также в зарубежных работах: Beraldin J.-A., Blais F., Cournoyer L., Rioux M., Bernier F., Harrison N. Portable digital 3D imaging system for remote sites // Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems. 1998. Vol. 5. P. 488–493; Taylor J., Beraldin J. A.,Godin G., Cournoyer L., Rioux M., Domey J. NRC 3D Imaging technology for museum and heritage // Proceedings of The First International Workshop on 3D Virtual Heritage (October 2–3, 2002). Geneva; Canada, 2002. P. 70–75; Fontana R., Gambino M., Greco M., Pampaloni E., Pezzati L., Scopigno R. High-resolution 3D Digital Models of artworks // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 5146. P. 34–43.

В 2008 г. «Москомнаследие» заказал разработку методики для фиксации столичных объектов культурного наследия с использованием лазерного сканирования. Восстановление скульптуры В. И. Мухиной «Рабочий и колхозница» было проведено с использованием ее виртуальной копии, которая была изготовлена посредством той же технологии до разделения скульптуры и снятия ее с постамента.

124

Taylor J. et all. Указ. соч; Blais F., Taylor J., Cournoyer L., Picard M., Borgeat L., Godin G., Beraldin J.-A., Rioux M., Lahanier C. Ultra High-Resolution 3D Laser Color Imaging of paintings: the Mona Lisa by Leonardo da Vinci // The 7^th International Conference on Lasers in the conservation of artworks (Madrid, Spain. September 17–21). 2007.

125

Gabriele Guidi, Carlo Atzeni, Sara Lazzari. 3D optical scanning diagnostics for Leonardo Da Vinci «Adorazione dei Magi» conservation // 4^th International Conference on 3D Digital Imaging and Modeling (3DIM’03). Proceedings. 2003. P. 110.

В июне 2010 г. нами был проведен ряд экспериментов, целью которых была проверка принципиальной возможности использования технологии лазерного 3D-сканирования для решения задачи мониторинга состояния штукатурной основы настенных росписей и определения требуемых для этого технических характеристик лазерных сканеров.

В ходе экспериментов было проведено сканирование модельного образца росписи с характерными для древнерусских стенописей разрушениями штукатурной основы. В качестве модели стенописи служила копия фрагмента помпеянской фрески (II в. н. э.) на гипсовой основе, которая была разбита на несколько частей, а затем приклеена к листу оргалита таким образом, чтобы на ее поверхности появились трещины различной ширины (ил. 4). В правом верхнем углу «фрески» было смоделировано «вспучивание», имитирующее разрушение древнерусских стенописей в местах левкасных гвоздей.

В экспериментах по лазерному сканированию было использовано три сканера, отличающихся между собой по дальности и точности измерений: IMAGER 5006 (Zoller+Froehlich GmbH, Германия), MV224 (Metris, Бельгия) и ModelMakerD (Metris, Бельгия).

Среди указанных приборов наибольшую точность обеспечивает лазерный радар MV224, который может работать на дистанциях до 24 метров в диапазоне углов + 45 градусов (по вертикали) и 360 градусов – по горизонтали. При дальности 1 м погрешность измерений этого прибора составляет 10 мкм, но возрастает по мере увеличения расстояния (прирост – 2,5 мкм/м).

Сканер IMAGER 5006 позволяет работать на расстоянии до 79 метров от объекта, при этом точность сканера в зависимости от дальности изменяется в пределах от 0,4 мм (на расстоянии единиц метров) до 6,8 мм (на максимальной дальности 79 м). Кроме того, точность измерений зависит и от отражательных свойств объекта.

Что касается сканера ModelMakerD, то его точность сравнима с точностью радара, однако дальность действия ограничена расстоянием около 1 м.

Как показали эксперименты, применение лазерного сканирования действительно позволяет решать задачу мониторинга стенописей. Все три использованных в работе сканера зафиксировали имеющиеся на поверхности фрески трещины и рельеф поверхности. В качестве примера на рис. 5 приведена так называемая матрица высот поверхности фрески, полученная с помощью сканера IMAGER 5006 и специальной программы ScanIMAGER (разработка компании «Фотограмметрия»). На данном изображении различные цветовые оттенки характеризуют различия в высоте рельефа поверхности. На рис. 6 можно видеть облако точек, полученное в результате сканирования росписи сканером ModelMakerD. На нем отчетливо «читаются» трещины основы.

При достаточной точности проведения измерений, надежности реперных точек и наличии соответствующих методов компьютерной обработки, полученных в разное время виртуальных 3D-моделей росписей можно выявить динамику разрушений, в частности изменения с течением времени ширины и длины трещин штукатурной основы, фиксировать появление новых трещин, а также изменения рельефа поверхности красочного слоя (например, вспучивание основы над левкасными гвоздями).

В то же время остается пока открытым вопрос о том, каковы могут быть минимальные величины изменений красочного слоя и основы (например, ширины трещин), которые возможно зафиксировать с помощью лазерных сканеров при дальности измерений 15–25 м. Как показал первый опыт работы с лазерным радаром MV224, потенциально наиболее пригодным для измерений в указанном диапазоне расстояний от объекта, использование этого прибора для контроля тонких (шириной до 1 мм) трещин, образовавшихся на поверхности живописи, требует очень тщательного подбора его рабочих параметров. Во время короткого 1-дневного эксперимента (именно на такое время мы смогли получить доступ к этому сканеру) провести такую работу не представлялось возможным. Полученные с использованием этого высокоточного радара результаты можно охарактеризовать как неоднозначные, поскольку в полной мере интерпретировать их нам пока не удалось.