К. И. Маслов, В. А. Парфенов, Ф. В. Гузанов. Мониторинг фресок с использованием трехмерного лазерного сканирования. Предварительные результаты

К. И. Маслов, В. А. Парфенов, Ф. В. Гузанов. Мониторинг фресок с использованием трехмерного лазерного сканирования. Предварительные результаты

В соответствии с «Инструкцией по ведению работ на произведениях монументальной живописи» 1987 г. для характеристики состояния настенных росписей используются фотографии и схемы – картограммы живописи, на которых указываются условными обозначениями различные разрушения – разрушения и утраты красочного слоя, трещины и отставания штукатурной основы и т. д.{119}. Метод фиксации состояния стенописи посредством схем-картограмм с соответствующим набором условных обозначений видов разрушений был детально разработан в 1970-х гг. на основе многолетнего опыта реставрационных работ А. П. Некрасовым и Л. П. Балыгиной{120}.

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}.

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}.

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}.

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.

Вместе с тем, проведенные эксперименты достаточно ясно показали перспективность использования лазерного сканирования для мониторинга стенописей, и у авторов статьи нет сомнений в том, что разработка соответствующей методики мониторинга будет успешна.

В заключение выражаем благодарность специалистам научно-производственных компаний «Фотограмметрия» и «Нева Технолоджи» за полезные консультации и помощь в проведенных исследованиях.