3D ДОКУМЕНТ — НОВЫЙ ТИП НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

Автор: А.В. ЛЕОНОВ, Ю.М. БАТУРИН | 08 Февраля 2014

А.В. ЛЕОНОВ, Ю.М. БАТУРИН

3D ДОКУМЕНТ — НОВЫЙ ТИП НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

Leonov A.V., Baturin Yu.M. 3d document - the new type of the scientific and technical documentation

Аннотация / Annotation

В статье рассматриваются особенности 3D документа — особо организованной информации, предназначенной для представления пользователю трехмерного (пространственного) визуального образа (3D модели) объекта или процесса, а также разнообразной дополнительной информации на основе этого визуального образа. В статье рассматривается структура 3D документов, обсуждается их отображение и восприятие, а также приводятся примеры 3D документов и основанных на них информационных систем.

3D document is specially organized information that is intended for presentation of a three-dimensional (spatial) visual image (3D model) of an object or a process to a user, as well as for presentation of different additional information on the basis of this image. The article describes structure of 3D documents, discusses their presentation and perception, and presents examples of 3D documents and information systems based on them.

Ключевые слова / Keywords

Архивный документ, современный документооборот, 3D документ, 3D моделирование, виртуальное наследие. Archival document, modern documents circulation, 3D document, 3D modeling, virtual heritage.

БАТУРИН Юрий Михайлович – директор Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, член-корреспондент РАН, г. Москва; 8-495-988-22-80; Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

ЛЕОНОВ Андрей Владимирович – руководитель Центра виртуальной истории науки и техники Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, кандидат физико-математических наук, г. Москва; 8-495-988-22-80; Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Законодательство Российской Федерации определяет документ как информацию, зафиксированную на материальном носителе, с реквизитами, которые позволяют ее идентифицировать . Это определение выделяет два аспекта документа: технический и организационный. С технической точки зрения, документ тоже имеет двойственную природу — во-первых, это информация, зафиксированная на материальном носителе с достаточно большим временем жизни, чтобы обеспечить возможность ее длительного хранения и использования, во-вторых, документ является материальным объектом или системой таких объектов.

С организационной точки зрения, документ — это информация, снабженная реквизитами, то есть некоторым обязательным набором идентификаторов, который определяется законом или ГОСТом. Отметим, что объектом нормативно-правового регулирования являются системы документов, а не индивидуальные документы, поэтому в организационном смысле документ существует только как часть системы документов . Но и с технической точки зрения, каждый конкретный документ является системой формирующих его элементов, связей между ними, то есть обладает некоторой структурой. В данной статье речь пойдет о техническом аспекте документа.

Исторически, разнообразные способы фиксации информации на различных носителях использовались для сохранения текстов и рисунков. Принципиальный шаг вперед был сделан в XIX в. с изобретением фотографии, которая обеспечила возможность объективной фиксации изображения, полученного оптической системой, и фонографа, позволившего зафиксировать звук. Дальнейшее развитие техники в рамках этих идей привело к появлению киносъемки, которая по существу является динамической фотографией с синхронным звуком . Массовое использование фотографии, звукозаписи и киносъемки для сохранения информации привело к появлению понятий фото-, фоно- и кинодокументов.

Следующий важный переход произошел в конце XX в. с развитием общедоступной компьютерной техники. Одним из следствий «компьютерной революции» стало массовое создание, хранение и использование информации в цифровом электронном виде, что привело к появлению понятия электронного (цифрового) документа .

Сегодня мы являемся свидетелями очередного качественного продвижения: все шире применяются технологии фиксации информации об объектах в виде виртуальных (цифровых) 3D моделей . К таким технологиям относятся, прежде всего, лазерное сканирование, фотограмметрия, различные виды томографии, а также 3D моделирование. Виртуальная 3D модель сохраняет пространственные характеристики объекта (геометрию, текстуру, структуру и другие) в некоторой трехмерной системе координат, связанной с объектом. В этом состоит ее качественное отличие от фото- и киносъемки, сохраняющих двумерные изображения объекта.

Массовое создание и использование цифровых 3D моделей реальных объектов и процессов в качестве способа сохранения информации о них привело к появлению понятия 3D документа, которое употребляется в научной литературе, по меньшей мере, с 2007 г.

Важно подчеркнуть, что ни один из перечисленных способов фиксации информации об объектах не отменяет предыдущие, а дополняет их. Действительно, каждый из них имеет свои преимущества перед другими, но и свои недостатки. Поэтому на практике необходимо применять все доступные способы закрепления информации об объекте. В статье рассматривается структура 3D документов, обсуждается их отображение и восприятие, а также приводятся примеры 3D документов и основанных на них информационных систем.

Структура и отображение 3D документа. Информация о геометрии объекта может храниться в виде точечной или полигональной модели. Например, результатом лазерного сканирования является облако точек: текстовый файл, каждая строка которого определяет положение одной точки в пространстве (координаты x, y, z в некоторой системе координат) . Если с помощью компьютера изобразить эти точки одновременно в трехмерном пространстве, они «оконтурят» поверхность объекта, и зритель увидит на экране виртуальную точечную 3D модель объекта. Геометрическая точность такой модели может быть очень велика, составляя тысячные доли процента от размеров объекта. Точечная модель не обеспечивает фотореалистичной визуализации и не удобна для анализа, поэтому на ее основе могут строиться полигональные 3D модели, в том числе текстурированные, с сохранением геометрической точности или с разной степенью огрубления. В полигональной модели поверхность объекта задается набором многоугольников (полигонов), обычно треугольников.

Структура объекта может быть представлена как в виде геометрии составляющих его элементов, так и в виде непрерывного распределения некоторого параметра (например, плотности). В последнем случае для хранения информации может применяться трехмерная матрица значений, в каждой ячейке которой задано значение параметра.

Виртуальная 3D модель позволяет зафиксировать и сохранить качественно больший объем информации о пространственных характеристиках объекта, чем текстовое описание, рисунок (схема), фото- и киносъемка. Особенно ярко это преимущество проявляется для крупных объектов со сложной геометрией и пространственной структурой. Поэтому цифровые 3D модели находят все более широкое применение, в том числе, в задачах научно-технической документации.

Как и любой электронный документ, виртуальная 3D модель объекта может быть связана посредством взаимных ссылок с другими типами электронных документов — текстовыми, графическими, аудио- и видеофайлами, сохраненными в базах данных или файловых системах, в том числе на удаленных серверах, доступных через интернет. Под 3D документом часто понимается не только 3D модель объекта, но и весь комплекс данных, представленный на основе этой модели. Таким образом, можно сказать, что с технической точки зрения 3D документ — это особо организованная информация, предназначенная для представления пользователю трехмерного (пространственного) визуального образа (3D модели) объекта или процесса, а также разнообразной дополнительной информации на основе этого визуального образа .

Для отображения цифровой 3D модели объекта на экране компьютера и манипуляций с ней используется соответствующее программное обеспечение — как и для любых других электронных документов. Существуют стандартные форматы 3D моделей, просмотр которых поддерживается многими свободно доступными программными средствами. Развитый 3D документ, включающий в себя набор взаимосвязанных 3D моделей и связанную с ними дополнительную информацию, может требовать специализированного инструментария для просмотра. Однако такой 3D документ может быть интегрирован с инструментарием его просмотра в единое пользовательское приложение (программу, которую пользователь устанавливает на свой компьютер) или веб-приложение (для просмотра через браузер). Таким образом, использование 3D документов на сегодняшний день практически не ограничивается возможностями современных персональных компьютеров, и связано лишь с теми техническими и правовыми решениями, которые принимают их авторы (производители).

Правовой режим 3D документа. Правовой режим 3D документов в российском законодательстве на сегодняшний день не определен. Это тема отдельного исследования, отметим лишь, что развитый 3D документ может объединять элементы с разными правовыми режимами. В частности, интеллектуальные права на 3D модель, связанные с нею данные и программный инструментарий могут принадлежать частным лицам или организациям, как российским, так и зарубежным. Порядок использования таких моделей, данных и программного кода может определяться как общими условиями части IV Гражданского кодекса Российской Федерации (или соответствующим законодательством других стран), так и различными лицензионными договорами, в том числе допускающими свободное или относительно свободное использование (GNU GPL, Creative Commons и другие). Объединение столь разнородных элементов в едином продукте (например, пользовательском приложении) может существенно затруднять четкую формализацию его правового режима. Тем не менее, мы обозначаем здесь эту важную задачу, которую необходимо решать.

Восприятие 3D документа. Основная информация из рисунка ли, из фотографии, из чертежа или виртуальной модели поступает через зрение. Несколько огрубляя ситуацию, будем говорить, что глаз — это часть мозга, имеющая выход вне черепной коробки. Именно мозг создает (или воссоздает) внешний мир (объективную реальность) в виде некоторого представления о нем, причем отсутствующие или не увиденные детали, будут включены в это представление самим мозгом . То, что мы «видим» посредством сложной физики формирования визуального образа, далеко выходит за пределы оптических способностей наших глаз: световые узоры (паттерны) на сетчатке (детекторе света) мозг перерабатывает в представления об объектах .

Двумерный (2D) рисунок состоит из линий, мазков, цветовых пятен, но они дают мозгу представление об изображенном трехмерном (3D) объекте. Инженеры умеют «читать» чертежи и даже радиоэлектронные схемы, весьма далекие от внешнего образа объекта — результат работы мозга в чистом виде. Фотография, безусловно, дает более точную картину, чем схема или картина художника, но менее интересна. Для фотографии все детали равнозначны, художник же может что-то выделить, обратить внимание исследователя на ту или иную деталь. В кинодокументах двойное движение оптических систем — глаз и объектива — позволяет дать более адекватное представление о глубине пространства . Стереоскопическая киносъемка обеспечивает еще более реалистичное представление об объекте за счет фиксации двух различных изображений, соответствующих левому и правому глазам наблюдателя.

Формат 3D документа позволяет зафиксировать намного более полную информацию о геометрии, структуре и внешнем виде объекта, чем набор чертежей или фото/кинодокументов. Более того, 3D документ позволяет пользователю самостоятельно «исследовать» объект: рассматривать 3D модель в разных ракурсах, менять параметры отображения, изучать связанную с визуальным образом дополнительную информацию. 3D документ может отображаться на экране как в моно-, так и в стереорежиме.

Наибольший эффект «погружения» обеспечивается при интерактивном стереоскопическом режиме отображения, когда пользователь может свободно перемещаться в виртуальном пространстве модели и взаимодействовать с ней подобно взаимодействию с реальным объектом (технология «виртуальной реальности»). При создании и восприятии виртуальной модели зрительная система пользователя работает не с рисунками, чертежами, фотографиями, а с 3D моделью в виртуальном пространстве. Поэтому роль мускульных усилий, помогающих нам воспринимать третье измерение, возрастает по сравнению со зрительными ощущениями восприятия первого и второго измерения. При этом мускульные усилия глаз механически отличаются от усилий, привычных в реальном мире. Поэтому перед тем, как мы начинаем рассматривать 3D документ в стереорежиме, в течение нескольких десятков секунд (меньше минуты) требуется некоторая «настройка» глаз. Отметим, что характер искажений (модификаций), которые вносит мозг в восприятие виртуальных моделей при стереорежиме их отображения, пока не изучен .

Примеры 3D документов. В обзоре примеров 3D документов мы ограничимся направлением виртуального наследия (Virtual Heritage), наиболее тесно связанном с научно-технической документацией. Виртуальное наследие — это цифровые копии, модели памятников культуры и природных объектов. Идея виртуального наследия состоит в сохранении, фиксации информации об уникальных объектах, обеспечении широкого доступа к ней. 3D моделирование позволяет точно воспроизводить, а иногда и воссоздавать утраченные объекты и сохранять их для последующих поколений.

Первыми появились работы по виртуальному наследию в области скульптуры, архитектуры, археологии (виртуальные музеи и экскурсии, археологические и архитектурные реконструкции), затем по природному наследию (уникальные природные ландшафты, в том числе, находящиеся под угрозой необратимых изменений). Виртуальное наследие в области истории науки и техники, включая моделирование и виртуальную реконструкцию памятников техники — самая молодая область в этом ряду.

Направление виртуального наследия, 3D документирования уникальных рукотворных и природных объектов активно развивается в мире. Регулярно проводятся научные конференции по этой тематике , публикуются статьи в ведущих научных журналах . В фокусе внимания исследователей находится применение современных технологий (фотограмметрии, лазерного сканирования, томографии) для моделирования различных объектов, сравнение их эффективности, попытки применения созданных 3D моделей для научных задач (оценки состоянии объектов, численных расчетов), попытки создания информационных систем на основе коллекций 3D документов, развитие интерфейса таких систем.

Ряд отечественных разработок в этой сфере выполняется в Центре виртуальной истории науки и техники Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН (ИИЕТ РАН).

Виртуальная Шуховская башня. В качестве примера 3D документирования памятника техники можно привести проект по лазерному сканированию и 3D моделированию Шуховской башни на Шаболовке, выполненный в рамках развития Постоянно действующей выставки достижений РАН .

Радиобашня на Шаболовке, построенная в 1919—1922 гг. — всемирно известный памятник архитектуры русского авангарда. Сегодня ее чаще называют Шуховской башней, по имени ее создателя — выдающегося русского инженера В.Г. Шухова (1853—1939). В связи с 90-летним юбилеем башни в 2012 г. и 160-летним юбилеем В.Г. Шухова в 2013 г., в ИИЕТ РАН было принято решение о создании точной цифровой 3D модели башни.

Проектная и рабочая документация по башне практически не сохранилась, в Архиве РАН и РГАНТД находятся четыре разрозненных чертежа . В 1947 г. был выполнен подробный обмер конструкции башни . В последующих проектах 1973 и 1991 гг. основные геометрические размеры башни принимались в соответствии с обмером 1947 г. Эти сведения не отражают современного состояния башни: в частности, многие дополнительные элементы были установлены после 1947 г.

Для создания современной 3D модели башни в 2011 г. было выполнено ее лазерное сканирование, которое позволило зафиксировать геометрию конструкции с высокой точностью и пространственным разрешением. По облаку точек лазерного сканирования была построена полигональная 3D модель, точность которой составила около 1 см в единой системе координат (при высоте башни 160 м). Созданный 3D документ — виртуальная модель башни — сохраняет детальную информацию о шуховской гиперболоидной конструкции и обеспечивает доступ к этим данным для широкого круга исследователей.

Виртуальная Долина гейзеров. В качестве примера 3D документирования природного объекта можно привести проект «Виртуальная Долина гейзеров», выполненный при поддержке РФФИ (проект № 10-07-00407-а) .

Долина гейзеров, расположенная в Кроноцком заповеднике на Камчатке — уникальный природный объект, одно из крупнейших гейзерных полей мира. В 2007 г. здесь произошел катастрофический оползень, изменивший рельеф территории и уничтоживший часть гейзеров. После оползня было принято решение о создании виртуальной 3D модели Долины гейзеров для сохранения информации о ней.

В результате проекта была создана модель территории высокого разрешения, внедренная на виртуальный глобус; каталог объектов с информацией о них, включая стереокино; пользовательское приложение для просмотра виртуальной модели и связанной с ней информации, свободно доступное для научных и образовательных целей. Таким образом, информация об уникальном природном объекте была сохранена в виде набора 3D моделей и связанной с ними информационной системы, что можно рассматривать как пример развитого 3D документа.

Виртуальная Денисова пещера. В качестве примера 3D документирования археологического памятника можно привести проект «Виртуальная Денисова пещера», выполняемый в рамках развития Постоянно действующей выставки достижений РАН.

Денисова пещера на Алтае — выдающийся природный и археологический памятник мирового значения. Регулярные раскопки здесь ведутся с 1982 г., выявлено более 20 культурных слоев, собрано более 80 000 экспонатов. Находки, сделанные в Денисовой пещере в 2008 г., привели к открытию новой эволюционной ветви в развитии человека .

В 2012 г. был начат проект по созданию виртуальной 3D модели пещеры: выполнено лазерное сканирование пещеры, ведется создание текстурированной полигональной модели. Построенная 3D модель фиксирует геометрию пещеры с высокой точностью. Модель привязана к археологической системе координат, что обеспечивает возможность ее сопоставления с археологическими схемами и переноса в модель массива имеющихся данных. На основе этой 3D модели планируется представить основные результаты 30-летних систематических археологических исследований в пещере, включая 3D модели наиболее интересных находок и информацию о них.

3D моделирование все шире применяется для фиксации информации об объектах, их документирования. Развитие технологий лазерного сканирования, фотограмметрии, томографии дало в руки ученым, инженерам, медикам новые мощные инструменты сохранения информации об объектах исследования в формате цифровых 3D моделей. Эти технологии качественно отличаются от прежних способов документирования объектов (текст, рисунок, схема, фото- и киносъемка), существенно расширяют возможности сохранения и дальнейшего использования информации о пространственных характеристиках объекта. Таким образом, можно говорить о появлении нового типа научно-технической документации: 3D документа.

Эта тенденция ставит ряд вопросов по организации архивного хранения и публичного доступа к 3D документам, а также их правовому режиму. Своевременный ответ на эти вопросы – одна из актуальных задач современного документоведения и архивоведения.

Список литературы

Dieter W. Fellner, Dietmar Saupe, and Harald Krottmaier. Guest Editors' Introduction: 3D documents // IEEE Computer Graphics and Applications. 2007. Vol. 27. № 4.

Батурин Ю.М., Леонов А.В. 3D-документирование объектов истории науки и техники // Документ. Архив. История. Современность. Материалы IV Международной научно-практической конференции. Екатеринбург, 1-4 ноября 2012 г. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. С. 124—127.

Хакен Г., Хакен-Крелль М. Тайны восприятия. Синергетика как ключ к мозгу. М., Институт компьютерных исследований, 2002.

Грегори Р.Л. Разумный глаз. М.: УРСС, 2003.

Арнхейм Р. Искусство и визуальное восприятие. М.: «Прогресс», 1974.

Батурин Ю.М. Восприятие объектов в виртуальной истории науки и техники // XVIII годичная научная конференция, посвященная 80-летию ИИЕТ РАН: Москва, Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, 17–19 апреля 2012 г.: Труды конференции, Т. II. М.: Янус-К, 2012. С. 823—827.

The International Conference on Virtual Systems and Multimedia (VSMM), International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Cultural Heritage (VAST), 3D Virtual Reconstruction and Visualization of Complex Architectures (3D-ARCH).

Аникушкин М.Н., Иванов А.В., Леонов А.В. О первых результатах лазерного сканирования и 3D-моделирования Шуховской башни на Шаболовке // XVIII годичная научная конференция, посвященная 80-летию ИИЕТ РАН: Москва, Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, 17–19 апреля 2012 г.: Труды конференции, Т. II. М.: Янус-К, 2012. С. 820—823.

Алейников А.А., Бобков А.Е., Дрознин В.А., Ерёмченко Е.Н., Леонов А.В., Шпиленок Т.И. Интерактивное 3D-приложение «Виртуальная Долина гейзеров» // Компьютерные инструменты в образовании. 2011. № 4. С. 41—49.

Леонов А.В., Бобков А.Е., Ерёмченко Е.Н. 3D-документирование территории для систем виртуальной реальности // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2012. № 9. C. 13—17.

Леонов А.В. Использование данных ДЗЗ для создания «виртуального наследия» // Земля из космоса — наиболее эффективные решения. 2012. № 15. С. 55—61.

Johannes Krause, Qiaomei Fu, Jeffrey M. Good, Bence Viola, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, and Svante Pääbo. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia // Nature. № 464. P. 894—897 (8 April 2010).