Археологія
Завдання структуризації археологічних даних з метою пошуку та аналізу інформації існувала з моменту появи археології як науки. Паперові каталоги на певному етапі змінилися електронними базами даних. СКБД дозволили оперувати великими обсягами інформації, вести пошук і сортувати дані по великій кількості критеріїв. Це, в свою чергу, призвело до створення баз даних різного профілю: з'явилися адміністративні та дослідні регістри пам'ятників, музейні каталоги, бази даних по розкопках (знахідки з атрибутами, взаємне розташування в шарах і т.д.), бази по речовому матеріалу, написів, результатами аналізів, бібліографічним і бібліотечних каталогів і т.д.
Прив'язка археологічних даних до місцевості стимулювала широке залучення геоінформаційних систем (ГІС). По суті справи, ГІС - це автоматизована система обробки просторово-часових даних, основою інтеграції яких служить географічна інформація. За структурою ГІС є СКБД, що має географічну прив'язку даних до певної точки на місцевості і вбудовану систему просторового аналізу. За допомогою ГІС можна створювати археологічні інформаційні системи окремих географічних регіонів, планів розкопок археологічних пам'яток, вивчати стародавні карти і т.д.
Використання ГІС дає можливість не тільки фіксувати просторове розташування археологічних знахідок, а й прогнозувати місцезнаходження пам'ятників на ще не досліджених територіях, грунтуючись на тенденції їх поширення. Наприклад, карта знаходження артефактів дозволяє скласти схему розташування поселень.
Цікавим прикладом використання ГІС в археології є реконструкція зміни ландшафту на основі стародавніх карт. Для цього карти скануються, оцифровуються, переводяться в векторний формат і накладаються на сучасні цифрові карти. Після ідентифікації певних об'єктів, присутніх на картах, здійснюється прив'язка старої карти до нової. Аналіз суміщених карт дозволяє інтерпретувати зміни ландшафту з плином часу. Структура поселень на стародавніх картах часто корелює зі структурою поселень на картах часів раннього середньовіччя. Це означає, що можна отримати карту поширення древніх поселень без проведення археологічних розкопок.
Як приклад можна привести роботи шведських археологів. У Швеції збереглася унікальна колекція карт починаючи з XV-XVI століть, що охоплюють великі площі країни. На малюнку показані відсканована карта XVIII століття з древніми поселеннями, полями і луками і сучасна економічна карта з накладенням зображення старої карти.
Експертні системи в археологічних дослідженнях
Вельми перспективним напрямком застосування комп'ютерів в археології є використання різного роду експертних систем при аналізі археологічної інформації. Більшість таких систем призначений для встановлення типу артефакту або матеріалу. Як приклад наведемо вельми цікавий проект «Нумізматика і комп'ютерні методи». Мета даного проекту - створення програмного забезпечення для аналізу давніх монет. Основне призначення розроблених програм полягає в класифікації великих партій монет для виділення найбільш цікавих експонатів по ряду критеріїв (раритет, зображення історичних особистостей і т.п.). У роботі над проектом брали участь археологи і фахівці в області комп'ютерних методів розпізнавання образів. Основне завдання полягала в ідентифікації монет на основі розпізнавання елементів зображення на монеті.
Принцип роботи системи ілюструють зображення внизу. Перша стадія обробки полягає в використанні звичайних фільтрів, які дозволяють виділити характерний елемент візерунка на монеті. Після цього застосовуються алгоритми розпізнавання елементів візерунка, що дають можливість виділити окремі зони (примітиви), які можуть ставитися до зображень певних об'єктів. Такими примітивами на монеті можуть бути текст, діадема, колеса, коні. Ідентифікація відбувається на базі порівняння зображення з елементом бази даних відомих примітивів.
Система комп'ютерного розпізнавання поєднана з експертною системою, яка дозволяє аналізувати знайдені примітиви. Наприклад, у наведеному прикладі легко розпізнається діадема дозволяє зробити висновок про те, що на монеті зображений портрет короля. Отже, далі необхідно розпізнати елементи особи (очі, ніс, рот і т.п.). Той факт, що на монеті зображений король, підказує програмою, що в тексті з великим ступенем ймовірності слід розпізнавати ім'я короля (на цій стадії підключається база даних імен королів). На іншій стороні монети система легко прочитує профіль коні і колеса. На базі зазначених елементів експертна система з великою ймовірністю робить висновок про те, що на монеті зображена колісниця. Потім може йти пошук монет з бази даних, на яких є подібне зображення колісниці, і т.д
CAПР в археології
Звичною для нас областю використання CAПР є розробка нових виробів, проте з таким же успіхом CAПР-програми можуть застосовуватися для реконструкції археологічних об'єктів, наприклад стародавніх споруд. У археологів великою популярністю користується AutoCAD, а також програми MicroStation, AutoCAD Map, Easy CAD і багато інших. Основний спосіб застосування подібних програм археологами - підготовка польових креслень і тривимірні реконструкції розкопок, поховальних споруд і поселень, а також архітектурних пам'ятників і археологічних знахідок
До недавнього часу більшість найважливіших архітектурних ансамблів минулого документировалось у вигляді фотографій і креслень ортогональних проекцій збережених структур, причому в цій інформації було багато нестиковок і помилок. Сьогодні 3D-реконструкція дозволяє якісно змінити картину документування стародавніх архітектурних споруд.
Коли ви будуєте 3D-модель, будь-яка нестиковка відразу виявляється очевидною. У разі відтворення архітектурних ансамблів минулого CAПР використовується для того, щоб уявити, як могла виглядати колись існувала структура, і щоб в неї точно вписувалися всі елементи, що дійшли до наших днів. При цьому CAПР-моделі можуть виходити не тільки з геометричних побудов, а й з умов міцності, стійкості і т.п
Крім того, тривимірні моделі можуть відображати як архітектурні споруди, так і інші археологічні об'єкти, доступ до яких обмежений насамперед для уникнення їх псування або руйнування.
Потужні обчислювальні можливості сучасних комп'ютерів привели до появи нової наукової дисципліни - віртуальної археології.
Маючи набір тривимірних моделей пам'ятників старовини, їх можна об'єднати у віртуальну модель і помістити спостерігача в цей віртуальний археологічний експонат. Така модель може бути інтерактивною, тобто вона дозволяє спостерігачеві здійснювати навігацію в віртуальному просторі, оглядаючи колись існували архітектурні ансамблі і цілі стародавні міста.
При цьому вся асоційована інформація (археологічні, історичні та архітектурні дані, відомості про культуру) доступна по клацанню миші. Користувачам надається унікальна можливість побачити архітектурний ансамбль в тому вигляді, як він виглядав в минулому, і тут же переключитися на модель сучасного стану того ж архітектурного комплексу.
Протягом багатьох років засобами польовий археології збиралися дані про колись існували містах. Стародавні споруди, як правило, збереглися у вигляді обвалених стін, зруйнованих війнами, пожежами, стихійними лихами. І тільки з появою потужних комп'ютерів образи минулих епох стали відтворюватися віртуальними коштами в колишню розкіш. Крім того, впровадження технології віртуальної реальності зблизило археологію з індустріями навчання і розваг.
Поступово стає здійсненним мрія археологів відтворити все, що коли-небудь було побудовано нашими предками: Стоунхендж, Колізей, Помпеї, афінський Акрополь ... Багато проектів вже здійснені. Різними колективами виконано вже досить багато реконструкцій. В якості віртуальної моделі можна побачити Колізей часів династії Флавіїв (80-і роки н.е.), відвідати віртуальну модель базиліки Сан-Франческо в Ассізі, дізнатися, як виглядав Чатал-Хойюк - найдавніше місто світу, який колись існував на півдні Центральної Туреччини. Англійський археолог Джеймс Меллаарт розкопав його в 1950-1960-х роках. «З тих пір як був виявлений Чатал-Хойюк, ми дізналися, що одна з перших відомих нам міських культур виникла на три тисячі років раніше, ніж ми припускали, причому виникла не на берегах Євфрату і Тигра, не в Єгипті, а в Анатолії, настільки пустельній в наші дні », - пише німецький археолог Генріх Клотц.
Віртуальна реконструкція Фатепур-Сікрі
Одним з найбільш яскравих прикладів віртуальної реконструкції древнього міста є проект з відтворення стародавнього індійського палацового комплексу Фатепур-Сікрі (Fatehpur Sikri), про який варто розповісти докладніше. Проект був здійснений за участю департаменту САПР і графіки (CAD and Graphics Department) Національного центру програмних технологій (National Center for Software Technology) (Бомбей, Індія).
Робота проводилася в кілька етапів. Спочатку був зібраний археологічний матеріал, який давав велику інформацію: детальні плани різних секцій споруд, фотографії, археологічні дослідження і т.п. При використанні ортогональних проекцій (рисунок знизу) виявилося, що більшість планів не стикуються між собою, що креслення виконані в різних масштабах з помилками, а висота багатьох об'єктів вказана невірно. Все нестиковки вивчалися за допомогою польових вимірів і перевірялися по фотографіях місцевості; частина інформації була уточнена на основі історичних архівів.
На наступному етапі необхідно було вибрати відповідне ПЗ для перекладу ортогональних проекцій в 3D-модель. Такою програмою стала AutoCAD, що дозволяє згодом легко експортувати дані в 3D Studio MAX. Дротяна модель експортувалася в 3D Studio MAX і оптимізувалася, тобто зайві полігони прибиралися. Важливим завданням в даному проекті було визначення оптимального співвідношення між потужністю комп'ютерів і подробицями моделі.
Текстури готувалися на базі збережених фотографій. Дані зовнішнього та внутрішнього освітлення моделювалися програмно. Текстури виявилися найбільш важливою і складною частиною проекту, оскільки саме вони надавали віртуальному місту реалістичність. Багато візерунків відтворювалися вручну за збереженими уламків, реставрувалися і ретушувалися художниками.
Підсумкові параметри моделі були дуже вражаючими: приблизно 600 тис. трикутників і близько 440 Мбайт текстур.
У роботі над проектом брали участь кілька робочих груп:
• група археологів - збір археологічної, історичної та культурної інформації;
• група моделювання - переклад двовимірних даних в 3D-модель, оптимізація дротяної моделі, моделювання освітлення і т.п .;
• група художників - підготовка текстур і їх ретушування;
• група аніматорів - підготовка віртуального туру по архітектурному комплексу (walkthrough-двіжка1);
• програмісти - підготовка walkthrough-движка для ПК;
• фахівці по звуку - редагування і синхронізація національної музики, що супроводжує віртуальний тур;
• дизайнери - підготовка призначеного для користувача інтерфейсу.
У проекті були використані програмні продукти:
• AutoCAD - для перекладу 2D-даних в 3D-модель;
• 3D Studio MAX - для накладення текстур, імітації освітлення;
• Adobe Photoshop - цифрове ретушування текстур;
• Adobe Premiere - редагування аудіо- та відеоматеріалів;
• Sound Forge - редагування аудіо;
• Visual C ++ - розробка walkthrough-движка.
Результати роботи представлені на малюнку знизу.
Висновки
Слід зазначити, що ми торкнулися лише деяких аспектів застосування комп'ютерів в археології, залишивши за рамками статті цілий ряд тем. Наприклад, існує таке цікаве напрямок, як системне моделювання: вчені намагаються вирішити археологічні проблеми, задаючи певні правила, обмеження, вхідні та вихідні ресурси, і зрозуміти, як відбувалися такі складні процеси, як, наприклад, колонізація Америки або загибель цивілізації майя. Чи не обходяться без комп'ютеризованої техніки і сучасні польові дослідження, під час яких застосовуються GPS-системи, електронні теодоліти, цифрові камери та інші прилади.
Лабораторне обладнання археолога в даний час включає комп'ютерні системи відеозахвату і аналізу зображень. Цінні археологічні дані дає комп'ютерна обробка зображень аерофотозйомки і супутникових даних, і цей перелік ще можна продовжувати.