Как сейчас оцифровывают предметы искусства

Мы привыкли видеть в музеях реальные объекты ― картины, скульптуры и другие экспонаты. Между тем, в последние годы предметы искусства активно переходят в цифру: в России есть как минимум два музея, которые создали полный цифровой двойник своих коллекций, — это Дарвиновский и Пушкинский музеи в Москве. Цифровые копии музейных экспонатов уже становятся основами мультимедийных экспозиций и виртуальных туров, комплексных интерактивных решений и других современных продуктов.

Сегодня 3D-модели предметов искусства создают с помощью цифровых методов: фото- и видеосъемки. Но такие способы не позволяют регистрировать точные трехмерные изображения, поскольку не содержат информацию о фазе волны. Фотосъемка не позволяет зафиксировать распределение угла, под которым можно рассматривать объект, поэтому изображение получается плоским и двумерным. Из-за этого, если объект будет утрачен, воссоздать его точную трехмерную копию на основе фотографий будет непросто.

Что придумали в ИТМО

Ученые ИТМО из Лаборатории цифровой и изобразительной голографии предложили решить эту задачу с помощью аналоговой голографии. Технология позволяет записывать объемное голографическое изображение, на основе которого можно создать цифровую трехмерную модель объекта. Раньше этот метод не использовали для оцифровки объектов — как правило, аналоговую голографию применяют исключительно в изобразительных целях — для демонстрации голограмм объектов в музеях и на выставках. При этом, в отличие от других способов, голография позволяет сохранить полную информацию о реальном физическом объекте: размер, положение объекта относительно окружающей его сцены, цвет, шероховатость поверхности.

Также высокоразрешающие светочувствительные среды, на которые записываются голограммы, по сравнению со многими цифровыми носителями, обладают большей информационной емкостью. Например, этот метод позволяет записывать на площади, которую занимает один пиксель цифровой камеры, на порядок больше информации, чем матричные фотодетекторы.

Чтобы создать максимально реалистичную 3D-модель объекта, исследователи задействовали фотограмметрию — это техника, которая позволяет определять размеры, положение, форму и другие визуальные характеристики объектов по их фотографиям.

Метод работает так: изобразительная аналоговая голограмма устанавливается в оправу подходящего формата и освещается для восстановления голографического изображения. Ракурсы изображения регистрируются на цифровую камеру, которая двигается относительно голограммы. Полученные цифровые фотографии обрабатываются в фотограмметрическом программном обеспечении, и на их основе создается трехмерная модель объекта.

Преимущество метода в том, что он позволяет создавать 3D-модели объектов на основе их голограммы даже в том случае, когда самого предмета уже нет. То есть если какой-то музейный экспонат будет утрачен, но сохранится его голограмма, ученые все равно смогут создать его трехмерную модель. Это возможно благодаря тому, что голографическое изображение идентично физическому объекту, и его можно наблюдать с разных ракурсов.

Кроме того, сама технология перевода объемного голографического изображения в цифровой формат очень простая. Для этого нужен минимум инструментов — цифровая камера и фотограмметрическое программное обеспечение, которое есть на рынке в большом количестве.

Разработанный метод позволяет сохранить информацию об объекте дополнительно уже в цифровом формате: точно передать его размер, положение объекта относительно окружающей его сцены, цвет и шероховатость поверхности. Также появляется возможность проводить различные измерения объекта. Кроме того, предложенный подход позволяет преобразовывать информацию с большего количества видов классических голограмм ― в том числе отражательных и пропускающих голограмм, а также аналоговых голографических стереограмм.

Благодаря этому один подход можно использовать для разных задач: в археологии (отражательные типы голограмм), для фиксации живых движущихся объектов (животных, людей) (пропускающие голограммы), создания компьютерных 3D-моделей (аналоговые стереограммы). В то время как другие методы регистрации изображения с помощью голографии обычно работают только с конкретными типами голограмм или в специально ограниченных условиях (голографическая топометрия и метод Holographics, сочетающий в себе аналоговую голографию с компьютерной графикой) — это значительно сужает сферу их применения.

Что дальше

На основе предложенного метода исследователи вместе со специалистами Института культуры с 2019 года уже создали несколько аналоговых голограмм объектов с археологических раскопок — в основном, керамических предметов. В дальнейшем ученые планируют создать на основе полученных голограмм трехмерные модели, которые могут быть полезны реставраторам.

Сейчас исследователи также записывают голограммы черепа австралопитека, распечатанного на 3D-принтере по цифровой трехмерной модели. Из этих голограмм можно будет создать музейный экспонат и демонстрировать его в музеях.

«Результаты нашей работы актуальны для археологии, музейной сферы, преподавания. В частности, цифровая модель голографического изображения, полученная с помощью предложенного метода, поможет в будущем создавать точную копию объекта. Например, это будет полезно при реставрации исторических объектов, когда предмет или его фрагмент можно будет запечатлеть на голограмме до и после реставрации и сохранить его в виде трехмерной модели. Кроме того, голограмму музейных экспонатов можно будет демонстрировать в других музеях вместо того, чтобы перевозить сам объект», — рассказала сотрудница Лаборатории цифровой и изобразительной голографии, одна из авторов исследования Екатерина Рабош.

Статьи (I и II): Ekaterina Rabosh, Nikolay Balbekin, Anastasia Timoshenkova, Tatiana Shlykova, Nikolay Petrov (Journal of the Optical Society of America A, 2023).