На вершине горы Баба-Кая, возле деревни Хаджи-сала, Бахчисарайского района, находится крепость Мангуп, которая является самой большой средневековой крепостью Юго-Западного горного Крыма.
Первые археологические раскопки здесь были проведены А.С. Уваровым в 1853 гг. и с тех пор обследования продолжаются. И хотя самые древние находки Мангупа датируются эпохой неолита, активное заселение начинается с III века н. э., а во второй половине VI в., в конце правления Юстиниана I, на плато строится мощная крепость, в центре которой возводится величественная христианская базилика. В 80-х годах VIII века крепость ненадолго переходит к хазарам, потом, в начале IX века, возвращается под власть Византии. К концу XIV века поселение подвергается разорению со стороны Тамерлана и приходит в упадок, но в первой четверти XV века вновь достигает расцвета. В 1475 году Мангуп захватывают турки-османы, вследствие чего поселение вновь приходит в упадок и его покидает христианская община, вероятно к концу XVI века. Турецкий гарнизон, татары и караимы оставались в крепости до конца XVIII века.
Предметом нашего изучения являются средневековые христианские пещерные церкви и, в частности, пещерная церковь Северного монастыря Мангупа. Церковь и весь монастырь расположены с тыльной стороны укрепленной линии обороны и примыкают к западному склону мыса Чуфут-Чуарган-бурун.
Схематичный план церкви был опубликован А. Поповым в 1888 г., расчистку комплекса производила экспедиция Р. Лепера в 1912 году. В 1975 году экспедиция Симферопольского госуниверситета произвела раскопки и обмеры помещений комплекса.
Пещерный храм Северного монастыря расположен у подножия скалы, вход с юга на высоте 1,1 м от современной дневной поверхности. Сейчас дверной проем почти полностью разрушен с восточной стороны, однако на внешней стороне скалы с западной стороны сохранился паз для двери. Западная стена обрушилась, остался только юго-западный угол храма, служащий опорой для свода церкви. Возможно, в западной части, ближе к погребениям, располагалось окно, на что может намекать как бы подоконник в этой части пролома.
Основная часть храма почти квадратная в плане, рис. 1 (2,9 × 2,86 м), однако апсида храма вытянута вдоль оси запад-восток и имеет длину 1,7 м при такой же ширине. В апсиде имеется очень низкий, до 0,2 м, синтрон. В центре синтрона вырублено престольное углубление прямоугольной формы, его размеры – 0,6 × 0,4 м, глубина – 0,2 м. Слева от апсиды, в северо-восточном углу расположена ниша, в 1 м от пола и шириной 0,4 м. Также имеются отверстия и пазы перед алтарной апсидой для крепления алтарной преграды и эпистилия.
Рисунок 1. План пещерного храма
В северной стене устроена аркосолия, закрывающаяся, судя по пазам, вертикально стоящей плитой. Над ней, до недавнего времени, читалась надпись, запечатленная сотрудниками экспедиции 1975 года. Перед аркосолией – две гробницы, вырубленные в полу. У одной из гробниц имеются пазы для установки надгробной плиты.
На основе личной фотосъемки, сделанной в мае 2023 года, нами была построена высокоточная фотограмметрическая модель в программе Agisoft Metashape 2.0.1 (ранее известной как Agisoft PhotoScan), наиболее актуальной версии на сегодняшний момент. Стоит сразу оговориться, что Agisoft Metashape не единственное приложение, способное строить трехмерные модели на основе фотосъемки, то есть пригодное для выполнения фотограмметрической обработки археологических объектов. Для этих же целей можно использовать Reality Capture и AliceVision Meshroom, однако, здесь речь пойдет о сравнении результатов применения определенного алгоритма, специфичного именно для Metashape версии 1.8 и новее.
Рассматривается два метода построения фотограмметрической 3D-модели, сделанной на основе одного и того же набора фотографий, снятых в экспресс-режиме. Условия съемки были следующие: солнечная погода, ветер порывистый, на сцене размещено порядка 20 штук 12-битных маркеров. Съемка велась на фотоаппарат Canon EOS R со стандартным объективом в автоматическом режиме. Время съемки – всего 10 мин, вместе с размещением маркеров. Полученный набор данных состоит из 119 фотографий. Несмотря на то, что маркеры были размещены на всех поверхностях снимаемой сцены, в силу погодных условий некоторые из них были смяты или смещены во время съемки. Это послужило причиной появления некоторых дефектов, исправление которых будет рассмотрено в этой работе.
В программе Metashape построение фотограмметрических 3D-моделей выполняется в несколько последовательных этапов. Для управления обработкой служит одноименное меню, где все команды, запускающие нужные этапы, расположены в порядке, предпочтительном для получения наилучшего результата. Первым этапом, после загрузки исходных фотографий в проект, является наиболее сложный и в то же время наиболее важный этап – “выравнивание фотографий”.
Именно на этом этапе снимки, являющиеся по сути двухмерными изображениями, позиционируются в трехмерном пространстве относительно друг друга. Происходит это путем поиска на них схожих точек, а затем измерения расстояния между ними в полученном трехмерном пространстве. Чем больше таких точек будет найдено, тем выше вероятность того, что фото были отпозиционированы верно, но тем выше время обработки набора данных. Поскольку помещение рассматриваемого храма достаточно тесное, в настройках запуска “выравнивания фотографий” были установлены лимиты: “макс. количество (парных) точек” – 60 000, и “макс. количество проекций” – 6 000. Проекции – это пары сходных точек, между которыми программа сможет провести линию с высокой вероятностью (предположительно, более 70%).
Помимо максимального количества точек и проекций в настройках “выравнивания фотографий” важно выбрать тип “преселекции по привязке.” Этот параметр может принимать три состояния: “исходные значения”, “расчетные значения” и “порядок кадров”. Здесь и далее рассматривается сравнение применений исходной и расчетной преселекций. Преселекция по порядку кадров здесь не рассматривается, так как она применима только для выравнивания снимков, сделанных четко вдоль траектории равномерно движущегося оператора, например, кадров из видео.
Результатом выполнения операций “выравнивания снимков” является создание так называемых “связующих точек”, выраженных в виде трехмерного разряженного облака точек и “карт глубины”, представленных новым двухмерным слоем поверх снимков в проекте Metashape. Эти “карты” содержат цветовое представление расстояния каждой точки фотографии от объектива фотоаппарата до снимаемой поверхности, вычисленное программой в процессе обработки первого этапа. Оба полученных набора данных служат опорными точками при дальнейшей трехмерной обработке будущей модели, начиная от построения плотного облака точек с расчетом цвета вершин до построения оптимизированного мэша (полигональной 3D-модели) с микрогеометрией в виде карты нормалей.
Итак, настройки, заданные на этапе “выравнивания снимков”, имеют критическое влияние на получаемый результат, то есть на качество получаемой 3D-модели и ее достоверность. В результате применения алгоритма исходной преселекции и ранее упомянутых лимитов, получаем два результата: выравнивание всего 52 снимков из 119, а также модель алтарной апсиды и полуразрушенной южной стены храма. Выделив все не выравненные фотографии в отдельный “блок”, проводим выравнивание с теми же параметрами и получаем модель уцелевшей северной и поврежденной западной стены. Выполнив визуальное сопоставление обоих блоков, объединяем их, получив 3D-модель пещерного храма с 90% уровнем достоверности, а благодаря автоматическому измерению расстояний между маркерами (рис. 2), масштаб равный реальному.
Рисунок 2. 12-битные маркеры в алтаре храма
Применив алгоритм расчетной преселекции на этапе “выравнивания снимков”, получаем выравнивание 111 из 119 фотографий, однако полученная модель демонстрирует ряд дефектов. Из-за низкой достоверности сопоставления некоторых фотографий и смещения ветром маркеров во время съемки, часть северной стены оказывается смещенной в центр храма и повернутой на 30–45 градусов относительно противоположной стены вдоль оси запад-восток. Однако алтарная апсида, фрагменты окна и вход в храм рис. 3 читаются лучше, чем на первом этапе выравнивания снимков по исходной преселекции.
Рисунок 3. Уцелевший вход в пещерный храм
Рассмотрев две 3D-модели, полученные с помощью двух типов преселекции рис. 4, можно сделать вывод, что использование исходной преселекции предпочтительнее, когда имеется достаточно времени и вычислительных мощностей для построения 3D-модели высокой степени достоверности. В случае, когда требуется провести измерения или исследование отдельных частей здания или помещения, ограничены вычислительные ресурсы или время на обработку, а также приемлемо снижение достоверности до 50%, более оптимально будет использование алгоритма расчетной преселекции.
Рисунок 4. Сравнение результирующих 3D-моделей, полученных после применения двух видов преселекций:
слева – расчётной, справа – исходной.
Оба вида полученных фотограмметрических 3D-моделей могут быть затем экспортированы из Metashape в транспортный двоичных формат FBX или GLB, затем импортированы в любой 3D-редактор, например, Blender. Внутри 3D-редактора полученные модели могут быть доработаны путем устранения дефектов с помощью комбинации применения инструментов скульптинга и коррекции текстур. Такие модели можно “отснять” виртуальной камерой в виде видео или изображений, а также использовать их разрезы в любой необходимой плоскости в качестве высокоточных археологических чертежей.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: А.Д. Карнаушенко, Л.К. Казеннова, Э.Н. Карнаушенко.
Опубликовано в сборнике «Византийская история и археология Северного Причерноморья. Тезисы докладов VII Всероссийской летней историко-археологической школы по византиноведению, Крым, Бахчисарайский район, с. Ходжа-Сала, 24–28 июля 2023 г.», с. 57–64.