Zabytki, megabajty, piksele, czyli o nowoczesnych technikach dokumentacyjnych
Przełom drugiego i trzeciego tysiąclecia to czas gwałtownego rozwoju technik pomiarowych i równie szybkiego tempa udoskonalania sposobów cyfrowej obróbki obrazu. To właśnie dzięki połączeniu innowacyjnych technik pomiarowych i fotograficznych rejestrowany obraz stał się częścią zwymiarowanej i zdefiniowanej przestrzeni. Tak oto metody wiernego zobrazowania przedmiotu badań i przypisania mu uniwersalnych atrybutów przestrzennych umożliwiły dokonanie daleko idących modyfikacji warsztatowych. Jeśli dodamy do tego nowe systemy bazodanowe łączące w spójną całość mapy, ilustracje i skodyfikowane informacje, to zakres dokonanych zmian śmiało można nazwać cyfrową rewolucją.
Od niemal ćwierćwiecza zauważalny jest coraz szybszy rozwój metodyki działań w wielu dziedzinach humanistycznych, w tym też tych związanych z szeroko pojętą ochroną dziedzictwa kulturowego. Zmiany te dotyczą nie tylko sfery badawczej i konserwatorskiej, ale także – a może przede wszystkim – sfery administracyjnej związanej z działaniami instytucji i osób zarządzających zasobami. Przyjrzyjmy się zatem głównym technikom, pamiętając o tym, że kierunki dalszego ich rozwoju wymykają się wyobraźni humanistów. Korzystamy bowiem z narzędzi, które tworzone są przez inżynierów i – w pierwszej kolejności – dla inżynierów. W związku z tym możliwość twórczego wykorzystania rezultatów ich pracy w dziedzinie ochrony dóbr kultury wymaga od nas nie tylko specjalistycznej wiedzy, ale też wyobraźni, wyczucia i przede wszystkim świadomości celu, w jakim techniki te mają być zastosowane.
Ustalając hierarchię pojęć związanych z aplikacją najnowszych technik dokumentacyjnych, na pierwszym miejscu należy wymienić precyzję pomiaru. To nie przypadek, że najważniejsze odkrycia ostatnich dekad dotyczą sprzętu i oprogramowania komputerowego wykorzystywanego głównie w geodezji. Dokładność zobrazowania obiektu, przestrzeni lub niewielkiej powierzchni oraz nadanie im cech obrazu skalibrowanego, wpisanego w osnowy lokalne lub przyporządkowane globalnym współrzędnym, czynią z pomiaru wartość pierwszoplanową. Precyzja pomiarowa staje się czynnikiem nadrzędnym, szczególnie dla obiektów szeroko płaszczyznowych. To ponadczasowy imperatyw oparty na obiektywnej, stałej wartości wspólnej wielu technikom. To wreszcie wartość referencyjna, do której odnieść się można zawsze i to z niemal każdego poziomu zaawansowania technicznego czy projektowego. Warto ten fakt podkreślić już na wstępie, ponieważ – co zdumiewa – dość często jest on niedoceniany.
Zabytki, megabajty, piksele
Na pierwszy plan innowacyjnych urządzeń wysuwa się skaner laserowy 3D. Instrumenty tego typu pojawiły się w katach 60. ubiegłego stulecia i w udoskonalonej formie rozpowszechniły się w końcowych latach 90. Ich działanie oparte jest na dwóch sposobach pomiaru odległości: pierwsze to przesunięcie fazowe, drugim jest pomiar czasu przelotu. Tak w jednym, jak i w drugim przypadku wysyłana jest wiązka laserowa, która odbija się od rejestrowanej powierzchni i powraca do urządzenia. W trakcie pracy obliczana jest odległość w przestrzeni trójwymiarowej oraz kąty: poziome i pionowe, które tworzą tzw. współrzędne biegunowe. przekształcane następnie na współrzędne w układzie kartezjańskim (x,y,z). Głowica skanera obraca się w poziomie o 360o rejestrując całą, dostępną przestrzeń lub obszar dowolnie wybrany. Skaner generuje obraz otoczenia, który przedstawiany jest w postaci tzw. chmury punktów. Jako że promień świetlny na swej drodze spotykać może przeszkody, w wyniku czego nie każda płaszczyzna może być zadokumentowana z jednego położenia skanera, dla pełnego zmierzenia i trójwymiarowego zobrazowania dokumentowanej przestrzeni należy wykonać ich kilka (lub więcej). Łączy się je następnie w całość w dedykowanym do urządzenia oprogramowaniu.
Uzyskany obraz tworzony jest przez miliony punktów i jest precyzyjnym, trójwymiarowym modelem dokumentowanego obiektu (przestrzeni). W skanerach nowej generacji zainstalowane są aparaty cyfrowe, dzięki którym rejestrowany obraz zyskuje naturalne barwy (kolorowa chmura punktów). Każdy z tych milionów punktów opisany jest w pamięci komputera współrzędnymi, czyniąc z rejestracji zwymiarowany, cyfrowy model, którego precyzja liczona jest w milimetrach. To podstawowy rezultat pracy skanera, którego zakres dalszej obróbki zależy od oczekiwań i efektywności stosowanego oprogramowania. I tak na podstawie wykonanego skanu uzyskać możemy widoki całej bryły (przestrzeni) i jej dowolnie wybrane elementy. Mierzyć odległości, wartości kątowe, powierzchnie i kubaturę. Wygenerować można dowolną ilość przekroi i to w dowolnie wybranych miejscach. Dzięki tym możliwościom tworzyć można rysunki CAD w dwóch lub trzech wymiarach. Można wreszcie przedstawiać wynik skanowania w różnych formach, tworząc podstawę trójwymiarowych wizualizacji i eksportować efekt pracy w różnych formatach chmur punktów i CAD.
Zastosowanie skanera jest ogromne. I chociaż w ostatnim okresie popularność jego spadła na rzecz rozwijającej się fotogrametrii cyfrowej, to wartość skanów jako źródła referencyjnego jest niepodważalna. Na szczególna uwagę zasługuje szybkość dokonywanych rejestracji i precyzja pomiaru, nieosiągalne w żadnej z dotychczasowych technik. Tak więc wynik skanowania jest obecnie najlepszą formą dokumentacyjną na poziomie zbioru referencyjnego. Jest "zamrożonym" w czasie obrazem rejestrowanej przestrzeni. Precyzja pomiaru pozwala używać skany jako podstawy dla ocen stanu zachowania obiektów zabytkowych i zachodzących w czasie zmian - tak w warstwie zmian powierzchniowych jak i kątowych odchyleń. Jest idealnym modelem dla celów projektowych i produkcji duplikatów obiektów zabytkowych. Uniwersalny, w pełni obiektywny obraz uzyskany dzięki pracy skanera, tworzy wartość stanowiącą platformę pomiędzy wieloma dyscyplinami nauki, wpisując przy tym konserwację w krąg działań będących zwieńczeniem procesu badawczego. To ważna cecha, o której warto pamiętać.
Pozostając w świecie promieni należy wymienić technikę zdobywającą przebojem "rynek" badawczo-konserwatorski. Jest nim technika LIDAR (Light Detection and Ranging), potocznie określana jako lotniczy skaning laserowy. Rozwinięcie angielskojęzycznego skrótu oznacza wykrywanie i określanie położenia przy pomocy światła. Nie wdając się w opisy szczegółowe, należy wiedzieć, że urządzenie to jest połączeniem lasera z teleskopem, a sposób działania zbliżony jest zasadą do działania radaru. Technika różni się od niego tym, że zamiast impulsu dźwiękowego wysyłany jest promień świetlny. LIDAR jest obecnie najszybszym sposobem tworzenia map numerycznych terenu. Poprzez istniejące oprogramowanie dokonywana może być wszechstronna analiza jego topograficznych szczegółów, w tym także i tych niedostępnych dla innych form rejestracji napowietrznych, takich jak np. konfiguracja terenów zalesionych. Te cechy techniki sprawiły, że jest ona szczególnie popularna wśród archeologów. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że jest to kolejna technika pomiarowa, której efektem jest zwymiarowany, trójwymiarowy obraz, tworzony przez chmurę punktów i że jego treść tworzyć może szeroki kontekst przestrzenny dla interesujących nas zjawisk. Ponownie zatem to przestrzeń staje się czynnikiem poszerzającym pole obserwacji i tworzącym wiarygodna podstawę dla działań interdyscyplinarnych. Cechy te mogą być szczególnie przydatne przy pracach (administrowaniu) przestrzenią zabytkowych parków i ogrodów. Do niedawna dostęp do tej techniki był ograniczony, a to głównie z powodu ceny usługi. Obecnie większa część naszego kraju pokryta jest pomiarem LIDAR, dostępnym przez Internet. Poprzez portal http://www.cotgik.gov.pl, uzyskać można za niewielką opłatą mapę interesującego nas obszaru.
Pisząc o trójwymiarowym skanowaniu nie sposób nie wspomnieć o technice skanowaniu światłem strukturalnym. Jest to technika, która wykorzystuje efekt deformacji linii promienia światła oświetlającego powierzchnię dokumentowanego przedmiotu. Proste linie promieni ulegają zniekształceniu natrafiając na nieregularną płaszczyznę obiektu, co rejestrowane jest przez kamerę i analizowane w komputerze. W odróżnieniu od wymienionych juz technik, skanowanie światłem strukturalnym wykorzystywane jest do precyzyjnych rejestracji obiektów o małych i średnich gabarytach. Rozwój tej techniki doprowadził do wprowadzenia urządzeń dokonujących pomiary o precyzji mikronowej, co stało sie tematem aktualnej wciąż dyskusji o potrzebie wkraczania w świat precyzji trudnej do uchwycenia ludzkim okiem. Decyzję dotyczącą skali dokładności wykonywanej dokumentacji pozostawić należy osobom decydującym o formach gromadzonej i wykorzystywanej dokumentacji. Pamiętać jednak przy tym należy, że każdy produkt finalny powinien być funkcjonalny, a za wybór jego formy (w tym i dokładności) odpowiadać powinny osoby składające zamówienie.
Wspominając o technice skanowania światłem strukturalnym, dotknąłem zagadnienia stanowiącego kolejną, istotną cechę nowoczesnych technik dokumentacyjnych. Jest nią fotorealistyczna wierności obrazu, tego dwu i trójwymiarowego. W tym względzie na pierwszy plan wysuwają sie obecnie techniki oparte na wykorzystaniu właściwości zdjęć cyfrowych. Rozwijająca sie dynamicznie fotogrametria stała sie dziedziną nauki, zajmującą się przetwarzaniem obrazu fotograficznego, czego efektem jest określenie wymiaru, kształtu i położenia dokumentowanego obiektu. Technika ta zyskała popularność w ostatnich latach, głównie za sprawą funkcji automatycznego łączenia zdjęć. Dzięki tej "zalecie" w potocznej opinii utarło się przekonanie, że jest to technika banalnie prosta. Nic bardziej mylnego. Na jakość finalną prac wykorzystujących fotogrametrię krótkiego zasięgu wpływa tak wiele czynników, że warto jest zwrócić uwagę na podstawowe problemy związane z jej wykorzystaniem.
Istota tej techniki zawarta jest w jej nazwie, bowiem efektem zastosowania fotogrametrii jest obraz złożony z dwóch warstw: zobrazowania fotograficznego i pomiaru wykonanego przy użyciu sprzętu geodezyjnego. Ten drugi element, tak często pomijany przez entuzjastów automatycznego łączenia zdjęć, zapewnia wykonywanej dokumentacji właściwe miejsce w szerszej skali i precyzję w skali lokalnej. W celu uzyskania zdjęć metrycznych (skalowalnych), konieczne jest założenie na rejestrowanej przestrzeni osnowy. Tworzy ją zestaw fotopunktów, dla których ustalane są współrzędne x, y, z. Mogą to być ułożone znaczniki (markery), a także mogą to być charakterystyczne punkty w obrębie dokumentowanego obiektu. I chociaż na rynku pojawiły sie już techniki pozwalające ominąć ten wymóg (system ATI), to upłynie jeszcze sporo czasu, zanim się one upowszechnią. Tak więc, póki co, fotopunkty służą do wyznaczania orientacji zewnętrznej zdjęć i zapewnieniu produktowi finalnemu należnej precyzji. Dokonując wyboru punktów pomiarowych zachować należy rozwagę, umieszczając je (w przypadku markerów) w miejscach ułożonych pod właściwym kątem do osi obiektywu i pomiarowego promienia. Pamiętać należy o właściwym wyborze aparatu i jego optyki, rozwagi przy operowaniu głębią ostrości oraz wyboru odpowiednich warunków pogodowych i oświetleniowych. Tylko bowiem przy zachowaniu tych warunków wynik naszej pracy może być satysfakcjonujący - tak dla autora, jak i Zleceniodawcy.
Równolegle z rozwojem fotografii cyfrowej firmy produkujące oprogramowanie do wykonywania rejestracji fotogrametrycznych zadbały o dostarczenie narzędzi, które z zestawu zdjęć są w stanie złożyć nie tylko trójwymiarowy obraz, ale też i automatycznie utworzyć przestrzenny model - ten powierzchniowy, jak i kubaturowy. Już w tej chwili uzyskać można modele złożone z chmury punktów i siatki trójkątów, nie mówiąc już o modelach oteksturowanych, a więc fotorealistycznych. I chociaż w sytuacjach złożonej powierzchni lub skomplikowanej bryły precyzja takiego modelu budzić może uzasadnione zastrzeżenia, to niewątpliwie rozwój tej dziedziny zmierza w kierunku wykorzystania aparatów fotograficznych w roli skanerów optycznych. Należy zwrócić przy tym uwagę, że oprogramowania służące do wykonywania fotogrametrii krótkiego zasięgu są sukcesywnie modyfikowane i ulepszane, dzięki czemu algorytmy obliczeniowe staja się coraz bardziej niezawodne.
Skoro zatem efektem skanowania i zabiegów fotogrametrycznych stał sie z czasem produkt o zbliżonej charakterystyce, to nic nie stało na przeszkodzie, aby techniki te mogły być połączone. Z resztą niektórzy producenci w ramach pakietów służących do obróbki komputerowej wyników skanowania dołączają już nakładki fotogrametryczne, pozwalające na automatyczne łączenie obu produktów. Raz jeszcze powrócę do znaczenia precyzji, bowiem to właśnie ta cecha pozwala na łączenie nie tylko samych technik, ale też i różnych sposobów ich wykonywania, ot choćby łączenia skaningu naziemnego z fotogrametrią wykonywaną z lotu ptaka (np. przy pomocy dronów). Jest to niebywale istotna zaleta metod hybrydowych, które nie tylko mogą być pomocne przy wypełnianiu rejestrowanej przestrzeni (bryły) trudnodostępnym szczegółem. Niewątpliwie ta łączona forma wykonywania dokumentacji jest na obecnym etapie rozwoju technik dokumentacyjnych sposobem najlepszym. Dotychczasowe praktyki, w tym i te, stosowane w Muzeum Łazienki Królewskie, pozwalają z optymizmem patrzeć na ten kierunek działania.
To, że metoda hybrydowa uznana tu została za sposób optymalny nie oznacza, że poszczególne techniki nie spełniają swojej roli. Problemem podstawowym przy próbach ich stosowania jest bowiem należyty, w pełni świadomy ich dobór. Nieco innym celom służy skaning laserowy, a innym skaning światłem strukturalnym, czy fotogrametria krótkiego zasięgu. Z inżynieryjnego punktu widzenia, z perspektywy planowanych prac projektowych, szczególnie tych o szerokiej skali, zamysłów monitorowania stanu zachowania obiektów zabytkowych, prędkości wykonywania precyzyjnych rejestracji przestrzennych, "siła" skanu laserowego nie ma jak dotychczas konkurencji. Z kolei dokładność pomiarowa przy jednocześnie wiernym wizerunku dokumentowanego obiektu pozostaje domeną skaningu światłem strukturalnym. Fotogrametria pozostanie stosunkowo szybką metodą wizualizacyjną o różnym stopniu dokładności, zależnym od powierzchni wykonywanej rejestracji.
Słabością wszystkich wymienionych wyżej technik trójwymiarowych są utrudnienia przy dokumentowaniu przestrzeni gładkich i połyskliwych. I chociaż najnowsze typy skanerów laserowych w dużym stopniu minimalizują tę niedoskonałość, to jednak do pełnego sukcesu jeszcze droga daleka. Nadzieją może tu być rozwój techniki Kinect, opartej na wykorzystaniu promieni podczerwonych. Jest to najmłodszy ze sposobów rejestrujących trójwymiarową rzeczywistość i stosowany w chwili obecnej głównie jako czujnik ruchu w popularnych grach komputerowych.
Stosunkowo niedawno pojawiła się także kolejna możliwość usprawnienia warsztatowego, polegająca na selektywnym wykorzystaniu wydolności silników programów tworzących interaktywne gry komputerowe. Także i na tym polu doświadczenia Muzeum Łazienki Królewskie wydaja się być wielce obiecujące. Techniki te dysponują technologią potrafiącą utrzymać wierność wizerunku z precyzją dokonanych pomiarów. Otwiera sie zatem nowe pole eksploracji dla entuzjastów aktywnej dokumentacji cyfrowej, połączonej z magią wirtualnej rzeczywistości. W efekcie tego typu działań otrzymać można bowiem strukturalnie uproszczone, aczkolwiek wizualnie znacznie bardziej atrakcyjne, aktywne archiwum, uwzględniające atrybut interakcji opartych na warstwach dokumentacyjnych i na wirtualnych rekonstrukcjach.
Łatwość generowania trójwymiarowych modeli z poziomu dokumentacji wykonywanej w różnych technikach, stwarza szansę ich wielorakiego wykorzystania. Należy bowiem pamiętać, że w zależności od rodzaju zastosowanej techniki i zalet oprogramowania, uzyskać możemy wirtualny model w dowolnej skali i niemal o nieograniczonym stopniu dokładności. Można je wykorzystywać jako część dokumentacyjnej bazy referencyjnej, jako materiał poglądowy, łatwy do wykorzystania dla celów popularyzatorskich, promocyjnych i edukacyjnych (szczególnie w przypadku tworzenia animacji rekonstrukcyjnych), a także dla celów tworzenia wiernych kopii obiektów zabytkowych. W tym ostatnim przypadku rozwój techniczny przyniósł ciekawe rozwiązanie w postaci możliwości wykonywania trójwymiarowych "wydruków". Drukarki 3D, dzięki którym uzyskać można wierne, plastyczne odwzorowanie dokumentowanych przestrzennie obiektów, jest niewątpliwym osiągnięciem XXI wieku. Urządzenia te otwierają nieeksplorowane jeszcze dotąd pokłady ludzkiej wyobraźni. Wydaje się przy tym, że w przypadku konserwatorstwa i muzealnictwa mogą być one szczególnie owocne.
Możliwość zapisania w pamięci komputera zobrazowanej przestrzeni, która dzięki najnowszym technikom staje się aktywna w każdym jej polu, otworzyło szansę przypisania rejestrowanym elementom nie tylko geodezyjnej pozycji, nie tylko opatrzenia ich fotorealistycznym wyglądem, ale także i pełnej ich charakterystyki. Otwarta została zatem droga dla stworzenia wielowarstwowej, interdyscyplinarnej bazy danych, która łączyć może w sobie treść zwymiarowanej geodezyjnie przestrzeni lub trójwymiarowego, opatrzonego georeferencjami modelu, z treściami specjalistycznymi. Nic nie stoi obecnie na przeszkodzie, aby budować precyzyjnie zdefiniowane metrycznie i obrazowo środowisko, w którym ulokowane mogą być różnego typu informacje, gromadzone przez reprezentantów różnych specjalizacji i dyscyplin nauki, wprowadzanych na różnych etapach badań i na różnych szczeblach administracji. To środowisko przetwarzające i analizujące zgromadzoną wiedzę i dane przestrzenne, będące skutecznym do wykorzystania narzędziem i to na każdym szczeblu administrowania zabytkową przestrzenią.
Tym systemem jest GIS (od angielskiego Geographic Information System). Jego siłą jest uniwersalizm, bowiem u podstaw systemu leżą dane obiektywne i niezmienne - geodezyjne współrzędne. W pamięci komputera zapisywać możemy zatem niemal wszystkie kategorie zjawisk, przy czym to od naszej wiedzy, doświadczenia i wyobraźni zależeć będzie struktura budowanej bazy. Trudno powiedzieć, która z wymienionych cech jest najważniejsza. Zapewne przy tworzeniu systemu należy uruchomić każdą z nich, bowiem pamiętać należy, że siłą tworzonej, przestrzennej bazy powinna być możliwość przenikania się treści poszczególnych jej segmentów. Warto pamiętać, że we wszystkich z dostępnych na rynku systemów, a także tych udostępnianych w sieci za darmo, istnieje możliwość modyfikowania i dopisywania nowych treści. Powstaje w ten sposób aktywne archiwum z przypisanymi funkcjami sortującymi i analizującymi zgromadzoną wiedzę. Procesem tym objąć można dowolnie wybraną przestrzeń, bez względu na jej powierzchnię, a także każdy obiekt kubaturowy, bez względu na jego rozmiar. To łatwo dostępne kompendium wiedzy, którą dzięki wewnętrznym aplikacjom umieścić można także w internetowej sieci, rzecz jasna z różnymi stopniami dostępności do znajdującego się w systemie zasobu danych. To współczesna wizytówka sprawnie zarządzanej instyrucji.
Warto na zakończenie zwrócić uwagę na kolejny, istotny aspekt dokonujących się przemian. Otóż sposób i tempo wprowadzania innowacyjnych technik dokumentacyjnych, dynamika rozwoju komputerowego sprzętu i niekontrolowany zalew rynku nowymi rozwiązaniami programowymi, blokują skutecznie możliwość wypracowania docelowych norm. Planowanie długofalowego rozwoju przy perspektywie zmian, które poza wszelką kontrolą dokonują się w cyklu kwartalnym lub półrocznym, mija sie z celem. Pozostaje zatem obowiązek utrzymania wartości niezmiennych i obiektywnych - imperatywu precyzji pomiaru i dokładności wizerunku. Drugim obszarem zadań dla tych, którzy decydują się na wykorzystanie nowoczesnych techniki, jest obowiązek pracy nad wdrożeniem definicji wartości podstawowych, ustalenia tezaurusów pojęć bazowych, pozwalających utrzymać niezbędny w systemach komputerowych ład i jednoznaczność. To zadanie o fundamentalnym znaczeniu, przekładającym sie na możliwość twórczego wykorzystania siły nowych technik, na wszystkich polach ich eksploatacji: zarządzania, promocji, opieki, badań naukowych, konserwacji, popularyzacji i edukacji.