Computer 3D Reconstruction of Antique and Medieval Chersonesus Taurica: Results, Problems and Prospects

Khapaev Vadim PhD in History Associtate professor of History and International Relations Department at MSU Branch in Sevastopol, Lomonosov Moscow State University  299011, Russia, Sevastopol', g. Sevastopol', ul. Gogolya, 7, kv. 11 khapaev007@mail.ru

Batsura Igor' The Head of Archeological Monuments Conservation Sector at FGBUK "The State Historical and Archeological Museum-Preserve "Chersonesus Taurica"   299045, Russia, Sevastopol', g. Sevastopol', ul. Drevnyaya, 1 aristarh@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Проблема визуальной реконструкции археологических памятников, а также архитектурных сооружений, сохранившихся лишь в описаниях исторических источников, стоит давно. С началом Нового времени, когда история и археология превратились из литературного жанра и охоты за сокровищами в научные дисциплины, делаются попытки не столько «отстроить на местности» древние руины, сколько представить их визуально с помощью живописи, графики, макетирования. С конца ХХ века эта работа выполняется, в основном, с помощью компьютерного моделирования. Одна из причин этого заключается в постоянном ужесточении как международного, так и национального законодательства об охране памятников, сужающего возможности реставрации и «достройки» археологических объектов на местности, подобно тому, как сделал это в начале ХХ века с Кносским дворцом II тыс. до н.э. английский археолог Артур Эванс.

Среди законодательных актов, которые обязаны соблюдать археологи и реставраторы – Международная хартия по консервации и реставрации памятников и достопримечательных мест ^[1], Европейская конвенция об охране археологического наследия ^[2], «Рекомендации ЮНЕСКО об исторических или традиционных ансамблях и их роли в современной жизни» ^[3], Международная Хартия по охране исторических городов ^[4], а также Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации» ^[5]. В связи с этим для научного изучения археологических объектов, организации их туристического показа и популяризации особую значимость приобретает их графическая реконструкция, не затрагивающая сам памятник.

Попытки графической реконструкции археологических объектов Северного Причерноморья предпринимаются с послевоенных времен. Их выполняли, в основном, археологи – С. Д. Крыжицкий ^[6], А. Н. Щеглов ^{[7, c. 30, 31, 42, 56, 64, 65]}, И. А. Антонова (с помощью художника А. Ф. Снежкиной) ^[8]. Поначалу архитекторы подключались к этой работе реже. В качестве удачных примеров можно привести реконструкции Уваровской базилики ^{[9, р. 102, fig. 8.64]} и Четырехапсидного храма в Херсонесе ^{[10, с. 161, рис. 6]}, выполненные киевским архитектором Р. И. Кухаренко, и кварталов поздневизантийского Херсонеса, раскопанных Г. Д. Беловым ^{[11],[12],[13],[14]}, созданные Ю.Г. Лосицким (также киевским архитектором) ^{[15, с. 34–60. Рис. 3–11]}.

Нельзя не упомянуть и вклад в «возрождение» облика Херсонеса художника Р. Н. Воскресенского, автора знаменитой картины 1951 года «Собрание граждан Херсонеса» ^{[16, р. 73, fig. 8.16]} и макета большой жилой усадьбы эллинистического периода, раскопанной в Северном районе Херсонеса.

Макеты отдельных зданий, выполненные в масштабе, длительное время были единственным способом 3D визуализации археологических объектов, и в музеях мира их хранится множество, а в наше время – не только в музеях, но и в многочисленных парках миниатюр. Например, реконструкции памятников Анатолии можно увидеть в стамбульском парке Miniaturk, а макеты археологических памятников Крыма – в Бахчисарайском парке миниатюр. Подаренный Херсонесскому музею севастопольским предпринимателем А. С. Нуровым набор макетов реконструкций памятников античного Херсонеса и средневекового Херсона экспонируется на территории музея в так называемом «садике миниатюр».

С 30-х годов ХХ века предпринимаются попытки создания больших комплексных макетов древних городов. Самый знаменитый из них – макет Древнего Рима IV в. н.э. «Plastico di Roma Imperiale», созданный археологом Итало Гисмонди (Italo Gismondi). Приказ о его создании был отдан диктатором Б. Муссолини в 1933 году, а реализован проект был лишь в 1955 году. Макет изначально имел размеры 16х16 метров, а в 1971 г. был автором дополнен. Он экспонируется в Музее Римской цивилизации ^[17], и до сих пор считается эталонным произведением подобного рода, своеобразным творческим ориентиром. Свидетельством качества изготовленного И. Гисмонди макета является тот факт, что он был использован для съемок общих планов древнеримской «натуры» в фильме режиссера Р. Скотта «Гладиатор» (2000 г.).

В Херсонесском музее до 2005 года экспонировался макет стандартного надела хоры Херсонеса IV в. до н.э., выполненный, вероятно, вышеупомянутым Р. Н. Воскресенским. Он, так же, как и макет Древнего Рима, наряду с макетом херсонесского античного жилого дома, был использован для киновизуализации античного Херсонеса в фильме «Древняя жизнь Херсонеса» ^{[18, 25.08–25.11, 28.55–29.46 (по тайм-коду)]}.

Новые возможности визуальной реконструкции появились с началом компьютерной эры. В 1993 г. одними из первых возможности специализированного программного обеспечения моделирования трехмерных объектов оценили исследователи из Браунского университета в США: проводя на протяжении более десяти лет археологические раскопки храма Св. Петра в Иордании, они первыми прибегли к возможностям компьютерной техники для восстановления предполагаемого первоначального облика объекта ^[19].

Следом за ними к методике компьютерной реконструкции памятников археологии обратились и другие исследователи: в Германии в 1998 г. была создана виртуальная 3D модель Ватиканского дворца эпохи Возрождения ^[20], японские исследователи в 1999 г. представили на суд научной общественности реконструкцию буддийского храмового комплекса Сазаедо ^[21]. Аналогичные работы были начаты в Польше, Италии, Великобритании, Швейцарии, Франции ^[22]. В России была выполнена реконструкция античных поселениий Илурат ^[23] и Горгиппия ^[24], Cтрастного монастыря в Москве ^[25] и др.

Наиболее масштабными на сегодняшний день являются международный проект-галерея виртуальных реконструкций историко-культурного наследия «Vizerra» (http://vizerra.com и совместный российско-германский проект «Реконструкция Московского Кремля» (http://www.kreml.ru).

Учитывая, что Херсонес является многослойным античным и средневековым памятником, наиболее важен для нас опыт проекта «Rome Reborn» ─ виртуальной реконструкции Древнего Рима (http://www.romereborn. virginia.edu). Это ─ первый опыт комплексной компьютерной 3D реконструкции не отдельного объекта, а целого города. Она была выполнена на материалах «Plastico di Roma Imperiale», которую в 90-е годы ХХ века попытались перенести в виртуальное пространство. Эта работа продолжалась под руководством профессора Б. Фишера 10 лет ─ с 1997 по 2007 годы. В ней участвовали Институт высоких технологий и гуманитарных наук при университете Вирджинии, Калифорнийский университет, Политехнический университет в Милане, университет Бордо III и университет города Кан. Проект выполнялся при серьезной грантовой поддержке, но в наши дни он активно монетизируется: созданный контент продается создателям компьютерных игр ^[26].

Ярким примером бескорыстного, волонтерского проекта компьютерной 3D визуализации целого города является реконструкция Константинополя «Byzantium 1200» (byzantium1200.com), выполненная в 2003–2011 годах группой энтузиастов под научным руководством немецкого византиниста профессора Альбрехта Бергера (Albrecht Berger). В рамках этой инициативы были смоделированы и описаны как отдельные здания, так и город в целом. К сожалению, этот проект не нашел финансовой поддержки ни в Турции, ни в Евросоюзе, ни в России, и был фактически заморожен: создатели переключились на реконструкцию Вавилона и других древних памятников.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Опыт компьютерной 3D реконструкции памятников Херсонеса и его округи предпринимался с начала XXI века неоднократно и с разной степенью успешности. Польский археолог Т. Сарновски предложил ставшую впоследствии весьма популярной и растиражированную реконструкцию римского храма Юпитера Долихена, раскопанного в 90-х годах прошлого века в Балаклаве ^[27]. Его соотечественник А. Бернацки в соавторстве с сотрудниками Херсонесского музея-заповедника выполнили целую серию реконструкций средневековых храмов Херсонеса, используя, в том числе, и выполненные в 2D архитектурные реконструкции Р. А. Кухаренко и др. ^[28]. Реконструкции отдельных античных и средневековых памятников выполнялись также художниками А. Д. и В. Д. Карнаушенко ^{[29],[30],[31],[32]}. И. В. Бацура с 2015 года приступил к переводу в цифровой 3D формат созданных ранее графических 2D реконструкций. Таким образом, к 2015 году был накоплен достаточный материал для постановки задачи создания комплексной компьютерной 3D реконструкции Херсонеса определенного периода. В градостроительной истории города таких периодов можно выделить пять: ранний Херсонес конца VI–V века до н.э., эллинистический город IV–I вв. до н.э., город римского времени (первые века н.э.), ранневизантийский Херсон VI–X вв. н.э., город последнего периода его существования (XI–XIII века). В каждом из пяти периодов облик города отличался значительным своеобразием. О раннем Херсонесе мы почти ничего не знаем: ни о его планировке, ни об архитектуре зданий, так как они, по всей видимости, были разобраны при строительстве эллинистического города в IV в. до н.э. В это время город получил регулярную гипподамову планировку, которая (с незначительными изменениями) просуществовала до конца его истории. Здания этого времени строились из крупных квадров, были рассчитаны на столетия эксплуатации и простояли долго. Облик города стал меняться, хотя и не радикально, в первые века новой эры: строились арки на магистральных продольных уликах, был проведен водопровод и создано водохранилище, возводились крупные общественные здания высотой до 10 метров, на месте старых было возведено некоторое количество новых зданий с применением привнесенного римлянами в греческую строительную практику связующего раствора. Была серьезно перестроена оборонительная ограда, в частности, примерно на половине ее периметра была возведена передовая линия стен – так называемая протейхизма. В VI веке город подвергся тотальной перестройке, вызванной по одной версии землетрясением ^[33],[34], по другой ─ пандемией так называемой Юстиниановой чумы 541–544 годов ^[35]. Хотя нельзя исключать, что верны обе гипотезы. В результате, было выстроено заново большинство жилых усадеб и общественных зданий, в основном, христианских храмов. Оборонительные стены вновь подверглись серьезной перестройке, на ряде участков изменилась их траектория и конфигурация. В XI веке город снова был сильно разрушен. Наиболее вероятной причиной этого является землетрясение ^{[36, с. 219–262]}. При его восстановлении была радикально изменена конструкция жилищ: начал массово использоваться так называемый Анатолийский стиль, хорошо известный в Крыму по конструкции Бахчисарайского дворца и многих других архитектурных памятников Османского периода истории полуострова. В Херсонесе на заключительном этапе его истории было построено множество крошечных храмов ─ так называемых «часовен». Все вышеперечисленные факторы необходимо было учесть при создании комплексной компьютерной реконструкции облика Херсонеса различных эпох. Учитывая необходимость серьезной аппаратной поддержки поставленной задачи, ее невозможно было выполнить на волонтерских началах. Поэтому, творческая группа была сформирована в рамках постпродакшна научно-популярного фильма «Херсонес Великий», всероссийская премьера которого состоялась 28 июля 2018 года на телеканале «Спас». В состав группы 3D реконструкции вошли: историк В. В. Хапаев, архитектор И.В. Бацура, художник 3D графики В. А. Зайцев и художник А. М. Садовникова. Группу консультировал археолог С. В. Ушаков.

Научная информация для создания 3D моделей собиралась В. В. Хапаевым при содействии С. В. Ушакова. Был собран и обработан комплекс разноплановых исторических источников, а также графические материалы: планы, чертежи, фотографии, спутниковые карты и т.д. (см. рис. 1). На основе этого массива И. В. Бацура выполнял 3D моделирование объектов (см. рис. 2). Виртуальную «посадку» реконструкции на местность выполняла А. В. Садовникова (см. рис. 3).

Рис. 1. Так называемый «Пещерный храм» в III квартале. Процесс создания 3D реконструкции по чертежу

Рис. 2. Процесс создания 3D реконструкции одноэтажной базилики. Продольный разрез

Рис. 3. Слева – прорисовка контуров реконструируемого объекта на фотографии. Справа – реконструированный объект в том же ракурсе. А – Восточная базилика на площади Парфенон. Б – въездные ворота в протейхизму у башни XVII

В основном эта работа проводилась для формирования статичных крупных планов для достижения максимальной точности и достоверности. Сведение созданных моделей на общий макет и просчет «движения камеры» над (или между) ними выполнял В. А. Зайцев (см. рис. 4). Он же насыщал виртуальную реальность перемещаемыми объектами: моделями людей, лошадей, камнеметательных машин, «насыщал» объект растительностью, воссоздавал морскую гладь. Именно на этом, завершающем этапе строения «обтягивались» окончательными текстурами, за основу которых брались фотографии подлинных кладок реконструируемых памятников.

Рис. 4. Главный порт Херсонеса в Карантинной бухте. I в. н.э. Вариант реконструкции

Создавая первоначальную инженерную реконструкцию, И. В. Бацура руководствовался следующими принципами. В соответствии с концепцией «виртуальной реконструкции» формировались общие массы объекта, при помощи которых создавалась объемная модель, соответствующая возможному варианту реального объекта. Это давало возможность формировать чертежи и схемы объекта: поэтажные планы, разрезы и фасады, детали и т.п. Полученная модель реального объема позволила обеспечить тесное и, главное, логичное с инженерной точки зрения взаимодействие всех элементов конструкции. Это позволяло верифицировать существующие в литературе гипотезы о высоте, этажности и других пропорциях реконструируемого здания. Созданная таким образом рабочая модель передавалась для художественной доработки В. А. Зайцеву и А. В. Садовниковой. Научное сопровождение реконструкции на всех этапах осуществлял В. В. Хапаев.

Научный анализ, учет законов работы общей и локальных конструктивных и композиционных схем, технологии строительства и применяемых материалов позволили решить ряд научных задач, которые иным способом решить было невозможно.

В ходе работы были визуализированы в 3D практически все созданные к тому моменту реконструкции зданий Херсонеса, в той или иной форме опубликованные (чертежи, рисунки, 3D модели). Однако этого было совершенно недостаточно для того, чтобы «отстроить» целый город. Вот, как решалась эта проблема. 1. Из пяти вышеупомянутых периодов для реконструкции было выбрано два ─ Херсонес на стыке эллинистической и римской эпох (условно I в. н.э., см. рис. 5–6) и византийский Херсон Х века (см. рис. 7). Это позволило сократить количество реконструируемых объектов до приемлемого уровня.

Рис. 5. Театр Херсонеса в III–II вв. до н.э. Вариант реконструкции

Рис. 6. Театр Херсонеса, перестроенный в первые века н.э. Вариант реконструкции

Рис. 7. Вид на средневековый Херсон Х в. н.э. На переднем плане – Уваровская базилика (кафедральный храм свв. Апостолов Петра и Павла). Вариант реконструкции

2. На основе чертежей фундамента Базилики № 28 на главной площади Херсонеса (предполагаемого места крещения князя Владимира) и сохранившихся в Равенне и Салониках аналогий была создана реконструкция двухэтажной херсонесской базилики. Благодаря наблюдениям за сохранившимися аналогичными памятниками (в первую очередь салоникской базиликой св. Дмитрия VII в. н.э.), удалось сделать реконструкцию визуально реалистичной (см. рис. 8–9).

Рис. 8. Двухэтажная базилика в процессе реконструкции. Продольный разрез.

Рис. 9. Двухэтажная базилика № 28 (предполагаемый Храм св. Иакова), наиболее вероятное место крещения и венчания князя Владимира. Вариант реконструкции

3. По чертежам и аналогиям с сохранившимися стенами византийских крепостей (в первую очередь с оборонительной стеной Никеи и приморской оборонительной стены г. Аланья на юге Малой Азии) были воссозданы оборонительные стены Херсонеса эллинистического и ранневизантийского периодов. Обращение к аналогиям было необходимо, т.к. приморские стены Херсонеса сохранились лишь на двух небольших участках ^[37], а при строительстве в конце XIX в. артиллерийской батареи был полностью уничтожен ключевой участок оборонительной ограды – юго-западный, где находились главные крепостные ворота города, именовавшиеся в Средние века Святыми. Немногочисленные чертежи и словесные описания путешественников (например, Ф. Дюбуа де Монпере) не позволяли с должной мерой достоверности реконструировать этот участок стен. Именно поэтому пришлось прибегать к аналогиям схожей по размерам и конструкции, но гораздо лучше сохранившейся крепостной оградой малоазийской Никеи – города двух Вселенских соборов (см. рис. 10).

Рис. 10. Комплекс сооружений Западных («Святых») ворот Херсонеса. Х век. Вариант реконструкции

4. В процессе создания объемной модели виртуальной реконструкции Херсонеса осуществлялся процесс не только моделирования архитектурного облика и сведение отдельных элементов в единый объект, но и показан процесс встраивания виртуальной модели реконструкций в окружающую среду, в ландшафт раскопа с сохранившимися фрагментами каменной кладки (см. рис. 3б).

Для выполнения виртуальной реконструкции было выбрано программное обеспечение SketchUp, имеющее ряд функций, отвечающих потребностям геометрического моделирования, возможность эскизирования и администрирования слоев. Оно поддерживает собственную библиотеку материалов и параметрических объектов. Кроме того, последние обновления программы предоставили еще более мощные и гибкие функции моделирования и эскизирования, которые теперь совмещаются с программным обеспечением Google Earth. Особую ценность представляет улучшенная поддержка определения местоположения объекта моделирования (Google Earth) с помощью инструментов программы, что исключительно важно для получения более детальных и точных результатов. Очень полезна также функция совместимости с внешним программным обеспечением для моделирования и визуализации, таким как 3D Max.

Еще одним ценным инструментом программы является возможность выбора подачи графики: от фото качества до рисованной визуализации. В основном они применяется для лучшего эффекта восприятия проектов реконструкций, и имеют значительный потенциал развития. Элементам реконструируемых объектов могут быть заданы любые текстуры и характеристики (существующий, начальный и реконструированный). Это дает возможность более детального пошагового построения, например, отображения различных стадий строительства или виртуальной реконструкции. При интеграции созданных объектов в общую модель они могут отображаться или скрываться в зависимости от выбранного дизайнером решения.

Недостатком SketchUp являются ее ограниченные возможности по созданию качественных текстур. Однако совместимость программы с 3DMax дает возможность визуальной доработки объектов в этой программе.

Однако вышеописанных мер было недостаточно для визуализации города целиком, ведь он раскопан не более чем на одну треть, а реконструкция его жилых построек очень сильно затруднена, т.к. от жилых домов VI–X веков не сохранилось ни одного целого фундамента ^{[36, с. 198–201]}. Поэтому, так же, как это было сделано в проектах «Plastico di Roma Imperiale» и «Byzantium 1200», рядовая застройка города была реконструирована на основе нескольких многократно повторенных моделей. Реконструкции античных жилых усадеб были выполнены на основе вышеупомянутых работ Р. Н. Воскресенского, Г. Д. Белова и С. Д. Крыжицкого. Раннесредневековые здания пришлось отрисовывать исключительно на основе аналогий, т.к. в Херсонесе для такого рода реконструкций отсутствует фактический материал. Статусные (так называемые «потестарные») здания отстраивались на основе опубликованной в проекте «Byzantium 1200» реконструкции здания дворца у монастыря Мирелайон ^[38] ─ константинопольской резиденции Романа Лакапина, построенной в первые десятилетия Х века, до того, как Лакапин стал императором. Таким образом, до появления более достоверных (в первую очередь херсонесских) материалов, это здание могло служить нам неким образцом резиденции высокопоставленного ромея (см. рис. 11). О существовании таких резиденций («палат») по краям херсонесской Агоры сообщают нам многочисленные древнерусские летописные и житийные источники ^{[39, стлб. 116],[40, с. 46–49],[41, с. 262]}.

Рис. 11. Вариант реконструкции резиденции (потестарного здания) в Херсонесе раннесредневекового времени.

За основу взята резиденция Мирелайон в Константинополе Рядовая раннесредневековая застройка воссоздавалась на основе реконструкций инсул (многоквартирных римских жилых домов) провинциальных древнеримских городов, в первую очередь, на материалах римского порта Остия, с поправкой на местные строительные материалы, найденные при раскопках (см. рис. 12). Это допущение мы сочли оправданным по двум причинам.

Рис. 12. Вариант реконструкции инсулы в поздеантичном и раннесредневековом Херсонесе. За основу взята инсула в римском порту Остия

Во-первых, инсулы строились в Константинополе и в период его основания и интенсивной застройки в IV–VI веках, и впоследствии, когда город в IX–X веках стал возрождаться после многовекового упадка. Многие такие здания сохранились в Стамбуле до сих пор: полностью или частично (в последнем случае они встроены в современные здания) ^[42]. Во-вторых, в Херсонесе найдены, хотя и не полностью, фундаменты раннесредневековых жилых усадеб очень большой толщины (0,8 м) на крепком известковом растворе, предназначенные выдерживать вес как минимум трехэтажного здания. Кроме того, структура экономики раннесредневекового Херсона предполагала наличие в городе большого процента населения, занимавшегося наемным трудом (рыбаки, моряки, солевары, засольщики рыбы), которые не нуждались в отдельных усадьбах, да и не могли себе их позволить, довольствуясь съемными квартирами, комнатами или даже углами ^{[36, с. 299–303]}.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, благодаря применению метода аналогий, нам удалось с определенной достоверностью восстановить в 3D формате облик Херсонеса двух эпох и создать задел для его совершенствования и уточнения на будущее. Однако, ряд весьма существенных проблем на данном этапе работы решить не удалось.

Во-первых, из-за технических (аппаратных) проблем реконструкцию не удалось «посадить» на реальный херсонесский рельеф, и она пока что остается плоской, что снижает ее визуальное качество.

Во-вторых, слишком ограниченным оказался набор 3D моделей для реконструкции рядовой застройки, и при дальнейшей работе их число необходимо увеличивать, опираясь, в первую очередь, на данные херсонесской археологии.

В-третьих, пока не удалось создать достоверные 3D модели людей соответствующих эпох: с характерными для определенного времени прической, одеждой и т.д. Необходимо наработать банк 3D моделей подлинных артефактов: амфор, столовой и кухонной посуды, оружия, амуниции, конской сбруи и т.п. для насыщения виртуальной среды реконструируемого города реальными деталями.

Необходимо 3D сканирование реальных архитектурных деталей для их размещения в реконструкциях объектов, на руинах которых они найдены. В особенности это касается капителей колонн со сложной конфигурацией. Необходимо дорабатывать материалы текстур: как зданий, так и в особенности мостовых, создать или приобрести достоверные модели древних и средневековых кораблей: триер, бирем, либурн, дромонов, кубар и хеландий.

Тем не менее, полученный в ходе работы междисциплинарной команды историка, археолога, архитектора, художника и дизайнера опыт виртуальной реконструкции объектов херсонесского городища показал свою эффективность и перспективность. Была создана на перспективу обширная база данных, которая будет востребована при продолжении дальнейших работ, позволит значительно улучшить и уточнить 3D модель херсонесского городища, создать ее принципиально новый «слой» – реконструкцию города последнего периода его существования в XII–XIII веках.