Interactive Environment and Virtual Reality to Reconstruct Manufacturing Processes (Moscow Trekhgorny Brewery in the Late 19th - Early 20th Centuries).

Введение

Объектом виртуальной реконструкции в данной работе является пивоваренный завод XIX века – памятник индустриального наследия. Производство на Трехгорном заводе продолжалось вплоть до 2000-х гг., теперь же памятник частично пребывает в обветшалом состоянии. По сравнению с другими объектами культурного наследия, промышленным постройкам зачастую уделяется меньше внимания, однако они могут представлять немалый интерес для исследователя, особенно, работающего в сфере виртуальной 3D-реконструкции. Внешний и внутренний облик индустриальных зданий в первую очередь продиктован практическими необходимостью, потому значительно отличается от более традиционных архитектурных памятников. При виртуальной реконструкции промышленных памятников также становится возможным обратиться к реконструкции исторических производственных процессов. В данной работе будет рассмотрен один из способов представления результатов такой реконструкции – создание интерактивных сред.

Это статья является продолжением другой публикации на тему виртуальной реконструкции Трехгорного пивоваренного завода – «Виртуальная реконструкция индустриального наследия: опыт 3D-реконструкции архитектурного облика производственного корпуса Трехгорного пивоваренного завода в Москве рубежа XIX-XX вв.» ^[1]. В указанной статье рассматривались основные источники, историография и методы виртуальной 3D-реконструкции, которые использовались в процессе построения модели производственного корпуса Трехгорного пивоваренного завода – «Варни» ^[2], поэтому в данной публикации будут описаны только источники, методы и технологии, связанные с созданием интерактивной среды в виртуальной реальности.

Задачей исследования являлось создание виртуальной реконструкции внутренних помещений Варни и происходивших в них операций пивоварения на рубеже XIX-XX вв. Методом презентации было выбрано создание интерактивного приложения в виртуальной реальности, поскольку такой подход позволяет снабдить виртуальную реконструкцию модулем верификации использованных исторических источников, необходимыми комментариями относительно происходивших производственных процессов, рассмотреть производство с точки зрения человека, непосредственно участвующего в процессе, а также улучшить восприятие пользователя благодаря иммерсионным эффектам ^[3].

Применение технологий виртуальной реальности в исторических исследованиях рассматривалось, например, в публикациях, посвященных проектам кафедры исторической информатики исторического факультета МГУ по реконструкции Страстного монастыря и Белого города ^{[3, 4, 5]}. Участники данных проектов уделяли значительное внимание и технологической стороне работы с VR-технологиями ^[6].

Имеется значительный зарубежный опыт использования виртуальной реальности в контексте индустриального наследия, представленный работами специалистов из разных стран ^{[7, 8, 9]}. Рассматривались и работы, где VR-технологии применялись в реконструкции объектов культурного наследия вне контекста индустриальных объектов и производственных процессов ^{[10, 11]}.

Виртуальная реконструкция внутренних помещений Варни и оборудования

Для задач реконструкции внутренних помещений Варни и использованного оборудования был привлечен ряд нарративных и визуальных источников. Описания корпусов, их функций и комплекс фотографий, включающий изображения внутренних помещений Трехгорного завода, были выявлены в юбилейной публикации к 25-тилетию завода ^[2]. В архивных источниках, в частности, в фондах Северного страхового общества г. Москвы, были найдены списки оборудования, находившегося в различных помещениях Трехгорного завода ^[12]. Для понимания назначения указанных элементов оборудования и хода производственного процесса пивоварни конца XIX века была привлечена соответствующая литература - статья «Пивоварение» энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона ^[13] (см. рис. 1), книга Л. Н. Симонова «Пивоварение (заводское и домашнее), квасоварение и медоварение», изданная в 1898 г. ^[14], статья «bienen» (в переводе с немецкого - пиво) «Энциклопедического словаря Мейера» ^[15].

Рис. 1. Схематическое изображение типового пивоваренного отделения в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона ^{[13, с. 562]}

Информацию, полученную из страховой описи ^[12], необходимо было соотнести с описаниями процессов пивоварения и имеющимися фотографиями внутренних помещений Варни (см. рис. 2). При этом приоритет отдавался фотографическим источникам как содержащим наиболее конкретные сведения.

На первом этаже имелись четыре комплекта пивоваренных котлов и чанов, состоящих из заторного и вспомогательного чанов, а также пивоваренного и сусловаренного котла. Три из них использовались для варки пива и один – для меда ^[12]. Для виртуальной реконструкции было решено ограничиться одним комплектом оборудования, чтобы на нем продемонстрировать производственный процесс. На втором этаже – три дробилки для солода, электромотор и вагончики для транспортировки солода. Второй этаж Варни не был запечатлен на фотографиях, а потому в его реконструкции можно было полагаться исключительно на наличествующие чертежи ^[17], схемы (в основу легла иллюстрация из словаря Брокгауза и Ефрона) ^[13] и опись оборудования ^[12]. Подвал, 3-й этаж и чердак не реконструировались в связи с недостатком источников.

Рис. 2. Фотография внутренних помещений корпуса Варни. Источник: «Двадцатипятилетие Трехгорного пивоваренного товарищества в Москве» ^{[2, л. 34]}

Оборудование второго этажа Варни также не было обеспечено визуальными источниками, поэтому солододробилка и вагончики для солода были реконструированы согласно изображениям из словарей Брокгауза и Ефрона ^[13] и Мейера ^[15] (см. рис. 3).

Рис. 3. Изображение дробилки для солода в «Энциклопедическом словаре Мейера» ^{[15, с. 1001 (I)]}

Поскольку фотографий внутренних помещений имелось не так много, привлекались в качестве визуальных источников и изображения аналогичного оборудования, сохранившегося или реконструированного в музеях, таких как Пивоваренный музей г. Тиски, Польша (см. рис. 4) и Музей пива в Брюсселе, Бельгия.

Рис. 4. Фотография экскурсии в Пивоваренном музее Тиски ^[16]

Сформировав источниковую базу, необходимо было определить, какие операции пивоварения осуществлялись в Варне, понять их последовательность и связать с используемым оборудованием. Ключевым источником здесь являлась книга Л.Н. Симонова, содержащая детальные описания различных вариантов пивоваренных процессов. Была выбрана схема, которая, по указанию автора, была свойственна крупным пивоваренным заводам: заторный чан, снабженный механическим размешивателем и предзаторным аппаратом для замешивания дробленого солода с водой. Цедильный чан (так был идентифицирован «вспомогательный чан» из описи), который по акцизным правилам Российской империи не мог иметь механического размешивателя, однако, был снабжен «вертилкой» для вымывания дробины (остатков солода) и вторым дном для процеживания сусла (солода, размешенного с водой).

Котлы, которые на вид явно отличаются от чанов трубой для отвода пара, были идентифицированы как заторный котел для кипячения сусла (сусловарочный котел в описи) и котел для кипячения сусла с хмелем (пивоваренный). Разделение этих двух котлов также характерно для крупных заводов, каким и был Трехгорный. Кипячение сусла в заторном (сусловаренном) котле происходило до процеживания, а потому он был снабжен механическим размешивателем. В котле для кипячения сусла с хмелем необходимость в размешивателе отпадала. Внешне котлы выглядели одинаково, а потому на фотографии могли быть изображены котлы из разных комплектов, служащих для одной цели. Тем не менее, для наглядности и упрощения реконструкции пивоваренного процесса было принято предположение, что изображенные чаны и котлы относятся к одному комплекту.

Объекты оборудования были, как и геометрия здания завода ^[1], смоделированы в программном обеспечении 3ds-Max (см. рис. 5). Особенностью моделирования оборудования являлось то, что все движущиеся части должны создаваться и переноситься в движок по отдельности, чтобы иметь правильные точки начала координат. В противном случае, например, повороты подобных объектов станут значительно затруднены, поскольку их вращение будет происходить относительно начала координат всего помещения виртуальной Варни.

Рис. 5. Этап создания геометрии внутренних помещений и оборудования. Объекты пока не имеют материалов, габариты здания скрыты для удобства

Сборка, анимация, настройка материалов и взаимодействий производились в движке Unreal Engine 4 (см. рис. 6). Материалы и цвет объектов настраивались на основании сохранившихся текстовых описаний Варни, анимации – в соответствии с принципами работы оборудования, приведенными в книге Л. Н. Симонова ^[14].

Рис. 6. Первый этаж Варни в движке Unreal Engine 4. Освещение еще не настроено, поэтому на различных поверхностях имеются пометки “Prewiew”

Отдельной задачей стало создание «систем частиц» для изображения пересыпания солода, хмеля, потоков воды и пара. Системы частиц можно понимать как способ в компьютерной графике для отображения объектов, не имеющих четких границ, реализованный через настройки поведения единообразных объектов. В движке Unreal Engine, начиная с версии 4.25, имеется встроенная технология для создания систем частиц - Niagara VFX System. Она позволяет задать параметры генерации и поведения массы однотипных элементов, основываясь на реальных физических силах и параметрах. Так, при создании системы частиц для анимации пересыпания солода, была использована опция «сила притяжения», а также установлен случайный поворот частиц – зерен, для достижения более естественного вида (см. рис. 7).

Рис. 7. Интерфейс Niagara VFX System на примере системы частиц пересыпающегося солода

Создание взаимодействий, систем верификации исторических источников и информационных справок, а также анимации, производились при помощи визуального интерфейса программирования Blueprints, реализованного в Unreal Engine 4. Blueprints предполагает создание кода путем совмещения различных блоков, содержащих команды и переменные, полученный код компилируется в язык C++ (см. рис. 8, 9).

Рис. 8. Настройка анимации вращения при помощи Blueprints. График на экране показывает зависимость поворота размешивателя заторного чана от времени

Рис. 9. Заторный чан, оснащенный размешивателем для солода в Unreal Engine 4. При запуске операции затирания солода с водой происходит вращение размешивателя, вместе с анимацией воды и частиц солода

Пользователь в виртуальной интерактивной среде: VR-технологии в изучении и моделировании производственного процесса XIX века

Для финальной презентации виртуальной реконструкции в формате интерактивного VR-приложения были созданы системы информационных справок и верификации исторических источников. Обе они заключались в выводе в зону видимости пользователя информации, в первом случае, сообщений о необходимых на данном этапе действиях и назначении тех или иных объектов (см. рис. 10), во втором – изображений источников, на которых основан данный элемент реконструкции (см. рис. 11).

Рис. 10. Пользователь получает подсказку о предзаторном аппарате. При нажатии на кнопку контроллера текстовое описание сменится на изображение источника

Рис. 11. Пользователь видит изображение предзаторного аппарата, имеющегося в книге «Пивоварение (заводское и домашнее), квасоварение и медоварение» Л. Н. Симонова [14 с. 161]

Подсказка закреплена на постоянном расстоянии от виртуальной камеры, обозначающей направление взгляда пользователя. Технически из правой руки пользователя каждую секунду выстреливает невидимый луч длиной до 3.5 метров, который при попадании в объект проверяет его на наличие специальных тегов. В программе имеется массив всех тегов, которым назначено соответствие с названиями оборудования, текстами подсказок и фрагментами визуальных источников. Если луч не достиг ни одного объекта, либо в объекте не было найдено тега, то вместо подсказки про оборудование появляется подсказка о следующем действии в процессе пивоварения (см. рис. 12). Эти подсказки реализованы аналогичным способом, только вместо тегов используется числовое значения текущего этапа пивоваренного процесса

Рис. 12. Код, построенный при помощи blueprints для операции получения тега объекта

Использование подобной системы верификации превращает виртуальную реконструкцию в своеобразную базу данных, где совмещается 3D-изображение реконструированных объектов и сведения о них, накопленные из источников.

Получившаяся последовательность действий в интерактивной среде виртуальной реальности состоит из ряда операций пивоварения. Прежде всего, пользователь заходит в корпус Варни, открывая дверь, поднимается на второй этаж, где находятся дробилки для солода (см. рис. 13). Подхватывая виртуальной рукой, которая позиционируется при помощи специального оборудования – контроллера, мешок с солодом, он помещает его в дробилку, запуская ее работу поворотом колеса. Солод пересыпается из мешка в дробилку, а затем, в измельченном виде, – в вагончик для транспортировки, который по специальному рельсу перемещается пользователем в отверстие в полу, передающее солод по трубам в заторный чан.

Рис. 13. Процесс измельчения солода в солододробилке

Далее пользователь спускается на первый этаж, подходит к заторному чану, который дополнительно выделяется цветной обводкой для упрощения задачи. По повороту вентиля запускается процесс затирания солода с водой. Также, для большей наглядности, с заторного чана удаляется крышка на время проигрывания анимации (см. рис. 14).

Рис. 14. Работа заторного чана

Следующей операцией является кипячение получившейся смести солода с водой – сусла. Для произведения нагрева сначала необходимо растопить печь, поместив в нее дрова (см. рис. 15), затем повернуть вентиль, чтобы запустить поступление пара. Одновременное нагревание огнем и паром было одной из особенностей производственного процесса Трехгорного завода. ^{[2, с. 5]}

Рис. 15. Печь и дрова. Объекты, с которыми требуется взаимодействие, подсвечены цветной обводкой. По кнопке контроллера обводку и подсказки можно отключить

Кипячение смеси заторного чана в действительности происходило в несколько этапов и могло длиться около 5-6 часов. ^{[14, с. 228 - 232]} В интерактивном приложении эти нюансы были обозначены текстом подсказок, чтобы избавить пользователя от многократного повторения одних и тех же действий и продолжительного ожидания (см. рис. 16). Кипячение солода сопровождается анимацией вращения размешивателя и эффектом пара, реализованного системой частиц.

Рис. 16. Кипячение солода

После завершения кипячения сусла, оно отправлялось в цедильный чан, где отсеивались остатки солода, называемые дробиной. Дробина выщелачивалась водой, чтобы получить из нее большее количество сусла. Для этого применялась вертилка, в которую поступала вода, выходящая через отверстия в ее лопастях (см. рис. 17).

Рис. 17. Операция выщелачивания дробины

Последняя из операций пивоварения, происходивших в Варне – кипячение с хмелем. Процеженное сусло попадает в котел, в отличие от предыдущего, не имеющий размешивателя. Пользователь снова растапливает печь и включает вентиль, затем засыпает хмель из мешка в котел (см. рис. 18). Последующие операции – охлаждение и брожение – на Трехгорном заводе происходили уже в бродильном корпусе ^{[2, с. 5]}.

Рис. 18. Добавление хмеля в котел

В виртуальной среде пользователь не ограничен выполнением положенных процедур пивоварения, но может также свободно перемещаться, рассматривая те или иные элементы оборудования или виды помещений завода (см. рис. 19 - 20).

Рис. 19. Рендер внутренних помещений Варни. Слева цедильный чан и заторный чан с предзаторный аппаратом, справа – котел для кипячения сусла с хмелем

Рис. 20. Рендер внутренних помещений Варни. Слева частично виден заторный чан. Напротив – котлы для кипячения сусла с вытяжками для пара

***

В результате проделанной работы была получена интерактивная система в виртуальной реальности, позволяющая пользователю проводить операции пивоварения XIX века в интерьере Варни Трехгорного пивоваренного завода. Виртуальная реконструкция была оснащена системами информационных справок (подсказок) и верификации исторических источников для наибольшего удобства и информативности. Иммерсионные эффекты виртуальной реальности также способствуют улучшению способностей пользователя к восприятию изучаемого процесса. По убеждению автора, подобный формат виртуальной реконструкции может найти в будущем более широкое применение в реконструкции исторических производственных процессов, и не только.

Наконец, хочется выразить благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой исторической информатики МГУ, д. и. н., профессору Л. И. Бородкину, научному консультанту в данной работе - О. Г. Ким, а также М. С. Мироненко за полученный опыт работы с системами виртуальной реальности.