Создание 3D-моделей артефактов и применение метода геометрической морфометрии для анализа формы каменных орудий

Одним из важных направлений в рамках использования цифровых методов в археологии является построение 3D-моделей артефактов и последующий анализ их формы при помощи метода геометрической морфометрии. Этот метод активно разрабатывается и используется специалистами ИИМК РАН для широкого спектра археологических находок, включая доисторические – артефакты каменного века, изготовленные из кремня. Работа с ними требует особых знаний и навыков, а применение цифровых методов открывает новые перспективы для их более наглядной и полной интерпретации. Эти методы также важны для создания научных и научно-популярных платформ, обобщающих в цифровом виде доступные сегодня сведения о древнейших предметах материальной культуры.

Цикл работ в рамках проекта распадается на две стадии: получение 3D-моделей артефактов и непосредственно анализ артефактов методом геометрической морфометрии.

Построение 3D-моделей артефактов осуществляется при помощи сканера структурированного подсвета (Range Vision Spectrum) и подключенного к нему ноутбука (рис. 1). Для сканирования объектов и получения финальных моделей используется оригинальное программное обеспечение Range Vision Scan Center. В результате сканирования получают модели в формате .sql (рис. 2). После сканирования 3D-модели преобразуются в формат .wrl  в программе Mashlab и затем импортируются в программу AGMT-3D (Herzlinger, Grossman, 2018). Обработка моделей также возможна в программной среде R с использованием специального пакета Geomorph.

Процесс создания 3D модели наконечника с боковой выемкой из I культурного слоя Костенки 14

3D модель наконечника с боковой выемкой костенковско-авдеевской археологической культуры из I культурного слоя стоянки Костенки 14

Метод геометрической морфометрии появился в 1970-х годах и широко применялся в биологии и антропологии. В археологию этот метод пришел сравнительно недавно – в середине 2000-х. Тем не менее, в последние несколько лет подход стал обретать все большую популярность, особенно среди специалистов, занимающихся каменным веком. Основное достоинство метода заключается в том, что он позволяет непредвзято оценивать и сопоставлять форму артефактов, сводя тем самым к минимуму роль человеческого фактора и субъективной оценки. Это особенно важно в археологии, которая всегда стремится к максимальной точности и верифицируемости полученных результатов. Тем более это важно в археологии каменного века, где каждый артефакт «на вес золота», а цена ошибки – слишком высока для дальнейшей работы и передачи научного знания.

Важнейшей чертой метода является его универсальность: анализ формы может применяться как при типологическом, так и при технологическом анализе. Определенный потенциал метод имеет и для использования совместно с исследованиями функции артефактов, то есть, определения, для чего он был создан и как использовался на протяжении своего жизненного цикла.

Геометрическая морфометрия – это математическое представление конфигурации (геометрии) реального объекта, не зависящее от его размеров, ориентации и положения в окружающем пространстве (Васильев, Васильева, Шкурихин, 2018). Анализируемый объект описывается точками в системах координат х, у или х, у, z (для двух- или трехмерных объектов соответственно). Далее совокупность точек преобразуется в пространство структур (figure space), и затем создается усредненная относительно всех анализируемых артефактов форма, с которой впоследствии сравниваются другие изделия.

Первичная обработка артефакта в программе AGMT-3D

Расположение трансформационной решетки на артефакте в программе AGMT-3D 

Затем объекты исследуются анализом главных компонент (principal component analysis), который и является способом репрезентации полученных данных (рис. 6). Помимо анализа главных компонент возможно использование и других статистических показателей при обработке формы артефактов. Если анализ главных компонент в основном показывает разнообразие форм артефактов внутри одной группы, то другие методы статистического анализа позволяют работать и с другими признаками, например, соотношением формы и размера (т.н. аллометрия) и т.д.

 Модель, иллюстрирующая вариабельность наконечника с боковой выемкой по одной из главных компонент в программе AGMT-3D

В настоящее время исследовательской группой ИИМК РАН ведется работа по анализу кремневых наконечников с боковой выемкой граветта Восточно-Европейской равнины со стоянок Костенки 1, Костенки 13, Костенки 14 и Костенки 21 (граветт – группа индустрий средней поры верхнего палеолита, существовавшая в Европе во временной промежуток 32-22 тыс. лет назад. Для культур этого круга было характерно изготовление женских статуэток и широкое использовании крутой притупливающей ретуши при создании орудий – острий и пластинок). Эти стоянки расположены в Костенковско-Борщевском районе Воронежской области, который получил широкую известность благодаря крупнейшему в Восточной Европе сосредоточению памятников верхнего палеолита (всего 26 стоянок, из которых 10 многослойные), включающих древнейшие стоянки Homo sapiens sapiens в регионе. Для анализа были выбраны именно наконечники с боковой выемкой, так как, с одной стороны, количество изделий является достаточным для статистической обработки, с другой стороны, их изучение с помощью новых технологий позволит иначе взглянуть на уже существующую классификацию, а также проследить основные закономерности изменения формы наконечников в процессе их использования и фрагментации.

Участниками проекта сформирована первичная выборка наконечников с боковой выемкой с указанных памятников и произведено их сканирование. На данном этапе ведется статистическая обработка материала. Важно отметить, что к этой группе артефактов данный метод применяется впервые, то же самое касается и создания 3D-моделей.

График главных компонент в программе AGMT-3D

Команда проекта планирует распространить эти цифровые методы и на другие категории артефактов каменного века. Значительный интерес для нас представляют такие изделия как клиновидные ассиметричные ножи (keilmesser). Они были широко распространены на территории Евразии в среднем палеолите и в начале верхнего палеолита. Анализ формы этой группы артефактов описанными выше методами позволит углубить современное понимание технологии изготовления этих орудий, что, в свою очередь, позволит лучше понять развитие и взаимодействие древних обществ боле 40 тыс. лет назад.

Работы по 3D-моделированию и использованию метода геометрической морфометрии реализуется в рамках проекта РНФ № 20-78-10151 (руководитель – А.А. Бессуднов) «Палеолит Костенок в общеевропейском контексте: развитие культуры в свете новой хронологии».

Исполнители:

м.н.с. Лаборатории камеральной и цифровой обработки, учета и хранения археологических коллекций А.Р. Лада

студент Европейского университета в Санкт-Петербурге Е.В. Пугачева

Литература:

Васильев А. Г., Васильева И. А., Шкурихин А. О., 2018. Геометрическая морфометрия: от теории к практике. М.: Товарищество научных изданий КМК. 471 с.

Чистяков П.В., Ковалев В.С., Колобова К.А., Шалагина А.В., Кривошапкин А.И., 2019. 3D моделирование археологических артефактов при помощи сканнеров структурированного подсвета // Теория и практика археологических исследований. Т. 27. № 3. С. 102-112. 

Adams D. C., Otárola‐Castillo E., 2013. Geomorph: an R package for the collection and analysis of geometric morphometric shape data // Methods in Ecology and Evolution. Т. 4.  №. 4. С. 393-399.

Herzlinger G., Grosman L., 2018. AGMT3D: A software for 3-D landmarks-based geometric morphometric shape analysis of archaeological artifacts. PLoS ONE 13(11): e0207890