Prof. Dr. D. Juan Carlos Torres Cantero
Prof. Dr. D. Pedro Cano Olivares
Laboratorio de
Realidad Virtual
Departamento de
Lenguajes y Sistemas Informáticos.
Universidad de Granada
“…Las diferentes
técnicas que se pueden aplicar a la documentación del Patrimonio no se deben
considerar excluyentes, ni prevalecer unas sobre otras. Así las más actuales no
reemplazan a otras ya conocidas sino que resultan complementarias y pueden
aportar nuevos niveles de informaciones que serán de aplicación en el
conocimiento del patrimonio en proceso de conservación.”.
Lamolda
y Cano.
BREVE DESCRIPCIÓN DE
LOS CONTENIDOS
En este capítulo se analizan los conceptos básicos sobre
representación 3D y técnicas de digitalización más comunes: fotogrametría y
escáneres láser, centrándose en la descripción pormenorizada del flujo de
trabajo a desarrollar haciendo uso de capturas con escáner para obtener un
modelo 3D, pero que puede ser extrapolado al método de registro fotogramétrico.
Finalmente el tema se cierra con un análisis de las
distintas aplicaciones de la digitalización 3D en patrimonio.
OBJETIVOS ALCANZADOS
En este capítulo, los Profs. Torres y Cano se centran en el
análisis de conceptos, métodos y técnicas de la digitalización 3D, con el
objetivo de mostrarnos el papel del Restaurador Virtual en la arqueología
virtual, valorando su utilidad en casos concretos, y mostrando el organigrama
de trabajo de los equipos que realizan trabajos de digitalización.
Las aptitudes desarrolladas con el estudio y trabajo de la
temática han sido las siguientes:
- Conocimiento del proceso de digitalización y valoración de su utilización en arqueología virtual
- Conocimiento del concepto y estructura del modelo geométrico para poder valorar los requisitos necesarios que debe tener en aplicaciones concretas de arqueología virtual.
- Conocimiento de los pasos del tratamiento de la información en digitalización 3D.
- Realización de la planificación preliminar en un trabajo de digitalización.
- Iniciación en el uso de herramientas de visualización de modelos digitalizados y como importar modelos digitalizados en herramientas de modelado 3D.
DATOS DE INTERÉS
ASIMILADOS
CONCEPTOS
Tomografía.
La tomografía computarizada (TAC) es un método de generación de imágenes
médicas que produce imágenes de cortes de un objeto usando rayos X. Las
imágenes generadas se pueden usar para crear un modelo tridimensional del
interior del objeto que puede visualizarse directamente, o generando una
superficie usando algoritmos de extracción de isosuperficies.
Reflexión Especular.
Es la que se produce en los espejos, en los que el haz reflejado tiene la
dirección simétrica al haz incidente respecto a la normal a la superficie (la
normal a la superficie es el vector perpendicular a esta).
Reflexión Difusa.
En la que la luz se refleja en todas direcciones con la misma intensidad.
Spot.
Es el tamaño del haz láser.
PLY.
Es un formato de archivo para modelos 3D conocido como el formato de Stanford.
El formato fue diseñado para almacenar modelos digitalizados, como parte del
proyecto de digitalización del David de Miguel Ángel. Almacena una lista
vértices, otra de polígonos, y atributos como color, transparencia, normales o
coordenadas de textura. Existen dos versiones del formato PLY una ASCII y la
otra binaria. Algunas aplicaciones solo trabajan con uno de los formatos. Los
archivos ASCII se pueden abrir con un editor de texto. Los archivos binarios
son más compactos que los ASCII.
OBJ.
Es un formato desarrollado por la compañía Wavefront Technologies. Este formato
ha sido también usado ampliamente por aplicaciones para procesamiento de
modelos digitales. El formato permite almacenar polígonos, normales, vértices y
coordenadas de textura.
SOFTWARE
RunSFM.
Paquete de software de código abierto que integra Bundler y CMVS.
Insight3D.
Es una aplicación de código abierto para la reconstrucción y modelado 3D que
combina Structure from Motion y reconstrucción de puntos de fuga. Puede ser
utilizado para crear Modelos 3D a partir de fotografías, e incluye una
herramienta interactiva de modelado para crear modelos poligonales con textura.
Pix4D.
Es un sistema de software comercial. Ha sido especialmente diseñado para
procesar fotografías aéreas tomadas con vehículos no tripulados.
INSTRUMENTAL
Escáner de Tiempo de Vuelo.
Miden el tiempo que tarda en volver un pulso del haz láser reflejado por la
superficie. Estos tiempos son muy pequeños (del orden de las milésimas de
nanosegundo). Estos dispositivos tienen un alcance muy grande, que puede
superar el kilómetro. Para conseguir captar un área extensa del objeto el
dispositivo modifica el ángulo con el que emite el haz láser. Esto se puede
hacer rotando la cabeza del escáner o utilizando espejos. Usualmente se rota la
cabeza del escáner para modificar el ángulo respecto a la vertical y se
utilizan espejos para modificar la inclinación.
Escáner de Fase.
En lugar de enviar pulsos láser y medir el tiempo de rebote de cada pulso,
envían un haz láser continuo con modulación de fase. La modulación funciona
como una etiqueta asociada al haz que permite determinar en qué instante se
envió cada fragmento del haz. De este modo el proceso de captura es más rápido,
permitiendo velocidades de captura del orden del millón de puntos por segundo,
frente a los de tiempo de vuelo que rondan los cincuenta mil puntos por
segundo. La contrapartida de este tipo de escáneres es su alcance, notablemente
menor que en tiempo de vuelo. Normalmente no tienen un alcance superior a los
100m en condiciones óptimas.
Escáner de Triangulación.
Es un escáner en el que el emisor y el receptor, que es un CCD, se encuentra
ubicados en posiciones diferentes. La posición en la que se proyecta el láser
rebotado en la imagen captada por el CCD del receptor depende de la profundidad
a la que se encuentre el punto de la superficie en el que se refleje el haz. A
partir de este desplazamiento, y del ángulo con el que se envió el haz, el
escáner determina la posición del punto. Este cálculo es preciso solo cuando la
distancia al objeto es pequeña (lo que implica un desplazamiento grande en la
imagen para pequeñas desviaciones en la profundidad). Por ello este tipo de
escáner solo se puede utilizar para distancias cortas (desde unas decenas de
centímetros hasta unos pocos metros). Por otro lado su precisión y resolución
son mayores que la obtenida con escáner de tiempo de vuelo (resoluciones del
orden del milímetro y precisión del orden de la décima de milímetro).
Escáneres de Luz Estructurada.
Son escáneres de triangulación que en lugar de enviar un haz láser al objeto lo
iluminan usando un patrón de luz. Con este mecanismo pueden capturar más de un
punto en cada lectura (en algunos modelos el campo visual completo). Esto les
permite reducir el tiempo de escaneado o incluso capturar objetos en
movimiento, con una precisión submilimétrica. Estos dispositivos, tienen
limitaciones para digitalizar objetos negros, transparentes o especulares. El
principal inconveniente de este tipo de dispositivos es su sensibilidad a las
condiciones de iluminación, ya que necesitan que el patrón de luz proyectado
sea visible en la superficie. No son adecuados para digitalizar en el exterior.
Escáner de Mano.
Estos son dispositivos de luz estructurada de bajo peso, diseñados para
utilizarlos sin trípode, realizando una digitalización continua de la
superficie mientras el usuario los desplaza alrededor del objeto. El software
de captura es capaz de medir los puntos de la superficie de forma continua y, a
partir de estos estimar los movimientos de la mano para generar una única malla
que representa toda la superficie.
REFLEXIONES
No existe un único método que pueda ser aplicado a todos los
casos de documentación del Patrimonio Cultural. La aplicación de una óptima
técnica dependerá de la combinación de múltiples parámetros en base al proyecto
a realizar: complejidad del sitio, costes, tiempos, producto final, etc…, por
lo que unas veces convendrá hacer uso de métodos fotogramétricos, otras de
escáner láser, combinación de ambas técnicas o incluso hacer uso de técnicas
tradicionales de documentación.
En cada momento histórico se emplean los procedimientos para
el registro gráfico que la ciencia ha desarrollado y que pueden provenir de
otros ámbitos técnicos, científicos o industriales, pero las diferentes
técnicas que se pueden aplicar no se deben considerar excluyentes, ni
prevalecer unas sobre otras. Con esto quiero hacer hincapié en que las técnicas
más actuales no han de reemplazar a otras ya conocidas, sino que han de resultar
complementarias, aportando nuevos niveles de información que serán de
aplicación en el conocimiento y gestión integral del Patrimonio Cultural.
Al margen de esto, destacar que en cualquier método de
documentación existe un flujo de trabajo organizado que hay que acatar si
queremos obtener unos resultados óptimos. En el presente capítulo se nos
muestran de forma exhaustiva este flujo de trabajo centrado en el uso de las
nuevas técnicas de documentación –fotogrametría y escáner láser-, las cuales
paso a reproducir a continuación:
- Planificación del trabajo. Organización de las tomas y del grueso de las labores a desempeñar por cada uno de los miembros del equipo –objetivos, funciones, tiempos, etc.-.
- Procesamiento. El procesamiento de las nubes de puntos es una labor compleja y costosa, que se realiza usando software específico. Entre las aplicaciones genéricas más extendidas cabe destacar MeshLab, RapidForm y Geomagic. Secuencia:
- Transformar todos los puntos a un único sistema de coordenadas.
- Ajustar las transformaciones geométricas tratando de minimizar la distancia entre las tomas.
- Generación de una malla de triángulos a partir de la nube de puntos.
- Cierre de fisuras.
- Corregir los errores en la topología del modelo.
- Optimización. Una vez generada la malla de triángulos y reparada su topología, disponemos de un modelo del objeto que podemos usar para cualquier fin. Este modelo tendrá una resolución condicionada por la resolución del dispositivo de captura, que puede no ser la más adecuada para la aplicación que se va a dar al modelo (a veces el exceso de información no es lo más recomendable). En estos casos, es aconsejable disponer de versiones del modelo con menor complejidad. Estas versiones simplificadas pueden generarse utilizando diversos algoritmos, que en esencia, eliminan parte de los triángulos del modelo, reduciendo el tamaño ocupado por este, y manteniendo acotado el error cometido. Cuando se simplifica el modelo es posible compensar la pérdida de detalle geométrico con la utilización de texturas y mapas de normales, que pueden obtenerse directamente del modelo de alta resolución.
Las actividades de este capítulo se han centrado en la fase
de procesado, haciendo uso del software Meshlab. El objetivo fue simular el
proceso completo de digitalización de un objeto 3D escaneado siguiendo las
pautas marcadas en el capítulo:
- Carga de modelos parciales
- Alineación de tomas
- Mezcla de mallas de triángulos
- Procesamiento de la malla resultante para resolución de problemas
- Obtención de modelo simplificado.
Algunas imágenes de mis resultados son las siguientes:
PROYECTOS
DE INTERÉS.
Esta semana me inclino por la presentación, no de un
proyecto en sí, sino de una tesis publicada la pasada primavera acerca de la
documentación fotogramétrica en arqueología de campo como modernización de los
métodos tradicionales de documentación gráfica, “3D Delineation: A modernisation of drawing methology for field Archaeology”,
de Justin Kimball JL.
Me enviaron recientemente el enlace y me parece interesante
compartirlo, espero que disfruten.
PROYECTO. DOMUS DEL
MITREO.
Esta semana, como complemento al estudio de paramentos y
análisis constructivo de la domus, he estado trabajando en el esbozo de la
estructura de la domus tal y como la conocemos en la actualidad. Para ello he
hecho consultas a algunos colegas arquitectos e ingenieros para contrastar
algunos temas técnicos constructivos que “tenía
en el tintero”, como es el tema de la tipología de las cubiertas.
Para el estudio de esta temática me he basado, además de en
la morfología constructiva de la domus y reparto de los espacios de la misma,
en diferentes fuentes documentales, como los Libros de Arquitectura de Vitrubio
y Adams entre otros, a la par que he hecho uso de la consulta de paralelos,
como los de Pompeya o Herculano.
Fig. Villa dei
Misteri en Pompeya.
Por el momento me encuentro trabajando con la mitad noreste
de la domus. Esta zona presenta un grado de complejidad medio, ya que
observamos como el grueso de las habitaciones se articulan en torno al atrio y
peristilo 1.
Sin embargo el ala occidental de esta zona parece estar
vinculada a un espacio actualmente inexistente, por lo que manejo diversas
hipótesis acerca, tanto de su funcionalidad como de la morfología de sus
cubiertas, pero por el momento, hasta que no sean contrastadas, me abstengo de
exponerlas.
Con el mismo problema me encuentro en el extremo SE y occidental
de la domus, en los que las estructuras se encuentran incompletas.
Para la recreación de la totalidad de las cubiertas voy a
utilizar los mismos parámetros:
- Uso de cubiertas inclinadas a doble o simple vertiente.
- Pendiente del 35 % en base a la morfología del material de cubierta –tegulae e imbrex-.
- Armazones de madera, posiblemente cercha de cuchillo simple para la doble vertiente.
- Máxima prioridad en la evacuación de aguas y aprovechamiento de las mismas.
Aún me encuentro en fases iniciales del análisis de esta
compleja temática, así que continuaré trabajando en ello y espero poder exponer
pronto mis conclusiones.
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