CAPITULO 19. TÉCNICAS AVANZADAS DE DOCUMENTACIÓN GRÁFICA DEL PATRIMONIO.


Prof. Dr. D. José Luis Lerma García

Grupo de Investigación en Fotogrametría y Láser Escáner. GIFLE
Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría.
Universitat Politècnica de València. UPV. Valencia. España.


“La documentación del patrimonio no es un fin en sí mismo, sino que sirve como medio de transmisión de la información a usuarios tales como investigadores, expertos o público en general, que estando interesados en el objeto no pueden investigarlo por sí mismos”.

Patias, P. 2006.



BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS CONTENIDOS

Con este capítulo abrimos el módulo dedicado a la Documentación Geométrica del Patrimonio. En el mismo el Prof. Lerma nos ofrece una visión general, junto a las propias especificaciones y requerimientos, de la fase de documentación del Patrimonio Cultural; presentándonos a su vez de forma minuciosa cada una de los procedimientos indirectos automatizados de captura de información masiva:

  •   Procedimientos basados en imágenes.
  •   Procedimientos basados en Escaneado láser.
  •   Procedimientos multiespectrales.
  •   Cartografiado móvil.



OBJETIVOS ALCANZADOS

Con el estudio y trabajo con las diferentes temáticas centradas en el campo de la documentación patrimonial mediante procedimientos fotogramétricos y de teledetección, enfocados al modelizado y la caracterización 2D/3D/4D del patrimonio arquitectónico y arqueológico, han sido desarrolladas las siguientes aptitudes:

  •  Afianzamiento de conocimientos sobre las necesidades y los requerimientos de la documentación gráfica del patrimonio.
  •  Afianzamiento de conocimientos acerca del uso de tecnologías de vanguardia de captura masiva de información espacial a partir de procedimientos basados en imágenes (convencionales y multiespectrales), escaneado láser y cartografiado móvil.

A su vez, en este capítulo se nos muestran los beneficios potenciales de las técnicas basadas en imagen y de las técnicas de escaneado láser, manifestándose cómo una combinación apropiada de ambas técnicas conlleva a la generación de mejores modelos texturizados 3D, es decir, más precisos, a mayor resolución, georreferenciados y con mayor facilidad de conseguir completar formas complejas.




DATOS DE INTERÉS ASIMILADOS

CONCEPTOS

Condición de colinealidad. En fotogrametría, se entiende por condición de colinealidad aquella que obliga a que se encuentren en la misma recta el centro de proyección, el punto imagen y el punto objeto proyectado. De tal forma que si conseguimos que esta condición se cumpla en las dos perspectivas de ese mismo punto objeto, queda asegurada la intersección de dos rayos homólogos en el punto del terreno prefijado.

Método de haces de rayos. Procedimiento fotogramétrico más flexible y que mejores resultados permite a la hora de abordar prácticamente todo tipo de proyectos a partir de imágenes con procesos asociados de calibración/autocalibración, bien sea con banco de calibración, campo de pruebas o durante el proyecto. Se trata de un método de calibración de los parámetros de orientación interna de la cámara, el resultado del ajuste de haces de rayos son los parámetros de orientación externa de cada imagen, así como los puntos objeto correspondientes a las puntos homólogos de las múltiples imágenes. Más información en LERMA, J.L., NAVARRO, S., CABRELLES, M. y SEGUÍ, A.E. (2010). Camera Calibration with Baseline Distance Constraints”. The Photogrammetric Record, 25, 130, pp. 140–158.

Estrategia ZI-Buffer. Método que asigna la textura correcta sobre el MDS (modelo digital de superficie) tras analizar las oclusiones y las dobles proyecciones. Implementa además un análisis de la mejor proyección de textura, considerando el ángulo normal y la distancia cámara-modelo, asignando diferentes pesos. Más información en AMHAR, F.; JANSA, J. y RIES, C. (1998). The generation of true orthophotos using a 3D building model in conjunction with a conventional MDT”. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 32, 4, pp. 16–22.

Procedimientos Multiespectrales. Procedimientos de documentación tridimensional haciendo uso de longitudes de onda dentro y fuera del espectro visible, como puede ser el espectro ultravioleta (UV), infrarrojo cercano (IRC) y el infrarrojo térmico (IRT), que facilitan la caracterización de la información semántica como puede ser los distintos tipos de vegetación, suelo, materiales constructivos y las patologías asociadas a los mismos, reparaciones, arrepentimientos en pinturas, cerramientos en paramentos, fugas de calor, etc.


SOFTWARE

VisualSFM. Es una herramienta “Structure for Motion”, la cual nos permite crear modelos 3D en forma de nubes de puntos a partir de colecciones de imágenes 2D no ordenadas ni cámaras calibradas. Fue desarrollado por Changchang Wu de la Universidad de Washington y es gratuita para uso no comercial. Puede usarse como herramienta de fotogrametría libre, ya que los modelos creados se pueden georeferenciar y por tanto, dotar de unas dimensiones y contexto precisos. Su objetivo es crear una nube de puntos en 3D, con la ayuda de diversas herramientas. Estas nubes de puntos están formadas por simples puntos descritos por unas coordenadas espaciales XYZ y unos valores de color RGB que serán los encargados de restituir la textura original a través de lo que se conoce como nubes de puntos densas.

3DVEM-Register. Software de bajo coste desarrollado por el grupo GIFLE. es un potente programa de bajo coste que resuelve el registro, también llamado alineación u orientación relativa, de nubes de puntos, nubes de puntos y modelos 3D, así como de modelos 3D, todos ellos escalados, a partir de un número suficiente de entidades homólogas identificadas en diversos formatos ASCII. Las entidades homólogas podrán ser centros de dianas y esferas, entre otras, así como puntos naturales o puntos extraídos a partir de modelos digitales. La numeración de las entidades es en principio aleatoria, ya que el programa establece las homologías de manera automática, y compensa el registro indirecto mediante mínimos cuadrados o con estimadores robustos, en función de la opción que seleccione el usuario.



REFLEXIONES

En este módulo, se nos presentan, entre otras, las técnicas necesarias para el adecuado desempeño de la documentación fotogramétrica del Patrimonio, referentes a la obtención de fotografías de alta calidad mediante la utilización de cámara digital DLSR o compacta, como base y principio para la generación de modelos tridimensionales mediante técnicas fotogramétricas, realizando un correcto levantamiento como base fundamental a la hora de generar modelos tridimensionales de calidad gráfica y metricidad aceptables.

La fotogrametría digital es una técnica bastante utilizada para la adquisición de datos geométricos 3D de objetos del mundo cotidiano mediante la superposición de imágenes estereoscópicas, habiendo quedado sobradamente demostrado tener amplias aplicaciones en una gran variedad de campos, entre ellos el de la arqueología.

El tipo de fotogrametría utilizada para nuestros trabajos se denomina: fotogrametría de “Corto Alcance” o “Close Range” (CRP) también conocida como “de objeto cercano”. Este tipo de fotogrametría, tan difundida en la actualidad debido a su bajo coste, tiene como base fundamental la adquisición de colecciones de fotografías tomadas desde tierra a distancias relativamente cortas, convirtiéndose en una herramienta cada vez más popular y accesible gracias a las nuevas técnicas en desarrollo y a la fiabilidad del uso de software libre y de bajo coste, además de a la posibilidad de utilización de cámaras digitales convencionales no métricas. Estas cámaras digitales, (off-theshelf), de bajo coste y el software de código abierto, pueden ser utilizados para extraer y procesar modelos 3D de alta precisión y detalle de yacimientos y piezas arqueológicas.


A continuación quiero resaltar algunos ejemplos en los que han sido utilizados técnicas fotogramétricas de bajo coste para la documentación del Patrimonio:

Acueducto de los Milagros y restos tardoantiguos en el Templo de Diana (Mérida). Gavle S.L.

Extremo sur de la Basílica del Foro de Segóbriga (Saelices, Cuenca). Pablo Aparicio Resco y Balawat.

Teatro romano de Medellín (Badajoz) y enterramiento de inhumación. Groma 2.0.


Con estos ejemplos de documentación podemos observar además como a partir del modelo fotogramétrico obtenido se pueden posicionar las hipótesis reconstructivas en 3D directamente sobre los restos arqueológicos conservados. Esto puede permitir la realización de nuevas infografías que consigan transmitir de forma más sencilla la relación entre el estado actual de las ruinas y su apariencia en la época floreciente de su uso.

Al margen de todas las ventajas anteriormente expuestas, hemos de ser conscientes de que las técnicas fotogramétricas presentan un inconveniente muy importante, y es que carecen de sistemas de georreferenciación de los modelos generados, por lo que siempre es necesario determinar la localización geográfica del objeto patrimonial a documentar bien con navegadores GPS o haciendo uso de estaciones topográficas. He aquí la importancia que actualmente adquiere el uso simultáneo del escaneado láser terrestre y de la fotogrametría de objeto cercano, con enorme potencial en tareas de documentación y análisis de artefactos y sitios arquitectónicos y arqueológicos.

Boehler y Marbs tratan las ventajas y las desventajas de los métodos de fotogrametría terrestre y de escaneado láser terrestre. Encuentran que el primero ofrece la mejor solución cuando un objeto se puede describir predominantemente a partir de puntos o estructuras lineales, mientras que el último es más apropiado cuando hay que documentar el patrimonio y nos encontramos con estructuras complejas y objetos irregulares tipo esculturas, relieves u otros objetos arqueológicos que presentan superficies irregulares. Finalmente, aclaran que en la mayoría de los casos, la combinación de procedimientos de escaneado láser y de fotogrametría ofrece la mejor solución.

Pese a ello, a la vista de la diversidad de objetos y requerimientos es preciso aclarar de entrada que no existe una única estrategia que permita resolver el problema de la documentación 3D de forma universal. Los requerimientos pueden ser de tipo técnico (precisión geométrica, portabilidad o interoperabilidad con otras aplicaciones), tecnológico (identificación de los dispositivos más apropiados, automatización de procesos, acceso a repositorios remotos, interacción), computacional (flexibilidad para fusión de información, baja complejidad para eficiencia en procesamiento) o económico (bajo coste), entre otros.




PROYECTOS INTERESANTES

Aprovechando la temática de este capítulo esta semana me he decantado por la presentación de una potente herramienta que pronto estará lista para su comercialización. Se denomina Eyes Map y ha sido desarrollada por la empresa E-Capture, joven centro de investigación cuya misión es el estudio y creación de nuevos sistemas 2D / 3D de interacción y medición a través de técnicas fotogramétricas y de visión por computador. El laboratorio se encuentra en la ciudad de Mérida (Badajoz, España). En colaboración con centros de investigación líderes en visión por computador y la fotogrametría, e-Capture diseña una nueva forma de medición que va a revolucionar los sistemas actuales: Eyes Map. (http://www.ecapture.es/).


EyesMap es un instrumento de medición en tiempo real y un generador de modelo 3D, que te permite calcular las coordenadas, las áreas y superficies de todo tipo de objetos y ambientes. EyesMap es portátil y le permite moverse, localizar y hacer uso de la realidad aumentada en la visualización redefinición y alineación en el espacio de múltiples elementos.

El instrumento de medida se concreta a través de un potente tablet con dos cámaras integradas, así como un sensor de profundidad, un sistema inercial, un GPS-GNSS y otros dispositivos.



Pero no todo queda aquí, E-Capture se encuentra actualmente trabajando en un proyecto piloto denominado EyesCar, con el objetivo de demostrar que la tecnología y el enfoque establecido son funcionales y viables.

EyesCar es un sistema masivo de captura de puntos de color y 3D en entornos urbanos, generado a través de una serie de cámaras, IMU y GPS-GNSS diferencial, situado en la parte superior de un coche o de un otro vehículo. El sistema captura todos los entornos en los que pasa por la obtención de una nube de puntos en 3D con una textura realista de la foto de muy alta precisión y resolución.

El sistema EyesCar necesita un tiempo de proceso posterior que variará en función de la computadora utilizada, de todos modos es un proceso 100% automático.

En el interior del coche, donde se establecerá el sistema, tiene que haber un ordenador con el software asociado para sincronizar los diferentes elementos y organizar la información para la etapa de post-proceso. Estimamos que no es necesario contar con un equipo muy potente, un Tablet podría ser suficiente. Sin embargo, el equipo para la etapa post-proceso debe tener unos requisitos mínimos de capacidad (RAM, disco duro, procesador y tarjeta gráfica).


Ambos proyectos se presentan como potentes herramientas en el ámbito de la documentación del Patrimonio Cultural. 

Les auguro un éxito rotundo…mucha suerte chicos!!




PROYECTO. DOMUS DEL MITREO.

A lo largo de estas semanas de trabajo con la temática referente al presente capítulo me he dedicado a proseguir con la documentación fotogramétrica de la domus, ya que las prácticas de este tema se han centrado en estas cuestiones. Comencé con esta tarea hace unos meses, dando mis primeros pasos en el mundo de la documentación fotogramétrica, pero debido a la necesidad de llevar a cabo actuaciones previas necesarias, ya comentadas en capítulos anteriores, y debido a mi falta de conocimientos y experiencia en este tipo de técnica de documentación, opté por posponer esta labor.

Los trabajos de documentación en esta fase se han centrado en la documentación del Atrio de la domus y del pasillo que lo conecta con el Persitilo 1. Para la realización de la toma de datos fueron seguidas las recomendaciones propuestas en GIFLE (2012). “12 Consejos para fotografiar métricamente el patrimonio cultural arquitectónico y arqueológico, y generar mediciones 2D/3D/4D”. http://gifle.webs.upv.es/Misceláneo.php#Consejos.

Realicé diversas pruebas en varias estancias con la finalidad de practicar la metodología de las tomas de datos en diferentes espacios con características de iluminación, texturas, morfología y métricas dispares, entre otros factores. Fue utilizada una cámara digital réflex Nikon D50 de 6.1 Mp con objetivo 18-55 mm, y trípode -cámara sin calibrar-, realizando múltiples tomas con solapamientos de 90%, en cada uno de los espacios.

Fig. Vista general de algunas de las estancias en las que fueron efectuadas las tomas.

Para el procesamiento de las tomas fue utilizado el software VisualSFM (Visual Structure From Motion) junto a las herramientas PMVS/CMVS3 (Patch/Cluster based Multi View Stereo Software), descargados de las páginas pertinentes y bajo las indicaciones establecidas.

La estación de trabajo en la que fueron instalados es un PC Intel Core I7-337 CPU, RAM 8 GB, con Memoria Interna de 2 T, Sistema Operativo Windows 7 Ultimate de 64 bits, y tarjeta gráfica Nvidia GeForce GTX 650 de 2 GB. No fue necesario instalar CUDA TOOLKIT versión 4.0.17.

Fueron procesadas un total de 25 pruebas en el software VisualSFM para la obtención de las nubes de puntos, siguiendo los pasos establecidos. Las imágenes fueron procesadas en formato crudo (RAW).

Fig. Carpeta con las diferentes pruebas generadas.

El proceso de carga de imágenes fue realizado en menos de 1 minuto en la mayoría de los casos.

Fig. Ejemplo del proceso de carga de una de las tomas (atrio).

La determinación de puntos homólogos entre imágenes fue realizada en escasos segundos (1-5) en la mayoría de los casos. En las que el número de imágenes era ingente el proceso llegó a durar no más de dos minutos. En el caso del proceso de calibración de la cámara y orientación de las imágenes en el espacio fue llevado a cabo en escasos minutos.

Fig. Ejemplo de la fase de calibración de la cámara y orientación de las imágenes.

Por último, la obtención de la nube densa de puntos fue el proceso que más tiempo ocupó, pero en ninguno de los casos sobrepasó los 10-15 minutos de duración (máxima duración tan sólo en 3 casos de 25, la mayoría en torno a 3-5 minutos). 

Fig. Ejemplo de nube de puntos densa generada por VisualSFM. Visor CloudCompare.


Fig. Detalle de nube de puntos densa generada. Visor CloudCompare.

Fig. Detalle de nube de puntos densa generada. Visor CloudCompare.


NOTAS:
  • El número de puntos generado en cada una de las pruebas oscilaba entre los 150.000 y 800.000.
  • En la mayoría de los casos fueron generadas nubes de puntos sin apenas ruido en la superficie.
  • Las zonas con texturas homogéneas –zonas restauradas con pintura plana- no fueron procesadas.
  • Las zonas afectadas por sombras –algunas sombras eran bastante tenues, en otros casos de densidad media- no fueron procesadas.
Este último punto no lo llego a entender, hice pruebas reiteradas de procesado con menor número de imágenes y comprobé si las sombras eran muy densas, y los resultados fueron similares. A la conclusión que llego es que la textura era muy plana en esta zona, pero sin embargo procesé la misma toma de imágenes con otro software –el cual actualmente está en desarrollo- y la nube de puntos generada fue óptima.

Fig. Imagen de la zona que presentaba conflictos para el procesado.

Fig. Nube de puntos densa generada tras el procesado con VisualSFM.

Fig. Resultado de procesado con software en desarrollo.

El resultado general fue bastante óptimo. A continuación expongo imágenes de las nubes de puntos densas generadas con VisualSFM:








Una vez obtenidas las nubes de puntos densas pasé al procesado de las mismas. Para esta fase se hizo uso combinado de los software Meshlab y CloudCompare, en los que fue realizada la importación de cada una de las nubes de puntos obtenidas en la fase anterior.
El primer paso consistió en la limpieza del ruido de las nubes de puntos y, a posteriori, fueron orientadas y escaladas de forma individual. Esta primera fase de trabajos fue llevada a cabo en Meshlab.

Seguidamente en CloudCompare, una vez limpias –no se eliminaron algunas zonas para comprobar (por curiosidad), en base a la planimetría pertinente, el grado de deformación de las tomas- , orientadas y escaladas las nubes, se procedió al solapamiento de las distintas tomas en base a puntos homólogos naturales –se tomó la precaución de hacer tomas que permitiesen el solape de cada una de las nubes obtenidas-.

Fig. Lateral Este de atrio y pasillo

Fig. Lateral Oeste de atrio y pasillo.

Fig. Impluvium de atrio.


Fig. Comparación de plantas obtenida por métodos topográficos y fotogramétricos.

A posteriori, en Meshlab, fueron llevados a cabo en una de las pruebas los siguientes procesos:
  • Eliminación de redundancias de la nube de puntos: Filters/Sampling/Poisson-disk Samplig.
  • Creación de normales: Filters/Point Set/Compute normals for point sets.
  • Traspaso de textura entre vertices de nubes de puntos.
  • Mallado de la nube de puntos: Filters/Point Set/Surface Reconstruction: Poisson.


Los resultados en la obtención de un modelo triangulado del objeto fotografiado no fueron óptimos, debido a mi falta de conocimiento de manejo del software –Meshlab-, por lo que tengo que seguir trabajando en esta última fase, debido a que con modelos pequeños y perfectamente limpios la creación de superficies fue óptima, pero no ocurrió lo mismo con el modelo general.

Pese a todo, la experiencia ha sido bastante grata, y me ha sido muy útil para comenzar a adquirir las técnicas necesarias para el adecuado desempeño de sus funciones, referentes a la obtención de fotografías de alta calidad mediante la utilización de cámara digital DLSR, aunque también pueden ser compactas, como base y principio para la generación de modelos tridimensionales mediante técnicas fotogramétricas.














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