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.
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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