Capítulo VII

Fotogrametría

Beatriz Calvo Bartolomé
Laboratorio de Humanidades Digitales RABASF

Metodología Para la digitalización 3D

El LHD investiga nuevas formulas que superen a las anteriores. El grueso de la virtualización se dirige a patrimonio existente y es por este motivo que utilizamos, sobre todo, la técnica de la fotogrametría, un tipo de escaneado a partir de fotos 100% confiable y científicamente útil. Este proceso se divide en tres grandes bloques: toma de datos, procesado y post-procesado.

Toma de datos

Consiste en la captación mediante fotos de toda la volumetría del objeto o espacio a escanear y su apariencia estética. Dependiendo del tamaño y accesibilidad que tengamos al objeto, hemos desarrollado dos métodos:

a) De estación fija: denominamos de esta manera a la captura que se realizara haciendo girar el objeto y no la cámara. Se utiliza para objetos de pequeño y medio tamaño, susceptibles de ser portados y colocados sobre una plataforma giratorio. Este método es el más ventajoso ya que nos permite colocar un fondo neutro y focos, consiguiendo unas condiciones de estudio óptimas para realizar las fotos de manera que tenemos una controlada y, por lo tanto, uniforme.

b) De objeto fijo: denominamos de esta manera a la captura que se realiza moviendo la cámara alrededor del objetos por la imposibilidad de moverlo ya sea por su tamaño o fragilidad. Se usa siempre para el escaneo de espacios (Fig.1).

Nube de puntos dispersa de un busto masculino de yeso obtenida mediante fotogrametría
Figura 1: Fotogrametría de la Ínsula VII.6.3 de Pompeya, donde se encuentra la Casa de la Diana Arcaizante.
Foto: captura del visualizador 3D Sketchfab
Nube de puntos dispersa de un busto masculino de yeso obtenida mediante fotogrametría
Figura 2: nube de puntos dispersa de un busto masculino de yeso obtenida mediante fotogrametría.
Foto: captura de pantalla del software PhotoScan

Procesado

El procesado nos va a permitir la reconstrucción volumétrica del espacio u objetos a través del reconocimiento de puntos comunes entre las fotos. Dichos puntos comunes se ubican en un espacio virtual de manera que todos quedan referenciados entre sí, creando un sistemas de coordenadas interno. La visión de los mismos es lo que se denomina “nube de puntos dispersa” (Fig.2) que, basándose en el principio de triangulación o visión estereoscópica, genera el 3D.
Después de la colocación o alineación de las fotos, se produce una densificación de la nube, convirtiéndola en una “nube de puntos densa” que, posteriormente se unirá mediante triángulos creando un “malla” o volumen virtual donde ya podemos apreciar las características geométricas de la pieza. A esta malla solo nos resta colocarle la “textura” o apariencia externa, completamente fotorrealista. El tiempo de procesado es directamente proporcional al número de fotos utilizadas pudiendo variar entre uno y tres días.

Post-procesado

Aunque lo que obtenemos del procesado ya es un modelo completo que podríamos utilizar teniendo el software adecuado, lo que nos interesa es la accesibilidad del público, en general, y de investigadores, de cualquier parte del mundo, a las colecciones y proyectos virtualizados para devolver el patrimonio a la sociedad. Por ello, debemos someter nuestros modelos a labores de optimización 3D de manera que podamos conseguir que el objeto conserve toda su calidad y al mismo tiempo sea tan ligero que pueda verse desde cualquier equipo (esto incluye teléfonos móviles) y colgarse libremente en cualquier página de internet. Para conseguirlo investigamos un método denominado retopología procedente del mundo de la animación gráfica que nos permite colocar una malla mucho más ligera encima del objeto a la que le vamos a traspasar toda la información “topográfica” del mismo y toda la información estética. Este paso lo haremos colocando virtualmente una retícula de cuadrados por todo el modelo. Para la reconstrucción virtual, previa investigación y compilación de documentos de todo tipo (textos, fotos, planos, maquetas, dibujos…), deben trazarse líneas que sigan los trazados del plano o imagen guía de manera que luego podamos extruir, en el caso de querer levantar muros, o modelar. Esto nos va a dar como resultado el modelo esquemático sobre el que podamos colocar el resto de los elementos, siempre trabajando por capas y en grupos de objetos para facilitar dicho trabajo. Una vez obtenido el modelado 3D, le atribuiremos un material o una combinación de materiales dependiendo de la composición que tuviera el objeto real, y también una textura o color. Finalmente, la colocación de luces será esencial a la hora de visualizar el objeto renderizado.

Software y equipos

El LHD, durante los dos años que lleva en activo, se ha equipado con ordenadores de gran potencia para poder procesar grandes bloques de imágenes en el menor tiempo posible, tales como el Mac Pro con una ampliación de la memoria RAM de 64 GB y un iMac de 32GB. Para conseguir la máxima calidad en las imágenes que luego va repercutir en la resolución del modelo utilizamos una Canon 70D de 25 MXP y un trípode Manfrotto 055 muy estable y versátil que nos va a permitir realizar tomas a 7cm del suelo y a 180cm de altura. Siempre que tengamos la posibilidad de realizar una toma de estación fija, utilizaremos un equipo de focos que nos proporcione una luz homogénea y sin matices de color. Es imprescindible que las fotos que tomemos se disparen en RAW para trabajar con toda la información. Dichas tomas habrán de ser reveladas de manera digital mediante Photoshop con el que corregiremos temperatura y matices de color, tratamientos de luces y sombras, exposición y, en el caso en que sea necesario supresión del fondo neutro. Una vez reveladas y tratadas las fotografías usaremos, para la creación del modelo 3D propiamente dicho, el software PhotoScan que, junto con los equipos, nos permiten calidades geométricas muy por debajo del milímetro.

Para realizar la retopología u optimización hemos estado utilizando el software libre Blender, usado normalmente en animación y modelos para videojuegos, con el que podíamos realizar punto por punto esta segunda malla ligera. Sin embargo, es este paso, indudablemente, el más laborioso y costoso, por lo que investigamos otras metodologías descubriendo un programa (Instant Meshes) de realización de retopología automática, a pesar de lo cual el trabajo sigue siendo laborioso por no ser los resultados lo mejores y tener que retocar a mano dichas mallas. Para los casos en los que debemos restituir una parte perdida o bien la pieza completa, usamos Blender con el que conseguimos el modelado, escalado y mediciones del objeto a tratar. Una de las bases más importantes del LHD son las relaciones con otras instituciones y empresas mediante colaboraciones con las que poder alcanzar nuestros objetivos de cara de la difusión y documentación del patrimonio. Una de estas colaboraciones es la que se lleva a cabo con la empresa BQ para la exposición Carlos III y la difusión de la antigüedad en la que podemos mostrar modelos digitalizados en tablets que la compañía pone a nuestra disposición en concepto de préstamo, así como dos impresoras 3D que nos permiten imprimir y traer físicamente a nuestra sede reproducciones de piezas que se encuentran en otro país, así como imprimir las partes faltantes de algunas de las esculturas (Fig.3).

Cabeza de Afrodita torreada a la que se le añade la impresión 3D de la parte faltante perteneciente al modelo original
Figura 3: cabeza de Afrodita torreada a la que se le añade la impresión 3D de la parte faltante perteneciente al modelo original. Foto: Beatriz Calvo

Desarrollo de la optimización de procesos

Aunque el curso que se ha seguido desde un inicio en el departamento es el de investigar nuevas herramientas y mejorar las existentes, cada vez estamos más cerca de conseguir la optimización de procesos de modo que nos cuesten menos tiempo y dinero: Ya a principios de 2015 decidimos sustituir el escáner láser por la fotogrametría, en la mayoría de los casos; esto nos dio como resultado un gran abaratamiento de los costes en cuanto a equipos y un mejor resultado en cuanto calidades finales. Además, hemos ganado calidad a través del perfeccionamiento de la toma de datos:

  • usando objetivos de focal fija que nos proporcionan mayor luminosidad y estabilidad.

  • usando un trípode estable con el que poder mantener mayor tiempo el obturador de la cámara abierto de manera que captemos más información de la pieza.

  • usando filtros de polarización y UV para condiciones de luz solar y brillos.

  • mejorando la colocación de la pieza en nuestro encuadre para un mejor aprovechamiento de los pixeles.

Hemos conseguido mayor calidad y rápidez a la hora de realizar las máscaras de las imágenes o supresión del fondo, usando programas de edición de imagen en lugar de las herramientas del propio software PhotoScan. Pretendemos seguir mejorando los tiempos de procesado realizado estrategias de capturas de datos donde consigamos toda la información de las piezas en el menor número de fotos posible, por lo que la creación de nubes de puntos dispersa y densa, será más rápida. Aunque tenemos una mejora en los tiempos de post-proceso por la aplicación de software automáticos, nuestra siguiente propuesta o vía de investigación es la mejora absoluta de tiempo, calidad, esfuerzo y dinero, a través de programas diseñados para la escultura digital y programas más enfocados a la ingeniería, topografía y control de drones; esperando que nuestros próximos proyectos nos ayuden a testear dicha tecnología.

Página web de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando
Figura 4: página web de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando
Foto: captura de pantalla de la sección de museo de la RABASF

Impacto

Documentación

Conseguir documentar de la forma más precisa posible todas las piezas que componen los fondos de un museo es una de las labores más importantes y constantes del mismo. La inclusión de la documentación 3D de los objetos de un museo supone un nuevo hito que marcará un antes y un después en las formas de documentación de cualquier institución cultural. La fotogrametría es un medio de documentación muy completo, confiable y científicamente útil al conseguir calidades por debajo del milímetro, en cuanto a geometría se refiere, y un aspecto fotorrealista . Esto no supone en ningún caso la sustitución de la fotografía como método documental, sino que la complementa y se nutre de ella en su proceso de elaboración. Este punto de inflexión en la documentación patrimonial supone la creación de objetos virtuales que, realizados de forma científica, son el reflejo fiel en pantalla del objeto real. En el caso de que la pieza sufriera algún daño, su representación virtual 3D podría servir para restaurarla o incluso en el peor de los casos, sustituirla y preservarla documentalmente.

Difusión - accesibilidad

La labor de devolver el patrimonio a la sociedad viene siendo, desde hace mucho tiempo, una inquietud para nosotros, convirtiéndose en uno de los motores fundamentales del laboratorio. La calidad de la documentación 3D hace que se muestre en pantalla una representación fiel del objeto real y la optimización del modelo hace que pueda colgarse libremente en internet, embeberse en cualquier página (Fig.4) o formar parte de una aplicación móvil, de manera que las piezas puedan ser accesibles para todo tipo de público y desde cualquier equipo básico.

La democratización del patrimonio es otro de los puntos fundamentales hacia el que pretendemos dirigirnos mediante la difusión libre de las colecciones digitalizadas en 3D. La liberación del patrimonio oculto supone sacar a la luz, sin mover la pieza, colecciones que, bien por estar en almacenes, colecciones privadas o por la imposibilidad de viajar a países diferentes, normalmente no podemos acceder a ellas y verlas en toda su complejidad. En la RABASF entendemos que parte de la accesibilidad consiste también en la difusión de las técnicas y metodologías utilizadas en nuestras actividades por lo que recibimos alumnos en prácticas de diferentes disciplinas que quieran aprender este medio, realizamos visitas de alumnos y profesores de diferentes facultades: Bellas Artes, Restauración, etc. en las que les mostramos tanto los software que usamos como sus posibles aplicaciones en el mundo del arte y la cultura. Además, pretendemos llevar a cabo una serie de cursos de iniciación a la virtualización del patrimonio y diseño asistido. Por último, la técnica que usamos y enseñamos solo necesita, para llevarla a la práctica, una cámara y un ordenador, lo que la hace accesible para cualquier persona en detrimento de otras como el escáner láser, de elevado coste y difícil manejo.

Modelo de vaciado de yeso con números de inventario ocultos
Figura 5: modelo de vaciado de yeso con números de inventario ocultos. Acceso al modelo 3D: https://skfb.ly/6ns8C
Foto: captura del visualizador 3D Sketchfab
Superposición volumétrica virtual de original de mármol y copia en yeso del Júpiter Amón de las Villa de los Papiros
Figura 6: superposición volumétrica virtual de original de mármol y copia en yeso del Júpiter Amón de las Villa de los Papiros

Conservación y restauración

Una vez obtenido el modelo 3D y puesto a disposición del público, en general, e investigadores, ya no va a ser necesario acudir a la pieza para para observar en ella detalles interesantes, estudiarla, ver números de inventario o firmas ocultas que requerirían mover o incluso tumbar el objeto (Fig.5).

En cuestiones de restauración, por un lado, nos permite realizar ensayos virtuales antes de intervenir la pieza físicamente o realizar anastilosis virtual en lugar, o además de, real. Por otro lado, el hecho tener las colecciones documentadas de una manera tan completa en un solo visionado en el que se puede apreciar tanto la geometría como la textura y color, nos asegura futuras intervenciones basadas en modelos científicos y fieles al objeto real. Como tantas veces sucede, encontramos patrimonio incompleto cuya parte faltante se encuentra en otro museo, sin embargo, el escaneo fotogramétrico y sus post-procesos nos permiten las unión de las dos partes en las que veríamos la pieza completa y se comprobaría si realmente pertenecían a la misma obra.

Investigación

Siguiendo en la línea anterior podríamos investigar si las piezas de una misma obra son coincidentes, incluso pretendemos en nuestros proyectos, como la fotogrametría de la Casa de la Diana Arcaizzante (Pompeya), suprimir restauraciones modernas para poder estudiar el espacio u objeto tal y como se conserva, de manera que consigamos desprendernos, en una visualización, de intervenciones agresivas o poco afortunadas. Durante la exposición Carlos III y la difusión de la antigüedad se realizaron los escaneos tanto de las piezas originales, como de los vaciados en yeso del siglo XVIII, por lo que decidimos realizar un comparativa de diversas piezas superponiendo geométricamente original y copia, encontrando pequeñas diferencias debidas a modificaciones a lo largo del tiempo (Fig.6)

Esta aplicación cumple funciones no solo de investigación, sino también de conservación y reducción de costes, ya que son piezas ubicadas en dos museos de países diferentes, por lo que sería dificultoso traer el original para compararlo ubicándolo al lado de su copia (pues muchas modificaciones no se aprecian a simple vista, ni a través de la fotografía), se correrían riesgos de conservación y sería altamente costoso. Y, por supuesto, lo que no podemos realizar en la realidad, se hace posible en un espacio virtual donde podemos superponer las piezas para apreciar modificaciones tales como ángulos diferentes en algunas partes restauradas. Y, por último, se convierte en una herramienta de estudio, en general, total y completa que esperamos, en un futuro se comience a utilizar como medio de enseñanza en escuelas y facultades de Historia del Arte, Arquitectura, Arqueología, etc. 


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