Cómo documentar un cráneo humano mediante fotogrametría

Dentro de unos días vamos a empezar la tercera edición del curso online de «Introducción a la fotogrametría digital y su uso en patrimonio« que organizamos con la Universidad de Burgos (UBUabierta) y que por primera vez impartimos, de forma paralela, también en portugués. Por ahora, os dejamos con una pequeña muestra de cómo conseguir un buen modelo fotogramétrico de un cráneo humano y de qué nos puede servir posteriormente.

En la actualidad, los arqueólogos usamos un tipo de fotogrametría conocida como SFM (structure from motion) que se caracteriza básicamente por permitir una mayor libertad a la hora de llevar a cabo la toma de imágenes (no es necesario calibrar las cámaras, por ejemplo) y que resulta muy potente detectando puntos comunes entre fotografías con diferencias medias de color, iluminación, etc. Esta fotogrametría es, sin embargo, un arma de doble filo porque nos puede llevar a pensar que todo sirve a la hora de tomar las imágenes y que podemos obtener un buen modelo de cualquier modo. Ni mucho menos. El proceso de toma de imágenes es lo más importante a la hora de realizar un modelo fotogramétrico.

Fotografía del proceso de documentación fotogramétrica de un cráneo. Autora: Itxaso Azcune.

A la hora de llevar a cabo la documentación fotográfica para realizar el levantamiento de un cráneo es importante tener en cuenta varias cosas:

• No intervenir en el objeto. Es probable que nos hayan cedido el cráneo, que no seamos expertos en limpiarlos o que no tengamos las herramientas adecuadas. Es mejor tener cuidado y no querer limpiarlo porque podemos llevarnos por delante algún diente o practicarle una cirujía no deseada. ¡Siempre hay que trabajar con cuidado!
• Es recomendable que coloquemos unas dianas en torno al cráneo (y que estas aparezcan en la fotografía, claro). De este modo podremos realizar mejor el proceso de alineado de imágenes. y el escalado del modelo.
• Debemos respetar las recomendaciones básicas para realizar un buen levantamiento (buena luz difusa, poco movimiento de la cámara, solape entre imágenes, etc.).
• Como debemos documentar el cráneo completo, tendremos que hacer dos tomas de imágenes, una de la parte inferior del cráneo y otra de la superior. Es muy importante asegurarnos de que entre estas dos tomas haya una gran zona de solape para que después podamos unir las nubes de puntos.
• Algunos trucos para realizar el levantamiento fotogramétrico de la parte inferior son colocar un pequeño montoncito de tierra debajo o, sencillamente, que alguien sostenga el cráneo con las manos mientras lo rodeamos haciéndole fotografías.

Sostener el cráneo boca abajo con las manos mientras otro realiza la toma de imágenes puede ser una buena solución. Autor: Pablo Aparicio

Si tenemos la cabeza separada en varias partes podemos documentarlo por separado, realizando por ejemplo un primer modelo para la mandíbula y un segundo para el cráneo. Tendremos que hacer, sin embargo, dos tomas -superior e inferior- para cada parte de la cabeza.

Dos imágenes utilizadas para realizar sendos modelos fotogramétricos. Posteriormente, en Blender, se unen ambos. Autora: Itxaso Azcune.

Una vez tenemos una correcta toma de imágenes (el número de ellas depende de la calidad que deseemos obtener, puede estar bien entre 80 y 120 imágenes) será cuando trabajemos con estas en un software de fotogrametría para obtener el modelo. Antes de cargar las imágenes en ningún software, sin embargo, es recomendable normalizar los tonos de las mismas si notamos que las fotografías han salido enrojecidas o muy oscuras, para así obtener un modelo más preciso y cercano a la realidad. Podemos usar varios software, entre ellos 123D Catch, con el que se ha demostrado que se pueden obtener muy buenos resultados se se trabaja muy bien la toma de imágenes, tal y como se ve en esta imagen de Cicero Moraes y Paulo Eduardo Miamoto:

Levantamiento fotogramétrico realizado por Cicero Moraes y Paulo Eduardo Miamoto con 123D Catch.

Hay otras alternativas (como Visual SFM o Python Photogrammetry Toolbox, ambos software libre) pero quizás el software más intuitivo, sencillo de manejar y potente a la hora de ofrecer resultados sea Agisoft Photoscan. Éste nos permite además realizar el proceso de unión de mallas, creación de textura, etc. Aquí tenéis un ejemplo en el que se muestra cómo se realizan dos nubes de puntos independientes que después se alinean y unen para formar la nube de puntos completa del modelo:

1. Levantamiento de la parte inferior del cráneo; 2. Levantamiento de la parte superior del cráneo; 3. Ambas nubes de puntos alineadas, formando la nube de puntos completa.

La nueva versión de Photoscan, además, incorpora la posibilidad de crear un paso intermedio entre la nube de puntos y la malla: la nube de puntos densa. Ésta nos permite controlar mucho mejor la creación del modelo y eliminar muchos fallos de forma más sencilla.

Nube de puntos densa de un cráneo creada con Photoscan.

Una vez tenemos nuestro modelo 3D podemos exportarlo y trabajar con él en otros software, como Blender, donde podemos llevar a cabo renderizados fotorrealistas, ortofotos, reconstrucciones faciales, etc. Las posibilidades son infinitas y esto se debe a la precisa documentación 3D que disponemos del objeto. Ya no se trata únicamente de una serie de fotografías o un dibujo arqueológico, ahora disponemos toda la información geométrica y de color sobre un modelo digital en tres dimensiones.

Renderizados de un cráneo en Blender

Un paso más, como hemos dicho, es el de las aproximaciones faciales realizadas a partir de estos modelos 3D de cráneos. Podéis ver un ejemplo en el siguiente vídeo: