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.

¿Cómo anotar el visor 3D de un modelo fotogramétrico?

Entre el 22 de Septiembre y el 12 de Octubre de 2014 se llevará a cabo la tercera edición del Curso Online de Introducción a la Fotogrametría Digital y su uso en Patrimonio que llevamos a cabo el colaboración con la Universidad de Burgos (UBUabierta). Se trata de un curso de tres semanas de duración en el que enseñaremos de forma práctica cómo llevar a cabo levantamientos fotogramétricos de calidad para ser utilizados en nuestros proyectos de arqueología y patrimonio. Además, mostraremos algunas de las posibilidades a la hora de difundir nuestros modelos 3D: realización de renderizados, animaciones y ortofotos, creación de PDF3D o uso de visores web.

En concreto, en lo que refiere a los visores web surgió hace unos meses una herramienta interesantísima por su aplicación en Patrimonio. Se trata de la posibilidad de anotar nuestros visores 3D en Sketchfab con hasta 5 puntos clave, de modo que podamos incluir más información sobre nuestros modelos en el propio visor 3D.

Optimizando modelos fotogramétricos: la cabeza de Agripina de Segóbriga

La fotogrametría digital, que nos permite obtener modelos tridimensionales a partir de fotografías, en muchas ocasiones nos va a jugar malas pasadas. Es el caso de los modelos de objetos de mármol, por ejemplo, o, en general, de los objetos de cualquier material que produzca cierto brillo ante el impacto de la luz. A la hora de llevar a cabo un proyecto de documentación del patrimonio histórico nos vamos a encontrar, en muchas ocasiones, con que debemos realizar el levantamiento de un objeto de mármol o alabastro, frecuentemente esculturas, y una vez generamos la geometría nos sorprende una molesta multitud de pequeños bultos distorsionando la superficie de nuestro objeto.

Fig.1. Como se observa en la imagen, la geometría obtenida por PhotoScan genera multitud errores, los famosos «bultos».

Cuando creamos la textura observamos que, debido al enrojecimiento de las fotografías, la textura fotográfica sale también excesivamente oscura y teñida de un tono carmesí que no corresponde con el color original del mármol que nos muestra la pieza al observarla al natural. Por ello, para mantener el rigor en el proceso de documentación, debemos igualar el tono de la textura con el de las fotografías que muestren el tono más fiel de la pieza. 

Fig.2. Captura de pantalla del proceso de retoque de color de la textura en Photoshop.

Posteriormente debemos importar el .obj de nuestra pieza a Blender donde vamos a poder solucionar el problema de los molestos bultos que aparecen en la superficie del objeto. Usaremos para ello la herramienta de esculpido digital que nos ofrece este software y el pincel de alisado/suavizado para así ir poco a poco solucionando los problemas de malla que presenta nuestro objeto. Debemos tener cuidado, eso sí, de usar un pincel pequeño y con poca fuerza porque si no corremos el riesgo de modificar la geometría de nuestro objeto en exceso, eliminando la definición de sus formas y falseando parte de su información tridimensional.

Captura de pantalla del proceso de eliminación de bultos en Blender. A la izquierda el modelo sin modificar, a la derecha el modelo ya modificado.

Además, podemos modificar el material de nuestro objeto para que la pieza gane un ligero brillo y que de la sensación de que estamos verdaderamente ante una pieza de mármol. Para ello podemos mezclar en nuestro objeto dos tipos de material: la textura fotográfica en mate y un material brillante de color blanco. Tenemos que dar muy poca predominancia a este último, eso sí, porque si no se vuelve excesivamente brillante nuestra pieza, acercándose más a la porcelana que al mármol. De cualquier modo, esto es algo que hay que hacer, de nuevo, fijándonos en la propia pieza e imitando sus propiedades físicas.

Configuración de nodos en Blender Cycles usada para el material de la pieza, combinando mate con un ligerísimo brillo.

El resultado final es bastante bueno y nos permite disponer de un modelo fotorrealista a partir del cual realizar infografías, exposiciones, paneles, animaciones, reconstrucciones de policromía, etc. En definitiva, podemos trabajar con un modelo optimizado que no presenta errores de geometría, textura ni material. 

Renderizado de la pieza tras su optimización.

Fotogrametría y Blender para la anastilosis de una columna romana

Anastilosis de una columna de la basílica imperial de Segóbriga.

Las columnas han sido siempre uno de los restos arqueológicos que más ha llamado la atención a anticuarios, arqueólogos y curiosos. Son en ocasiones los únicos vestigios de la vída en el pasado que han resistido en pie, surgiendo desde las entrañas de la tierra, como los dedos de una antigua civilización que se niega a ser sepultada en el olvido, que busca arañar siglo tras siglo nuestras conciencias. 

Así, a partir de las columnas se ha creado toda una teoría de la evolución de la arquitectura clásica, dando lugar incluso a los órdenes arquitectónicos con una fiebre tal que permitiría hablar a algún freudiano de síndromes de inferioridad sexual. Sea como fuere, estos elementos arquitectónicos constituyen la quintaesencia de la arqueología clásica y son la imagen de cualquier perfil de un yacimiento. 

Pese a todo, la inmensa mayoría de las columnas que hoy se observan en los yacimientos no se encontraron en pie sino fragmentadas bajo capas de estratos. Desde muy pronto, sin embargo, se puso de moda la anastilosis de las columnas romanas sobre los propios restos excavados, es decir, volver a reconstruirlas de nuevo en aquel lugar donde antaño se levantaron. Estos símbolos de la gloria dormida se erigían imponentes de nuevo para recordar que allí existieron antiguas civilizaciones. 

En muchos otros casos, sin embargo, no se ha realizado una anastilosis real y se ha optado por dejar algunos restos in situ, en el lugar donde fueron encontrados, u organizados en almacenes. Dejando de lado la polémica sobre si debemos o no realizar reconstrucciones de este tipo sobre los yacimientos excavados, la arqueología virtual se presenta como una solución muy interesante para mostrar al público la posición original de las partes de una columna. Gracias a un proceso de anastilosis virtual -que incluye documentación fotogramétrica, mediante PhotoScan, y montaje de las piezas en un entorno 3D, en este caso valiéndonos del software Blender- se puede tener una idea no sólo de dónde se levantó determinada columna sino también del tamaño de la misma y de su presencia en el yacimiento, y todo ello sin intervenir directamente sobre el sitio o sobre las piezas. 

De este modo, podéis ver en la imagen inferior la anastilosis virtual de una de las columnas de la basílica de Segóbriga, realizada en base a levantamientos fotogramétricos de una basa, un tambor del fuste y un capitel -además del levantamiento del entorno de la Aedes-. De este modo se puede observar la altura que tendría el edificio que allí se levantaba hace 2000 años e incluso comenzar a plantear una anastilosis real a partir de estas pruebas que nos muestran cómo sería el resultado de esa actuación sobre el yacimiento.

Fotocomposición del modelo fotogramétrico de la Aedes de la basílica y de la columna reconstruida.

Documentación fotogramétrica de piezas arqueológicas de La Alcudia de Elche (III)

La primera entrada del año viene cargada de novedades, ya no sólo en cuanto al proyecto de documentación de piezas arqueológicas de La Alcudia de Elche sino en relación con uno de los software fotogramétricos más importantes del mercado actual: Agisoft PhotoScan. Ha sido publicada recientemente la versión 1.0.0 del programa, que incluye importantes cambios a la hora de crear nuestros modelos fotogramétricos.

Quizás el más importante es la existencia de un nuevo paso intermedio: la creación de la nube de puntos densa. Anteriormente se pasaba directamente de la alineación de las imágenes, que te creaba una nube de puntos sencilla, a la creación de la geometría, por lo que se tenía menos control del resultado final de todo este proceso y nuestro modelo 3D podía tener ciertos fallos que se hacía complejo eliminar. Ahora podemos crear la nube de puntos densa después de alinear nuestras imágenes y limpiarla con precisión, es decir, eliminar aquellos grupos de puntos erróneos, para después crear la geometría. 

A parte de que la posibilidad de trabajar con esta nube de puntos densa permite tener un control mucho mayor sobre el proceso de creación del modelo 3D, también hace que cambie el sistema de tiempos de este proceso. Es decir, ahora la mayor cantidad de tiempo se invierte en la creación de esta nube de puntos mientras que antes era en la geometría y, en general, da la impresión de que se PhotoScan se ha vuelto más rápido a la hora de llevar a cabo los cálculos matemáticos de creación del modelo. 

Los modelos que consigue PhotoScan son ahora de mejor calidad que nunca y esto va a hacer que de otro paso más frente al resto de software fotogramétricos, que se siguen quedando a la zaga. Es posible probar la versión completa del programa durante un mes descargándola de su página web: 

http://www.agisoft.ru/products/photoscan/professional/

En la segunda edición del «Curso de Introducción a la Fotogrametría Digital y su uso en Patrimonio» se explicará éste software además de otros de libre acceso pues creemos que ésta es una de las herramientas fotogramétricas más útiles que existen por el momento.

Por otro lado, sigo trabajando con algunas de las piezas que fotografiamos hace unos meses en La Alcudia de Elche, realizando los modelos 3D no sin dificultades debido a la complejidad de algunas partes de las piezas (por ejemplo, la zona interior de las asas o de la propia pieza cerámica), que hacen que el trabajo sea tedioso pero que los resultados finales sean muy buenos. 

Aquí tenéis el renderizado del modelo 3D de una crátera íbera de la Alcudia fechada en el s. I a.C. que se ha identificado con un vaso ritual. Representa el rostro de una mujer alado en una de sus caras y, en la otra, dos rostros masculinos entre los que se disponen dos serpientes cruzadas. Hay quien dice que estamos ante una escena de epifanía de una diosa. 

Disponer del modelo 3D de esta pieza de cerámica nos daría la posibilidad, por ejemplo, realizar un dibujo arqueológico preciso de la misma con gran facilidad y precisión pues podemos seccionar el modelo de la pieza para obtener la sección y dibujar sobre ortofotos de la misma. Esto permite además que nos demos cuenta de las irregularidades que tiene en ocasiones la cerámica de la antigüedad, sobre todo la protohistórica, pese a que esté hecha a torno.

Además, nos permite obtener también, de forma sencilla, el despliegue de la decoración de toda la pieza. Estas imágenes son muy útiles para publicaciones y, en definitiva, para entender mejor la pieza en su conjunto:

Reconstrucción de la policromía en escultura romana

Una de las tareas más importantes de los arqueólogos e historiadores es ayudar a la sociedad a entender el pasado tal y como se entendía cuando era presente. De ahí que sea tan importante y se dé siempre tanto la brasa con el famoso «contexto». La escultura clásica ha sido tradicionalmente una de las partes de nuestro pasado más fuertemente descontextualizadas: normalmente no sabemos con exactitud dónde se encontraba cada pieza y las observamos agrupadas con criterios actuales -de estilo, cronología, temática, etc.- en  las salas de determinado museo. Pero, ¿dónde eran observadas estas imágenes? ¿qué uso tenían? ¿quién las disfrutaba? ¿cómo las disfrutaba? Todas estas preguntas permanecen habitualmente sin respuesta, creando una imagen falsa de la escultura en la Antigüedad, mostrando las piezas escultóricas como «obras de arte» cuando ni siquiera se entendía el «arte» como lo entendemos hoy en día. 

Reconstrucción de color del toracato hallado en Segóbriga (Saelices, Cuenca).

Uno de los aspectos que más ayudan a comprender las esculturas de la Antigüedad y a visualizarlas tan inmersas en la vida cotidiana como de verdad se encontraban es el de la policromía: por lo general, en las culturas de la Antigüedad tanto la decoración arquitectónica como los relieves y esculturas se encontraban policromados. Quizás no por completo, quizás no de forma totalmente realista, pero siempre tenía gran presencia el color. 

Otra de las posibilidades de la fotogrametría es la de reconstruir sobre las piezas documentadas una hipótesis de la policromía original que pudiera haberlas decorado y así acercar de una forma distinta al espectador a este tipo de piezas. Para demostrar el potencial de esta técnica he aprovechado un trabajo de documentación fotogramétrica llevado a cabo hace unas semanas en el Museo de Segóbriga y, basándome en ejemplos pictóricos romanos que han llegado hasta nosotros -como los famosos retratos del Fayum o los frescos de Pompeya y Herculano-, he realizado la hipótesis de policromía de dos piezas: un busto toracato y una cabeza de Agripina La Mayor.

Reconstrucción hipotética de la policromía de la cabeza de Agripina de Segóbriga.

Tras la toma de imágenes y la generación del modelo tridimensional de cada pieza con el software PhotoScan he reconstruido la policromía de cada pieza gracias a la herramienta de Texture Painting de Blender, por lo que el proceso, pese a ser complejo, se hace bastante intuitivo y produce la sensación de que se está pintando realmente sobre una pieza tridimensional y no sobre una textura expandida. 

Captura de pantalla de Blender durante el proceso de reconstrucción de la policromía del toracato.

Esta técnica además nos permite conseguir efectos muy realistas que alejan la visión de la escultura policromada de aquellas piezas como el famoso Augusto de Prima Porta policromado que se puede observar en los Museos Vaticanos y donde la gradación de tonos está ausente. Creo que debemos huir de esa moda -afortunadamente cada vez más pasada- de intentar reconstruir la policromía de la Antigüedad con tonos planos y excesivamente chillones, como si los griegos o los romanos no hubieran conocido las técnicas de pintura realista. Lo más probable es que la policromía de las esculturas se pareciera más a los ejemplos de pintura mural o sobre tabla que todavía conservamos que al Augusto «drag queen» que nos quiere vender el Vaticano.

A la izquierda: la copia del Augusto Prima Porta del Vaticano donde se reconstruye, de forma muy poco afortunada, una posible policromía.  A la derecha: uno de los retratos romanos del Fayum. Yo soy de los que opinan que la policromía escultórica del mundo romano estaría más cerca de lo segundo que de lo primero.

Una de las ventajas más interesantes de este tipo de reconstrucciones de color es que, al tratarse de una textura en una pieza tridimensional virtual permite la realización de animaciones que pueden resultar interesantes, con todas las posibilidades divulgativas que esto conlleva y sin implicar grandes sumas de dinero en la realización de una copia tridimensional de la escultura y una hipótesis de color real sobre ella.

Restauración virtual de escultura: anastilosis y reconstrucción de partes perdidas

¿Cómo de costoso es realizar una restauración escultórica? ¿Qué daños puede provocar a la pieza original si no se cuenta con los materiales y profesionales adecuados? ¿Cómo podemos saber cual va a ser el resultado final de la restauración? Todas estas preguntas pueden tener una solución: el uso de la restauración virtual. Ésta no ha de sustituir nunca a los procesos de conservación necesarios para evitar el deterioro de la pieza original pero puede ser una buena ayuda para preparar una restauración real y mostrar de forma virtual la recomposición de la pieza. 

Águila de piedra tras la anastilosis y recomposición de fragmentos perdidos.

Para demostrar cómo se puede llevar a cabo la restauración virtual de una escultura he utilizado un águila de yeso de la que tenía dos copias: una completa y otra que me he encargado de destrozar para que se asemeje más a lo que podemos encontrarnos en una excavación. De este modo he llevado a cabo la anastilosis virtual, es decir, la recomposición de los fragmentos existentes de la pieza de forma virtual, gracias a la documentación fotogramétrica de todos ellos y al trabajo de restructuración de la pieza en Blender. Posteriormente, basándome en el modelo 3D del águila completa, he reconstruido las partes perdidas del águila fragmentada -también con Blender-, logrando así la restauración virtual de la pieza. Para reconstruir estos fragmentos inexistentes no hace falta que nos basemos en otro modelo 3D, también puede servir otro tipo de información: descripciones de la pieza, imágenes de la época en la que salga representada, fotografías antiguas, etc.

Una de las posibilidades más sugerentes de esta técnica es la de probar distintos tipos de materiales a la hora de reconstruir los fragmentos perdidos:

a) Águila reconstruida con resina translúcida. b) Águila reconstruida con material blanco mate.

En este pequeño minidocumental (5 mins) podéis ver el proceso de trabajo seguido para realizar la restauración virtual:

Reconstrucción esquemática de la Puerta del Perdón de Villafranca del Bierzo

Hace unos meses la historiadora del arte Sonia Martínez me pidió una pequeña infografía a partir de la cual ella pudiera explicar las distintas partes de la Puerta del Perdón de la iglesia de Santiago de Villafranca del Bierzo (León). En ese momento no tenía acceso a planimetrías de la puerta ni pude acercarme a Villafranca por lo que intenté obtener la mayor información gráfica posible de la red de redes para levantar un modelo esquemático preciso de la portada. De este modo, el primer paso fue el acopio de imágenes de la web en las que se viera la portada desde distintos ángulos:

Posteriormente realicé un levantamiento fotogramétrico con estas imágenes, siendo consciente de los fallos que podría dar el hecho de que fueran fotografías tomadas en momentos diferentes, con cámaras diferentes y luz diferente. El resultado, sin embargo, fue mejor de lo esperado y, pese a que no me permitió utilizar el modelo obtenido en la infografía, sí proporcionaba información geométrica suficiente para realizar un modelo 3D esquemático y preciso.

Vista de malla, geometría y texturizada del modelo fotogramétrico de la Puerta del Perdón de Villafranca del Bierzo obtenido mediante 25 fotografías de la web.

Posteriormente, a partir de este modelo tridimensional fue modelado poco a poco en Blender un modelo esquemático de la portada que eliminara irregularidades y sistematizara las distintas partes de la portada. Además, fueron coloreados los espacios protagonizados por distintos tipos de decoración para permitir una mejor explicación de la misma.

A la izquierda modelo esquemático de la puerta sin colorear. A la derecha, modelo esquemático de la puerta con las zonas ocupadas por al decoración coloreadas.

Este trabajo, además, nos ha permitido demostrar que es posible recuperar información geométrica de imágenes de archivo, es decir, de fotografías que nunca fueron realizadas con el objetivo de ser aplicadas a la generación de un modelo fotogramétrico. De nuevo, esta es otra de las capacidades de la «fotogrametría involuntaria» y, pese a que en este caso ha sido aplicada a un edificio que todavía se encuentra en pie, no debemos olvidar las posibilidades que tiene esta técnica para la recuperación de información sobre patrimonio destruido.

Podéis ver un vídeo sobre el proceso aquí.

Diario del curso (II): generando los modelos 3D fotogramétricos

Después de la primera semana, dedicada por entero a cómo se deben tomar las imágenes, en esta segunda semana nuestros alumnos han estado trabajando en la generación de los modelos 3D mediante dos software distintos: 123D Catch y PhotoScan.

El primero, Autodesk 123D Catch, es un software fotogramétrico de trabajo «en la nube», es decir, que los cálculos para la generación de los modelos se realizan en servidores externos a los que se envían las imágenes, posteriormente se te envía el modelo ya creado a tu ordenador. Esto tiene una serie de ventajas, como que no necesitas disponer de un ordenador muy potente para obtener buenos resultados, pero también una serie de inconvenientes ya que realmente careces de muchas opciones de control del proceso fotogramétrico.

Modelo fotogramétrico de un horno romano del s. I d.C. realizado por Yolanda Jiménez.

Sin embargo, Agisoft PhotoScan es un software de escritorio, es decir, que va a utilizar los recursos de tu propio PC para realizar todo el proceso de creación del modelo 3D. Esto, como hemos dicho, tiene el inconveniente de que si no dispones de un ordenador muy potente el proceso será lento y difícil, y quizás no te permitirá crear modelos en calidad alta o muy alta. Nos permitirá, sin embargo, tener un control mucho mayor en el proceso de creación de la nube de puntos, la geometría, la textura, etc.

Modelo fotogramétrico de una estatuilla realizado por Raúl Balsera.

Como podéis observar, los resultados que están consiguiendo nuestros alumnos son muy buenos y nuestro objetivo no es otro que darles la posibilidad de usar esta técnica con facilidad en sus futuros proyectos, conscientes de que las nuevas tecnologías nos proporcionan unas herramientas a las que no podemos dar la espalda si queremos que siga avanzando nuestra disciplina.

Modelo 3D de una pieza cerámica generado por Helena Torres.

Durante la semana que hoy comienza se abrirán los últimos bloques del curso en los que enseñaremos a los alumnos a editar sus modelos 3D, a realizar renderizados fotorrealistas y ortofotos de los mismos y a difundir estos resultados gracias al PDF 3D y a los Visores Web, por ejemplo.