Aplicaciones de la fotogrametría de bajo coste al estudio de patrimonio arqueológico y arquitectónico

TESIS DOCTORAL APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA DE BAJO COSTE AL ESTUDIO DE PATRIMONIO ARQUEOLÓGICO Y ARQUITECTÓNICO Simón Peña Villasenín ESCOLA DE DOUTORAMENTO INTERNACIONAL PROGRAMA DE DOUTORAMENTO EN ENXEÑARÍA PARA O DESENVOLVEMENTO RURAL E CIVIL SANTIAGO DE COMPOSTELA / LUGO 2019 AUTORIZACIÓN DE LOS DIRECTORES DE LA TESIS Dra. Dña. Mª Luz Gil Docampo y Dr. D. Juan Ortiz Sanz, Profesores Titulares del Departamento de Ingeniería Agroforestal de la Universidad de Santiago de Compostela Como Directores de la Tesis Doctoral titulada: APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA DE BAJO COSTE AL ESTUDIO DE PATRIMONIO ARQUEOLÓGICO Y ARQUITECTÓNICO. Por la presente DECLARAMOS: Que la tesis presentada por D. Simón Peña Villasenín Es idónea para ser presentada, de acuerdo con el artículo 41 del Reglamento de Estudios de Doctorado. Lugo, 1 de Julio de 2019. Fdo. Dra. Dña. Mª LUZ GIL DOCAMPO Fdo. Dr. D. JUAN ORTIZ SANZ AGRADECIMIENTOS Me gustaría que estas líneas sirvieran para expresar mi más profundo y sincero agradecimiento a todas aquellas personas que con su ayuda han colaborado en la realización de la presente tesis doctoral, en especial a los directores Dra. MªLuz Gil y Dr. Juan Ortiz, por la orientación, el seguimiento y la supervisión continua de la misma, pero sobre todo por la motivación y apoyo recibidos a lo largo de estos años. De forma especial quiero agradecer a mis padres, porque siempre me han ayudado y apoyado en todas mis decisiones y porque han sido y son un ejemplo y referencia; al resto de mis familiares y amigos cercanos, a los cuales prometo dedicar el tiempo que les debo ahora que finalizo esta etapa de mi vida en la que he estado tan ocupado; y a mi abuelo Gonzalo, a quién le dedico esta tesis. A los miembros del Colectivo A Rula por su labor en la difusión y defensa del patrimonio gallego, y en lo personal, por su colaboración en esta tesis y por enseñarme a apreciar la magnitud cultural del fenómeno del Arte Rupestre “Atlántico”. Finalmente, me gustaría agradecer a la USC, y extender ese agradecimiento al grupo de investigación CIGEO por acogerme en esta etapa de formación como investigador, así como a la Xunta de Galicia por aportar parte de la financiación necesaria para el desarrollo de este proyecto, bajo el programa operativo FSE Galicia 2014-2020 (2016). A todos ellos, muchas gracias. RESUMEN 7 | Página APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA DE BAJO COSTE AL ESTUDIO DE PATRIMONIO ARQUEOLÓGICO Y ARQUITECTÓNICO RESUMEN Esta tesis se enmarca en el campo de la documentación fotogramétrica de patrimonio arquitectónico y arqueológico, y muestra que en determinadas circunstancias esta documentación puede ser llevada a cabo de un modo colaborativo, por parte de profesionales y aficionados con medios y conocimientos limitados. Con el objetivo de evaluar la variabilidad metodológica de la fotogrametría SfM en términos de calidad geométrica, calidad visual, rendimiento y accesibilidad técnica, se testean flujos de trabajo simples y de bajo coste, que permiten obtener modelos 3D en situaciones complejas y mejoran los resultados de técnicas de partida más avanzadas como el TLS. RESUMO Esta tese enmarcase no campo da documentación fotogramétrica de patrimonio arquitectónico e arqueolóxico, e mostra que en determinadas circunstancias esta documentación pode ser levada a cabo de un modo colaborativo, por parte de profesionais e afeccionados con medios e coñecementos limitados. Co obxectivo de avaliar a variabilidade metodolóxica da fotogrametría SfM en termos de calidade xeométrica, calidade visual, rendemento e accesibilidade técnica, téstanse fluxos de traballo simples e de baixo coste, que permiten obter modelos 3D en situacións complexas e melloran os resultados de técnicas a priori más avanzadas como o TLS. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 8 | Página ABSTRACT This thesis is part of the field of photogrammetric documentation of architectural and archaeological heritage, and shows that in certain circumstances professionals and amateurs with limited means and knowledge can carry out this documentation in a collaborative way. With the aim of evaluating the methodological variability of SfM photogrammetry in terms of geometric quality, visual quality, performance and technical accessibility, simple and low-cost workflows are tested, which allow obtaining 3D models in complex situations and improve the results of more advanced starting techniques such as TLS. ÍNDICE 9 | Página ÍNDICE 1. ESTRUCTURA DE LA TESIS 23 2. JUSTIFICACIÓN 25 3. INTRODUCCIÓN 31 Documentación geométrica del patrimonio................................. 31 Fotogrametría SfM ....................................................................... 36 Variabilidad metodológica de la fotogrametría SfM ................... 38 Evaluación de las variables metodológicas de la fotogrametría .. 46 4. OBJETIVOS 55 5. CAPITULO I 59 Introducción ................................................................................. 61 Algoritmos Structure from Motion (SfM). .................................. 63 Toma fotográfica ......................................................................... 65 Metodología ................................................................................. 68 Resultados y discusión ................................................................ 81 Conclusiones................................................................................ 89 6. CAPITULO II 95 Introducción ................................................................................. 97 Metodología ............................................................................... 102 Discusión de resultados. ............................................................ 117 Conclusiones.............................................................................. 127 7. CAPITULO III 129 Introducción y objetivos ............................................................ 131 Metodología ............................................................................... 134 Resultados y discusión .............................................................. 142 Conclusiones.............................................................................. 150 SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 16 | Página Capítulo 3: Comparación de TLS y fotogrametría SfM para el modelado 3d de arte rupestre y la aplicación del realce Radiance Scaling Shader para la detección de grabados El conjunto arqueológico gallego de arte rupestre constituye una expresión artística significativa de las comunidades que habitaron estas tierras en la edad de bronce catalogados dentro de la familia de arte rupestre “Atlántico”, estos petroglifos tienen una fuerte personalidad que los hace reconocibles entre muchos otros. Considerando el número y la calidad de los diseños, el arte rupestre gallego es una de las manifestaciones culturales más importantes de este tipo en Europa. El inventario geométrico y la documentación del arte rupestre es complejo debido a la gran cantidad de petroglifos presentes en el territorio, la distancia entre ellos, en muchos casos el estado de abandono de las áreas forestales, las limitaciones de acceso y las características geométricas de este patrimonio, en el que predominan grabados poco profundos en muchos casos altamente erosionados, que hacen del arte rupestre gallego un fenómeno difícil de documentar. Este complejo registro ha dado lugar a documentaciones e interpretaciones parciales del conjunto de arte rupestre gallego. En la mayoría de los casos la única documentación existente es una descripción textual y su geolocalización aproximada, lo que deriva en una interpretación parcial del fenómeno. La documentación geométrica de todo el patrimonio rupestre no es factible por razones técnicas y económicas, y al mismo tiempo, esta documentación es una tarea muy necesaria debido al alto riesgo de deterioro del mismo, ya que estas muestras de arte rupestre al aire libre, están totalmente expuestas a múltiples agentes externos. En las últimas décadas, la fotogrametría Structure from Motion (SfM) se posicionó como una técnica óptima para la documentación patrimonial, pero esta técnica tiene una gran variabilidad en su metodología y coste de ejecución. La metodología de adquisición de modelos 3D de petroglifos se estudia en el capítulo 3 titulado “Comparación de TLS y fotogrametría SfM para el modelado 3D de arte rupestre y la aplicación del realce Radiance Scaling Shader para la detección de grabados”. En este estudio, se desarrolla un método RESUMEN 17 | Página muy simple y eficaz basado en la fotogrametría SfM con software de computación “en la nube” de bajo coste, el cual se somete a análisis mediante 3 experimentos: En primer lugar, la comparación de sus resultados con los obtenidos con un escáner láser terrestre (TLS) de última generación para la documentación 3D de un mismo petroglifo, en este caso el PT de O Castriño de Conxo, Santiago de Compostela. Las mallas se comparan mediante el análisis de criterios visuales, geométricos y operacionales y su adaptación para la aplicación del renderizado de grabados Radiance Scaling Shader. A continuación, la documentación de diferentes petroglifos aún no documentados geométricamente se realizó en un área geográfica con un radio de 6 km. Sus localizaciones se muestran en la Figura 1 (Punto 2). La metodología de la documentación fue la toma fotográfica simple con una cámara convencional. Esta tarea fue realizada por un técnico con 5 años de experiencia en fotogrametría terrestre, con el objetivo de evaluar el número de elementos que podrían documentarse en una jornada de campo. Finalmente, la metodología desarrollada es probada en varias ubicaciones con muestras de arte rupestre no documentadas por métodos 3D hasta la fecha, con la particularidad de que en estos casos, la toma fotográfica fue realizada por miembros del Colectivo A Rula no expertos en esta tecnología. Los resultados muestran que con una metodología de fotogrametría SfM, que es muy simple y accesible a perfiles no expertos, es posible obtener mejores resultados en aspectos geométricos y visuales que los obtenidos con TLS, siendo estos válidos para un análisis detallado de arte rupestre y que por tanto, permite de un modo colaborativo una documentación masiva del fenómeno que no es posible exclusivamente por medios profesionales. El flujo de trabajo descrito mostró además, un gran rendimiento, permitiendo a una sola persona en una única jornada de campo la documentación de hasta 20 muestras de arte rupestre dispersas en un radio de 6km. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 18 | Página Capítulo 4: Una metodología de trabajo simple y de bajo coste al alcance de múltiples perfiles para el modelado 3D y vectorización automatizada de grabados de arte rupestre “Atlántico” Actualmente, solo en Galicia, hay catalogados más de 3000 petroglifos, sin embargo, la mayoría de ellos aún no se han documentado geométricamente. A pesar de los avances técnicos de los últimos años en tecnologías 3D, el inventario geométrico y la documentación del arte rupestre en Galicia continúan presentando muchos desafíos, en especial debido a la gran cantidad de petroglifos presentes en el territorio. La fotogrametría Structure from Motion (SfM) se ha mostrado como una técnica óptima para la documentación de este tipo de patrimonio, no obstante se acostumbran a utilizar flujos de trabajo complejos que requieren el empleo de instrumental topográfico, pértigas, drones o software de pago, por lo que su coste de ejecución y accesibilidad se reduce notablemente, haciendo inviable su aplicación de modo masivo. Además, debido a la sinuosidad de algunos grabados, es necesario utilizar métodos de realce para obtener una mejor visualización de los mismos. En este sentido en los últimos años, métodos desarrollados por las comunidades de computación gráfica, que se basan en el análisis morfológico de los modelos 3D, han sido utilizados en la detección de grabados, mostrando resultados satisfactorios en el análisis de arte rupestre al permitir entre otras posibilidades la obtención automatizada de calcos vectoriales. La aplicación de los renderizados de realce sobre modelos 3D obtenidos mediante fotogrametría SfM, se estudia en profundidad el capítulo 4 titulado, “Una metodología de trabajo simple y de bajo coste al alcance de múltiples perfiles para el modelado 3D y vectorización automatizada de grabados de arte rupestre Atlántico”. El principal objetivo de este estudio es el desarrollo de un flujo de trabajo completo, sencillo y de bajo coste, para el análisis objetivo de grabados rupestres, el cual consta de tres pasos principales. En primer lugar la obtención de un modelo 3D de alta resolución geométrica a partir de la metodología desarrollada en el capítulo anterior. En segundo lugar, el RESUMEN 19 | Página realzado de los grabados a partir de la aplicación de los renderizados Radiance Scaling Shader. Finalmente, la publicación directa de los modelos 3D realzados, a través de la plataforma Sketchfab, o la extracción del calco digital automatizada a partir de un proceso de sobreexposición y subexposición de capturas 2D del modelo realzado y su vectorización automática a partir del servicio online gratuito “Vectorizer” (Massow, 2015). El experimento, constó en el estudio de las distintas variables de configuración de las tres fases de trabajo sobre un petroglifo que engloba la mayoría de tipologías de grabado de la familia de arte rupestre “Atlántico” como es el petroglifo de Fontão do Eido en Verdoejo, Valença do Minho (Portugal). Posteriormente, tras analizar los resultados de las distintas variables de del proceso, se determina un flujo de trabajo optimizado, cuyo rendimiento fue sometido a análisis sobre otras muestras de arte rupestre. Todas las sesiones fotográficas fueron realizadas por aficionados al patrimonio pertenecientes al Colectivo A Rula de Santiago de Compostela, demostrando que el uso de estas técnicas avanzadas de adquisición de datos 3D, son accesibles para todos los perfiles debido a su bajo coste de ejecución y facilidad de uso. Este estudio muestra que el flujo de trabajo desarrollado, permite la documentación geométrica de un fenómeno cultural de registro complicado como son los sutiles grabados de arte rupestre “Atlántico”, de un modo colaborativo y con suficiente poder analítico para obtener interpretaciones objetivas de los mismos. Además, la publicación directa de modelos 3D realzados es posibles gracias a plataformas como Sketchfab, permitiendo mostrar el arte rupestre de un modo más evidente, atractivo y moderno. Este modo de difusión aporta mayor objetividad en el análisis de arte rupestre, ya que las interpretaciones a partir del estudio directo sobre los modelos 3D, no están afectadas por errores derivados de la proyección de la información tridimensional del grabado, en un formato de representación bidimensional, lo que es de gran relevancia para el estudio de las adaptaciones morfológicas de los diseños a la roca. TESIS DOCTORAL APLICACIONES DE LA FOTOGRAMETRÍA DE BAJO COSTE AL ESTUDIO DE PATRIMONIO ARQUEOLÓGICO Y ARQUITECTÓNICO Simón Peña Villasenín ESCOLA DE DOUTORAMENTO INTERNACIONAL PROGRAMA DE DOUTORAMENTO EN ENXEÑARÍA PARA O DESENVOLVEMENTO RURAL E CIVIL SANTIAGO DE COMPOSTELA / LUGO 2019 ESTRUCTURA DE LA TESIS 23 | Página 1. ESTRUCTURA DE LA TESIS Tras una justificación del interés de la investigación desarrollada en esta tesis, se aborda la sección introductoria, en la cual, en primer lugar, se describen las necesidades técnicas y métodos tradicionales empleados en la documentación geométrica tanto de patrimonio arquitectónico como arqueológico, así como las ventajas que suponen los métodos modernos de modelado 3D en esta labor. A continuación se profundiza en la metodología de modelado 3D denominada fotogrametría Structure from Motion (SfM) y se describen las variables metodológicas presentes en la técnica y los principales indicadores a considerar para su análisis en términos de precisión geométrica, calidad visual, rendimiento y accesibilidad. A continuación se plantea el objetivo general y los específicos de esta tesis y se exponen, en diferentes capítulos, los cuatro casos de estudio que se han desarrollado para alcanzar dichos objetivos: •Capítulo I. Modelado 3d de fachadas históricas mediante fotogrametría SfM. Documentación geométrica de distintas tipologías arquitectónicas de un casco histórico. Capítulo publicado en Journal of Architectural Heirtage (Peña-Villasenín et al., 2017) Peña-Villasenín, S., Gil-Docampo, M., & Ortiz-Sanz, J. (2017). 3D Modelling of Historic Facades Using SfM Photogrammetry Metric documentation of different building types of a historic centre. International Journal of Architectural Heritage. https://doi.org/10.1080/15583058.2017.1317884 SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 24 | Página •Capítulo II. Comparación de software desktop profesional y software gratuito cloud computing en el modelado 3d de edificios históricos: Monasterio de San Martín Pinario (Capitulo II) Pendiente de revisión por pares en la revista: Measurement. ISSN: 0263-2241. •Capítulo III. Comparación de TLS y fotogrametría SfM para el modelado 3d de arte rupestre y la aplicación del realce Radiance Scaling Shader para la detección de grabados. Capítulo publicado en Journal of Cultural Heirtage (Peña-Villasenín et al., 2018) Peña-Villasenín, S., Gil-Docampo, M., & Ortiz-Sanz, J. (2018). Professional SfM and TLS vs a simple SfM photogrammetry for 3D modelling of rock art and Radiance Scaling shading in engraving detection. Journal of Cultural Heritage. https://doi.org/10.1016/j.culher.2018.10.009 •Capítulo IV. Una metodología de trabajo simple y de bajo coste al alcance de múltiples perfiles para el modelado 3D y vectorización automatizada de grabados de arte rupestre “Atlántico”. Pendiente de publicación en la revista: Archaeological Prospection. ISSN: 1099-0763. Posteriormente, se presentan las principales conclusiones extraídas del estudio y, finalmente, se indica la bibliografía empleada en cada caso de estudio así como en el resto del documento. JUSTIFICACIÓN 25 | Página 2. JUSTIFICACIÓN En la convención de la UNESCO del 1972, se establece la necesidad imprescindible de la documentación geométrica del patrimonio cultural con el objetivo de promover la identificación, protección y preservación del mismo. Como se observa en la figura 1, en Galicia hay presente una abundante riqueza patrimonial con una gran dispersión territorial. Según el Plan Básico Autonómico (PBA, 2018), hay catalogados aproximadamente 57.000 elementos patrimoniales, de los cuales cerca de los 40.000 son de tipo arquitectónico (Figura 1-A), si se integran en este grupo tanto los bienes de interés artístico como etnográfico, y más de 17.000 de tipo arqueológico (Figura 1-B). Estos elementos de patrimonio arquitectónico y arqueológico, como los cascos históricos o las muestras de arte rupestre al aire libre, se encuentran habitualmente expuestos a agentes externos dañinos que comprometen su preservación en el tiempo. Esta situación, se agrava en la comunidad gallega debido al gran número y dispersión de los elementos patrimoniales y por factores como la despoblación rural; el abandono o la dedicación a cultivos intensivos de las zonas forestales; incluso el propio desconocimiento de la presencia del mismo por parte de la población local. Figura 1. Cartografía obtenida a partir de la información incluida en el Plan Básico Autonómico (PBA, 2018). (A) Patrimonio arquitectónico. (B) Patrimonio arqueológico. (C) Yacimientos de arte rupestre. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 32 | Página Patrimonio arquitectónico La UNESCO (Unesco, 1972), define como patrimonio arquitectónico o inmueble, los monumentos, conjuntos de edificios o lugares, con un valor excepcional desde el punto de vista de la historia, el arte o la ciencia. Este organismo, establece que el término bienes inmuebles se refiere a una manifestación material, imposible de ser movida o trasladada. El patrimonio inmueble está constituido por monumentos, obras de la arquitectura y de la ingeniería, sitios históricos y centros industriales, zonas, calles, puentes, viaductos, etc. de interés o valor relevante desde el punto de vista arquitectónico. Dentro de esta tipología patrimonial, se incluyen no solo edificios históricos, sino también el patrimonio etnográfico, el cual, según la ley de patrimonio Histórico Español, son todas aquellas edificaciones e instalaciones cuyo modelo constitutivo es expresión de conocimientos adquiridos, arraigados y transmitidos consuetudinariamente y cuya factura se acomode, en su conjunto o parcialmente, a una clase, tipo o forma arquitectónicos utilizados tradicionalmente por las comunidades o grupos humanos, una tipología patrimonial muy común en Galicia. Al igual que para otras tipologías patrimoniales, en el estudio del patrimonio arquitectónico es fundamental la topografía y los métodos de documentación geométrica (Böhler & Heinz, 1999). Arqueólogos, historiadores y conservadores necesitan a menudo documentar geométricamente los monumentos para su correcto estudio y conservación (Charalambos Ioannidis et al., 2000). También arquitectos, ingenieros y profesionales de la construcción (Carnevali et al., 2018; Kwak et al., 2013; Yang et al., 2016), necesitan planos de detalle para la correcta reparación, remodelación o mantenimiento de construcciones. El levantamiento métrico de edificios mediante técnicas tradicionales es tediosa y en ocasiones imprecisa. Estas técnicas implican la realización de mediciones individuales mediante instrumentos de medida como cinta métrica, flexómetro o distanciómetro láser y la transmisión de estas del elemento real al modelo teórico (Yilmaz et al., 2007). Otras técnicas más avanzadas como los métodos topográficos, requieren de instrumental y conocimientos específicos y no son del todo funcionales para geometrías patrimoniales complejas (Barazzetti et al., 2011). INTRODUCCIÓN 33 | Página Arte rupestre En labores de documentación geométrica de patrimonio arqueológico, se presentan tareas que requieren metodologías específicas como la documentación de inscripciones en piedra o grabados rupestre. Para la documentación de estas manifestaciones culturales concretas, existen metodologías tradicionales específicas como el Frotagge o el calco con plástico (Díaz-Andreu et al., 2006) y que han sido ampliamente utilizadas en los petroglifos gallegos. Estas técnicas, además de tediosas, son altamente agresivas con el soporte, al requerir no solo el contacto directo con el elemento, si no también interacción física con el mismo frotándolo, como en el caso de la técnica de Frotagge, o pintando directamente sobre el grabado, como en la técnica del calco con plástico. Por ello, es conveniente caminar hacia la sustitución de estas técnicas de contacto por técnicas de documentación geométrica no invasivas como la fotogrametría o el láser escáner terrestre que permiten obtener modelos 3D del patrimonio sin contacto con el mismo (Bea & Angás, 2017; Díaz-Guardamino & D, 2013; Meijer, 2015; Ortiz-Sanz et al., 2010). Los modelos 3D del patrimonio Actualmente, las distintas técnicas tradicionales de documentación geométrica tanto en patrimonio arquitectónico como de arte rupestre, convergen hacia técnicas de adquisición de datos métricos masivas que permiten obtener modelos 3D como la tecnología Láser Escáner Terrestre (TLS), la luz estructurada o la fotogrametría Structure from Motion (SfM). La información obtenida mediante estas metodologías proporciona un registro métrico 3D que permiten la documentación y el análisis de formas, dimensiones y texturas del elemento a altas resoluciones, proporcionando una documentación mucho más completa, rigurosa y adecuada que la proporcionada por las técnicas tradicionales. Por esta razón, las técnicas de modelado 3D y especialmente la fotogrametría SfM se han incorporado en las labores de documentación geométrica de todo tipo de patrimonio (Dai & Lu, 2010; Ordóñez et al., 2010). Dado que la inversión requerida para equipos fotográficos y software es sustancialmente menor que la requerida para el escáner 3D SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 34 | Página y además es más adaptable a los lugares poco estables y con geometrías complejas. Además, hay situaciones en las que ni el TLS ni la utilización de técnicas tradicionales es viable, como en el caso de fachadas con zonas inaccesibles o incluso en edificios dañados o destruidos, donde los métodos involuntarios como la fotogrametría son la única posibilidad (Grün et al., 2004; Resco et al., 2014). Por estos motivos, la fotogrametría ha avanzado considerablemente en las últimas décadas y ha sido utilizada cada vez más no solo por arqueólogos (Bea & Angás, 2017; Gonizzi Barsanti et al., 2013), historiadores (Johnson & Solis, 2016) y conservadores (MartínezRodríguez et al., 2015; Juan Ortiz et al., 2013), sino también por ingenieros civiles (Bhatla et al., 2012; Kwak et al., 2013; Stavroulaki et al., 2016) o arquitectos (Sužiedelytė-Visockienė et al., 2015; Yang et al., 2016). No obstante, en el mercado sigue estando muy presente la tecnología láser escáner terrestre, probablemente debido a su alta tasa de adquisición de datos, su precisión relativa y la alta densidad de datos espaciales que proporciona (Ergun, 2010), además de unas necesidades de conocimientos metodológicos menos complejos que los que requiere la fotogrametría (J. H. Chandler & Buckley, 2016). Cabe señalar que a pesar de que los métodos tradicionales de documentación geométrica acostumbran a tener una ejecución tediosa, estos son simples y con un alto grado de estandarización. Por el contrario, la aplicación de tecnologías modernas como TLS o la Fotogrametría SfM, requiere conocimientos específicos, una adaptación mayor a la escena u objeto de estudio, tienen un alto coste respecto a las técnicas tradicionales como el croquis, además de dificultar la integración con el resto de información 2D (Campana & Remondino, 2007). Es por ello que los métodos de modelado 3D modernos siguen más ligados a un perfil experto, por lo que los métodos tradicionales son ampliamente utilizados todavía por muchos profesionales en sus tareas cotidianas. Además gran parte del patrimonio arquitectónico se encuentra en los cascos históricos de pueblos y ciudades, donde la limitación de espacio, o las complejas geometrías son comunes las cuales dificultan en gran medida la aplicación de técnicas “sin contacto” como la fotogrametría o el TLS. Por estos motivos, es conveniente profundizar en la aplicación de estas INTRODUCCIÓN 35 | Página técnicas en casos de estudio donde encontramos habitualmente las mayores limitaciones en este sentido y caminar hacia flujos de trabajo ágiles y sencillos para profesionales y técnicos no especialistas en fotogrametría. En lo referente a las documentaciones de arte rupestre, las técnicas como la fotogrametría SfM, además de proporcionar modelos 3D de alta resolución que aportan una información geométrica y radiométrica más completa y precisa de los grabados que los métodos específicos tradicionales, por su naturaleza no invasiva, siendo una técnica totalmente respetuosa con elementos frágiles como las estaciones de arte rupestre y por la capacidad de documentar elementos que los métodos tradicionales no consiguen detectar, suponen en este campo un avance todavía de mayor relevancia. No obstante, si bien los modelos 3D en sí mismos son especialmente útiles para estudios de arte rupestre, debido a la sinuosidad de algunos gravados, todavía es necesario utilizar algún método de realce para obtener una mejor visualización de los mismos. La bibliografía recoge varias posibilidades para conseguir el realce de grabados, como por ejemplo la generación de sombras relevantes basadas en la modificación de los puntos de iluminación virtuales sobre el modelo 3D, como se muestra en (Mudge et al., 2006). Otra posibilidad es la magnificación de los ejes perpendiculares del objeto (eje Z), como se describe en (OrtizSanz et al., 2010). Otro método más avanzado denominado Reflectance Transformation Imaging (RTI) (Díaz-Guardamino & D, 2013; Earl et al., 2010; Mudge et al., 2006, 2012), que se basa en un análisis del cambio del punto de iluminación en una colección de fotos del grabado, ha supuesto un avance importante en el análisis de arte rupestre. En los últimos años, otro flujo de trabajo originado en la comunidad de gráficos por computadora (Pires et al., 2015; Saito & Takahashi, 1990), denominado Radiance Scaling, basado en el análisis morfológico de los modelos 3D como se describe en (Vergne et al., 2010, 2018) y que es utilizado para la detección de grabados en (Carrero-Pazos et al., 2012; López-Menchero Bendicho et al., 2017; Medici & Rossi, 2015), ha demostrado un gran potencial para esta tarea. No obstante, conviene profundizar y tratar de estandarizar, simplificar y objetivar los SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 36 | Página procedimientos y variables de configuración posibles en la aplicación de este realce. Fotogrametría SfM La fotogrametría de rango cercano se ha denominado históricamente a la técnica que permite obtener datos métricos de objetos mediante fotografías terrestres de los mismos (Albertz, J., Wiedemann, 1996; Brown, 1972; Clarke & Fryer, 1998). Es una metodología con una amplia trayectoria, que ha evolucionado considerablemente en las últimas décadas en parte gracias al desarrollo de los algoritmos Structure from Motion (SfM) y los cuales propiciaron su expansión como método de documentación geométrica del patrimonio. A diferencia de la fotogrametría convencional y las primeras versiones del software de fotogrametría de corto alcance, que permiten la manipulación exclusiva de puntos seleccionados discretamente y, por lo tanto, de superficies simples, el software actual de fotogrametría SfM permite la documentación de superficies complejas mediante un proceso prácticamente automatizado en el que a partir de imágenes se generan nubes de puntos, mallas de triángulos y modelos 3D texturizados (Remondino & El-Hakim, 2006; Westoby et al., 2012). Los orígenes de la fotogrametría SfM se encuentran en la comunidad de visión artificial. (Furukawa et al., 2010; Spetsakis & Aloimonos, 1991) y en el desarrollo de los algoritmos de identificación automática de puntos homólogos (Harris & Stephens, 1988; Otto & Chau, 1989). Cuatro factores destacan en la evolución de esta técnica. En primer lugar el desarrollo de los referidos algoritmos. El paso de procesado inicial en la fotogrametría SfM es la identificación de rasgos característicos en imágenes para determinar su correspondencia (Puntos homólogos). Mientras la fotogrametría convencional requiere su identificación manual, los algoritmos automáticos, como el algoritmo Scale-Invariant Feature Transform (SIFT), tal como se describe en (Chandran et al., 1997; Lowe, 2004), han permitido que la identificación de los puntos coincidentes en los pares estereoscópicos sea automática, lo que ha reducido significativamente el tiempo requerido para realizar esta tarea. El estado del arte en los algoritmos INTRODUCCIÓN 37 | Página de identificación automática de rasgos característicos de la imagen se describe en (Remondino et al., 2014). En segundo lugar, la automatización del proceso de calibración mediante el cálculo inverso de los parámetros de orientación internos y externos de las cámaras. Tal como se describe en (Clarke & Fryer, 1998; Fraser, 2013), el software reconstruye la escena de acuerdo con los parámetros internos aproximados contenidos en los datos EXIF (Exchangeable image file format) de cada imagen, junto con los puntos homólogos obtenidos en el primer paso. El algoritmo de ajuste Bundler, que se describe en (Snavely et al., 2008; Triggs et al., 2000), se utiliza para estimar la posición de la cámara y extraer una primera nube de puntos de poca densidad (sparse point cloud) formada por los puntos homólogos detectados por el algoritmo SIFT (Tie Points). Por lo tanto, las orientaciones internas y externa y la geometría de la escena se reconstruyen simultáneamente en un solo proceso, sin la necesidad de una calibración previa de la cámara. Estas características permiten realizar estimaciones iniciales de las posiciones de la cámara y las coordenadas del objeto, que luego se refinan de forma iterativa utilizando la minimización no lineal de mínimos cuadrados. En tercer lugar, utilizando las posiciones de cámara derivadas de Bundler como entrada, es posible obtener una nube de puntos de mayor densidad como salida (dense point cloud), implementando el algoritmo Clustering view for Multiview Stereo (CMVS) y Patch-based Multiview Stereo (PMVS2) (Furukawa et al., 2010; Furukawa & Ponce, 2010). CMVS descompone las imágenes de entrada solapadas en subconjuntos de tamaño manejable, y PMVS2 se usa para reconstruir datos 3D de estos grupos individuales. La aparición de estos algoritmos nos ha permitido mediante un proceso automatizado, trabajar con superficies complejas (Barazzetti et al., 2011) y obtener nubes de puntos, mallas de triángulos y, posteriormente un modelo texturizado tridimensional completo (Westoby et al., 2012). En cuarto lugar, unas mayores capacidades de computación, especialmente incrementadas debido a la aparición de la computación “en la nube” o cloud computing (Santagati & Inzerillo, 2013). Estos avances han facilitado que en sectores como la arqueología (Ortiz-Sanz SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 38 | Página et al., 2010), la arquitectura (Roncella et al., 2012), la conservación y restauración (Guidi et al., 2004) o incluso en el mundo de la realidad virtual (Bellotti et al., 2011) se utilice ampliamente la fotogrametría en la última década. La fotogrametría SfM es capaz de obtener resultados próximos a los del TLS (Bayram et al., 2015; J. H. Chandler & Buckley, 2016), y su comparación en coste tan favorable, hace que esta sea una gran alternativa técnica para la adquisición de modelos 3D de alta resolución. Además, esta técnica parece mostrar un grado de adaptabilidad mayor a escenas complejas, como son los yacimientos de arte rupestre, ya que estos avances, también han propiciado que la fotogrametría SfM se muestre como una técnica flexible y adaptable a múltiples tareas de documentación geométrica. No obstante, dada la variabilidad metodológica que la fotogrametría SfM presenta, en especial en las tareas previas al procesado, conviene tratar de estandarizar los procedimientos que conlleva su aplicación. Variabilidad metodológica de la ¡Error! Marcador no definido. Para llevar a cabo un modelado mediante fotogrametría SfM, deben analizarse previamente los requisitos o condiciones técnicas del trabajo de documentación y que marcarán en gran medida el desarrollo del mismo, ya que la fotogrametría SfM presenta una gran variabilidad metodológica en este sentido. Por ejemplo, para la documentación geométrica de un área arqueológica extensa mediante fotogrametría, la obtención de información métrica de precisión es uno de los objetivos principales. Por otro lado, en trabajos de análisis de arte rupestre, la precisión geométrica pasa a un segundo plano, siendo la obtención de mallas de alta resolución para conseguir la detección del grabado el principal objetivo en ese caso. En otras ocasiones, las necesidades documentales no requieren obtener modelos 3D completos, sino simplemente una planimetría suficientemente precisa y detallada que es posible obtener mediante vectorización discreta a partir de los emparejamientos estereoscópicos, o para tomar medidas sobre la malla 3D, para el traslado de las mismas a un modelo teórico. Por ello, la fotogrametría siendo una técnica masiva de captura de datos puede INTRODUCCIÓN 39 | Página utilizarse también de forma discreta. En estos casos, es posible una optimización de la metodología de captura en campo ya que no necesariamente es un problema que los modelos 3D resultantes tengan huecos o ciertas imprecisiones. Esta variabilidad en los objetivos del trabajo, tiene una alta influencia en la técnica proporcionando a la fotogrametría una horquilla de costes y tiempos de ejecución que requiere estudiar detenidamente. En la mayoría de trabajos realizados de documentación de patrimonio arquitectónico, arqueológico y especialmente de arte rupestre a nivel científico, así como las documentaciones geométricas de petroglifos realizadas en Galicia a nivel profesional hasta la fecha, se han utilizado habitualmente metodologías complejas que incluyen la utilización de pértigas, drones, o instrumental topográfico, lo cual resta a la técnica agilidad y sobretodo accesibilidad, de este modo, se pierden las principales ventajas con las que cuenta de partida frente a otras técnicas de modelado 3D. La accesibilidad de la fotogrametría SfM, en cuanto a su facilidad de aprendizaje, está ampliamente demostrada en artículos como (Gil-Docampo et al., 2019; Charalabos Ioannidis et al., 2016), donde se muestra que estas técnicas a niveles básicos son accesibles incluso a escolares. Para la obtención de datos métricos fiables, son necesarios unos conocimientos previos, pero estos se pueden adquirir con relativa facilidad y el software moderno de fotogrametría es de uso sencillo e intuitivo sobre todo para tareas rutinarias (Jim H. Chandler et al., 2007). Es por ello, que ante la necesidad de documentar un número elevado de elementos patrimoniales, es importante valorar los objetivos de dicha documentación, los productos y precisiones deseadas en ella y adaptar la metodología a las necesidades del trabajo, optimizando los tiempos de ejecución con metodologías sencillas y ágiles. Por lo tanto, es importante diferenciar los trabajos de documentación geométrica de patrimonio con el objetivo de obtener un resultado de alta calidad métrica y visual, habitualmente de un único elemento patrimonial, lo cual requiere del empleo de tiempo, esfuerzo y medios técnicos más avanzados, respecto de documentaciones patrimoniales menos exigentes, pero de un número de elementos masivo, como puede ser la documentación geométrica de ciudades históricas completas o SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 40 | Página múltiples yacimientos de arte rupestre. Una vez determinado los objetivos del trabajo de documentación y en función de estos, cinco factores principales deben ser tenidos en cuenta para la planificación y ejecución de los trabajos según se detallan en los apartados siguientes. Escala del trabajo y Ground Sample Distance (GSD) En fotogrametría aérea, se denomina resolución geométrica, en adelante Ground Sample Distance (GSD), al tamaño de la porción de terreno que representa cada pixel en una fotografía. Este concepto, es trasladable a la fotogrametría de rango cercano y está relacionado directamente con la escala del trabajo. Mediante fotogrametría de rango cercano, es posible documentar desde áreas arqueológicas extensas a objetos de pequeño tamaño. Incluso, en la documentación de un mismo elemento patrimonial, es posible utilizar distintas escalas de trabajo por zonas, en función de si se desea obtener mayor o menor resolución geométrica en cada una de ellas. Es por ello que previamente a la planificación de las tareas, es importante determinar el GSD máximo exigido o GSD de trabajo. Independientemente de la metodología empleada, la escala del producto o resultado deseado en un trabajo de documentación geométrica, y el límite de percepción visual determinan la tolerancia del error métrico de dicho trabajo. Por otro lado, en trabajos de fotogrametría SfM la determinación de las coordenadas 3D de cada punto presenta mayor ambigüedad en la componente de profundidad que en las componentes planimétricas. Siendo el error esperado en planimetría igual al GSD de trabajo y de entre el doble y el triple en la componente de profundidad (Peppa et al., 2016; Sanz-Ablanedo et al., 2018). Por ello, para cumplir los requisitos de precisión métrica, la planificación de la toma se debe realizar considerando la obtención de un GSD entre la mitad y un tercio de la tolerancia de error en el mismo. No obstante en trabajos de fotogrametría de rango cercano sobre elementos con geometrías complejas, la disposición de imágenes puede adoptar distintas distancias objeto, por lo que cabe valorar cómo afecta esto a la calidad geométrica y visual de los resultados. INTRODUCCIÓN 41 | Página El sensor, la cámara fotográfica Una vez establecido el GSD de trabajo, es momento de determinar el tipo y componentes del sensor o cámara fotográfica a emplear. La fotogrametría SfM permite gran variabilidad en este aspecto, pudiendo emplearse desde cámaras de gran calidad, a cámaras de bajo coste, incluso la integrada en dispositivos SmartPhone. La bibliografía de la fotogrametría convencional recoge tres tipologías de cámaras: métricas, no métricas y semimétricas (Lerma-García, 2002). Las cámaras métricas o semimétricas se caracterizan por contar con parámetros internos conocidos permitiendo reconstruir la geometría de la escena a partir de las marcas fiduciales. Las cámaras no métricas (cámaras convencionales) se caracterizan por tener una geometría interna desconocida, por lo que es imprescindible previamente la determinación de los parámetros de orientación internos para extraer información métrica a partir de sus imágenes (Duane, 1971; LermaGarcía, 2002). A pesar de que la geometría interna de las cámaras comerciales convencionales no métricas es generalmente inestable, sobre todo de las lentes (Wackrow & Chandler, 2008), existen desde hace décadas procesos de calibración interna, en los que se evalúan parámetros como la distancia focal, distorsión radial y tangencial de la lente (Duane, 1971), posición del centro óptico (Roelofs, 1950) o el tamaño del CCD (Clarke & Fryer, 1998; Shortis et al., 1995), entre otros, permitiendo su utilización en fotogrametría. No obstante, gracias a los avances de la fotogrametría SfM, y concretamente la automatización del proceso de calibración mediante el cálculo inverso de los parámetros de orientación internos (Clarke & Fryer, 1998; Fraser, 2013), actualmente es posible realizar las orientaciones de la cámara en base a las imágenes del propio objeto sin la necesidad de una calibración previa de la misma. La fotogrametría SfM, permite además la calibración inversa de prácticamente cualquier tipo y modelo de cámara, incluso con objetivos ojo de pez, los cuales presentan una gran distorsión, es posible llevar a cabo trabajos fotogramétricos con garantías (Beekmans et al., 2016). Por este motivo, y aunque la elección del sensor fotográfico sigue teniendo gran influencia en los resultados, los algoritmos de calibración inversa SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 48 | Página métodos: el marcado de los mismos directamente sobre las imágenes del trabajo, lo cual proporciona un análisis de la calidad geométrica de la restitución discreta sobre los emparejamientos estereoscópicos; o el marcado de los puntos directamente sobre el modelo 3D texturizado que proporciona un análisis real de la calidad geométrica de este. Es posible evaluar también la calidad geométrica de otros entregables, como las ortoimágenes o los Modelos Digitales de Elevación (MDE), a través del marcado directo de PCPs para el control planimétrico, en el caso de las ortofotos, o para el control altimétrico o de profundidad sobre los modelos de elevación. Finalmente, para obtener una expresión numérica que proporcione un valor de la MQ de las variables fotogramétricas evaluadas, es necesario seguir un procedimiento estadístico de comparación de las diferencias observadas en dos parámetros de contraste (errores en la estimación de coordenados y/o en la estimación de la distancias) entre los TCPs y los PCPs. La evaluación del error en la estimación de coordenadas se realiza mediante la comparación directa de las coordenadas de los PCPs y los TCPs. Para ello es necesario que ambos tengan el mismo sistema espacial de coordenadas. De esta forma se obtiene el error en cada una de las componentes, siendo el error total la raíz cuadrada de la suma del cuadrado de los errores anteriores. Para la evaluación de los errores entre TCPs y PCPs mediante la medición de distancias se comparan las distancias medidas entre los TCPs tomados dos a dos, con las mismas distancias entre los PCPs (Jiang & Jauregui, 2007). A diferencia del análisis en base a las coordenadas, en este caso no es necesario que exista un sistema de coordenadas común siendo el único requisito que el modelo se encuentre escalado. Los indicadores anteriores nos proporcionan la MQ de los puntos individuales empleados para el control de calidad geométrica, no obstante es necesario obtener un valor final representativo e indicativo de la calidad global del método fotogramétrico, por lo que conviene realizar un tratamiento estadístico de todos los puntos comparados. La media aritmética, muestra el valor central de los datos observados, INTRODUCCIÓN 49 | Página siendo la que más se utiliza tanto para estimar el error entre distancias (Guidi et al., 2003) como en coordenadas (Aguilar et al., 2005); Algunos autores recurren a la media del error (Jiang & Jauregui, 2007; Lejot et al., 2007) o a la media del valor absoluto del error (Barazzetti et al., 2011). Otros índices empleados son, el MSE, que calcula la media aritmética de los cuadrados de los errores (J Ortiz et al., 2005) y el RMSE, una medida de la diferencia entre los valores pronosticados por un modelo o un estimador y los valores observados de la realidad (Abd Elbasit et al., 2009; Aguilar et al., 2005; Arias et al., 2007; Yilmaz et al., 2007). Por otro lado, para la estimación de la precisión se recurre a la desviación estándar o desviación típica. Es una medida de dispersión que nos indica cuánto tienden a alejarse los valores individuales del valor promedio. La desviación estándar se emplea como estimador de la MQ tanto en el caso de comparación de distancias como de coordenadas (Aguilar et al., 2005; Jim H Chandler et al., 2003; Chiabrando et al., 2011; González-Aguilera et al., 2009; Wackrow & Chandler, 2008). Finalmente, cabe señalar que es importante proporcionar la estimación del error de modo relativo al tamaño del objeto referenciando este a la diagonal principal del mismo. Indicadores de calidad visual La calidad visual de un modelo fotogramétrico, en primera instancia está ligada a la resolución geométrica (GSD) con la que se hayan obtenido la colección de imágenes para la generación del mismo. Este parámetro marca la resolución máxima posible para obtener la textura del modelo 3D sin el remuestreo de la información de las fotografías. Por otro lado, para evaluar la calidad visual del modelo, será necesario también estudiar la presencia de errores en la textura en zonas sin documentar fotográficamente o con deformaciones. En estas, habitualmente se produce un fenómeno de estiramiento de la textura (Juan Ortiz et al., 2013), en un intento del software por completar esa parte carente de información. En otras ocasiones se produce una doble proyección originada cuando la textura se aplica dos veces, una SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 50 | Página primera sobre la parte correcta del elemento, y otra sobre la zona oculta, es decir, los píxeles del elemento situado delante se proyectan sobre el que se encuentra detrás según la perspectiva de la foto (Alkheder et al., 2009). Otro aspecto a considerar en la evaluación de la calidad visual del modelo, es la presencia de diferencias radiométricas en el mapeado de texturas (Apollonio et al., 2012), las cuales repercuten en la calidad estética y en el realismo del modelo 3D, aunque su posición sobre la malla poligonal sea correcta. Estas se deben a las variables condiciones de iluminación que se van sucediendo durante el proceso de fotografiado y que ofrecen como resultado desigualdades de color entre los diferentes parches de textura extraídos de las fotografías seleccionadas por el software. Si el contraste no es excesivo, el software actual es capaz de corregir este defecto mediante técnicas de balance de color aplicadas sobre cada imagen. En (Trinchão Andrade et al., 2012) se recogen también errores en el color por la presencia de reflejos o brillos sobre el objeto durante el fotografiado. Indicadores de rendimiento y accesibilidad Los principales indicadores de rendimiento y accesibilidad se definen a continuación de modo independiente para tiempos y costes, facilidad de aprendizaje y cobertura de necesidades en documentaciones de patrimonio arquitectónico y arte rupestre. Tiempos y costes Para la evaluación del rendimiento de una técnica deben considerarse principalmente los tiempos y costes que conlleva su ejecución, estos deben ser medidos individualmente para cada fase del proceso diferenciando entre el trabajo de campo y de oficina. Para la evaluación de los tiempos de trabajo de campo, la toma fotográfica y el establecimiento de la red de GCPs son las principales tareas a considerar. Cabe señalar que los tiempos empleados para el establecimiento de la red de TCPs, no deben ser considerados en la evaluación ya que no son indispensables para la ejecución de la técnica, INTRODUCCIÓN 51 | Página y solo se ejecutarían en campo si se desea obtener un control de calidad geométrica independiente al procesado. En cuanto al trabajo de oficina, deben considerarse los tiempos de procesado y post procesado de los modelos 3D. En este aspecto, cabe diferenciar entre el trabajo que requiere la interacción del usuario y los tiempos de computación informática automatizada en los que la presencia del técnico no es necesaria. Para la evaluación de los costes de ejecución de la distintas variables metodológicas, deben considerarse tanto los costes de equipamiento de campo como de los equipos informáticos y licencias de software necesarias para el procesado y desarrollo completo de las tareas. Adaptabilidad a zonas complejas Las metodologías de adquisición de datos 3D como la fotogrametría SfM o el TLS, por su naturaleza masiva, son técnicas con una gran adaptabilidad en cuanto al objeto de estudio, ya que permiten la obtención de datos métricos y radiométricos de alta resolución de casi cualquier elemento. No obstante, más allá de la adaptabilidad al objeto de estudio, es importante analizar la adaptabilidad de ambas técnica a las necesidades y limitaciones presentes en distintos escenarios de trabajo. Para ello, es necesario testear la calidad de sus resultados en escenarios de distinta complejidad, ya que si bien es importante evaluar cómo se comporta la técnica en escenarios tipo o estándar, es también importante evaluar el rendimiento en escenarios complejos o extremos, los cuales son habituales en estudios de patrimonio arquitectónico y arqueológico. Es importante también analizar las necesidades y limitaciones que en dichos escenarios presenta la técnica para la ejecución de la toma de datos, en especial aquellas metodologías que requieren el uso de trípodes como en caso del TLS o en ocasiones la fotogrametría, y que por lo tanto requieren de lugares relativamente amplios y estables para su correcto desarrollo. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 52 | Página Por último, el indicador cuantitativo principal a considerar para la evaluación de la adaptabilidad de la técnica a distintos escenarios es el peso de los equipos, siendo un indicador importante si los trabajos son en zonas forestales o de difícil acceso, lo cual es habitual en estudios de patrimonio arqueológico. Facilidad de aprendizaje Para estudiar la accesibilidad de una técnica en cuanto a su facilidad de aprendizaje y ejecución, es conveniente someter su utilización a distintos perfiles de usuario. Se considerará una técnica con facilidad de implementación aquella que sea fácilmente asimilable y ejecutable por perfiles no técnicos como escolares, aficionados al patrimonio o profesionales no especializados en metrología como arqueólogos, historiadores o conservadores (Gil Docampo et al., 2019; Charalabos Ioannidis et al., 2016). Cobertura de necesidades en estudios de arte rupestre Además de las necesidades métricas y visuales en la obtención de los modelos 3D para documentación patrimonial, cabe analizar la cobertura de necesidades en lo referente a los estudios de detección y análisis de arte rupestre, debido a que la calidad geométrica y visual del modelo 3D pasa a un segundo plano en estos casos. En estudios de arte rupestre, el entregable final son los calcos vectoriales del grabado, los cuales son comparables directamente a los obtenidos con otras metodologías sobre la misma muestra de estudio, todo ello con el objetivo de analizar el mayor o menor potencial en la detección y discriminación de grabados antrópicos de la metodología empleada (Carrero-Pazos et al., 2012, 2018), independientemente de la calidad geométrica y visual del modelo 3D. Por otro lado, el arte rupestre gallego integra distintas tipologías en el diseño de los grabados (Cuevillas, 1951; Varela, 1982), por lo que el análisis debe realizarse sobre una muestra representativa del fenómeno. INTRODUCCIÓN 53 | Página Cobertura de necesidades en estudios de patrimonio arquitectónico En ocasiones las necesidades de documentar el patrimonio arquitectónico no tienen como objetivo obtener modelos 3D ni ortofotos de alzados, habitualmente en su lugar se demandan planos vectoriales y por lo tanto, aunque la textura del modelo o la ortofoto presente errores, estos no necesariamente impiden obtener de forma correcta dichas vectorizaciones. Es por ello que cabe analizar la cobertura de necesidades de la técnica, no solo en la obtención de modelos 3D de alta calidad geométrica y visual, sino también en este sentido. OBJETIVOS 55 | Página 4. OBJETIVOS Dada la variabilidad metodológica que presenta actualmente la fotogrametría SfM, el objetivo principal de esta tesis es evaluar diferentes metodologías fotogramétricas SfM de bajo coste para la documentación geométrica del patrimonio arquitectónico y arqueológico, analizando los resultados obtenidos fundamentalmente en términos de calidad geométrica, calidad visual, rendimiento y accesibilidad de la técnica. Para lograr este objetivo general es necesario alcanzar los siguientes objetivos específicos: 1. Con el objetivo de analizar la calidad geométrica y visual, el rendimiento y la accesibilidad de la fotogrametría SfM para el levantamiento de fachadas de centros históricos de ciudades, se efectúa el modelado de varias tipologías arquitectónicas en el casco histórico de Santiago de Compostela, proponiendo una estandarización metodológica en lo referente al establecimiento de una correcta red fotogramétrica con dos enfoques principales: la búsqueda de un alto rendimiento y accesibilidad de la técnica mediante un flujo de trabajo muy simple en los casos de estudio “estándar” donde la aplicación de la fotogrametría SfM es sencilla; y la búsqueda de una metodología que permita el levantamiento de fachadas consideradas casos complejos donde las limitaciones geométricas de la escena son “extremas” o más dificultosas para el empleo de la técnica, como una calle estrecha o una fachada con soportales. Estos objetivos se consiguen en el primer capítulo de esta tesis. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 56 | Página 2. Con el objetivo de evaluar las variables de software de procesado fotogramétrico para documentaciones de patrimonio arquitectónico, se realiza la comparación de resultados entre dos opciones de software fotogramétrico profesional de computación local como son PhotoScan y Pix4D, con software fotogramétrico de uso gratuito para fines sin ánimo de lucro como es Recap Photo. La comparación es realizada sobre dos colecciones de imágenes comunes correspondientes al Monasterio de San Martín Pinario y a la fachada oeste de Praza da Inmaculada, ambos casos en el casco histórico de Santiago de Compostela. La metodología, resultados y conclusiones del estudio se recogen en el segundo capítulo de esta tesis. 3. Con el objetivo de evaluar la calidad geométrica, calidad visual, rendimiento y accesibilidad de la fotogrametría SfM en la documentación geométrica de petroglifos de geometrías complejas, se ha realizado el modelado del petroglifo de O Castriño de Conxo en Santiago de Compostela, mediante un flujo de trabajo simple, optimizado y con software gratuito y sus resultados se comparan con los obtenidos mediante tecnología TLS de última generación. La misma metodología fotogramétrica es aplicada en otros casos de arte rupestre galaico-portugués con el objetivo de evaluar la técnica en una muestra representativa de este fenómeno cultural. Además, con el objetivo de analizar la cobertura de necesidades para la documentación de arte rupestre, se testea el método de realce de modelos 3D basado en el renderizado Radiance Scaling, comparando sus resultados con documentaciones previas realizadas con métodos convencionales. La metodología, resultados obtenidos y conclusiones del estudio se recogen en el tercer capítulo de esta tesis. 4. Por último, con el objetivo de evaluar la facilidad de aprendizaje y cobertura de necesidades de la metodología desarrollada en el capítulo anterior en la documentación vectorial de grabados rupestres, se ha realizado un estudio en el que se evalúa el trabajo colaborativo en el que participaron miembros de la asociación de amantes del arte rupestre “Colectivo A Rula” (Santiago de Compostela), quienes tras una breve sesión de formación de 3 horas, realizaron la toma de imágenes en OBJETIVOS 57 | Página campo de varias muestras de arte rupestre, en algunos casos inéditas, para un modelado 3D mediante software cloud computing de uso gratuito. Además, con el objetivo de estandarizar y objetivar una metodología simple y un flujo de trabajo completo para el análisis de arte rupestre, se testean distintas opciones de configuración de renderizados de realce y vectorización automática sobre los casos de estudio documentados. Estos objetivos se consiguen en el cuarto capítulo de esta tesis. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 64 | Página Esta técnica tiene sus orígenes en la comunidad de visión por ordenador (Spetsakis & Aloimonos, 1991; Richard Szeliski & Kang, 1994) y el desarrollo de algoritmos automáticos de coincidencia de características (Harris & Stephens, 1988; Otto & Chau, 1989). Una gama de motores de procesado “en la nube”, especialmente Photosynth (Microsoft Corporation, EE. UU.) Ha popularizado la técnica de SfM (Snavely et al., 2008). Recientemente, servicios gratuitos de computación “en la nube”, como 123D Catch (Autodesk Inc., EE. UU.) (Lavy et al., 2015), ARC3D (Ku Leuven, Belgium) (Tingdahl & Van Gool, 2011) o Recap Photo (Autodesk Inc., USA) (Ružić et al., 2014), o servicios de computación local, como Apero MicMac (IGN, France) (Deseilligny & Clery, 2011), se han presentado como alternativas gratuitas o de bajo coste, a opciones de software profesional como PhotoScan (Agisoft LLC., Russia) (De Reu et al., 2013b), Photomodeler Scanner (Eos System Inc., Canada) (Barazzetti et al., 2011) o Pix4D (EPFL, Switzerland) (Turner et al., 2014). Los métodos fotogramétricos tradicionales requieren las ubicaciones tridimensionales de una serie de puntos de control en las imágenes. Los puntos de control se identifican manualmente, y mediante el método general de la fotogrametría, se determina la posición y orientación de las tomas fotográficas. Por el contrario, en SfM, la ubicación y orientación de las cámaras y la geometría de la escena se reconstruyen simultáneamente a través de la identificación automática de las características coincidentes, o lo que es lo mismo, identificación automática de puntos homólogos. Estos puntos permiten realizar estimaciones iniciales de las posiciones de la cámara y las coordenadas del objeto, que luego se refinan de forma iterativa por mínimos cuadrados. El paso inicial es la identificación de características en imágenes individuales (puntos clave). Una solución popular para esto es el algoritmo Scale-Invariant Feature Transform (SIFT) (Chandran et al., 1997). Tras la identificación de los puntos clave, se utiliza el algoritmo Bundler Adjusment (Pierrot Deseilligny & Clery, 2012; Snavely et al., 2008) para estimar las posiciones y orientaciones de las cámaras y extraer una nube de puntos dispersa de objeto. Posteriormente, se puede obtener una nube de puntos de mayor densidad a partir del algoritmo Clustering View for Multi-view Stereo MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 65 | Página (CMVS) y del algoritmo Patch-based Multi-view Stereo (PMVS2) (Furukawa and Ponce, 2007 and Furukawa et al., 2010 Una de las características de la fotogrametría de SfM es la calibración inversa de los parámetros de orientación. La calibración previa de la cámara no es necesaria ya que la escena en sí se utiliza como plantilla de calibración. La aparición de estas técnicas nos ha permitido trabajar con superficies complejas. (Barazzetti et al., 2011) y obtener nubes de puntos, mallas de triángulos y, finalmente, un modelo texturizado tridimensional completo (Westoby et al. 2012). Toma fotográfica Además de las capacidades del software y la calidad de las imágenes, ya que el procesado de las fotografías se realiza automáticamente, uno de los principales factores que afectan la calidad de los resultados de un procesado fotogramétrico, es la situación de las tomas fotográficas. Como se señala en la figura 2, los diferentes tipos de toma se pueden clasificar por la relación entre sus direcciones y las líneas que unen los centros ópticos (líneas base). La toma convergente (Figura 2 -A), obtiene resultados más precisos que la configuración perpendicular (Figura 2 -B). Se requieren menos imágenes para obtener la misma cobertura estereográfica, y tiene una mayor confiabilidad interna (Mason, 1995). La disposición oblicua (Figura 2 -C) también es una opción a considerar. Figura 2. Clasificación de los tipos de toma. (A) Toma perpendicular. (B) Toma convergente. (C) Toma oblicua. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 66 | Página En este capítulo se utiliza Agisoft PhotoScan para el procesado de las imágenes. Como se describe en el manual del software, la figura 3 muestra la disposición convergente óptima de las tomas de fotos para obtener un modelo 3D de un objeto aislado. Para la documentación de las fachadas, el manual de PhotoScan recomienda una disposición fotográfica normal, como se muestra en la figura 4. Como se menciona en el apartado introductorio, las características geométricas del centro histórico (fachadas complejas, calles estrechas, soportales) condicionan en gran medida la elección de la metodología de la fotografía. Por lo tanto, la disposición de la toma debe adaptarse a las singularidades de cada caso particular. Figura 3.Disposición de toma fotográfica para un objeto aislado. Figura obtenida del manual de usuario de Agisoft PhotoScan. MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 67 | Página Figura 4. Disposición de toma fotográfica para fachadas. Figura obtenida del manual de usuario de Agisoft PhotoScan. Según lo indicado por los desarrolladores, el software acepta diferentes tipos de disposición fotográfica, convergiendo en el caso de una figura aislada y perpendicular en el caso de una fachada. Ambas disposiciones pueden modificarse, o incluso combinarse, como se muestra en (Boukerch et al., 2016). Teniendo en cuenta esta adaptabilidad, este estudio muestra cómo resolver los problemas geométricos planteados por las fachadas de los centros históricos para obtener modelos 3D del patrimonio arquitectónico a partir de fotogrametría SfM. Se utilizan para ello varias opciones de disposición fotográfica, en casos con limitaciones de espacio extremas, donde las indicaciones estándar no son aplicables. El objetivo es encontrar una metodología universal aplicable para el modelado de fachadas dentro del centro histórico de cualquier ciudad, adaptando las consideraciones hechas por estudios anteriores y por los desarrolladores de software a la documentación geométrica de los edificios en centros históricos. Esta metodología cumplirá las condiciones de alta precisión, alta velocidad y bajo coste de implementación, proporcionando así una alternativa viable y técnicamente más avanzada a los métodos tradicionales. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 68 | Página Metodología Fachadas analizadas Para cumplir con el objetivo del estudio, el espacio se divide en unidades de intervención menores, denominados casos individuales, que se clasifican según sus características geométricas (calles, plazas, soportales, etc.). Para cada caso individual, se selecciona un ejemplo de una fachada ubicada en el centro histórico. La figura 5 -C muestra su ubicación específica. La ciudad de Santiago de Compostela (Figura 5 -B), en España (Figura 5 -A), es elegida para ilustrar este estudio. Figura 5. Localización de casos individuales en el centro histórico de Santiago de Compostela (C), Galicia (B), España (A). Fachada significativa (Caso 1), fachada en una calle estándar (Caso 2), fachada en calle estrecha (Caso 3), fachada con soportales (Caso 4). MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 69 | Página Figura 6. Fachadas estudiadas. (A) Fachada en calle estrecha. (B) Fachada significativa. (C) Fachada con soportales. (D) Fachada en calle tipo. Caso N. 1: Fachada significativa. Este caso incluye todas las fachadas significativas, tales como edificios religiosos o institucionales. Como ejemplo, se ha elegido la fachada del convento de San Martin Pinario en la plaza San Martiño (Figura 6 -B). Caso N. 2: Fachada en calle estándar. Este es el caso individual más común en los centros históricos. Abarca todas las fachadas ubicadas en calles que tienen anchos más cortos que las alturas de las fachadas que se deben documentar. La fachada del Hostal dos Reis Católicos, ubicado en Rúa de San SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 70 | Página Francisco, es el ejemplo considerado para este grupo. Un caso excepcional sería una calle con un ancho inferior a un tercio de la altura de la fachada, que se tratará en el siguiente grupo (Figura 6 -D). Caso N. 3: Fachada en calle estrecha. También comunes en los centros históricos, pero que conllevan una mayor complejidad en la documentación de fachadas, son las calles estrechas con anchos que limitan la práctica de la fotogrametría según la metodología estándar (menos de un tercio de la altura de la fachada). Para ilustrar este caso, se selecciona la calle “Rúa da Troia”, de 2 a 2,5 m. de ancho con una altura de fachada aproximada de 12 m. (Figura 6 -A). Caso N. 4: Fachada con soportales. Los edificios con soportales en sus fachadas serán tratadas dentro de este grupo. Los soportales son parte de las fachadas y, debido a sus morfologías, se presentan como un caso extremo para la aplicación de técnicas fotogramétricas. Para ilustrar este caso, ha sido elegida como ejemplo la fachada ubicada en “Praza da Inmaculada” (Figura 6 -C). Material El uso de una cámara réflex de objetivo único (SLR) para el escaneo fotogramétrico se recomienda especialmente desde un punto de vista técnico. Aunque una cámara compacta permite obtener resultados aceptables, el uso de un dispositivo de captura para el cual se puede ajustar el tiempo de exposición, el formato de archivo, el enfoque, la apertura y otros parámetros fotográficos, garantiza resultados más precisos. Esta es la razón por la que, en los casos 1 y 3, se utiliza una cámara SLR digital Canon EOS 60D con 18 megapíxeles (5184 × 3456 píxeles) y un tamaño de sensor de 22,3 × 14,9 mm, que se corresponde a un tamaño de píxel de 4,30 × 4,30 micras, junto con una lente Canon EF-S 18-135 mm f / 3.5-5.6. MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 71 | Página También se utiliza un trípode fotográfico profesional de aluminio para la toma en estos casos, no obstante, para los casos 2 y 4, se prescinde de su utilización, en favor de una toma más ágil. Además, en estos casos, se utilizó la cámara integrada de un SmartPhone, iPhone 5, con una resolución de 8 megapíxeles (3264 × 2448 píxeles) y un tamaño de sensor de 4.56 × 3.43 mm, que se corresponde a un tamaño de píxel de 1.40 × 1.40 micras. Este dispositivo tiene una lente de zafiro con una distancia focal de 4 mm y una apertura máxima de f / 2.4. Para escalar y orientar los modelos y verificar su precisión, se midieron las coordenadas de una serie de puntos de control en las fachadas utilizando una estación total con medición láser, en este caso una Pentax R-325EX, con un error de distancia de ± 5 mm + 3 ppm y 6 “de precisión angular. Para el procesado de imágenes, se utilizó el software PhotoScan Professional (64 bits) con licencia de Agisoft LLC St. Petersburg (Rusia). El equipo informático consistía en un procesador Q6600 con 8 GB de RAM, por lo que los tiempos de procesado son relativos a la velocidad del mismo. Toma fotográfica A pesar de las recomendaciones del desarrollador del software, con el objetivo de demostrar la adaptabilidad de esta técnica, logrando así una disposición de imágenes que sea más adecuada para la reconstrucción de la escena, la disposición fotográfica empleada en cada caso de estudio es variable. Como se justifica en la introducción, el tipo de sesión fotográfica recomendable es la convergente cuando el espacio disponible lo permite. Para los casos en los que no es posible adoptar esta disposición fotográfica, debido a las limitaciones de espacio (casos 2, 3 y 4), se proponen soluciones alternativas. Las especificaciones metodológicas para la adquisición de imágenes de cada caso individual de este estudio se describen a continuación. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 72 | Página Fachada significativa - Caso 1 El espacio no suele ser una limitación cuando se trata de una fachada significativa; Por ello, se utiliza una distribución fotográfica convergente en este caso. Es decir, se tomó una serie de fotografías describiendo un arco, con tomas dirigidas hacia un punto ficticio ubicado detrás del elemento, cubriendo toda la superficie de la fachada, como se muestra en el gráfico (Figura 7). Para evitar errores en el procesado, las fotos tomadas deben formar un ángulo de intersección de menos de 15 grados. Se tomaron veintiocho fotografías, repartidas en dos pasadas (superior e inferior), con la cámara Canon Eos 60D. Figura 7. Disposición de toma fotográfica. Fachada significativa (Toma convergente). Aunque el espacio no es una limitación en este caso, la altura de la fachada puede serlo. Es común encontrar salientes en las partes superiores, sobre el plano de fachada, que generarán partes ocultas en el modelo (Figura 8). Este problema se puede resolver elevando la toma MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 73 | Página con un dispositivo como una pértiga, aunque en este caso, la técnica puede ser menos operativa y además este problema ya está presente tanto en las técnicas tradicionales como en el escaneo láser terrestre. Esta es la razón por la que se descartó su uso en este estudio, solventando esta problemática a partir una sesión de fotos, realizada a una distancia de la fachada (D) igual a la altura de la fachada (H), como se muestra en la figura 8. Por lo tanto, el ángulo de incidencia vertical en la fachada será de 45 grados en el caso más desfavorable, en el cual se puede generar un área oculta de la misma magnitud que el saliente que la causa. Figura 8. Zona oculta causada por un saliente. Ángulo máximo de incidencia. Fachada en calle estándar o tipo - Caso 2 Este caso es el más común en los centros históricos; por lo tanto, se opta por la opción técnica que permite una mayor flexibilidad de implementación. Para este caso en particular, se utilizaron pautas que representan un punto de partida para la documentación métrica de un área completa, con una geometría longitudinal como la fachada a lo SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 80 | Página Figura 12. Modelo 3D con textura fotorealista. Al final del proceso, los restantes puntos medidos, se marcaron directamente en la malla, proporcionando las coordenadas del modelo que se compararon, obteniendo de ese modo las desviaciones métricas reales del producto final. Obtención y digitalización de ortofotos Para generar las ortofotos, el software PhotoScan permite la definición de los ejes del X e Y, que forman el plano sobre el que se obtiene la vista ortogonal. Posteriormente, en el software CAD, estas ortofotos se escalaron utilizando los puntos de control y se digitalizaron los rasgos característicos de la fachada. Otra opción es la posibilidad de digitalizar vectorialmente los rasgos característicos utilizando el software fotogramétrico. PhotoScan permite la creación de formas en las ortofotos, obteniendo las entidades vectoriales de la escena directamente. Estas entidades vectoriales pueden exportarse en distintos formatos para su importación en software CAD o BIM. MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 81 | Página Resultados y discusión Toma fotográfica Cuando el espacio no es una limitación como en el primer caso, la disposición convergente es la mejor opción (Figura 7). En calles estrechas y estándar, las distribuciones de toma oblicua, con diferentes ángulos (dependiendo de las limitaciones de espacio) proporcionan mejores resultados. Las disposiciones perpendiculares y convergentes se combinan y aplican, en ocasiones solo para crear imágenes de enlace (Figura 9 y 10). En el caso 4, las fotos de enlace convergen alrededor del pilar del arco (Figura 11). Además, para calles estrechas y soportales interiores es importante capturar ambas fachadas en cada fotografía. Esto es posible mediante la toma de fotografías a lo largo del eje longitudinal de la calle o soportal. Esta metodología ha permitido obtener modelos 3D de calidad, transformando el problema de las limitaciones de espacio, en una ventaja. La información de fachada opuesta y la mayor superposición de estas fotos, aportan robustez geométrica a la escena. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 82 | Página Modelos 3D En la tabla 1 se muestra una instantánea de cada uno de los modelos obtenidos (Figura 13) y los resultados del procesado. Tabla 1: Resultados del procesado Caso Puntos Triángulos Densidad (puntos/m2) Caso 1 Fachada significativa 1.841.811 3.104.417 2.512 Caso 2 Fachada en calle tipo 313605 658.342 505 Caso 3 Fachada en calle estrecha 557.105 1.110.691 2.790 Caso 4 Fachada con soportales 1.001.323 2.555.187 5.610 MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 83 | Página Figura 13. Capturas de los modelos 3D. (A) Fachada significativa, Caso 1 (B) Fachada en calle tipo Caso 2. (C) Fachada en calle estrecha Caso 3. (D) Fachada con soportales, Caso 4. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 84 | Página Precisión La precisión se evaluó mediante la obtención de coordenadas directamente sobre la malla texturizada, proporcionando así valores reales del error del modelo 3D. La tabla 2 muestra las precisiones obtenidas, el dispositivo fotográfico utilizado y los tiempos empleados en el trabajo de campo y el procesado en cada caso. TABLA 2: Trabajo de campo y resultados del procesado Caso Cámara Nº Imágenes Trabajo de campo Procesado Error medio Error relativo Caso 1 Canon 60D 28 15 min. 7h 0.039 m. 1/1010 Caso 2 Iphone 5 175 20 min. 10h 0.049 m. 1/1030 Caso 3 Canon 350D 113 50 min. 18h 0.026 m. 1/770 Caso 4 Canon 60D + Iphone 5 128 30 min. 16h 0.021 m. 1/1040 Para verificar la precisión de los modelos, el error promedio se obtuvo como la media aritmética de los valores absolutos de las diferencias entre los puntos de coordenadas tomados con la estación total y los mismos puntos obtenidos de los modelos digitales después de escalarse y orientarse en el mismo sistema de referencia utilizado por el instrumental topográfico, en este caso un sistema de referencia local. El error relativo es el resultado de dividir el error medio por la diagonal más larga del elemento. En las figuras 14 a 17, se puede ver la distribución de puntos de control en las fachadas, mostrando en color gris los puntos utilizados para la georreferenciación del modelo. MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 85 | Página Figura 14. Distribución de los puntos de control (GCPs) en el caso 1. Figura 15. Distribución de los puntos de control (GCPs) en el caso 2. 1 SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 86 | Página Figura 16. Distribución de los puntos de control (GCPs) en el caso 3. Figura 17. Distribución de los puntos de control (GCPs) en el caso 4. A continuación se muestran los alzados (Fig. 18) y la digitalización vectorial de los mismos (Fig. 19 y Fig. 20 -A) o ambos productos superpuestos (Fig. 20 -B). Los resultados obtenidos muestran que la pequeña cantidad de espacio frente a la fachada es una limitación que se puede superar. Una toma convergente, a pesar de no MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 87 | Página ser la disposición de la cámara recomendada por los desarrolladores de software, garantiza una buena precisión con un número de fotos menor (Caso 1). Cuando el espacio es limitado, será necesario aumentar el número de imágenes y adaptar su disposición espacial. Figura 18. Ortofoto en alzado. Fachada en calle tipo, Caso 2. Figura 19. Digitalización vectorial, fachada en calle estrecha, Caso 3. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 88 | Página Figura 20. Fachada con soportales, caso 4. (A) Digitalización vectorial. (B) Digitalización vectorial sobre ortofoto. Dentro de una ciudad histórica y para casos no excepcionales, se obtuvieron buenos resultados utilizando una distribución oblicua (Caso 2). Cabe señalar aquí que la necesidad de una colección de imágenes en cada dirección de avance nos obligó a tomar fotografías de enlace entre las dos pasadas. Esto se debe a que el software no puede vincular las áreas entre las imágenes con ángulos de incidencia muy diferentes. Cuando la ubicación es un caso excepcional (casos 3 y 4), las características geométricas del elemento determinan la disposición de tomas a emplear. Este estudio ha resuelto dos ejemplos extremos que pueden ser útiles para resolver casos similares. En el caso 3 (fachada en calle estrecha), la cercanía de la fachada opuesta, que a priori era un problema, se convirtió en una ventaja al usar imágenes en las que se MODELADO 3D DE FACHADAS HISTÓRICAS MEDIANTE FOTOGRAMETRÍA SFM. DOCUMENTACIÓN GEOMÉTRICA DE DISTINTAS TIPOLOGÍAS ARQUITECTÓNICAS DE UN CASCO HISTÓRICO. 89 | Página registran ambas fachadas, logrando así un modelado automático y un buen resultado. En el caso 4 (fachada con soportales), se deben documentar las dos fachadas interiores. La metodología aquí es similar a la del caso anterior, excepto que el enlace de ambas pasadas se realiza en el área que rodea al último pilar, y las dos pasadas interiores se unen con una pasada externa. Esto aporta solidez geométrica a la escena mejorando los resultados. Conclusiones A la vista de los resultados del estudio, después de haber resuelto satisfactoriamente ejemplos específicos en los que los procedimientos habituales no son aplicables, se puede afirmar que el modelado 3D de fachadas mediante fotogrametría SfM de corto alcance es una técnica adaptable, confiable y de alto rendimiento, que ha obtenido precisiones cercanas a las obtenidas por la misma técnica en condiciones óptimas. Se han resuelto cuatro casos, que abarcan las tipologías edificatorias más comunes en una ciudad histórica. Este enfoque es posible porque actualmente, las capacidades del software nos permiten utilizar disposiciones de toma fotográfica más flexibles, siempre que cumplamos con los requisitos de superposición entre las imágenes y que las variaciones de ángulo en las tomas de fotos correlativas sean lo más pequeñas posible. Siempre que se respete este criterio en el diseño de la disposición de las tomas, puede resolverse mediante fotogrametría SfM cualquier otra ubicación en un centro histórico. En los centros históricos, el uso de dispositivos accesibles, como SmartPhones, ofrece ventajas como la georreferenciación automática de las imágenes y la posibilidad de obtener modelos 3D de casi cualquier elemento arquitectónico sin una planificación previa de los trabajos. Es por esto que este dispositivo se utilizó en ciertos casos, logrando resultados cercanos a los obtenidos con cámaras SLR. Además, el uso de este dispositivo revela que el número de fotografías utilizadas es más decisivo para la precisión del modelo que la calidad geométrica de las imágenes. En este sentido, la toma con un trípode, especialmente en casos excepcionales como en centros históricos, que SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 96 | Página sin requerir equipos de alto rendimiento y con un flujo de trabajo muy simple. El ahorro de costes y la facilidad de uso hacen que la computación fotogramétrica “en la nube” sea una excelente herramienta de medición para los profesionales del patrimonio no especialistas en fotogrametría. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 97 | Página Introducción Los avances tecnológicos han conducido a cambios continuos en los métodos de trabajo para los profesionales de la arquitectura patrimonial. Se observa un claro ejemplo de tales cambios en las herramientas de adquisición de datos métricos, con la aparición de tecnologías de escáner láser y fotogrametría SfM que representan alternativas precisas a los métodos de medición tradicionales. Algunas comparaciones de ambas técnicas en aplicaciones arquitectónicas se muestran en (Boehler & Marbs, 2004; Grussenmeyer et al., 2008; Teza et al., 2016). Los profesionales de la arquitectura, la ingeniería y la construcción (AEC), necesitan planes de trabajo y planos detallados para reparaciones, remodelación o mantenimiento de edificios patrimoniales. La inspección de fachadas con técnicas tradicionales es tediosa, difícil y ocasionalmente imprecisa. Estas técnicas implican la realización de mediciones individuales utilizando una herramienta de medición, como una cinta métrica o un distanciómetro láser. Otras técnicas más avanzadas, como la medición con estación total, implican medios más costosos y requieren conocimientos de manejo. Además, hay situaciones en las que las técnicas tradicionales no son operativas, como por ejemplo en fachadas con zonas inaccesibles o incluso en edificios destruidos o dañados cuando la fotogrametría es el único método aplicable. En estos casos, la fotogrametría permite a los arquitectos realizar dibujos para reconstruir con precisión un edificio histórico como se muestra en (Yilmaz et al., 2007) con un edificio destruido por un incendio, en el que no existe la posibilidad de realizar mediciones de campo tradicionales o con escáner láser. Las técnicas, como los escáneres láser y la fotogrametría Structure from Motion (SfM), están revolucionando el modo de obtener documentaciones geométricas de fachadas de edificios (Dai & Lu, 2010; Ordóñez et al., 2010). Los avances en los escáneres láser han aumentado la demanda de modelos 3D que permiten la documentación y el análisis de formas y dimensiones a altas resoluciones. Estos modelos representan tanto la geometría de los edificios como su textura, por lo que pueden utilizarse en estudios ambientales como se demuestra en (Bui et al., 2009) en el cual se mide la erosión de una SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 98 | Página chimenea. Paralelamente a la expansión de los escáneres láser y provocada por la creciente demanda de modelos 3D, la fotogrametría digital, particularmente la fotogrametría SfM, ha avanzado considerablemente y ha sido utilizada cada vez más por varios tipos de especialistas, como ingenieros civiles. (Bhatla et al., 2012; Kwak et al., 2013; Stavroulaki et al., 2016), arquitectos (Sužiedelytė-Visockienė et al., 2015; Yang et al., 2016), arqueólogos e historiadores (Bea & Angás, 2017; Gonizzi Barsanti et al., 2013; Johnson & Solis, 2016; Martínez-Rodríguez et al., 2015; Juan Ortiz et al., 2013) o especialistas en medioambiente (Butler et al., 2002; Kaufmann & Ladstädter, 2007). La fotogrametría SfM ha ganado interés dado que la inversión requerida para equipos fotográficos y de software es sustancialmente menor que la requerida para un escáner 3D. Además, un conjunto de datos se puede integrar en el software BIM como se muestra en (Tzedaki & Kamara, 2013). TLS y fotogrametría están reemplazando las metodologías tradicionales como se muestra en (Almagro, 2002), pudiéndose incluso combinar ambas técnicas (Al-kheder et al., 2009; Yastikli, 2007). Fotogrametría SfM La fotogrametría digital ha evolucionado considerablemente en las últimas décadas. El desarrollo de la triangulación y los algoritmos de extracción de datos 3D basados en imágenes ha mejorado sustancialmente la calidad de los modelos 3D, como se demuestra en (Heipke et al., 2016). De manera similar, las mejoras en la calidad y el coste de las cámaras réflex compactas y de lente única (SLR) y los métodos de calibración que permiten utilizar cámaras no métricas (Jh Chandler et al., 2005), han contribuido a una mayor expansión de estas técnicas. A diferencia de la fotogrametría convencional y las primeras versiones del software de fotogrametría de corto alcance, que permiten la manipulación exclusiva de puntos seleccionados discretamente y, por lo tanto, de superficies simples, el software actual de fotogrametría SfM permite el uso de un proceso automatizado con superficies complejas. Las nubes de puntos, las mallas triangulares y los modelos texturizados tridimensionales completos se obtienen de las fotos como se indica en (Remondino & El-Hakim, 2006; Westoby et al., 2012). COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 99 | Página Cabe destacar cuatro factores en la evolución de esta técnica. El primer factor es la automatización de la coincidencia de características de imagen (puntos homólogos). El primer paso del procesado inicial en la fotogrametría SfM, es la identificación de características en imágenes individuales que se pueden usar para la correspondencia entre ellas. La fotogrametría convencional requiere la identificación de una serie de puntos en las fotos para calcular los parámetros de orientación (Puntos homólogos). Los algoritmos automáticos de coincidencia de características, como el algoritmo Scale-Invariant Feature Transform (SIFT) descrito en (Chandran et al., 1997; Lowe, 2004), han permitido que la identificación de los puntos homólogos en los entre fotografías sea automática, lo que ha reducido significativamente el tiempo requerido para realizar esta tarea. El estado del arte en la coincidencia de imágenes de alta densidad se describe ampliamente en (Remondino et al., 2014). En segundo lugar, en la automatización del proceso de calibración mediante el cálculo inverso de los parámetros de orientación interna como se describe en (Clarke & Fryer, 1998; Fraser, 2013), el software reconstruye la escena de acuerdo con datos EXIF de cada imagen, junto con los coincidencias entre imágenes obtenidas en el primer paso. Luego, estos parámetros se ajustan de forma iterativa. El algoritmo System Bundler, que se describe en (Snavely et al., 2008; Triggs et al., 2000), se utiliza para estimar la posición de la cámara y extraer una nube de puntos “dispersa”. Por lo tanto, las orientaciones internas y relativas y la geometría de la escena se reconstruyen simultáneamente en un solo proceso, sin la necesidad de una calibración previa de la cámara. En tercer lugar, se puede obtener una nube de puntos de mayor densidad gracias al algoritmo Clustering view for Multiview Stereo (CMVS) y el algoritmo Patch-based Multiview Stereo (PMVS2) (Furukawa et al., 2010; Furukawa & Ponce, 2010). Ambos algoritmos permiten obtener modelos 3D de geometrías complejas de forma automatizada. En cuarto lugar, los avances continuos en las capacidades de computación, en especial con la aparición del software de fotogrametría de computación “en la nube”. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 100 | Página Software de fotogrametría SfM Los orígenes del software de fotogrametría SfM se encuentran en la comunidad de visión artificial (Spetsakis & Aloimonos, 1991; R Szeliski & Sing Bing, 1993) y el desarrollo de los algoritmos automáticos de coincidencia de características descritos en (Harris & Stephens, 1988; Otto & Chau, 1989). Una gama de motores de procesado “en la nube” ha generalizado de la fotogrametría de corto alcance. Recientemente, la computación “en la nube” ha cambiado la comprensión del software en general y del software fotogramétrico en particular. Los profesionales tienen a su disposición opciones de software de escritorio y de computación “en la nube”. Como ejemplos de software de escritorio, encontramos Apero Micmac (IGN, Francia) (Deseilligny & Clery, 2011), Eos Photomodeler (Eos System Inc., Canada) (Barazzetti et al., 2011), Agisoft PhotoScan (Agisoft LLC., Russia) (De Reu et al., 2013b) y Pix4D Mapper (EPFL, Switzerland) (Strecha et al., 2012). Sin embargo, la tendencia en software se está moviendo hacia el uso de recursos de computación “en la nube”. Estos servicios de procesado de imágenes se realizan en un servidor externo. Un ejemplo de este software es Photosynth (Microsoft Corporation, EE. UU.) o ARC3D (Ku Leuven, Bélgica) (Tingdahl & Van Gool, 2011). Otro ejemplo de gran popularidad es 123DCatch (Autodesk Inc., EE. UU.) (Jim; Chandler & Fryer, 2013); sin embargo, este servicio, no ha evolucionado desde su lanzamiento inicial en 2009, y solo ha estado disponible hasta marzo de 2017. Autodesk Company ha implantado en su lugar los servicios de computación SfM “en la nube” con Recap Photo (2012) (Fritsch et al., 2013), Autodesk Memento (Johnson & Solis, 2016), y Autodesk Remake (Nikolov & Madsen, 2016). Desde 2017 Recap Photo es la única opción disponible. Incluso los dispositivos móviles son capaces de tomar fotos y realizar un procesado fotogramétrico a través de la nube (123D Catch) o con aplicaciones locales como TRNIO o SCANN3D. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 101 | Página Modelado de edificios con fotogrametría SfM El uso de la fotogrametría SfM ofrece nuevas posibilidades en el estudio de la arquitectura como se demuestra en (Murtiyoso et al., 2017), en el que emplea drones para el modelado 3D de edificios, y una gran adaptabilidad a zonas complejas como se señala en (PeñaVillasenín et al., 2017), donde se analiza el proceso de modelado 3D de diferentes tipos de edificios. Un ejemplo de software de fotogrametría de computación “en la nube” aplicado en el patrimonio arquitectónico se presenta en (Santagati & Inzerillo, 2013). Sin embargo, en estos estudios, los resultados y el flujo de trabajo de la fotogrametría SfM se comparan con otros métodos de medición, como los métodos tradicionales en (Peña-Villasenín et al., 2017) o láser escáner en (Murtiyoso et al., 2017; Santagati & Inzerillo, 2013; Teza et al., 2016). En (Murtiyoso et al., 2017), también se analizan algunas opciones de escritorio; sin embargo, la confiabilidad de la computación “en la nube” en comparación con el software de escritorio sigue sin estar clara. Los algoritmos son similares en el software de computación de escritorio y en la nube, no obstante las actualizaciones constantes de los mismos, y la pérdida de control por parte del técnico del procesado fotogramétrico en la computación “en la nube” hace que se necesiten estudios periódicos para evaluar la calidad de los modelos resultantes. Por este motivo, en este estudio se analizan los resultados de la documentación de fachadas obtenidas con el software de computación “en la nube” de bajo coste Autodesk Remake, con el software profesional de escritorio como Pix4D Mapper y Agisoft PhotoScan. Este estudio también compara los resultados obtenidos con las dos opciones de software de escritorio mencionadas, los cuales son utilizados ampliamente para trabajos fotogramétricos profesionales. En esta comparación, se analizan los rendimientos del procesado en tiempos y costes, la calidad visual y la precisión geométrica de los modelos 3D resultantes y la facilidad de uso y posibilidades del software estudiado. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 102 | Página Metodología Caso de estudio: fachada posterior del Monasterio de San Martín Pinario. La comparación se realiza considerando una colección de imágenes de la fachada del monasterio de San Martín Pinario, que se construyó entre los siglos XVI y XVIII. El monasterio de San Martín Pinario y la catedral de Santiago de Compostela (Figura 1-A) representan el conjunto barroco gallego más relevante. Este monasterio es el segundo más grande de España (Figura 1-B) después de El Escorial (Madrid). De su importancia se destaca su relevancia arquitectónica, religiosa y artística (Croci et al., 1997; Vicente López, 2016). Sus características y variedad de superficies hacen que sea una opción idónea para este estudio. El monasterio incluye varias zonas con distintas superficies, incluyendo zonas lisas, ásperas, planas y muy texturizadas con algunas ventanas y puertas e incluye algunas zonas de ornamentos altamente detallados, siendo un caso representativo de una fachada significativa de un centro histórico. El monasterio de San Martín Pinario se encuentra cerca de la catedral de Santiago de Compostela. La Figura 1-C muestra la posición prominente del edificio en relación con su entorno, lo que demuestra su importancia cultural. Su fachada este (Figura 1-D) está bien situada para facilitar el acceso fotográfico debido a su ubicación en una plaza amplia. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 103 | Página Equipamento Se utilizó una cámara digital réflex, Canon EOS 60D, con 18 megapíxeles (5,184 × 3,456 píxeles) y un tamaño de sensor de 22.3 × 14.9 mm, que corresponde a un tamaño de píxel de 4.30 × 4.30 µm. La lente empleada se corresponde con una Canon EF-S 18-135 mm f / 3.55.6. Para la toma se utilizó un trípode fotográfico profesional de aluminio. Figura 1. (A) Galicia. (B) España. (C) Callejero Santiago de Compostela. (D) Fachada del Monasterio de San Martín Pinario. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 104 | Página Para escalar, orientar y verificar la precisión de los modelos 3D, se midieron las coordenadas de varios puntos distribuidos en la fachada utilizando una estación total con medición laser Pentax R-325EX con un error de distancia de ± 5 mm + 3 ppm y una precisión de ángulo de 6”. Los primeros 6 puntos medidos se dispusieron en las esquinas y en el área central de la fachada, y estos puntos se utilizaron como puntos de control (GCP) para escalar y orientar el modelo 3D. Otros 17 puntos en la fachada fueron medidos y utilizados como puntos de verificación oCheck Points (CP). Los CP medidos se compararon con las coordenadas identificadas en la malla 3D para determinar la precisión geométrica del modelo. Las versiones que son testeadas en este estudio son la 1.2.0 de Agisoft PhotoScan, la versión 2.0.104 de Pix4D Mapper y la versión 17.23.1.69 de Remake. El equipo informático utilizado consta de un procesador i5 4460 con 32 GB de memoria RAM. El precio actual de una licencia permanente para PhotoScan es de 3.500 USD. La licencia permanente de Pix4D es de aproximadamente 6,900 USD. Autodesk Remake no ofrece una licencia permanente, pero ofrece una suscripción anual de 300 USD. Remake y Pix4D permiten licencias mensuales por 30 y 280 USD respectivamente. Toma fotográfica Para cumplir con el objetivo de este estudio, se usó una sesión de fotos común de tal manera que los tres programas de software usaron la misma información gráfica. Se obtuvieron un total de 28 fotos a una distancia similar a la altura de la fachada, con velocidades de obturación relativamente largas (1/25 a 1/40), con una sensibilidad ISO 100, con una apertura de F / 8 y utilizando trípode y un disparador. De esta manera, se minimizó la vibración de la cámara y los parámetros de la foto fueron apropiados para obtener imágenes de alta estabilidad geométrica. Las disposiciones de las tomas fotográficas se alinearon en la medida de lo posible con una toma convergente, como se muestra en la Figura 2-B. Esta es la disposición de toma de fotos recomendada por los desarrolladores de software y ofrece la mejor precisión teórica para la orientación (Mason, 1994). En la toma paralela (Figura 2-A), el COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 105 | Página ángulo de los rayos homólogos es más pequeño que en la toma convergente, lo que genera una zona de incertidumbre mayor (zona indicada en color gris). Procesado fotogramétrico SfM En esta sección, se describen los pasos de procesado fotogramétrico en cada opción de software estudiado. Agisoft PhotoScan. La primera etapa en este software trata de realizar la alineación de las cámaras. Las imágenes JPEG se cargan, y el software emplea un algoritmo SIFT para buscar puntos característicos de las imágenes (Key Points), posteriormente busca sus coincidencias con otras imágenes (Tie Points) y a partir de dicha relación calcula las posiciones de las cámaras (Figura 3). En este paso, PhotoScan permite la selección de diferentes grados de precisión. En el estudio, se utilizó una “precisión alta” en los parámetros de configuración del procesado, Figura 2. Disposiciones fotográficas. La incertidumbre generada por los rayos homólogos puede observarse sombreada en gris. (A) Toma paralela. (B) Toma convergente. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 112 | Página Autodesk Remake En este software, la única opción configurable es la calidad del procesado; es más simple pero mucho menos configurable que PhotoScan y Pix4D. En este caso, se eligió la calidad más alta posible. El flujo de trabajo se describe en la Figura 9. El procesado se realiza automáticamente mediante computación SfM “en la nube”. Cuando se completa el procesado, el software permite descargar el modelo 3D en formato RCM (el formato nativo de Autodesk Remake). Varias herramientas internas permiten la edición modelo. Como se muestra en la Figura 10, para orientar y escalar el modelo de Remake, se introducen los GCPs para calcular una transformación Helmert que escala y coloca el modelo en la orientación correcta. Después de la transformación, los puntos CP se marcaron para evaluar la precisión del modelo. Finalmente, el modelo 3D se exportó en un formato Wavefront (.obj) (Figura 11). Figura 9. Etapas del procesado con Autodesk Remake. (A) Carga de imágenes. (B) Selección del directorio. (C) Selección del modo de procesado. (D) Selección de calidad de procesado. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 113 | Página Figura 10. Configuración del sistema de coordenadas en Autodesk Remake a partir de GCPs. Figura 11. Malla de triángulos texturizada obtenida en Autodesk Remake. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 114 | Página No es posible obtener ortofotos a partir de este software. Por lo tanto, Meshlab fue utilizado con este propósito. Se realizó una rotación en el eje Z para ubicar el plano de la fachada en la perspectiva ortogonal (Figuras 12-A y 12-B), permitiendo que la vista frontal del modelo se pueda obtener a partir de las vistas predefinidas (Figura 12-C). Digitalización vectorial Las ortofotos contienen información completa sobre las fachadas pero en un formato ráster. Existen dos métodos principalmente para vectorizar esta información: la digitalización de las entidades características en el software CAD sobre la ortofoto, o la digitalización directa a través del software fotogramétrico. PhotoScan y Pix4D permite una digitalización de modo intuitivo de las entidades vectoriales sobre el modelo 3D en formato compatible con BIM (Figura 13). Autodesk Remake no permite esta opción; por lo tanto, un software externo debe ser utilizado para la vectorización. Figura 12. Rotación del modelo 3D de Remake en MeshLab. (A) Orientación original. (B) Orientación después de la rotación sobre el eje Z. (C) Vista frontal del modelo 3D. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 115 | Página Comparación de resultados En primer lugar, se evalúan los resultados del procesado, para lo cual se analizan el número de puntos y triángulos obtenidos, la densidad de puntos por m2, el tiempo empleado y la relación entre estos dos últimos parámetros. Para evaluar la precisión geométrica, se introducen 6 GCPs en la etapa de procesado con todas las opciones de software testeadas, como se señala anteriormente, garantizando que los modelos 3D se encuentran en el mismo sistema de referencia. Los restantes puntos de coordenadas conocidas, un total de 17 CPs, se introducen posteriormente sin influencia en la calidad del procesado. Estas coordenadas se compararon directamente con respecto a las coordenadas consideradas reales obtenidas con la estación total, Figura 13. Ejemplo de vectorización BIM en Pix4D. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 116 | Página permitiendo hallar los valores de error en cada punto de control. La Figura 14 presenta el menú de administración de GCPs y CPs en Remake. En todas las opciones de software, se utilizan los mismos puntos de chequeo marcados sobre la malla 3D, obteniendo los valores de la precisión del producto final. En tercer lugar, se analizaron los resultados visuales, incluida la calidad de la ortofoto y la textura, que se evaluaron mediante comparación visual. Finalmente, en base a la opinión de técnicos fotogramétricos, se evaluó la utilidad operacional del software, analizando las ventajas y Figura 14. Análisis de precisión, a partir de Check Points (CPs) en Remake. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 117 | Página desventajas del software de computación de escritorio frente al de computación en la nube, así como entre los dos software de escritorio testeados. Discusión de resultados. Resultados del procesado SfM Pix4D y PhotoScan pueden generar nubes de puntos de alta densidad en sus opciones de procesado de alta calidad como se muestra en la Tabla 1. Autodesk Remake produce nubes de puntos de resolución más baja, aunque la resolución es suficiente para las mediciones de fachada. Los tiempos de procesado para el software de escritorio fueron sustancialmente más bajos en comparación con los del software de computación “en la nube”. Los tiempos de procesado del software de escritorio corresponden a la potencia de la computadora utilizada. TABLA 1: Resultados de la etapa de procesado en PhotoScan, Pix4D y Remake. Software Config. del procesado de la nube de puntos Número de puntos obtenido Densidad de la nube puntos/m² Nº de triángulos de la malla Tiempo total de procesado Puntos por tiempo de procesado PhotoSca n Alta 38.885.878 30.864 86.833.482 3h 26 min. 188.766 Media 2.816.435 1.708 6.909.440 14 min. 201.174 Baja 555.418 337 1.106.545 8 min. 69.427 Pix4D Alta 39.944.546 24.379 Lim. a 10 M 2 h 51 min. 233.594 Media 9.310,279 5.646 Lim. a 10 M 52 min. 79.044 Baja 632.752 384 1.261.948 25 min. 25.310 Remake Alta 937.111 568 1.659.497 60 min. 15.619 En la Figura 15 se presentan las relaciones entre la cantidad de puntos y el tiempo de procesado en todas las opciones de calidad analizadas del escritorio y del software de computación “en la nube”. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 118 | Página La Figura 16 presenta los resultados del procesado de PhotoScan sin filtros (Figura 16-A), con un filtro moderado (Figura 16-B) y con un filtro agresivo (Figura 16-C). Incluso el filtro agresivo genera una cantidad considerable de ruido. Este ruido se debe principalmente al color de fondo blanco del cielo en las fotos. Este problema podría haberse resuelto utilizando máscaras para este fondo. Figura 15. Gráfica del rendimiento de PhotoScan, Pix4D, y Autodesk Remake. Figura 16. Opciones de filtros de profundidad en PhotoScan. (A) Desactivado. (B) Moderado. (C) Agresivo. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 119 | Página En contraste con PhotoScan (Figura 17-A), tanto Remake (Figura 17-B) como Pix4D (Figura 17-C) generaron modelos con poco ruido. A partir de este punto el análisis hace referencia al procesado de mayor calidad y los resultados de filtrado más agresivos en ambas opciones del software de escritorio. Calidad geométrica y análisis de precisión El modelo obtenido utilizando Remake, aunque con menos triángulos, muestra una calidad geométrica similar a la de los modelos de PhotoScan y Pix4D de alta calidad en todos los tipos de superficies. La Figura 18, muestra que en la malla obtenida en Remake, los vértices no están distribuidos homogéneamente como en Pix4D o PhotoScan, pero la malla se presenta como una alta densidad de vértices en zonas no planas. Esta distribución de vértices explica por qué se obtiene la alta definición con un número reducido de puntos. Autodesk Remake obtiene automáticamente modelos en los que las áreas planas tienen menos densidad de triángulos. Esta característica también es posible en el software de escritorio si se realiza una reducción de la malla con la herramienta de reducción. Esta es una opción interesante porque agiliza el uso del modelo. En los otros tipos de geometría, como los salientes de las ventanas o en áreas de ornamentación altamente detallada, los resultados son similares en todos los programas testeados. Figura 17. Filtrados de profundidad en el software estudiado. (A)PhotoScan con filtrado agresivo. (B) Pix4D con filtrado activo. (C) Remake, no permite configuración del fitlrado. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 120 | Página La Figura 19 presenta capturas de las mallas 3D obtenidas en PhotoScan (Figura 19-A), Pix4D (Figura 19-B) y Remake (Figura 19C) en las mejores calidades. La Tabla 2 presenta los resultados de la evaluación de la precisión de cada punto medido y el error medio calculado para cada paquete de software analizado. Los valores de error se calcularon como el promedio de las diferencias entre las coordenadas de los puntos medidos con la estación total en las fachadas y los obtenidos en los Figura 18. Malla triangular texturizada obtenida a partir de Remake. Calidad alta. Figura 19. Mallas 3D. (A) PhotoScan. (B) Pix4D. (C) Remake. COMPARACIÓN DE SOFTWARE DESKTOP PROFESIONAL Y SOFTWARE GRATUITO CLOUD COMPUTING EN EL MODELADO 3D DE EDIFICIOS HISTÓRICOS: MONASTERIO DE SAN MARTÍN PINARIO 121 | Página modelos. Teniendo en cuenta que existe incertidumbre al marcar puntos en el modelo, los resultados de los tres paquetes de software en términos de precisión pueden considerarse idénticos. El error más alto en el modelo de cada paquete de software está escrito en negrita y es inferior a 35 mm en todos los casos. Tabla 2. Resultado del análisis de precisión (errores expresados en metros). Point PhotoScan Pix4D Remake Check Points (CPs) 1 0.025 0.022 0.024 2 0.013 0.013 0.012 3 0.018 0.017 0.023 4 0.02 0.017 0.021 5 0.017 0.019 0.011 6 0.005 0.012 0.014 7 0.035 0.022 0.015 8 0.021 0.016 0.020 9 0.008 0.009 0.029 10 0.021 0.021 0.012 11 0.015 0.015 0.009 12 0.013 0.012 0.016 13 0.014 0.011 0.012 14 0.01 0.005 0.005 15 0.011 0.012 0.011 16 0.016 0.024 0.020 17 0.019 0.008 0.010 Media de error 0.017 0.015 0.016 Desv. Estándar 0.00701 0.0054 0.0063 SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 128 | Página calidad visual. Por lo tanto, la computación “en la nube” es una opción interesante para los profesionales del patrimonio que no se han especializado en fotogrametría y que están buscando una buena relación entre precio, calidad y facilidad de uso en la adquisición de software fotogramétrico. Además, el software de computación “en la nube” tiene un flujo de trabajo simple, apenas es necesario un aprendizaje previo, y solo requieren equipos informáticos de nivel usuario. Los modelos de Remake obtienen una buena evaluación en las variables estudiadas por lo que el software obtiene un gran rendimiento. El software profesional es una opción recomendada si se necesitan productos derivados, como ortofotos o directamente vectorizaciones BIM; sin embargo, estas funciones también se pueden obtener con software de computación “en la nube” mediante software externo. El análisis de los resultados del software de escritorio demuestra que tanto Pix4D como PhotoScan tienen un alto rendimiento. Sin embargo, algunas de las ventajas que ofrece PhotoScan se encuentran en la calidad geométrica y visual de los resultados, y las ventajas de Pix4D son la facilidad de uso y la amplia variedad de opciones visuales. Como una limitación notable de la fotogrametría, en las áreas superiores de la fachada, ciertas partes ocultas no aparecen en el modelo, por lo que sería recomendable usar pértigas o drones para levantar la cámara y capturar información de estas áreas. Otra limitación podría ser el espacio disponible para la sesión de fotos, ya que el espacio de trabajo representa una importante desventaja. En este estudio, la fachada de piedra es un material perfectamente adaptado a esta prueba; Las líneas futuras de investigación deberían analizar el comportamiento de la computación “en la nube” en superficies más reflexivas, ya que el software no permite una configuración del procesado adaptada a dicha situación, lo que si sería posible en el software profesional. CAPITULO III 129 | Página 7. CAPITULO III COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS RESUMEN El inventario geométrico y la documentación del arte rupestre presentan grandes desafíos debido a la gran cantidad de petroglifos existentes en el territorio, la distancia entre ellos, en muchos casos el estado de abandono de las áreas forestales, las limitaciones de acceso y las características geométricas de este patrimonio. La fotogrametría Structure from Motion (SfM) se posiciona como una técnica ideal para su documentación, pero esta técnica tiene una gran variabilidad en su metodología y coste de ejecución. En este estudio, se compara un método simple y eficaz basado en la fotogrametría SfM con software de computación “en la nube” de bajo coste con el uso de un escáner láser terrestre (TLS) para generar modelos 3D de petroglifos. La comparación se realiza en la documentación 3D del petroglifo de O Castriño de Conxo en Santiago de Compostela, España, y se extiende a dos experimentos prácticos en otros petroglifos. Las mallas se comparan mediante el análisis de criterios visuales, geométricos y operacionales y su grado de adaptación a la aplicación del renderizado de grabados Radiance Scaling Shader. Los resultados muestran que SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 130 | Página con una metodología de fotogrametría SfM accesible a perfiles no expertos, es posible obtener mejores resultados en aspectos geométricos y visuales que los obtenidos con TLS, siendo estos válidos para un análisis detallado de arte rupestre y que por tanto, permite de un modo colaborativo una documentación masiva del fenómeno que no es posible exclusivamente por medios profesionales. COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 131 | Página Introducción y objetivos Los nuevos métodos de adquisición de datos geométricos están revolucionando las formas de documentar el patrimonio arqueológico (J.H. Chandler et al., 2005; Cirulis et al., 2015; Gonizzi Barsanti et al., 2013; Karsli et al., 2003; Simpson et al., 2004). Para representar con precisión la información de sitios complejos u objetos con irregularidades o curvaturas, es necesario construir nubes de puntos 3D de alta densidad. Actualmente, la fotogrametría Structure from Motion (SfM) (Remondino & El-Hakim, 2006), el láser escáner terrestre (TLS) (Altuntas et al., 2007) y la combinación de ambos (Al-kheder et al., 2009; Grussenmeyer et al., 2012; Guidi et al., 2004; Lambers et al., 2007; José Luis Lerma et al., 2010; Yastikli, 2007) se han establecido como las técnicas más utilizadas en la adquisición de nubes de puntos texturizados de alta precisión y resolución. Estas técnicas, que permiten la adquisición de modelos 3D de resultados métricos y fotorrealistas de alta calidad, representan una herramienta poderosa para la identificación, monitoreo, conservación y restauración de elementos del patrimonio (Campana & Remondino, 2008; Chiabrando et al., 2011; Martínez-Rodríguez et al., 2015). El conjunto arqueológico gallego de arte rupestre es la expresión artística más significativa de las comunidades que habitaron estas tierras en la edad de bronce. Catalogados dentro de la familia de arte rupestre “Atlántico”, estos petroglifos tienen una fuerte personalidad que los hace reconocibles entre muchos otros. Considerando el número y la calidad de los diseños, el arte rupestre gallego es una de las manifestaciones culturales más importantes de este tipo en Europa (Bradley, 2002; Bradley et al., 1994; Bradley & Fábregas-Valcarce, 1998; Santos-Estévez, 2015). La documentación del fenómeno de los petroglifos gallegos es desafiante por sus características geométricas con grabados poco profundos, que tienden a ubicarse en las caras semi horizontales de afloramientos rocosos de poca altura, lo que los hace difíciles de apreciar bajo luz natural. Tradicionalmente, se han utilizado técnicas como el Frotagge o el calco con plástico (LewisWilliams & Pager, 1990; Medici & Rossi, 2015; Moneva Montero, 1993). Estas técnicas son lentas y tediosas, tienen un alto grado de SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 132 | Página subjetividad y pueden dañar el soporte. Este complicado registro ha dado lugar a documentaciones e interpretaciones parciales del conjunto arqueológico, como se discute en (Rodríguez Rellán et al., 2018), donde se muestra que el territorio gallego tiene un número de petroglifos catalogados por encima de 3000 y que año tras año, este catálogo aumenta. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la única documentación existente es una descripción textual y su geolocalización aproximada, lo que conduce a una interpretación parcial del fenómeno. La documentación geométrica de todo el arte rupestre no es factible por razones técnicas y económicas, y al mismo tiempo, esta documentación es una tarea muy necesaria debido al alto riesgo de deterioro de este patrimonio que está totalmente expuesto a agentes externos. La colaboración social es la única forma de documentar geométricamente este fenómeno cultural de manera masiva. Por esta razón, es de vital importancia que los agentes sociales conozcan y administren herramientas y técnicas cuyo uso para esta tarea sea ágil, simple, económico y efectivo. La fotogrametría ha demostrado ser más adaptable a las particularidades de diferentes escenas, como se muestra en (PeñaVillasenín et al., 2017). Además, las principales ventajas de la fotogrametría se presentan en el tiempo y coste de ejecución; Por lo tanto, es la técnica más apropiada para esta documentación masiva. Sin embargo, estas variables empeoran si se utilizan en el proceso software profesional y puntos de control en tierra (GCP). Por otro lado, artículos como (Ortiz-Sanz et al., 2011) describen metodologías simples que también resultan ser precisas para el estudio del arte rupestre. Por lo tanto, la fotogrametría se puede ejecutar con diferentes metodologías de recopilación de datos, entre las cuales, independientemente de la calidad de los resultados, hay diferencias notables de rendimiento en tiempos y costes que cabe analizar. Con respecto a la TLS, la operatividad, por ejemplo, en condiciones de poca iluminación, es superior a la de la fotogrametría SfM. Sin embargo, a pesar de los beneficios del TLS en la documentación del patrimonio arqueológico, el tiempo requerido para el trabajo de campo, el coste del equipo, los problemas en el transporte y la complejidad de la administración de datos, a menudo conducen a COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 133 | Página graves problemas de practicidad en lugares arqueológicos (Campana & Remondino, 2008). Además, la combinación de escaneos introduce inconsistencias en la orientación de los mismos, y en la mayoría de los TLS no se especifica correctamente la precisión que obtienen (Boehler & Marbs, 2004). Estudios anteriores han comparado la fotogrametría SfM y el TLS, normalmente en condiciones óptimas para registrar el patrimonio cultural, con resultados similares para ambos (D.D. Lichti, S. J. Gordon, M. P. Stawart, J. Franke, 2002). Otras comparaciones como en (Baltsavias, 1999; Grussenmeyer et al., 2008) han demostrado que la elección óptima de la técnica depende del objeto a modelar y las condiciones del trabajo, que requieren una evaluación de la eficiencia de ambas opciones en cada caso particular: por ejemplo, en el modelado de petroglifos, donde existen factores determinantes en la aplicación de ambas técnicas, como la geometría de la roca, la vegetación del entorno y las limitaciones de acceso. Existen otras comparaciones entre TLS y fotogrametría, como en los estudios (Guarnieri et al., 2013; Lato et al., 2015; López-Menchero Bendicho et al., 2017; Skarlatos & Kiparissi, 2012; Wilkinson et al., 2016), pero la metodología de fotogrametría utilizada en ellos es demasiado compleja para perfiles no expertos porque requiere GCP (que implica el uso de dispositivos topográficos y software de escritorio) o el uso de otros dispositivos como pértigas, drones o cámaras de alto coste. Por este motivo, este caso de estudio compara los resultados de una documentación compleja utilizando TLS con la aplicación de una metodología simple de fotogrametría SfM. Además, se verifican otros flujos de trabajo fotogramétricos con software profesional y uso de GCP para evaluar la diferencia en el consumo de tiempo entre estas metodologías fotogramétricas. Se analizan diferentes variables como el coste, el trabajo de campo, el rendimiento del procesado, la calidad geométrica y visual y el potencial de detección de los grabados del TLS y la fotogrametría simple. Además, con el objetivo de extrapolar los resultados y evaluar la eficiencia real y la simplicidad de la técnica, se llevan a cabo dos experimentos prácticos en los que se utiliza esta metodología simple para otros ejemplos de arte rupestre. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 134 | Página Metodología Esta sección describe el objeto de estudio, la metodología utilizada en el procesado de fotogrametría TLS y SfM, el método de comparación y los dos experimentos en otros ejemplos de arte rupestre. Caso de estudio: O Castriño de Conxo El petroglifo de O Castriño de Conxo se encuentra en Santiago de Compostela, Galicia, en el noroeste de España. Es uno de los “paneles de armas” más importantes (La Peña-Santos, 1969) dentro del grupo de arte rupestre “Atlántico”. Además de las particularidades generales de este tipo de patrimonio, varias condiciones complican la documentación completa de este elemento, como por ejemplo, la suavidad de los grabados en forma de “U” que tienen de 2 a 3 cm de ancho por 0.5 a 1 cm de profundidad, las grandes dimensiones y la pendiente de la roca (aproximadamente 8.20 × 2.80 m), la existencia de valla metálica en el extremo sur del afloramiento y la existencia de una importante vegetación en el entorno que limita considerablemente el espacio de trabajo, una situación que se produce en la mayoría de los petroglifos gallegos, lo que dificulta la aplicación de ambas técnicas y justifica la elección de este petroglifo como representativo. La ubicación de este elemento se muestra en la Figura 1 (Punto 1). COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 135 | Página Localización de los ejemplos de arte rupestre. (1) O Castriño de Conxo, en Santiago de Compostela. (2) Monçao, en Portugal donde, (A1-6) Terreiros, (B12) Nossa Senhora da Assunçao, (C1-3) Badim, (D1-4) Segade y (E1) Sá. (3) Monte Castelo, en Ames. (4) Pedra da Grada, en Moraña. (5) O Pumariño, en Brión. (6) Cortellos, en Santiago de Compostela. (7) Pedrouzos, en Vimianzo. (8) Chan das Lamas, en A Estrada. Láser escáner terrestre Desde el desarrollo del primer TLS en 1999, esta tecnología ha sido testigo de una fase de desarrollo, crecimiento y expansión continua en múltiples campos. En este método de modelado masivo (Beraldin et al., 2000; Blais, 2004), se utilizan sensores activos que capturan directamente la información geométrica 3D del objeto mediante el uso de láser o luz estructurada, como se muestra en (McPherron et al., 2009). Estos dispositivos recuperan información en 3D aplicando diferentes principios de medición como la triangulación, el tiempo de vuelo o la amplitud modular. Son sistemas robustos y costosos que presentan problemas de manejo complejos, presentando, en ocasiones, SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 136 | Página problemas graves de operatividad para la documentación de arte rupestre, o son demasiado costosos para la documentación de todos los elementos catalogados en tareas de prospección (El-Hakim et al., 2005). Toma de datos El afloramiento rocoso donde se ubica el petroglifo fue escaneado utilizando un escáner Focus3D X 130 de la empresa FARO (Florida, EE. UU.). Este TLS es un escáner de 360° con una precisión de 2 mm y un rango de 0,6 a 130 m. La toma de datos se realizó a aproximadamente 1,5 a 2 m de la roca en cinco posiciones. Estas posiciones se eligieron adaptándose a las limitaciones y condiciones geométricas para minimizar las partes ocultas. Se utilizaron cuatro esferas de referencia para la alineación relativa de los escaneos. Las posiciones de los puntos de escaneo y esferas se muestran en la Figura 2-A. Procesado El procesado y alineación de cada escaneo se realizó con el software FARO SCENE, que procesa los datos obtenidos directamente del TLS. El software detecta automáticamente las esferas de referencia y alinea y unifica el conjunto de datos. Una vez que se obtiene la nube de puntos definitiva, se refina y se exporta en el formato PTX. Posteriormente, el software Geomagic Studio importa el archivo de nube de puntos para generar la malla triangular. Los pequeños orificios de la malla en áreas donde las protuberancias de la roca no permiten un escaneo correcto se rellenan para obtener una rejilla homogénea. Además, para trabajar de manera eficiente, el modelo se simplifica a 8 millones de triángulos. Fotogrametría SfM La fotogrametría es una técnica con una larga trayectoria que, paralelamente a la expansión del escáner láser, sufrió una importante evolución que propició una creciente popularidad en sectores como el COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 137 | Página de la arqueología (De Reu et al., 2014) y particularmente para la documentación de arte rupestre (Bea & Angás, 2017; Jim H. Chandler et al., 2007; Ortiz-Sanz et al., 2010). El desarrollo de algoritmos de extracción de datos 3D basados en imágenes (Jim Chandler, 1999; Lane et al., 2000), y los métodos de calibración para cámaras no métricas. (Jh Chandler et al., 2005; S. Martínez, 2012) han contribuido a la expansión de SfM. Esta tecnología utiliza un proceso automatizado para obtener nubes de puntos, mallas triangulares y modelos 3D con textura, a partir de fotografías (Remondino & El-Hakim, 2006; Westoby et al., 2012). El desarrollo de ciertos algoritmos, como los algoritmos de transformación de característica invariante de escala (SIFT) (Chandran et al., 1997; Keypoints & Lowe, 2004), el ajuste Bundler (Clarke & Fryer, 1998; Fraser, 2013; Snavely et al., 2008; Triggs et al., 2000) y los algoritmos Clustering Views for Multi-view Stereo (CMVS) y Patch-based Multi-view Stereo (PMVS) (Furukawa et al., 2010; Furukawa & Ponce, 2010) son factores notables en la evolución de esta técnica. Software de escritorio como Eos Photomodeler (Barazzetti et al., 2011), Agisoft PhotoScan (De Reu et al., 2013b) o Pix4D Mapper (Strecha et al., 2012) son las herramientas de software fotogramétricas más utilizadas por los profesionales. Software de código abierto, como VisualSfM (Remondino et al., 2012) también está disponible. Sin embargo, durante la última década, el uso de los recursos de computación “en la nube” ha aumentado y muchos servicios de procesado de imágenes se realizan en un servidor externo. Ejemplos de tales servicios son ARC3D (Tingdahl & Van Gool, 2011), 123DCatch (Jim; Chandler & Fryer, 2013; Santagati & Inzerillo, 2013), el cual ha dejado de estar disponible, y Autodesk Memento (Johnson & Solis, 2016) (que es la versión beta de Autodesk Remake (Nikolov & Madsen, 2016), actualmente denominado Autodesk Recap Photo (2017). Incluso los teléfonos inteligentes modernos se pueden utilizar para tomar fotos y generar y visualizar modelos 3D en un solo dispositivo con aplicaciones como SCANN3D o TRNIO. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 144 | Página Tabla 1. Comparación de costes, tiempos y resultados del procesado TLS Software SfM Profesional Software SfM CC Indicador Faro Focus3D X 130 Pix4D PhotoScan Remake Coste de software y hardware ($) 20000 6800 3800 300 anual Tiempo de trabajo en campo 120 40 40 40 Tiempo de referenciado (minutos) 50 80 80 10 Tiempo de procesado (horas) 4 6 6 5 Nº de puntos (millones) 9,5 10 3,5 3,5 Nº de triángulos (millones) 8 10 9,5 7,5 Precisión geométrica Una diferencia significativa en el flujo de trabajo del software fotogramétrico es que tanto PIX4D como PhotoScan permiten la introducción de GCP en las fotos que intervienen en el ajuste fotogramétrico. Sin embargo, Remake solo nos permite introducir puntos en el modelo que reajustan su posición en el espacio pero no influyen en la calibración de la cámara. Por lo tanto, dado que los GCP en Remake no se utilizan en el ajuste, sus resultados de precisión son menos seguros. Se espera que la marcación de los puntos en todas las fotos en el software de escritorio sea más precisa, ya que esto influye en el ajuste, pero el procedimiento es más tedioso que utilizar los marcados en la malla, como se requiere en Remake. En el caso de la búsqueda de un método ágil para los profesionales de la arqueología, el uso de Remake como software de procesado, el escalado en base a COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 145 | Página una medida de referencia y la orientación en base a una plomada y una brújula, puede ser el procedimiento más oportuno. En esta etapa, el modelo obtenido con el software Remake se aísla para su comparación con el modelo del TLS. El modelo obtenido con este software fue elegido por sus costes más bajos, su simplicidad de uso y su naturaleza de computación “en la nube” que permite el uso de un PC de bajo rendimiento, lo que lo convierte en un software particularmente interesante para profesionales y aficionados de la arqueología. Además, si la precisión de la malla de Remake es suficiente para la documentación de arte rupestre, sus resultados pueden extrapolarse al software de escritorio, que se espera que sea más preciso. El análisis muestra que en torno al 90% de la superficie del afloramiento, las diferencias entre las mallas no superan los 2 mm. La Tabla 2 muestra los resultados estadísticos de la alineación del TLS y la malla de fotogrametría. El RMS muestra que a pesar de un error máximo alto de 11 cm en las zonas marginales, los resultados de ambas mallas son similares. El error máximo y la media se calculan de forma independiente en función de los valores positivos y negativos.3 Tabla 2. Resultados estadísticos de la alineación de mallas Error máximo +0,117 / -0,094 Media +0,001 / -0,002m RMS 0,002 m. Desv. estándar 0,001 m. Incluso cuando se escanea desde cinco posiciones, la malla final generada a partir del TLS tiene huecos debido a la forma de la piedra que causa áreas ocultas (Figura 3-A). Para detectar grabados en zonas verticales, el TLS captura las mediciones perpendiculares a la superficie y obtiene excelentes resultados. Sin embargo, este gran SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 146 | Página rendimiento no es habitual con muestras de arte rupestre gallego que normalmente se encuentran en afloramientos horizontales de baja altura. En dicha situación, la recopilación de datos es complicada para el TLS, ya que es necesario realizar tomas oblicuas a la superficie de la roca. Calidad visual Como se muestra en la Figura 3, la textura y el color del modelo de fotogrametría SfM (Figura 3-B) tienen mejor contraste que el obtenido por TLS (Figura 3-A). Este resultado era el esperado ya que las fotografías del proceso fotogramétrico se toman con una orientación más perpendicular y más cercana al afloramiento que las tomadas por el TLS, que está más limitado en su posicionamiento ya que utiliza exclusivamente las fotografías de 360 ° con resolución de 100 MPx en total, que captura desde los 5 puntos de escaneo exclusivamente. Este aspecto es importante ya que una textura satisfactoria de la piedra puede ser útil para estudios de conservación. COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 147 | Página Figura 4. Cuatro ejemplos de documentación de los grabados del Castriño de Conxo. (A) Fotografía digital realizada por miembros del Colectivo A Rula. (B) Frotagge realizado por A. de la Peña-Santos (1979). (C) Modelo TLS. (D) Modelo de fotogrametría SfM. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 148 | Página Potencial en la detección de grabados No se observan diferencias significativas entre los resultados obtenidos con la malla 3D de Remake (Figura 4-D) y la malla TLS (Figura 4-C), pero la fotogrametría ofrece resultados con menos ruido después de la aplicación de los renderizados Radiance Scaling. Esto se atribuye a los posibles errores en la combinación de escaneos. La Figura 4-A es una fotografía digital obtenida con luz artificial, que también proporciona resultados satisfactorios. La Figura 4-B muestra una documentación utilizando la técnica tradicional de Frotagge la cual no detecta tantos grabados como el modelo fotogramétrico. Resultados de los experimentos En el primer experimento, en un solo día de campo, fue posible documentar un total de 20 petroglifos de distinta tipología. Los resultados de la documentación de 4 de los 20 elementos junto con la disposición fotográfica utilizada en ellos se muestran en la Figura 5. La metodología ha sido realmente eficiente debido a las indicaciones de los colaboradores locales para la ubicación de los petroglifos y la agilidad de la técnica empleada, la cual permite ejecutar una documentación masiva en un área con afluencia de arte rupestre. En el segundo experimento, voluntarios no expertos en fotogrametría realizaron la documentación geométrica de petroglifos no documentados hasta la fecha o cuya documentación estaba incompleta. El experimento muestra que la metodología simple es accesible para los no expertos en esta técnica. COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 149 | Página Figura 5. Experimento 1, disposición fotográfica y resultados finales. SIMÓN PEÑA VILLASENÍN 150 | Página Conclusiones La principal conclusión de este estudio es que con una técnica de fotogrametría simple que es accesible para perfiles no técnicos y que tiene un gran rendimiento en términos de tiempo de ejecución y coste, se obtuvieron resultados que mejoraron los obtenidos con TLS para la documentación de un petroglifo con geometría compleja. La comparación muestra que la fotogrametría es una alternativa más avanzada, ya que permite obtener resultados precisos con modelos sin agujeros, con mejores texturas y con mejor detección de grabados en relación con los obtenidos con el TLS. El tiempo de trabajo con fotogrametría SfM es mucho menor que con el TLS, y varios equipos pueden trabajar simultáneamente a bajos costes. La comparación de precisión geométrica muestra que las diferencias entre ambas mallas en el área de estudio son menores de 2 mm. Por lo tanto, la fotogrametría SfM simple puede considerarse geométricamente cercana al TLS. Los experimentos realizados en este estudio muestran el rendimiento y la accesibilidad de la técnica. Es posible que a través de metodologías simples de fotogrametría SfM, se pueda lograr la documentación de un gran número de elementos en un solo día de trabajo de campo, como se muestra en el primer experimento. Además, esta técnica es accesible para todos con un mínimo de instrucción, como se muestra en el segundo experimento. Solo se necesita una cámara convencional para realizar una documentación con la calidad suficiente para un análisis geométrico del arte rupestre, y debido a la colaboración social altruista, es posible que se puedan llevar a cabo futuras campañas de documentación masiva de varias rocas que de otra forma no serían documentable por razones técnicas y económicas y que requeriría pericia profesional. Además, en este estudio, se realizó un análisis de los grabados con los renderizados Radiance Scaling tanto en el modelo obtenido con TLS como con fotogrametría. Los resultados muestran que esta técnica representa una alternativa potencialmente superior a la de las metodologías tradicionales en ambos casos. La fotogrametría muestra resultados ligeramente mejores que el TLS después de la aplicación de COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 151 | Página este tratamiento. Otros realces, como el DStretch utilizado en (Le Quellec et al., 2015), que se utiliza más a menudo en pinturas rupestre, puede ser efectivo para grabados, sería conveniente realizar un análisis en profundidad del funcionamiento de estos métodos de postprocesado y evaluar su potencial en el contexto de otros ejemplos de arte rupestre. COMPARACIÓN DE TLS Y FOTOGRAMETRÍA SFM PARA EL MODELADO 3D DE ARTE RUPESTRE Y LA APLICACIÓN DEL REALCE RADIANCE SCALING SHADER PARA LA DETECCIÓN DE GRABADOS 153 | Página MATERIAL SUPLEMENTARIO Suplemento 1. Perfiles del afloramiento.