Documentación 3D mediante fotogrametría en arqueología (I): bienes muebles

En esta entrada vamos a ver cómo llevar a cabo la documentación 3D de objetos arqueológicos utilizando fotogrametría. También haremos un breve repaso al material fotográfico necesario para ello. Aunque el flujo de trabajo está diseñado específicamente para bienes muebles de carácter arqueológico, puedes aplicar estas técnicas en cualquier objeto de tamaño reducido.

Si aun no sabes en qué consiste la fotogrametría 3D y cuáles son sus aplicaciones dentro del campo de la arqueología y el patrimonio cultural, te invito a que eches un vistazo a la entrada donde hablamos de ello en profundidad: La fotogrametría como una solución versátil y económica en la documentación 3D del patrimonio.

Antes de empezar

En primer lugar, debemos tener en cuenta la naturaleza del objeto a escanear en 3D. Pese a ser bienes muebles (objetos que, a priori, pueden ser transportados sin problema de un lugar a otro), estamos ante artefactos arqueológicos que en la mayoría de los casos son frágiles y deben ser manipulados por manos expertas. Normalmente no pueden salir del museo o depósito donde están alojados e, idealmente, es el restaurador o restauradora responsable quién se hace cargo de su transporte y colocación si fuera necesario.

La fotogrametría es una técnica que requiere de un entorno lumínico controlado. Para ello, es recomendable elegir una habitación oscura -o al menos con una fuente de luz constante- en la que instalar nuestro estudio fotográfico.

¿Qué material fotográfico necesitas?

Naturalmente, la herramienta principal para documentar en 3D un bien mueble mediante fotogrametría es la cámara de fotos. Por supuesto, cuánto más sofisticada sea nuestra cámara y su lente, mejores resultados obtendremos. Nosotros trabajamos con cámaras DSLR o réflex, cuyas lentes son intercambiables y nos permiten adaptarnos a las necesidades de cada objeto. Sin embargo, es posible obtener resultados aceptables con cualquier cámara de fotos, incluida la de tu smartphone.

Cámara DSLR, lente adicional, carta de calibración y escalas.

Para manipular la cámara lo menos posible (y evitar indeseadas vibraciones de la lente), te aconsejo utilizar un trípode con rótula giratoria y un disparador inalámbrico.

El siguiente elemento indispensable es la fuente de luz. El objetivo es generar un entorno lumínico controlable y homogéneo, con luces difusas que no generen sombras duras. En el caso de objetos arqueológicos de pequeño o mediano tamaño, lo más sencillo es utilizar una caja de luz. Existen muchísimas opciones, desde sencillas cajas de tela que podrás iluminar con varios flexos hasta auténticos estudios fotográficos portátiles. Lo importante es que la luz sea constante y neutra. El resto dependerá del presupuesto disponible.

Dado que tanto las luces como la cámara permanecerán de forma estática en la misma posición durante la mayor parte del tiempo, debemos hallar la forma de conseguir que el objeto sea el que se mueva. La solución más sencilla es utilizar una plataforma rotatoria, manual o automática, que nos permita controlar de forma precisa la rotación de nuestro objeto sin tener que tocarlo directamente.

Es también recomendable utilizar una carta de calibración fotográfica o color checker que nos permita documentar correctamente el entorno lumínico y obtener así colores reales. También son muy útiles las herramientas de medición como escalas o flexómetro para poder registrar las medidas de la pieza de forma precisa.

Estudio fotográfico para fotogrametría
Estudio fotográfico completo para fotogrametría.

Software y hardware

Por supuesto, además de todo lo anterior, necesitarás contar con un ordenador relativamente potente capaz de procesar los datos generados mediante un programa de fotogrametría. A día de hoy en relativamente económico hacerse con un equipo con la suficiente capacidad de procesamiento para esta tarea. De hecho, cualquier PC o portátil con una tarjeta gráfica dedicada será más que suficiente. Encontrarás portátiles gaming desde los 700€ que podrás utilizar para estas tareas.

Con respecto al software específico de fotogrametría, existen diferentes opciones en el mercado. Algunos de estos programas son gratuitos y te permitirán generar modelos 3D bastante aceptables, sobre todo si estás comenzando en este campo. Tal es el caso de programas como Meshroom y 3DF Zephyr. Otros, pese a ser de pago, son el estándar de la industria: Agisoft Methasape y Reality Capture.

También es recomendable contar con alguna herramienta de edición de imagen como Adobe Photoshop o Lightroom. Una alternativa gratuita muy interesante es RawTherapee.

Proceso de trabajo

Una vez tengamos todo el material preparado, podemos ponernos manos a la obra. Vamos a utilizar el ejemplo práctico de la colección arqueológica del Museo y Parque Arqueológico Cueva Pintada, donde llevamos a cabo la documentación 3D mediante fotogrametría de una selección de los objetos arqueológicos más relevantes de su museo.

1. Toma de fotografías

Mediante la instalación de un estudio fotográfico dentro del propio almacén del museo, llevamos a cabo la toma de fotografías en un entorno controlado y seguro, sin necesidad de transportarlas. Esto es algo fundamental dentro de la documentación 3D de objetos arqueológicos. Mediante el uso de una plataforma rotatoria, pudimos documentar todos los ángulos de las piezas y obtener el suficiente solapamiento entre foto y foto. Dado que muchas de las piezas documentadas son de tamaño reducido (como es el caso de los ídolos y las pintaderas), recurrimos al uso de lentes macro para garantizar un nivel de detalle milimétrico.

Time-lapse del proceso de toma de fotografías para la documentación 3D de un recipiente cerámico prehispánico.

2. Procesado de datos

Una vez tomadas las fotografías necesarias para la pieza en cuestión, podremos volcarlas en el software de edición de imagen para hacer los ajustes de necesarios. Hecho esto, pasamos al programa fotogrametría escogido para su procesamiento. Normalmente necesitarás varios cientos de fotografías para cada objeto, por lo que es conveniente organizar los archivos de forma ordenada y ágil.

Fotogrametría3D_realitycapture
Modelo high-poly sin texturizar generado en Reality Capture y la posición de cada una de las fotografías usadas.

Los algoritmos de estos programas llevarán a cabo los cálculos necesarios para interpolar cada una de las fotografías tomadas con el resto. De esta manera, obtendremos en primer lugar una nube de puntos dispersa que debería mostrar ya la superficie del objeto en cuestión. Después, podremos generar una nube de puntos dispersa y una malla 3D, cuyo resultado será el de un modelo de alta resolución compuesto por varios millones de polígonos que se denomina high-poly.

3. Texturizado fotorrealista

Una vez generado nuestro modelo high-poly, podemos pasar a crear un set de texturas fotorrealistas del mismo. Puesto que hemos utilizado un entorno lumínico sin brillos ni sobras duras (y hemos utilizado la carta de calibración), podremos obtener texturas que sean fieles al modelo real. Esta parte del proceso suele ser bastante sencilla y automatizada en todos los programas de fotogrametría 3D, aunque lo ideal sería generar unas texturas de gran resolución que podrás reducir más adelante si fuera necesario.

Superficie 3D en detalle + modelo texturizado de alta resolución.

4. Optimización de los modelos 3D

Una vez obtenido el modelo de alta resolución texturizado, podemos aplicar un proceso de optimización con el objetivo de generar archivos que, por un lado, puedan ser utilizados de forma ágil por cualquier equipo informático y, por otro, que mantengan toda la información registrada de la pieza. En primer lugar deberemos reducir el número de polígonos del modelo original para crear un modelo de baja resolución o low-poly.

Mediante un proceso conocido como “bakeado” (del inglés baking), proyectamos toda la información del modelo de alta resolución sobre el modelo optimizado (o low-poly) aplicando distintos canales de texturizado. De esta manera, podremos generar un set de texturas que permitan visualizar la pieza tal y como sería en la realidad, teniendo en cuenta aspectos como su rugosidad, brillo y, en definitiva, cómo se comporta su superficie cuando es expuesta a la luz. Esto se conoce como texturizado PBR (Physically Based Rendering).

Modelo 3D optimizado de un burgao. La imagen de la izquierda muestra los distintos canales de información; a la derecha, el resultado final.

¿Qué hacemos con los resultados?

En el caso específico de Cueva Pintada, el objetivo principal era el de crear un fondo digital de estas piezas documentadas en 3D para asegurar así su registro en el futuro. Además estos resultados podrán ser utilizados por futuros investigadores e investigadoras.

Hemos creado también un Museo Virtual de Cueva Pintada en la plataforma Sketchfab, donde todos estos modelos 3D pueden ser visualizados online y de forma totalmente gratuita. De esta manera, aseguramos la correcta difusión de los resultados y la democratización de los mismos.

Además de esto, los modelos 3D nos permiten generar material adicional como animaciones, infografías 2D y todo tipo de recursos audiovisuales que complementen cualquier proyecto de investigación.

Animación 3D de una pintadera decorada con pequeñas celdillas.

Esperamos que esta entrada te haya resultado útil para saber un poco más sobre la fotogrametría aplicada a la documentación 3D de objetos arqueológicos. Como siempre, si tienes cualquier duda o comentario puedes ponerte en contacto con nosotros a través de nuestra dirección de mail o en nuestras redes sociales.

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