Digitalización en 3D para conservación del patrimonio cultural

Breve guía

Facebook Twitter

En los últimos años, la digitalización en 3D ha llegado a formar parte de un procedimiento consistente y sin contacto directo con la obras que se registran, para la documentación y conservación a largo plazo de patrimonio cultural. La digitalización 3D en alta resolución de yacimientos, monumentos y objetos, nos permite monitorizar, estudiar, divulgar y comprender la historia compartida de nuestras culturas. La información digital que se está creando de ese modo debe ser guardada de manera segura. Un componente integral del proceso es la digitalización de superficies con la resolución más alta que permite la tecnología actual y su archivado en formato raw, lo que asegura su re-procesamiento en un futuro con software más avanzado. En algunos casos, la información tendrá que ser re-materializada en un objeto físico – he aquí donde surgen los malos entendidos.

Hace no muchos años, lo digital se asociaba con lo virtual, sin embargo, ahora tenemos la capacidad de materializar la información digital en objetos tridimensionales, lo cual exige la exploración de los tipos de información contenidos en ella. La destrucción del patrimonio cultural por causa del turismo masivo, de las guerras, de actos iconoclastas, de los estragos del tiempo, de los imperativos comerciales, de la restauración poco cuidadosa o de los desastres naturales, ha llevado a que se reevalúe la importancia que tienen los facsímiles de gran exactitud. Esta propuesta está ayudando al público a entender la complejidad que conlleva la conservación y está dando lugar a la renegociación de la relación entre lo original y lo auténtico. Los facsímiles exactos se pueden realizar gracias a los avances en las técnicas de digitalización 3D, en la fotografía compuesta, y en una diversidad de técnicas de imagen multiespectral, así como en el procesamiento y las tecnologías de producción del objeto final.

Existen una variedad de métodos para escanear en 3D, cada uno con sus ventajas y limitaciones. El reto está en la identificación del método que se debería utilizar en cada situación. No hay ningún sistema que pueda con todo, y existe una multitud de sistemas capaces de capturar información en 3D. El tiempo de vuelo, la triangulación, la fotogrametría y una variedad de técnicas están redefiniendo la relación entre imagen y forma. La digitalización en 3D puede llevarse a cabo a gran escala—por ejemplo para tomar la topografía de un paisaje—o puede utilizarse a corta distancia y ser lo suficientemente precisa como para documentar la superficie de una talla o marcas poco visibles para el ojo humano que con esta tecnología, pueden visualizarse con mucha mayor claridad, facilitando así por ejemplo, estudios epigráficos, o la monitorización del estado de conservación de un objeto.

Aunque hay sistemas capaces de obtener, además de la información 3D, datos referentes al color, en la actualidad no existen escáneres 3D que puedan registrar el color con la calidad requerida para producir una réplica exacta. La digitalización de la tridimensionalidad de un objeto se basa en la metrología—la ciencia de hacer mediciones. En este articulo se describen en detalle los sistemas y escáneres más utilizados por Factum Arte, sus ventajas y limitaciones.

Clases de escaneado en 3D

Escáneres 3D de largo-medio alance (LiDAR)

Los escáneres 3D de largo-medio alcance se utilizan para registrar la forma general de objetos o superficies de gran tamaño y extensión para obtener información metrológica precisa.

Lo utilizamos para: topografía y edificios. Hemos utilizado el FARO Focus3D X 330 en colaboración en ScanLAB Projects, London, para copiar la fachada de San Petronio en Boloña, La Última Cena de Leonardo da Vinci y el refectorio de Santa Maria Delle Grazie de Milán. Hubiera sido el sistema más adecuado para dejar un registro de las murallas de la Ciudadela de Alepo, en Siria, antes de que fuesen dañadas por el ataque de la artillería siria.

No lo utilizamos para registrar los detalles más sutiles de una superficie, que es realmente necesario para la creación de un facsímil exacto o para el estudio epigráfico.

Visualización de la Piazza Maggiore de Boloña y de la fachada de la Basílica registrada con el FARO Focus3D X 330
©The Basilica of San Petronio

Los escáneres de largo-medio alcance utilizan sistemas de tiempo de vuelo o de pulso láser, en los cuales la luz emitida por el laser rebota desde el objetivo situado a gran distancia. Un telémetro láser calcula la distancia entre el escáner y la superficie, utilizando la velocidad de la luz y el tiempo de vuelo del láser. En la documentación de patrimonio cultural, los escáneres de largo-medio alcance se utilizan conjuntamente con escáneres 3D de corto alcance, para generar modelos que son precisos a gran escala, además de tener una alta resolución de los detalles de la superficie registrada.

Escáneres 3D de corto alcance

Los escáneres 3D de corto alcance (mas de 8cm y menos de 1m de distancia operativa) se utilizan para registrar en detalle la forma y superficie de un objeto. Una corta distancia operativa se asocia generalmente con una resolución más alta.

Lo utilizamos para escanear la superficie de cuadros como las pinturas negras de Goya o para registrar la compleja superficie de la tumba de Tutankamón y los jeroglíficos de su sarcófago, el deterioro de las esculturas de la fachada de San Petronio o el claustro románico de Tudela. La información se puede utilizar para investigación usando varios software en un ordenador, o se puede re-materializar con el propósito por ejemplo, de producir objetos táctiles para personas con problemas de vista o para la creación de facsímiles exactos.

No lo utilizamos en cualquier caso para registrar grandes estructuras con el propósito de estudiarlas mediante la pantalla de un ordenador. 

Materialización de la digitalización en 3D del MappaMundi de Hereford, registrado con el escáner 3D Lucida

Renderización digital de un relieve perteneciente a la Basílica de San Petronio, registrado con el escáner de luz estructurada NUB3D SIDIO

La digitalización de corto alcance es más lenta que la de largo-medio alcance o que la fotogrametría. Los escáneres de corto alcance utilizan láseres o sistemas de luz estructurada. Los escáneres 3D que basan su sistema en la triangulación, utilizan una luz láser y una o dos cámaras para registrar un objeto determinado. Mediante la trigonometría, se puede calcular la distancia exacta entre el objeto y el escáner para crear un mapa preciso de la superficie. Los escáneres de luz estructurada también utilizan la triangulación, pero en ese caso las cámaras registran los patrones de luz proyectados en una superficie y de ahí se puede calcular la distancia de cualquier punto en el campo de visión. El escaneado de corto alcance en sus múltiples variaciones, es imprescindible para documentación de patrimonio ‘en riesgo’. Para documentar el pasado de manera significativa, es esencial obtener información no solo de la forma general de un objeto, sino también de los detalles más sutiles de su superficie. Por esta razón Factum Arte utiliza una variedad de sistemas para escanear en 3D a corta distancia.

Fotogrametría

La fotogrametría es la ciencia de hacer mediciones a partir de fotografías.

La utilizamos para documentar de manera rápida patrimonio histórico que es vulnerable o que se encuentra en lugares poco accesibles. La fotogrametría es un método imprescindible para la obtención de información 3D cuando no se pueden utilizar escáneres 3D por razones de inaccesibilidad, o cuando es necesario registrar asuntos – personas, animales o agua – en constante movimiento. Es el mejor método para escanear superficies translúcidas como las de alabastro o de mármol. Dada la naturaleza compuesta del sistema de captura de imágenes, se pueden extraer el color y la forma de un objeto. Factum Arte ha empleado la fotogrametría en la documentación de las Estelas de Nahr el Kalb en el Líbano, y actualmente está perfeccionando el procedimiento de grabación, además del software, para registrar el sarcófago de Seti I en el Sir John Soane’s Museum en Londres. Recientemente hemos construido un sistema de nueve cámaras, capaz de registrar objetos de hasta 50 cm x 50 cm x 50 cm en aproximadamente cuatro segundos.

No lo utilizamos para la captura en alta resolución de una superficie destinada a la realización de un facsímil, ni tampoco para el registro de superficies oscuras, reflectantes o que no tengan rasgos distintivos. Es posible que en un futuro y con avances significativos en el software utilizado, la fotogrametría se convierta en el método más usado para documentar, en 3D y color, patrimonio ‘en riesgo’.

Renderizacíon en tres dimensiones de las Estelas a Esarhaddon 688 - 699 BC en Nahr El Kalb, el Líbano; registrada y procesada utilizando la fotogrametría

Detalle de las Estelas fresadas en Factum Arte utilizando poliuretano de alta densidad

La fotogrametría se ha utilizado desde el origen de la fotografía moderna en sectores como la creación de mapas topográficos, la arquitectura o la arqueología. El trabajo y la investigación que lleva a cabo Factum Arte se concentra en la fotogrametría a corta distancia para registrar la forma y textura de superficies u objetos. Los avances que actualmente se están viendo en el campo de la fotogrametría, se basan en el desarrollo de tecnologías de visión artificial y software de tipo SfM (Structure from motion). La información se puede registrar con cámaras que están disponibles en el mercado comercial, y que se utilizan para capturar múltiples imágenes de una superficie. La fotogrametría a corta distancia puede dar como resultado información de muy alta resolución. Se requiere un nivel de procesamiento durante la obtención de las imágenes, para tener la seguridad de que toda el área ha sido registrada. El procesamiento posterior puede llevar mucho tiempo pero sin embargo, se puede llevar a cabo en cualquier momento. Factum Arte tiene en la actualidad la idea de documentar el mayor número de objetos y yacimientos históricos a la mayor resolución posible.

Una nota acerca de la resolución

Existe un malentendido entre precisión y resolución. Nosotros utilizamos el término ‘resolución’ para referirnos al detalle que contiene un archivo 3D. Evaluamos la resolución no sólo con la teoría o con descripciones matemáticas del sensor de un escáner sino también con la equivalencia entre la información escaneada y la superficie original. Los escáneres de corto alcance logran una mayor definición de la superficie de un objeto que los de largo alcance. Las principales variables que afectan a la resolución son los objetivos, los sensores, la superficie que se ha de escanear y los algoritmos del software que se utiliza para procesar la información. Se puede llegar a un punto en el cual la información ha de pasar lo que llamamos el ‘test de mimesis’ – si la imagen tridimensional se parece a la de un ‘caramelo derretido’, el escáner ha fracasado – sin embargo, si se compara la imagen obtenida con el original y no hay diferencias claras, la captura ha sido un éxito.

Detalle de un fresado de la fachada de la Basílica de San Petronio en Boloña, el cual ilustra la diferencia en resolución y precisión entre el escaneado de corto alcance y el de largo-medio alcance – en este caso se utilizaron el NUB3D SIDIO (izquierda – captura a corto alcance) y el Faro Focus3D X330 (derecha – captura a distancia).

Los escáneres que se utilizan en Factum Arte

FARO Focus3D X 330

El FARO Focus3D X 330 es un escáner de laser de tipo LiDAR que registra un entorno de 360º. En Factum Arte utilizamos el FARO, en colaboración con ScanLAB Project, como sistema complementario. Con este escáner se puede realizar un lienzo digital sobre el cual se puede colocar información 3D de la más alta resolución.

El sistema de escaneado FARO Focus3D X330: durante la documentación de la Basílica de San Petronio, Boloña, se utilizó a una resolución media de 0.6 mm y se escanearon 360º desde catorce posiciones diferentes.

William Trossell, de ScanLabProjects, utiliza un escáner de tipo LiDAR para la captura de La Última Cena de Leonardo da Vinci – oleo, témpera, fresco (Santa María delleGrazie, Milan).

 

Technique: Time-of-flight / laser pulse-based 3D scanner
Recording distance: Long-medium range (0.6 m-330 m)
Resolution: Dependent on the level of detail required and proximity to object; 1 million to 750 million points per scan
Correspondence to surface of the target: Relatively low
Recording time: Dependent on resolution and quality settings; 30 seconds – 2 hours per scan
Processing time: Depends on the data and desired output but on average very long
File formats: Native scan format is .FLS; exports in point cloud format
Equipment: Terrestrial LiDAR scanner, survey tripod and tribarch, camera and panomaker, reference geometry/targets
Environmental Conditions: Overcast, even lighting, avoid direct sunlight and rain
Operation: 1 person. Skill level: Moderate; survey and geomatic based background required
Processing: Extensive and requires both skill and artistry. Skill level: Expert; geomatic and digital visualisation experience necessary
Applications: Documentations of indoor and outdoor environments i.e. monuments, buildings, archeological sites, cathedrals (exterior and interior) etc.
Advantages
• Small, lightweight instrument
• Long range, non-invasive capture of large features and forms
• A 70 megapixel camera records colour and overlays photographs for a more detailed looking scan
• Simple, intuitive scanner interface
• No computer required for capture
• Built in replaceable battery
Limitations
• Does not capture high resolution data of the texture and surface of an object (limiting its use for the production of facsimiles or in-depth study)
• Divergence of resolution at range
• Processing requires an expert skill level
• Glossy, reflective and translucent surfaces are difficult to scan

What can you do with the data?: 3D walkthroughs of environments or buildings, screen based imaging, 3D printing, survey archeological sites, etc.

 

 

 


Escáner 3D Lucida

Lucida es un escáner de láser 3D, diseñado por el artista Manuel Franquelo y realizado por Factum Arte. Logra una documentación de la superficie de obras de arte y objetos de bajo relieve a muy alta resolución. Este sistema ha sido diseñado para obtener información en tres dimensiones de la superficie o textura de un objeto, aunque no registra el color.

The Lucida 3D Scanner

Lucida 3D scanner recording Bellini's Assassination of Saint Peter Martyr (99.7 x 165.1 cm) in The National Gallery, London

 

Technique: Triangulation based 3D laser scanner
Recording distance: Close range (8-10 cm)
Resolution: 100 microns (10,000 points per cm²)
Correspondence to surface of the target: Very high
Recording Time: 4 hours per m²
Processing time: 4-6 hours per m² (dependent on computer processing power and experience of the operator)
File formats: AVI (raw video), RIS, 32 bit TIFF, 8 bit TIFF (shaded render)
Equipment: Lightweight CNC frame and controller, scanning head (pocket sized), laptop
Environmental conditions: No vibrations, low ambient light levels
Operation: 1 person. Skill level: Basic
Processing: 1 person. Skill level: Basic
Maximum recording size: Dependent on the structural frame
Applications: Walls, frescoes, rock art, paintings (canvas, board etc.), maps, fabrics (tapestries), manuscripts, coins, wax seals etc.
Advantages
• Can record a variety of surfaces that are normally problematic for other 3D scanners (i.e shiny,highly contrasted, gold or metallic surfaces)
• Saves data as unprocessed raw video
• Automatically outputs 3D data rendered as 2D shaded images
• Data can be combined with other sets of data (e.g. UV, infrared, colour etc.)
• Portable, easy to assemble and operate; relatively inexpensive
• Mains or battery operated
• The software for scanning, editing and stitching has been designed to be open source
Limitations
• Sensitive to vibrations
• Sensitive to strong directional light
• Limited depth of field (2.5 cm); for higher reliefs, several scans at various distances are needed
• Slow scanning speed
• Cannot record transparent or translucent surfaces

What can you do with the data?: Re-materialisation of the relief (CNC milling) for the creation of exact facsimiles; screen based imaging in combination with other layers of data (colour, etc.)

 

 

 


Escáner 3D Kreon Zephyr 50

El Kreon Zephyr 50 es un escáner manual que se sujeta gracias a un brazo robótico y que se puede utilizar para digitalizar una gran variedad de superficies. Los primeros sistemas de mano (como el Kreon) requerían brazos de seis o siente ejes, pero gracias a los avances tecnológicos, especialmente en la industria del videojuego, existen ahora sistemas que son totalmente portátiles.

The Kreon Zephyr 50 3D scanner head mounted on a robot

Gabriel Scarpa using the Kreon system (Cimcore Stringer arm pictured) to scan the head of a winged genie 9th C BC relief from Harvard's Arthur M. Sackler Museum

 

Technique: Triangulation based 3D laser scanner
Recording distance: Close range; the sensor has a depth of field of 50 mm, the arm we worked with had around a 2 m reach
Resolution: Dependent on the scanning speed; maximum resolution 50 microns (0.05 mm)
Correspondence to surface of the target: High
Recording/Processing Time: 30,000 pts/s
File formats: Polygonia Software exports every kind of point cloud and mesh formats
Equipment: Zephyr 50 Scanner, Cimcore Stringer II axis 6 arm, laptop, tripod
Environmental Conditions: Can be used in diverse environments
Operation: 1 person. Skill level: Moderate
Processing: 1 person. Skill level: Moderate
Maximum recording size: The reach of the arm - more or less an area of 2 m2
Applications: Quality control in automotive, aeronautic and construction industries, reverse engineering, records sculptures, facades, objects etc.
Advantages
• Portable, light, easy to operate
• Can record hard to reach places
• Records in diverse conditions
• Records complicated undercuts
Limitations
• Slow scanning process; object has to be rescanned to provide sufficient high resolution data
• Scan area is limited by the length of the Cimcore arm
• Very sensitive to vibrations; tripod requires a very heavy base to provide stability
• At the time of use (2006/7) the software restricted the amount of data that could be scanned at one time; there was also no clear visualisation of the area scanned
• Needs mains power

What can you do with the data?: Screen based applications, 3D printing, reverse engineer objects, prototyping

 

 

 


Escáner Nub 3D SIDIO

Factum Arte ha colaborado desde el año 2006 con Nub 3D, compañía con sede en Barcelona que desarrolló el SIDIO. El SIDIO es uno de nuestros sistemas más eficaces, ya que captura la geometría completa de un objeto, mantiene al mismo tiempo un alto nivel de detalle de la superficie, y produce información limpia y en formato de nube de puntos.

El escaneado en tres dimensiones de PaolinaBorghese en la GalleriaBorghese, Roma, en abril del 2013 – se utlizó el escáner NIB 3D SIDIO.

 

Technique: Structured light scanner
Recording distance: Close range; 30 cm / 60 cm / 1 m (each corresponds to a different area)
Resolution: It can output a resolution of 75, 130 or 250 microns
Correspondence to surface of the target: Very high
Recording Time: Dependent on a number of variables such as shutter speed, characteristics of the object etc., but overall quite quick (a few seconds per scan)
Processing Time: The processing time depends on the complexity of the object scanned
File formats: Point cloud; the native format is .TRI - It has to be exported as .PIF to be inputted into an post processing software like Polyworks
Equipment: 3 tripods, scanner, 2 external projectors, a powerful desktop computer, calibration rail, calibration plates
Environmental Conditions: Dark/low-light environment, no vibrations, mains power
Operation: It is possible with 1 operator but 2 is ideal. Skill level: Moderate
Processing: Skill level: Expert
Maximum recording size: 50cm² per scan session.
Applications: Sculptures, reliefs, rocks, facades etc. - anything that needs to be scanned with a lot of detail and precision
Advantages
• Automatically pre-aligns on sight with a marker system
• Accurate and high quality measurement
• Data is a clean and ordered point cloud
• Control over the post processing and mesh generation
• Small company where the people selling the systems are also designing and building them
• It is difficult to damage
Limitations
• Heavy, a lot of equipment, need space to operate (newer versions have improved on these issues)
• Cannot scan anything too dark, translucent, reflective or glossy
• Halogen light generates significant heat
• Sensitive to vibrations
• Needs mains power
• Expensive aligning software
• Complex calibration system
• Only one camera
• Expensive

What can you do with the data?: Screen based applications, 3D printing, re-materialisation for the production of facsimiles, reverse engineering, high-resolution data allows for in depth study

 

 

 


Breuckmann Smart Scan 3D

El escáner Breuckmann, produce redes 3D de alta resolución y en Factum Arte lo usamos para una gran variedad de proyectos artísticos y de conservación de patrimonio. Este sistema y otros similares, tienen un amplio espectro de utilización, debido a la sencillez de su empleo en el registro y procesamiento de datos, junto con la gran precisión del registro, que se logra obtener con esta herramienta.

Alex Peck de Factum Arte monta el escáner breuckmann 3D que se utilizó en el estudio de Henry Hudson para escanear una maqueta.

 

Technique: Structured light scanner
Recording distance: Around 1 m
Resolution: This scanner has two different set ups; the M-410 which records at a resolution of 140 microns at about a 30x30 cm area per shot and the M-810 which records at a resolution of 250 microns and a 60x60 cm area per shot.
Correspondence to surface of the target: Very high
Recording Time: Dependent on resolution but overall faster than the SIDIO
Processing Time: Relatively faster than the SIDIO scanner; the system is designed to generate 3D meshes easily
File formats: 3D mesh in formats such as .OBJ and .STL
Equipment: Scanner, tripod, laptop with a powerful GPU and a minimum of 32 GB RAM as the OPTOCAD software works on RAM memory to build meshes, calibration tools
Environmental Conditions: Dark/low-light environment, no vibrations, mains power
Operation: 1 operator (2 preferred). Skill level: Moderate
Processing: 1 person. Skill level: Moderate
Maximum recording size: 1 m² per scan session
Applications: Sculptures, objects, reliefs, rocks, facades etc.
Advantages
• Lighter, faster and less equipment (when compared to the SIDIO)
• Captures colour (resolutions: 0.8 - 2.0 - 8.0 Megapixel)
• Waits for vibrations to stop before scanning
• No need to use markers for combining scans
• Has two cameras and scans by combining the information
• Can do a combination of photogrammetry and structured light measurement resulting in a high level of accuracy
• Uses an LED light which does not generate heat
• The software aligns the scans immediately and offers a preview of the model making the data easy to work with
• Processing and mesh output is straightforward for rapid prototyping
Limitations
• Cannot access the point cloud as the system is designed to output 3D meshes through the OPTOCAD software (it is possible to extract points from the mesh but this is not as accurate as original point cloud data)
• Calibration plate is large
• Needs a mains power
• Expensiv

What can you do with the data?: Screen based applications, rapid prototyping, re-materialisation

 

 

 

Fotogrametría

La fotogrametría consiste en la extracción de información tridimensional a partir de imágenes en dos dimensiones con diferentes software. A fin de crear un modelo 3D, se utilizan cámaras para tomar múltiples imágenes superpuestas de la superficie de un objeto. Las imágenes se pueden procesar y el resultado es un objeto digital tridimensional que se puede tratar de varias maneras.

Una canon EOS 5D Mark 2

 

Technique: Photogrammetry
Recording distance: Can be long and close range; in Factum Arte we are focusing on close range photogrammetry
Resolution: The resolution is dependent on the amount of images, their quality and the level of overlap between them as well as the post processing software. Also dependent on the size of the subject relative to the sensor on the camera
Correspondence to surface of the target: Medium/High – normally there is noise to be processed or cleaned
Recording Time: Dependent on the type and size of surface being recorded but generally quick
Processing Time: Time consuming; dependent on computer CPU, GPU, RAM memory and experience of the operator
File formats: Raw data is converted into JPEG in order to optimize the speed of processing. These can then be aligned and exported as a point cloud or as a 3D mesh in several formats – e.g. OBJ files
Equipment: Photogrammetry can be implemented using any form of image capture technology; for photogrammetry of cultural heritage sites and artefacts the recommended equipment is a standard DLSR camera, a tripod and a laptop (preferred for checking data on site but not imperative)
Environmental Conditions: Even, diffused lighting (avoid strong shadows or highlights – flash is effective for close range recording), approximately 80% overlap of photographs from multiple points of view, perpendicular shots to the target surface, detailed features, colour, and texture preferred
Operation: 1 person. Skill level: Basic knowledge of photography
Processing: 1 person. Skill level: Moderate
Maximum recording size: Very large (can be used to record topography)
Applications: High and low reliefs, sculptures, monuments, faces, objects, hard to reach places through the use of drones etc.
Advantages
• Fast recording time
• Minimal, portable and affordable equipment
• An accessible and adaptable process
• Battery operated
• Produces raw files
• Can record high resolution and accurate colour
• Can record translucent surfaces such as alabaster
• Can record whilst moving and record moving objects
Limitations
• Reflective, shiny, featureless and dark surfaces are problematic
• Processing time is long (for now)
• Accuracy is not as high as structured light scanners
• Lack of scale – a reference is needed

What can you do with the data?: Screen based applications, archiving for further study and re-materialisation

 

 

 

Este sitio web utiliza cookies para facilitar y mejorar nuestros servicios navegación. Si continua navegando, consideramos que consiente su utilización. Si desea más información sobre las Cookies que utilizamos en nuestro sitio web, puede hacerlo a través de nuestra Política de privacidad y cookies. Cerrar