La restauración virtual de piezas arqueológicas a partir de datos procedentes de escáner 3D: reconstrucción volumétrica de una jarrita islámica del Museo Arqueológico Municipal de la Plana Baixa -Burriana (Castellón

La restauración virtual de piezas arqueológicas a partir de datos procedentes de escáner 3D: reconstrucción volumétrica de una jarrita islámica del Museo Arqueológico Municipal de la Plana Baixa - Burriana (Castellón). Daniel Tejerina Antón1, Fco. Javier Esclapés Jover2, Trinidad Pasíes Oviedo3, José Manuel Melchor Montserrat4 1

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Atrium Cultural Heritage Services. España. Departamento de Expresión Gráfica y Cartografía. Universidad de Alicante. España 3 Museo de Prehistoria de Valencia. España 4 Museo Arqueológico Comarcal de la Plana Baixa-Burriana (Castellón). España

Resumen Una de las fases más importantes y más controvertidas en el proceso de restauración de una pieza arqueológica consiste en la reintegración (volumétrica y cromática) de las partes faltantes. Hoy, la tecnología disponible en el campo de la documentación del patrimonio cultural permite obtener un modelo geométrico exacto de cualquier tipo de objeto arqueológico. La exportación de esta información a aplicaciones de infografía 3D hace posible realizar una restauración virtual del objeto (evitando el contacto físico con la pieza), obteniendo resultados finales que pueden ser expuestos junto al original en formato multimedia, a través de monitores en los que se observa el volumen completo de la pieza o pantallas interactivas que el usuario puede manipular para explorar el objeto. Palabras Clave: Arqueología, Restauración virtual, Escáner 3D, Blender, Reintegración.

Abstract One of the most important and controversial stages during the restoration process corresponds to reintegration (structural and chromatic) of the missing parts. Today, the technology available in the field of cultural heritage documentation allows us to obtain a precise geometric model of any archaeological object. The export of this resulting model to 3D design software makes it possible to make a virtual restoration of the object (avoiding physical contact with the original object), obtaining final results that can be exhibited alongside the original. This way, visitors can virtually explore and manipulate the objects. Key words: Archaeology, Virtual Restoration, 3D Scanner, Blender, Reintegration.

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Introducción

Recientemente estamos asistiendo a la aparición de propuestas de restauración virtual de piezas arqueológicas. Durante una primera fase, el método consistía exclusivamente en el uso de aplicaciones de diseño tridimensional, que permitían, introduciendo las medidas reales del objeto (o su sección correspondiente) en la aplicación, realizar un modelo 3D de la pieza mediante herramientas de diseño tipo torno (es decir, revolucionar la sección hasta obtener un volumen completo de 360º). Las texturas eran procedurales (generadas matemáticamente), intentando conseguir en todo momento acabados similares a los originales. En un segundo momento se introdujeron texturas reales (en forma de archivos de imagen tomados de la pieza original) para obtener, mediante su modificación y mapeado, texturas originales y un acabado más fiel a la realidad. Sin embargo, el mayor avance, en términos cualitativos, se produjo tras la implementación, en el proceso de reconstrucción virtual, de instrumentos de documentación avanzados, como el escáner 3d o las técnicas de fotogrametría digital. La utilización de este tipo de métodos permite obtener un modelo tridimensional con toda la información relacionada acerca de la geometría y de la textura del objeto.

2 Propuesta de trabajo El método de trabajo para la documentación de objetos arqueológicos que proponemos incluye, como instrumento de adquisición de datos, un escáner 3D y, como herramienta de reconstrucción, el software Blender de diseño 3D. La pieza con la que estamos trabajando, procedente de los fondos del Museo Arqueológico Comarcal de la Plana Baixa - Burriana (Castellón) es una jarrita islámica que presenta decoración polícroma realizada con la técnica denominada cuerda seca. 2.1. Documentación 3D Los primeros trabajos se centraron en la documentación geométrica de la pieza, con el objetivo de obtener un modelo tridimensional completo. El equipo empleado ha sido un escáner 3D Next Engine. Las especificaciones técnicas son las siguientes:

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Sistema de medición: tecnología MultiStripe Laser Triangulation (MLT). Fuente: dobe matriz de cuatro lasers de estado sólido (Clase 1M, 10 mW) con ópticas de 650 nm 1. Sensor: dos sensores CMOS de 3.0 Megapíxeles. AutoDrive: torno de rotación de alta precisión controlado desde el software del escaner. Resolución: 400 DPI en superficies; 400 DPI en modo Macro y 150 DPI en modo Abierto. Precisión: ±0.005" en modo Macro y ±0.015" en modo Abierto. Velocidad de adquisición de datos: 50,000 puntos procesados por segundo. Software de adquisición: Scan Studio Pro. Equipo informático de control de scanner: Apple MacBook con procesador Intel Core Duo 2. 2 Ghz, 4 GB RAM DDR3, tarjeta gráfica de 512 mb.

2.1.1. Descripción del proceso 2.1.1.1. Definición de los parámetros de escaneo Para la documentación de esta pieza se ha elegido un proceso de captura en 360º, lo que nos asegura la correcta obtención de información acerca de toda la volumetría del objeto. En este caso hemos usado un torno electrónico de alta precisión, conectado al escáner y controlado directamente desde el PC. El número de escaneos ha sido dividido en 10 partes, por lo que, al final de cada uno de los escaneos, el torno ha girado automáticamente 1/10 de 360º (36º). Debemos tener en cuenta que es necesario definir, entre cada dos escaneos adyacentes, un área de solapamiento (una franja del objeto que será documentada de manera repetida en ambos escaneos) que permita, posteriormente, alinear toda la información. 2.1.1.2. Obtención de una nube de puntos Cada uno de los diferentes escaneos se divide en dos fases: adquisición de información 2D y 3D. Durante la primera fase (2D) el escáner emite una luz homogénea sobre el objeto y captura imágenes, más tarde transformadas en texturas. Durante la segunda fase (3D), el escáner mide la geometría del objeto por medio de un pulso laser para obtener las coordenadas tridimensionales (es decir, estas coordenadas contienen la posición x, y, z del punto). El conjunto de estas coordenadas forman lo

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que denominamos nube de puntos. en este momento ya tenemos un modelo geométrico del objeto. La densidad de esta nube estará definida por la distancia entre cada uno de los puntos. Un mayor número de puntos reflejará más fielmente la geometría de la pieza. 2.1.1.3. Creación de una malla triangular Transformando la nube de puntos en una maya triangular, pasamos de tener un grupo de puntos no unidos en el espacio, a una superficie poligonal continua. Esto nos permitirá editar el modelo de un modo más lógico y eficaz. 2.1.1.4. Sombreado plano Cubrir la malla triangular creada con un sombreado plano no es un paso esencial en el proceso de creación del modelo 3D, pero nos ofrece una gran cantidad de información, desde el punto de vista morfológico, acerca del objeto con el que estamos trabajando. Teniendo en cuenta que las texturas aún no son visibles, podemos centrarnos en el estudio de aspectos puramente geométricos de la pieza.

duplicadas. Esto se produce porque, durante la fase de alineado, la información se superpone, no se elimina. Eso significa que, en este punto, no tenemos un único modelo, sino diez diferentes modelos superpuestos, con sus respectivas mallas triangulares y texturas. Por eso es necesario fusionar toda la información, lo que nos permitirá obtener un único modelo final. 2.1.1.7. Especificaciones del modelo obtenido y tiempo total empleado El modelo final obtenido está formado por 357.258 puntos y 643.064 triángulos. El tiempo total de procesado, incluyendo el escaneo, el alineado, la fusión y la exportación ha sido de 1hora y 25 minutos. 2.1.1.8. Exportación Una vez que contamos con el modelo final, correctamente alineado y fusionado, lo exportamos en formato .obj, generando dos archivos: el principal (.obj) que contiene la información geométrica de la pieza y un segundo archivo (.mtl), en el que se almacenan los materiales que definen el aspecto del modelo.

2.1.1.5. Texturización

2.2. Reconstrucción virtual con Blender La visualización del modelo con las texturas aplicadas nos proporciona valiosa información relacionada con el proceso de manufactura del objeto, las técnicas decorativas y el estado de conservación 2.1.1.5. Alineamiento Como ya hemos mencionado, el proceso de documentación 3D ha sido llevado a cabo por partes hasta completar el modelo completo, con un área de solape entre cada escaneo. Una vez finalizado el proceso de escaneo, se lleva a cabo el alineado de las diferentes mallas generadas, usando estas áreas de solape como referencias (ya que cuentan con geometrías y texturas idénticas). En este caso, el alineado fue calculado automáticamente por el software de adquisición de datos del escáner. 2.1.1.6. Fusión Después de finalizar el proceso de alineado, las áreas de solape aún muestran mallas y texturas

Blender es una herramienta desarrollada en código abierto y gratuita que permite realizar todas las fases de un proyecto de infografía 3D. Posee la capacidad de importar datos en numerosos formatos, incluyendo, como en este caso, archivos obj. 2.2.1. Operaciones previas Una vez importados ambos archivos (.obj y .mtl), el primer paso consiste en nombrarlo. A continuación, podemos, opcionalmente, alinear el nuevo objeto a la vista que deseemos (en nuestro caso una vista frontal ortogonal). 2.2.2. Reconstrucción virtual a partir de curvas bézier En el entorno de un software de diseño 3D, las herramientas para reconstruir el objeto son variadas. En este caso, hemos optado por trabajar con curvas bézier. Este tipo de formas se definen por contar con dos elementos fundamentales: los

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puntos de anclaje y los puntos de control. A partir de la manipulación de dichos puntos, modificaremos el desarrollo de la curva, de tal forma que, al contrario de lo que pasa con otros tipos de modelado, como el box-modelling o modelado de caja, en el que manipulamos directamente los vértices, caras o aristas que nos interesan, aquí sólo podemos modificar el objeto indirectamente. 2.2.3. Definición de una sección bidimensional Una vez que hemos posicionado correctamente el modelo procedente del escáner 3D, crearemos una curva bézier y, a continuación, un círculo bézier. Es importante que el círculo tenga el mismo diámetro que la base de la pieza que hemos importado. A continuación debemos asociar el círculo a la curva bézier. Una vez realizada esta tarea, lo único que debemos hacer es manipular los nodos de la curva bézier para adaptarlos a la forma de la pieza original. Podemos cambiar entre diferentes tipos de vista (superior, frontal, lateral...etc.), aunque siempre es aconsejable trabajar en modo ortogonal, para controlar en todo momento el plano en el que creemos estar modelando es el correcto. Podemos mover, rotar y escalar los nodos para adaptarnos a la geometría que queremos reproducir y también podemos, si fuera necesario, añadir segmentos a nuestra curva con una simple operación de extrusión. 2.2.4. Transformación de la sección 2D en un modelo 3D La curva bézier que estamos modificando y adaptando a la forma del objeto original (la jarrita islámica) no nos proporcionará el volumen que deseamos, pero sí su sección. Y a partir de esta sección indicaremos al círculo bezier cuál es el desarrollo que debe seguir. Recordemos que, previamente, hemos establecido una asociación entre ambos elementos (curva y círculo), de modo que el círculo repetirá cualquier modificación que hagamos en la curva. 2.2.5. Aplicación de materiales y texturas: ¿qué camino seguir? Una vez que hemos completado el modelo geométrico, la reintegración cromática ofrece problemas completamente diferentes. La reconstrucción volumétrica que hemos realizado se fundamenta en la abundancia de paralelos a nuestra

disposición,. Por otro lado, el proceso de fabricación de este tipo de objetos, realizados con un torno de alfarero, proporciona formas con un alto grado de simetría. La volumetría es, por tanto, relativamente homogénea y regular. Esta es la razón por la que hemos creado el volumen en revolución a partir de una sección (hemos seguido el mismo proceso que el artesano que fabricó la pieza). El discurso de la decoración, en cambio, es otro muy distinto. El aparato decorativo en este tipo de piezas es muy variado, como variada suele ser su ejecución. Es cierto que contamos también con un gran número de paralelos de los que podemos extraer información para llevar a cabo la reintegración cromática, pero, en este caso, la decoración está realizada a mano, siendo, por tanto, muy irregular. Además, la gama de intensidades cromáticas es muy variada, existiendo zonas decoradas en tonos verdes, pero de muy diferente intensidad (debido a la oxidación de los pigmentos y a su aplicación, irregular). ¿Cómo llevar a cabo, entonces, la reintegración cromática? ¿Estamos legitimados para llevarla a cabo? En nuestra opinión, las opciones son las siguientes: • Realizar una reintegración exclusivamente volumétrica, sin una integración cromática del nuevo volumen que hemos creado. • Realizar una reintegración exclusivamente volumétrica, con una integración cromática uniforme del nuevo volumen generado. • Realizar una reintegración volumétrica y cromática, llevando a cabo la reintegración cromática con una reproducción idealizada de los motivos originales. • Realizar una reintegración volumétrica y cromática, llevando a cabo la reintegración cromática con una reproducción mimética de los motivos originales. En este caso concreto, hemos optado por la segunda opción: hemos reconstruido la pieza, integrando la nueva geometría mediante el añadido de un tono y una intensidad uniformes extraído del color original de la pasta de la pieza. Creemos que se trata de una opción prudente, que facilita al visitante la lectura correcta del volumen del objeto, apreciando los motivos decorativos originales.

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3 Conclusiones

4 Imágenes

Es probable que, en un futuro no muy lejano, asistamos al inicio de una nueva etapa en la restauración de piezas arqueológicas. Esta nueva etapa estará marcada por la utilización de técnicas de reconstrucción virtual que desplazarán el modo de intervención actual (la reconstrucción física), lo que permitirá respetar el objeto original, y evitar que se produzcan daños o que se apliquen tratamientos irreversibles. Una de las opciones de reconstrucción virtual consiste en realizar la totalidad de la pieza en 3D. Una segunda opción, que nosotros proponemos aquí, consiste en integrar toda aquella información de que disponemos acerca del objeto original, e integrarla en el proceso de reconstrucción virtual. Creemos que, de este modo, el espectador disfruta de una información de mayor calidad, al ser idéntica a la que encontramos en el objeto original. Para obtener este tipo de datos es esencial la utilización de métodos avanzados de documentación. El proceso de trabajo descrito comprende una primera fase de documentación de las piezas arqueológicas por medio de escáner 3D y una segunda fase de reconstrucción digital por medio de aplicaciones de diseño tridimensional. En cuanto al proceso de reconstrucción 3D, prescindiendo del tipo de modelado que empleemos, el método más eficaz se divide en dos fases: •

La definición de una sección bidimensional de la pieza (a partir de una sección dibujada y colocada como archivo de imagen de fondo, o bien a partir de una vista ortogonal del modelo 3D).

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La transformación de la sección creada en un modelo tridimensional (empleando objetos asociados -como en este caso- o bien modificadores tipo torno que generen un volumen de revolución).

Creemos que la reintegración cromática y del aparato decorativo plantea, en cambio, preguntas mucho más complejas relacionadas directamente con la ética de la restauración y con los límites que debemos marcarnos en este tipo de proyectos. Este debate, presente en el mundo de la restauración tradicional prácticamente desde sus orígenes (y aún no resuelto), se trasladará, sin duda, a los proyectos de restauración virtual.

Figura 1. Documentación 3D de la pieza.

Figura 2. Integración del modelo 3D procedente del escáner y reconstrucción volumétrica.

Figura 3. Resultado final

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4 Bibliografía RISTEVSKY, J. (2006): “Laser Scanning fo Cultural Heritage Application”. Professional Surveyor, 26, 3. JONES, D. M. (2007): Laser Scanning for Heritage: Advice and guidance for users of laser scanning in archaeology and architecture. Swindon. English Heritage MOSER, M. et alii (2010): “Digital documentation and visualization of archaeological excavations and finds using 3d scanning technology”. Virtual Archaeology Review, 2 126-129. BRANDI, Cesare (1977): “Teoria del Restauro” Ed. Einaudi. Torino.

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