Escaneado 3D de una pieza arqueológica con escáner láser

Una de nuestras líneas de trabajo en la universidad es la construcción de modelos 3D interactivos de piezas arqueológicas y artísticas. En este vídeo se muestra la parte inicial de ese proceso, donde la pieza se escanea con un escáner láser que genera un modelo de puntos sobre el cual se superpone la textura tomada con fotografías por en mismo escáner. Este proceso es automático aunque probablemente haya que hacer un segundo escaneo con la pieza girada para cubrir zonas ocultas. Al final se muestra como queda el modelo cuando se incrusta en un documento PDF, algo de enorme interés porque puede ser difundido por internet con facilidad.
 

Cómo hacer y difundir modelos 3D interactivos

Hemos publicado un artículo donde explicamos como hacer modelos tridimensionales de piezas arqueológicas (o lo que sea, claro) e incrustarlas en un PDF. Con este procedimiento se consiguen documentos que puedes enviar por internet donde el usuario puede ver las piezas, rotarlas, ampliarlas o reducirlas, hacer secciones en cualquier plano y lugar, medir dimensiones, cambiar la iluminación... Para todo esto basta con leer el citado PDF con Acrobat Reader. Pongo el enlace abajo, los interesados podeis descargar el ejemplo para ver las posibilidades de esta técnica.
Importante: es necesario descargarlo y abrirlo con Adobe Acrobat Reader ya que los otros visores de PDF (incluidos los de los navegadores) no interpretan los objetos 3D.

Artículo completo en Technical Briefs in Historical Archaeology (Society for Historical Archaeology).
Ejemplo para descargar (22.4 MB).

Resumen en inglés:

Three-dimensional (3-D) laser scanners build 3-D models of objects and have direct application in the cataloging of artifacts and in archaeological documentation. Some low-cost scanners are suitable for small objects because the scanners have high accuracy and the ability to capture color and textures. This paper provides the workflow and the steps needed to scan small objects using a low-cost scanner, to build textured 3-D models, and to transmit these models embedded in portable document format (PDF) files. The proposed procedure permits interaction with objects in various ways, including making measurements and building sections. The results enable the dissemination of high-precision interactive models, readable with free software, thereby facilitating the study of the metric and morphological features of archaeological objects.

Two views of gabbro adze with double-bevel polished edge from the dolmen of Guadancil 1, Garrovillas de Alconétar (Cáceres, Spain), 2012 season. Scale in centimeters. (Photo by ÁMF, 2013.)

Escáneres, huellas y dinosaurios

En este artículo se da a conocer el hallazgo y análisis de una serie de huellas humanas de 1.5 millones de años de antigüedad:

Matthew R. Bennett et al., 2009, Early Hominin Foot Morphology Based on 1.5-Million-Year-Old Footprints from Ileret, Kenya. Science, 323(5918): 1197-1201.

En este otro se estima el volumen corporal y masa de unos dinosaurios:

Karl T. Bates et al., 2009, Estimating Mass Properties of Dinosaurs Using Laser Imaging and 3D Computer Modelling. PLoS ONE 4(2): e4532.

¿Qué tiene en común estos dos artículos? La respuesta es que ambos han usado una herramienta de medida relativamente nueva: el escáner láser. En el primer caso usaron un Konica Minolta VI900, montado horizontalmente sobre un armazón a unos 60 cm sobre las huellas. Cada huella fue representada mediante unos 300000 puntos superpuestos a fotografías digitales (Nikon D200) que fueron corregidas geométricamente.

Modelos digitales de las huellas localizadas en Kenia, a orillas del lago Turkana (figura disponible como Supporting online material del artículo)

En el otro artículo se usó un escáner láser Riegl LMS-Z420i para tomar medidas de los esqueletos de cinco grandes dinosaurios (entre ellos un par de tiranosaurios), con la diferencia de que, en este caso, la forma compleja obligó a usar tomas desde diversos puntos de vista y unirlas para forma un modelo tridimensional único.

Reconstrucción de un tiranosaurio a partir de un esqueleto modelado con un escáner láser (figura del trabajo original).

¿Cómo funcionan estos aparatos? Como todas las buenas ideas, el principio es muy simple: se lanza un rayo láser contra el objeto y se recibe el "eco" o reflejo. Según la distancia al objeto y la forma de operar hay dos tipos básicos de escáneres láser. El primero se usa para objetos cercanos (menos de un par de metros) y funciona por triangulación: el emisor de luz, el punto de "impacto" sobre la superficie del objeto y el sensor receptor forman un triángulo en el cual el primer y último componente están perfectamente localizados. Un poco de cálculo trigonométrico y se estima la distancia al objeto con una incertidumbre de una décima de mm más o menos. Lógicamente, o el objeto o el rayo de luz o ambos se mueven para cubrir toda la superficie desde diversos ángulos.
Cuando el objeto es lejano se usan escáneres que miden el tiempo entre la emisión y la recepción de la luz. La incertidumbre es mayor pero las distancias pueden llegar al centenar de m. Una incertidumbre típica es de ±2 mm a 25 m. Algunos modelos más sofisticados aprovechan que el láser es luz coherente y usan la fase para aumentar precisión y exactitud. Como en el caso anterior, los pulsos láser barren el objeto para cubrir toda la superficie. Salvo que se trate de objetos más o menos planos (fachadas, por ejemplo) es habitual realizar varias tomas moviendo el escáner de lugar. El procesado final consiste en unir las nubes de puntos en una sola, eliminar los errores groseros por métodos estadísticos y restaurar la forma aproximada del objeto en tres dimensiones superponiendo fotografías digitales para asignarle textura. Un escáner de este tipo puede tomar de 2 a 3 millones de puntos.en 30 segundos cubriendo un campo de vista casi esférico.
¿Por qué les cuento esto? Bueno, aparte de que creo que son instrumentos interesantes y de que los artículos son bastante llamativos, es que hemos comprado uno recientemente (tan recientemente que está empaquetado aún). Mi intención es convencer a los grupos de investigación de mi universidad de que lo usen aunque no sea para fines tan exóticos como los de los artículos mencionados arriba. Fachadas de edificios históricos, conducciones romanas (acaba de escanearse parte de la Gran Muralla china), excavaciones arqueológicas, procesos geomorfológicos... a ver para qué nos da la imaginación ¿alguna idea o propuesta interesante?

Modelo de la Gran Muralla realizado mediante escáner láser aerotransportado y vista en colores reales de la zona

Actualización: en Mundo Neandertal, Martín Cagliani nos cuenta algo más sobre las huellas de Kenia: 1 y 2.