Reconstituirea, Validarea Si Valorificarea Artefactelor Istorice Utilizand Tehnici Cad

Digitizarea obiectelor de patrimoniu cultural

Digitizarea 3D completă a patrimoniului cultural este un proces multidimensional. Procesul de digitizare depinde în mare măsură de natura artefactului/monumentului, precum și scopul procesului de digitizare. Întreg procesul de digitizare completă este prezentat de către (George Pavlidis și alții, 2007), în lucrarea “Methods for 3D digitization of Cultural Heritage” [1] , acest proces se referă la scanarea tridimensională, procesarea datelor, stocarea datelor, managementul acestor date, vizualizarea și diseminarea modelelor 3D, reproducerea modelelor 3D.

Metodologia pentru digitizarea 3D a obiectelor de patrimoniul cultural are ca scop oferirea unei soluții viabile ce permite obținerea unor modelelor 3D cu un grad foarte mare de acuratețe. Astfel dimensiunea și precizia la care sunt generate aceste modele este foarte apropiată de forma reală a obiectelor.

Elementele esențiale care au fost luate în considerare pentru a dezvolta această metodologie sunt: analiza tuturor metodelor de digitizare 3D, compararea și cuantificarea diferențelor dintre aceste metode și analiza modului de optimizare a acestor modele pentru a permite convertirea acestora în formate 3D utilizate în cadrul aplicațiilor de realitatea virtuală și realitate augmentată.

Modelele 3D rezultate în urma procesului de digitizare 3D pot fi folosite pentru a efectua diferite analize cum ar fi măsurători, monitorizare, conservare, extragere a anumitor detalii și restaurare digitală în cazul obiectelor deteriorate/distruse.

Un model 3D digitizat reprezintă un instrument cognitiv prin care un utilizator (cercetător, student sau pur și simplu o persoană care prezintă un interes pentru acel obiect) poate interacționa cu acest model într-un mediu virtual.

Cartea „3D Research Challenges in Cultural Heritage” [2] prezintă o sinteză a provocărilor aferente cercetării din cadrul domeniului de digitizare 3D al obiectelor de patrimoniu cultural. Autorii evidențiază faptul că activitățile recente de cercetare și dezvoltare ale tehnologiilor 3D de achiziție și vizualizare au adus progrese rapide cu aplicații diverse atât pentru profesioniștii din domenii precum cel al ingineriei și al proiectării asistate de calculator, al fabricației digitale, cel de formare și pregătire precum utilizarea simulatoarelor avansate pentru zbor sau pentru formare chirurgicală, dar și pentru publicul larg care are acces la hărți 3D utilizate în navigație și are acces echipamente inteligente precum telefoane mobile inteligente, televizoare și tablete interactive pentru a vizualiza și a interacționa cu conținutul în format 3D.

Manipularea datelor în format 3D prezintă diferite provocări, dar în același timp oferă posibilitatea realizării diferitelor oportunități inovatoare în comparație cu fișierele 3D clasice precum fișiere în format text, imagini, sunete sau clipuri video.

Unele tehnologii 3D sunt deja folosite cu succes în domeniul patrimoniului cultural în special în cadrul bibliotecilor digitale precum Europeana și UNESCO Memory of the World.

Editorii acestei cărți au realizat un atelier de lucru în cadrul Conferinței Internaționale privind patrimoniul cultural EuroMed 2012 [3], conferință ce a avut loc în Cipru în octombrie 2012. Contribuțiile cercetătorilor de renume ale tehnicilor de digitizare 3D aferente patrimoniului cultural au fost incluse în această carte pentru a oferi o imagine de ansamblu asupra cercetărilor din acest domeniu, un domeniu care evoluează continuu și care înglobează tehnicii din inginerie, informatica, știința materialelor, arheologia și arhitectura.

Cartea este împărțită în mai multe capitole, fiecare capitol prezintă provocările aferente digitizării în format 3D al obiectelor de patrimoniu. Aceste provocări sunt următoarele:

Tranziția unui obiect de patrimoniul cultural de la real la virtual;

Crearea modelului virtual al unui obiect de patrimoniu cultural implică de obicei utilizarea tehnologiei de scanare cu laser și procesarea acestei scanări utilizând soluții software de proiectare asistată de calculator. Problemele care ar trebui să fie tratate sunt în legătura cu dimensiunea, materialul și accesibilitatea obiectelor.

Îmbinarea modelului 3D cu semantica obiectului;

Descrierea geometrică a unui obiect de patrimoniu cultural în format 3D se distinge în mod clar de descrierea istorică și modul în care a fost realizat acesta. Astfel modelul matematic ce definește geometria modelului 3D trebuie să fie îmbinat cu metadatele obiectului.

Stocarea și organizarea bazelor de date cu modele 3D;

Modelele 3D trebuie să fie organizate corespunzător și să fie însoțite de metadate pentru a permite compararea acestora cu alte obiecte similare și pentru a fi integrate în biblioteci digitale precum Europeana.

Pregătirea modelelor 3D pentru Internet și pe dispozitive mobile;

Aceste modele trebuie optimizate pentru a putea fi încărcate pe dispozitive mobile, de asemenea pentru a putea fi vizualizate pe Internet dimensiunea acestora trebuie să nu fie foarte mare, să permită încărcarea modelelor într-un timp acceptabil. Este important ca aceste medii în care sunt prezentate / afișate obiectele 3D digitizate să fie intuitive și ușor de folosit astfel încât și utilizatorii care nu sunt specialiști să poate să le utilizeze și să le manipuleze.

Prezentarea conținutului digitizat publicului larg;

Conținutul 3D digitizat trebuie să fie prezentat publicului larg într-un mod captivant, pentru a atrage atenția oamenilor. Astfel trebuie dezvoltate diferite instrumente de creație pentru a realiza medii virtuale interactive disponibile atât pe Internet cât și pe dispozitive mobile.

Contribuția tehnologiilor 3D pentru cercetarea patrimoniului cultural

Tehnologii 3D trebuie să fie folosite pentru a ajuta arheologii și muzeografii în căutarea diferitelor răspunsuri aferente obiectelor de patrimoniu cultural deteriorate/distruse.

Reconstrucția obiectelor de patrimoniu cultural de la virtual la real;

Tehnologiile noi de fabricație permit reconstrucția foarte detaliată a obiectelor de patrimoniu cultural utilizând diferite materiale, astfel obiectele virtuale pot fi transformate în obiecte tangibile. Această transformare poate sprijini realizarea unor expoziții care să prezinte obiecte nemaivăzute și ar sprijini repatrierea unor replicii înapoi la originea lor.

Unele dintre provocările prezentate mai sus sunt foarte bine cunoscute din cadrul altor domenii de aplicare al tehnologiilor 3D, dar aplicarea lor în domeniul patrimoniului cultural poate oferi o altă viziunea asupra utilizării acestor tehnologii.

Aspecte cu caracter general

Procesul de digitizare 3D se referă la achiziția și reproducerea formei și al aspectului (culoare și texturii) ale unui obiect sau a unui mediu (scanare terestră). Acest proces de digitizare 3D face parte dintr-o zonă foarte amplă de cercetare care utilizează soluții software complexe, dar care prezintă foarte multe probleme deschise asupra cărora sunt axați foarte mulți cercetători și proiecte de cercetare.

Conservarea digitală a obiectelor de patrimoniu cultural utilizând tehnici avansate de digitizare 3D reprezintă un domeniu special, unde fidelitatea cu care sunt achiziționate modelele 3D pentru a fi conservate este foarte importantă atât din punct de vedere al geometriei modelului 3D cât și al texturii și al culorii.

Literatura de specialitate pentru conservarea digitală a crescut substanțial în ultimii ani, acest lucru se datorează în special dezvoltării și inovării ale unor echipamente noi de digitizare precum și creșterea puterii de calcul al procesoarelor și a plăcilor grafice.

Digitizarea 3D a obiectelor de patrimoniu cultural este un domeniu care înglobează elemente aferente diferitelor domenii precum (scanarea laser 3D, fotogrametria, proiectarea asistată de calculator, realitatea virtuală și realitatea augmentată) pentru a realiza modele 3D cu un grad înalt de fidelitate al geometriei și al aspectului vizual.

Motivațiile principale ale necesității utilizării procesului de digitizare 3D pentru obiectele de patrimoniu cultural sunt evidențiate de către (Leonardo Gomes și alții, 2014) în lucrarea “3D reconstruction methods for digital preservation of cultural heritage: A survey” [4], acestea sunt următoarele:

Pentru a păstra informațiile aferentei formei și ale aspectului obiectului nu sunt pierdute în cazul în care obiectul este distrus din diferite cauze naturale sau accidentale;

Pentru a permite diseminarea colecțiilor digitale către un public larg utilizând muzee virtuale;

Pentru a crea replici;

Pentru a putea identifica obiectele de artă contrafăcute;

Europa este foarte bogată din punct de vedere al patrimoniului cultural, dar din păcate o mare parte a artefactelor rămân în arhive. Instituțiile care se ocupă de acestea nu au resursele necesare pentru a le prezenta publicului doar ocazional și doar o parte a artefactelor.

Această problemă este și mai accentuată în Romania, unde muzeele dispun de fonduri puține, unele având nevoie de finanțare pentru a fi permis accesul publicului la toate colecțiile. Muzeul de Istorie a Transilvaniei (MNIT) [5]se confruntă cu această problemă, majoritatea artefactelor sunt depozitate și se așteaptă reamenajarea acestuia dar din păcate nu există fondurile necesare. În prezent publicul are acces doar la anumite colecții și doar cu anumite ocazii.

Tocmai din această cauză digitizarea 3D reprezintă singura posibilitate prin care marea majoritate a obiectelor de patrimoniul cultural pot fi prezentate publicului. Problema majoră o reprezintă găsirea tehnologiei care să fie fezabile din punct de vedere economic pentru a digitiza toate aceste obiecte.

Cercetătorii (Santos Pedro și alții, 2014) [6] din cadrul Institutului Fraunhofer IGD (Fraunhofer Institute for Computer Graphics Research) [7] prezintă potențialul utilizării tehnologiilor de digitizare 3D a obiectelor de patrimoniu cultural în articolul “The Potential of 3D Internet in the Cultural Heritage Domain”. Conform acestora colecția “The Prussian Cultural Heritage Foundation” este estimată în jur de 6 milioane de obiecte dintre care doar 10% sunt prezentate publicului, în timp ce 90% rămân arhivate. Până în prezent o soluție economică a fost pusă în aplicare doar pentru a digitiza artefacte în format 2D, precum cărți și picturi, această soluție a fost inițiată de mai multe campanii naționale, europene și internaționale precum, librăria digitală germană, Europeana și librăriile digitale realizate de Google și Microsoft.

Autorii acestui articol consideră că digitizarea în format 3D a obiectelor de patrimoniu cultural nu a fost încă explorată la întregul potențial și utilizarea acestei tehnologii ar avea următoarele avantaje:

Disponibilitate de acces arbitrară și în paralel la modele 3D digitizate;

Prezentarea colecțiilor hibride cu artefacte reale și replicii virtuale pentru a stimula atractivitatea unei expoziții;

Realizarea replicilor reale pe baza modelului 3D digitizat și împrumutarea acestei replici de înaltă calitate ca o alternativă la creditarea artefactului original (prevenirea daunelor și reducerea costurilor de asigurare în cazul împrumutului artefactelor reale)

Utilizarea modelelor 3D corecte din punct de vedere al caracteristicilor geometrice și al texturii în industria filmelor și al documentarelor dar și în industria jocurilor pe PC

Arhivarea digitală (conservarea digitală reprezintă ceea mai bună soluție pentru a preveni pierderea totală a informațiilor aferente artefactelor în cazul dezastrelor naturale sau a războaielor)

Cercetătorii evidențiază faptul că ultimul avantaj prezentat mai sus se dovedește a fi de o importanță mare având în vederea pierderea nenumăratelor obiecte de neprețuit în diferite ocazii legate de accidente sau dezastre naturale, de exemplu focul care a mistuit biblioteca Herzogin Anna Amalia din Weimar, Germania. Incendiul a avut loc în 25 septembrie 2004 și au fost distruse complet în jur de 50.000 de manuscrise și în jur de 118.000 au fost avariate.

Un alt incident evidențiat de către autorii acestui articol s-a produs și la Arhiva Istorică din Köln, unde în 2009 s-au prăbușit rafturile bibliotecii din cauza lucrărilor aferente liniei de metrou subteran.

Muzeul din Berlin a avut cel mai mult de suferit datorită celui de-al doilea război mondial, acesta a fost închis încă din 1939 odată cu începerea conflictului iar toate artefactele mobile au fost depozitate în alte zone. Acest muzeu a fost avariat în urma bombardamentelor britanice din 22 și 23 noiembrie 1943, iar în timpul asediului Berlinului muzeul a fost avariat total, anumite părți fiind complet distruse, precum zona colecție Egiptene. Procesul de reconstrucție și renovare a fost inițiat în 1986 dar acesta a fost sistat după căderea zidului Berlinului și a fost deschis publicului doar în 17 octombrie 2009. [8]

Digitizarea 3D a obiectelor de patrimoniu este necesară dat fiind faptul că obiectele tangibile mobile și imobile pot fi deteriorate/distruse, dar este important să se găsească soluții care să permită o abordare economică pentru a digitiza în masă patrimoniul cultural.

Potrivit unui studiu amplu realizat în cadrul Muzeului Victoria și Albert [9] în cadrul proiectului 3D-COFORM [10] digitizarea 3D a unui obiect de dimensiuni medii (500 de mm lungime, 500 de mm lățime și 500 de mm înălțime) necesită între 5 și 20 de ore pentru a achiziționa geometria și textura acestuia, fără a ține cont proprietățile reflectante ale unor obiecte și problemele pe care le implică scanarea corectă a acestor obiecte.

Graficul prezentat în Figura 1 prezintă timpul alocat digitizării 3D a unor diferite artefacte din cadrul Muzeului Victoria și Albert din Londra.

Figura 1. Timpul necesar digitizării 3D a diferitelor artefacte ale Muzeului Victoria și Albert [6]

Scanerul utilizat pentru scanarea 3D a artefactelor prezentate în graficul de mai sus este: Breuckmann optoTOP-HE. Iar timpul efectiv de digitizare este ilustrat cu roșu iar timpul de post procesare al scanărilor este marcat cu verde. Obiectele alese pentru acest studiu de caz sunt realizate din diferite materiale precum: fier, bronz, argint, porțelan, piatră, etc.

Scanerul 3D Breuckmann optoTOP-HE [11] prezentat în figura 2, permite scanarea cu laser fără să utilizeze ținte de poziționare, alinierea suprafeței scanate în raport cu poziția obiectului scanat se realizează utilizând un sistem ce îmbină sistemul de achiziție cu fotogrammetria.

Figura 2. Scanerul 3D Breuckmann optoTOP-HE [11]

Autorii (Pedro Santos și alții, 2014) articolului “The Potential of 3D Internet in the Cultural Heritage Domain” [6] estimează faptul că timpul necesar digitizării complete unui singur artefact de mărimea unui bust este în jur de 36 de ore (Figura 3), timpul acesta include și tipul alocat pregătirii artefactului pentru scanare și achiziția informaților aferente tipului de material.

Figura 3 Timpul necesar achiziției geometriei, a texturii, a materialului și postprocesarea acestora [6]

Datorită timpului îndelungat necesar digitizării, scanarea 3D a artefactelor este folosită doar pentru obiecte de patrimoniu selectate, acest lucru este reflectat și de numărul artefactelor digitizate din cadrul bibliotecilor digitale precum Europeana (care la data de 15.12.2014 conține doar 17.149 de fișiere în format 3D, din totalul de 36.082.236 de fișiere). Cu toate acestea există un potențial foarte mare de digitizare 3D, acest proces având numeroase beneficii incontestabile prezentate anterior.

Digitizarea 3D în masă va fi inițiată doar când următoarele criterii vor fi îndeplinite:

Reducerea costurilor și a timpului;

Creșterea ușurinței de digitizare (intervenția manuală să fie minimă);

Dezvoltarea și stabilirea unor metodologii și fluxuri de lucru

Lucrarea “Methods for 3D digitization of Cultural Heritage” (George Pavlidis și alții, 2007) [1] prezintă un studiu amplu asupra metodele de digitizare 3D. Indiferent de metoda de digitizare, aceasta reprezintă un proces complex care constă în parcurgea următoarelor etape:

Pregătirea (activități preliminare precum pregătirea locului de digitizare, planificarea problemelor de securitate, etc.);

Achiziția digitală (procesul efectiv de înregistrare a geometriei și a texturii);

Prelucrarea datelor (curățarea și unificarea datelor achiziționate, prelucrarea texturii, etc.);

Ca urmare al acestui studiu aceștia au realizat tabelul celor nouă criterii (Tabelul 1). Acesta analizează parametrii ce influențează alegerea optimă a sistemului de digitizare 3D al obiectelor de patrimoniu cultural.

Tabel 1 Cele nouă criterii care influențează alegerea sistemului de digitizare 3D conform [1]

Pornind de la aceste criterii am analizat diferite sisteme de digitizare printre care mai multe soluții de scanare cu laser, fotogrammetria și modelarea asistată de calculator.

Scanarea cu laser

Scanarea cu laser se bazează pe un sistem ce utilizează cel puțin o sursă laser și un detector optic. Sursa laser emite un fascicul laser care este de obicei în forma unei linii pe suprafața obiectului iar detectorul optic detectează acest fascicul laser. Utilizând principiul triangulației această metodă este capabilă să extragă informațiile referitoare la geometria obiectelor.

Avantajul acestei tehnologii de digitizare constă în precizia foarte ridicată ale modelelor 3D digitale. Dezavantajul unor sisteme de scanare este acela ca nu toate pot să achiziționeze textura. De asemenea trebuie acordată o atenție specială anumitor tipuri de obiecte care au un grad de reflexie foarte mare sau sunt transparente. Există anumite sprayuri specifice domeniului de metrologie și scanare 3D care se pot folosi pentru a face obiectele mate, acest spray pulverizează un strat foarte fin pe suprafața obiectului dar în cazul obiectelor de patrimoniu cultural nu este recomandată folosirea acestui spray.

Scanerele laser din cadrul laboratorului de scanare și măsurare 3D al Universității Tehnice din Cluj-Napoca utilizate în realizarea studiului de caz pentru dezvoltarea unei metodologi de digitizare 3D sunt următoarele:

Scanerul Zephyr KZ-50 [12] prezentat în Figura 4 este comercializat de către firma Kreon, reprezintă o soluție foarte versatilă pentru digitizarea 3D a artefactelor de patrimoniu cultural cu o precizie foarte mare (acuratețea scanerului conform specificațiilor tehnice este de 25 µm). Dezavantajul acestei soluții este acela că nu poate înregistra proprietăți vizuale (culoarea/textura) ale artefactului, doar geometria obiectului scanat.

Figura 4 Scanerul Kreon Zephyr KZ-50 montat pe brațul STINGER II

Specificațiile tehnice ale acestui scanner sunt prezentate în Tabelul 2.

Tabel 2. Specificațiile tehnice ale scanerului Kreon Zephyr KZ-50 [12]

Conform specificațiilor tehnice acest scaner laser pare a fi soluția perfectă în ceea ce privește portabilitatea având doar 360 de grame și o dimensiune de gabarit relativ mică. Dar din păcate acest scaner trebuie să fie conectat unui braț de măsurare portabil. Brațul Romer Stinger II (prezentat în Figura 4 în partea stângă ) este comercializat de către Cimcore iar acesta a fost conceput special pentru a fi un sistem de măsurare în coordonate portabil. Specificațiile tehnice ale acestui braț sunt prezentate în tabelul 3.

Tabel 3. Specificațiile tehnice ale brațului Stinger II [13]

Următorul scaner analizat este scanerul VIUscan (Figura 5) comercializat de către Creaform. Acest scanner utilizează ținte de poziționare, astfel obiectul digitizat poate fi translatat sau rotit în timpul scanării. Sistemul de achiziție înregistrează atât geometria cât și textura în aceleași timp, în timp real. Avantajul acestei soluții îl reprezintă ușurința în utilizare și portabilitatea sistemului de scanare.

Figura 5. Scanerul VIUScan

Specificațiile tehnice ale acestui scaner sunt prezentate în tabelul 4, conform specificațiilor oferite de site-ul producătorului. [14]

Tabel 4. Specificațiile tehnice ale scanerului VIUscan

Ultima soluție de scanare 3D analizată este Artec Spider [15]. Acest scaner este similar cu scanerul VIUscan dar avantajul acestuia e faptul că nu folosește ținte de poziționare.

Figura 6. Scanerul Artec Spider

Specificațiile tehnice ale acestui scaner sunt prezentate în tabelul 6

Tabel 6. Specificațiile tehnice ale scanerului Artec Spider

Analizând toate soluțiile de digitizare cu laser disponibile în cadrul laboratorului de măsurare și scanare 3D al Universității Tehnice din Cluj-Napoca am realizat tabelul 7 care prezintă criteriile de digitizare raportate la fiecare soluție de scanare. În funcție de scopul digitizării 3D soluția optimă este diferită, astfel în scopuri de cercetare soluția de scanare cu Werth Multisensor Scope reprezintă soluția ceea mai buna pentru ca oferă o acuratețe foarte mare a digitizării 3D.

Tabel 7 Analiza soluțiilor de scanare 3D pentru a identifica echipamentul optim în funcție de artefact/monument

Metodologie de digitizare 3D a artefactelor

Cele patru soluții de scanare cu laser pe care le-am analizat în cadrul acestei cercetări se pot împărți în două categorii, cele care oferă doar norul de puncte aferent geometriei artefactului digitizat (Kreon Zephyr KZ-50 și Werth Laser Line Probe LLP) și cele care oferă norul de puncte al geometriei digitizate în formatul unei suprafețe generate implicit și textura aferentă acestei suprafețe.

Metodologia propusă pentru reconstituirea artefactelor distruse/incomplete

La nivel conceptual se urmărește crearea unei metodologii care să satisfacă cerințele esențiale restaurării digitale și anume realizarea unui model 3D cu un grad foarte ridicat al fidelității pentru detalii și pentru textura acestuia.

Astfel metodologia presupune scanarea fragmentelor existente și utilizarea acestei scanări ca și punct de pornire al procesului de reconstituire digitală. Reconstituirea digitală se realiză utilizând atât softuri specifice domeniului ingineriei și anume soluții de proiectare asistată de calculator precum CATIA V5R21 dar și softuri specifice graficii digitale precum 3ds Max și Mudbox.

Mudbox 2013 displacement map – pt scut

Toolbox – fiecare element

Trasabilitate

compatibilitate

Validarea metodologiei de reconstituire

Concluzii

Optimizarea modelelor 3D obținute prin scanare 3D

Optimizarea modelelor 3D reprezintă etapa de simplificare care reduce complexitatea modelului 3D pentru a facilita transmiterea acestora în diferite aplicații de realitate virtuală și realitate augmentată.

Dispozitive de scanare 3D produc modele 3D foarte detaliate dar care conțin un număr foarte mare de puncte care necesită spațiu de depozitare foarte mare, iar timpul de încărcare a acestora pe diferite echipamente mobile precum telefoane sau tablete crește.

Scanarea cu laser oferă un mod eficient de achiziție a informaților aferente geometriei 3D captând nori de puncte ce definesc precis suprafețele obiectelor digitizate. Precizia acestor modele este relevată de densitatea acestor puncte.

Modelele 3D au devenit un element important în diferite aplicații precum fabricația asistată de calculator, simulatoare, etc. Reprezentarea convențională a acestora este reprezentarea poligonală dar datorită adoptării sistemelor de scanare cu laser, adoptarea directă a norului de puncte 3D al obiectului scanat a devenit o soluție eficientă.

Găsirea unei abordări eficiente de simplificare care să poată fi aplicată direct pe norul de puncte achiziționat de scanerul 3D pentru a reduce dimensiunea fișierului reprezintă o etapă crucială pentru a putea utiliza modelul 3D în diferite aplicații de realitate virtuală și realitate augmentată pe echipamente care nu dispun de o putere de procesare foarte mare precum telefoanele mobile sau tabletele.

Aspecte cu caracter general

Majoritatea algoritmilor de simplificare a modelelor 3D sunt axate pe modele poligonale, datorită faptului că restul reprezentărilor ale modelelor 3D precum cele ce utilizează NURBS, volumetrice sau suprafețe pot fi convertite cu ușurință în modele poligonale.

Lucrarea “ASM: An adaptive simplification method for 3D point-based models” (Yu Zhiwen și alții, 2010) [16] prezintă următoarele patru categorii pentru algoritmii de simplificare a modelelor 3D poligonale:

Simplificare prin îndepărtarea nodurilor, acest algoritm este ilustrat în Figura 8 și presupune eliminarea unui nod împreună cu toate muchiile adiacente. Deși topologia modelului 3D este menținută eficiența acestui tip de optimizare/simplificare a modelor 3D nu generează modele 3D foarte fidele geometriei inițiale achiziționate de către scanerul 3D.

Figura 7. Simplificarea geometriei prin îndepărtarea nodurilor [16]

Simplificare prin suprapunerea nodurilor. Modelul 3D este împărțit în celule, în funcție de precizia de simplificare distanța dintre aceste celule este redusă sau crescută. Toate nodurile dintr-o celulă sunt grupate și înlocuite de către un singur nod. Acești algoritmi sunt foarte eficienți dar calitatea procesului de simplificare nu este foarte satisfăcător pentru a păstra detaliile modelului 3D. Această metodă de simplificare este ilustrată în Figura 9.

Figura 8. Simplificarea geometriei prin suprapunerea nodurilor [16]

Simplificare prin contracția nodurilor. Acest algoritm este prezentat în Figura 10. Două noduri sunt înlocuite de către un alt nod care este poziționat la mijlocul distanței dintre nodurile inițiale înlocuite. Modul de selectare a nodurilor determină diferența esențială dintre aceste tipuri de algoritmi. Acest tip de simplificare produce modele 3D optimizate care păstrează detaliile suprafeței.

Figura 9. Simplificarea geometriei prin contracția nodurilor [16]

Simplificarea prin simularea și selectarea nodurilor. Acest algoritm selectează inițial un număr de noduri și le distribuie aleatoriu pe suprafața. După aceea un alt algoritm este aplicat pentru a actualiza pozițiile acestor noduri pe suprafața iar în cele din urmă sunt reformate muchiile ce leagă nodurile între ele utilizând aceste particule (noduri) simulate. Algoritmul este ilustrat în Figura 11.

Figura 10. Simplificarea prin simularea nodurilor [16]

Metodologia de optimizare

Există un număr foarte mare de algoritmi de optimizare (simplificare) a modelelor 3D fie algoritmi dezvoltați de diferiți cercetători precum cel prezentat în “Adaptive simplification of point cloud using –means clustering” (Shi Bao și alții, 2011) [17] sau “Topological simplification of isosurfaces in volumetric data using octrees” (James Vanderhyde și Andrzej Szymczak, 2008) [18].

Numeroase articole precum “From 3D reconstruction to virtual reality: A complete methodology for digital archaeological exhibition”(Bruno Fabio și alții, 2010) și “Living the past: 3D models, virtual reality and game engines as tools for supporting archaeology and the reconstruction of cultural heritage – the case-study of the Roman villa of Casal de Freiria” (Rua Halena și alții, 2011) prezintă procesul de digitizare a artefactelor 3D detaliate și modul de creare a versiunilor simplificate pentru diferite aplicații de realitate virtuală și realitate augmentată.

Problema metodologiilor prezentate mai sus îl reprezintă faptul că nu există un control asupra modificărilor geometrice datorate procesului de optimizare. Aceste modificări ale nodurilor artefactelor 3D digitizate trebuie să fie analizate, astfel încât deformațiile să fie minime pentru ca artefactele digitizate să își păstreze detaliile.

Precum este prezentat în “Measuring errors for massive triangle meshes” (Anis Meftah și alții, 2010) reducând cantitatea de date care este utilizată pentru a genera un model generează implicit erori și abateri ale formei care generează modele 3D “deformate” reducând astfel calitatea acestora.

Utilizarea unor algoritmi de optimizare produce inevitabil o denaturare a geometriei suprafeței, iar pentru a estima această denaturare între geometria inițială și cea optimizată este necesară folosirea unor soluții ce permit analiza deviației.

Problema celor mai populare instrumente de estimare a distanței dintre două suprafețe de tipul S2S (surface – to – surface) precum MESH [19] și METRO [20] este aceea că nu funcționează cu modele 3D foarte mari (modele cu foarte multe noduri).

Utilizarea soluției open source – Meshlab pentru a optimiza și a analiza abaterea geometriei artefactului 3D optimizat.

Metodologia de optimizare propusă pentru simplificarea modelelor 3D are ca scop eliminarea nodurilor redundante și menținerea nodurilor reprezentative astfel încât geometria modelului 3D să nu fie deformată. Pentru a realiza această optimizare am utilizat două soluții comerciale de procesare a norilor de puncte și anume CATIA V5 R21 și Geomagic Studio, o soluție open source (Meshlab) și soluția Toolbox Graph realizată de către Gabriel Peyre implementată în MATLAB.

Tehnologiile și metodologiile de digitizare pentru bunurile de patrimoniu cultural sunt ample, abordarea propusă în cadrul acestei teze are caracteristicii distincte.

Metodologia de optimizare a modelelor 3D obținute cu ajutorul scanării cu laser și care urmează să fie integrate în aplicații de realitate virtuală și realitate augmentată pe tablete și telefoane inteligente este prezentată în Figura 12.

Figura 11 Metodologia de optimizare a artefactelor digitzate

Primul pas îl reprezintă scanarea cu laser a artefactului, în urma acestui proces rezultă în funcție de sistemul de scanare ales un nor de puncte aferent modelului digital sau un mesh.

Curățarea scanării se realizează în două etape diferite, fie după scanarea artefactului direct în soluția software de scanare (VXelements, Polygonia) sau într-un software CAD (Catia, 3ds max). Acest pas implică eliminarea punctelor și a geometriei care reprezintă elementul care a fost folosit pe post de suport pentru artefactul scanat.

Următoarea etapă în cazul utilizării unei soluții de scanare ce oferă un nor de puncte este filtrarea norului de puncte. Există mai multe tipuri de filtrări precum filtrare adaptivă, uniformă, mediană, morfologică, binară. Diferențe dintre filtrarea adaptivă și filtrarea uniformă sunt prezentate în Figura13, se poate observa că zonele cu detalii în cazul filtrării adaptive vor avea un număr mai dens de noduri iar în zonele fără detalii densitatea acestora este mult mai mică.

Figura 13 Comparație între filtrarea omogenă și filtrarea adaptivă

În cazul utilizării unei soluții de scanare ce oferă un nor de puncte ca și rezultat al procesului de digitizare se pot utiliza diferite soluții software precum Catia, Geomagic Studio sau Meshlab pentru a genera mesh-ul. Există soluții de scanare precum Viuscan sau Artec Spider care oferă direct mesh-ul obiectului digitizat împreună cu fișierul aferent texturării mesh-ului. Figura 14 prezintă mesh-ul generat direct în soluția software de scanare (VXelements).

Pentru reconstrucția suprafeței dintr-un nor de puncte se utilizează principiul de formare a unui triunghi din trei puncte. Alte operațiuni care sunt necesare finalizării unui mesh complet sunt operații de umplere a găurilor, astfel încât suprafața scanată.

Având mesh-ul complet se poate trece la următoare etapă și anume cel de simplificare. Cele mai multe metode de simplificare sunt axate pe modele 3D poligonale, datorită faptului că restul reprezentărilor pot fi convertite în modele 3D poligonale ușor.

Scopul acestei simplificări este aceea de a reduce numărul de poligoane și de a menține forma cât mai aproape de forma inițială a artefactului scanat. Având în vedere că numărul de poligoane este redus timpul aferent prelucrării sau de încărcare a acestui model în diferite aplicații scade exponențial.

În unele cazuri, artefactul nu poate fi demontat pentru a permite scanarea individuală a fiecărei componente. Pentru artefactele care nu pot fi demontate acestea pot fi scanate în forma lor asamblată și apoi despărțite în mediul virtual cu ajutorului unei soluții CAD de procesare a modelelor 3D.

Figura 14 prezintă cazului unui clește de fier dacic, acesta a fost păstrat în poziția sa deschisă fără posibilitatea a închide fălcile acestuia. Folosind soluția software CAD Catia, modelul 3D scanat a fost împărțit în trei părți și anume falca stângă, nitul și falca dreaptă.

Figura 15 Împărțirea componentelor scanate în mediul virtual

Pentru a realiza următoarea etapă și anume controlul calității al modelului 3D rezultat în urma operației de simplificare a modelului 3D trebuie utilizate soluții software ce permit determinarea deviației maxime și minime între modelul 3D inițial obținut în urma scanării și modelul simplificat.

Figura 16 afișează analiza de deviație utilizând două soluții software CAD și anume CATIA V5R21 și Geomagic Studio 2012), o soluție ce utilizează algoritmul Toolbox Graph implementat în MATLAB de către Gabriel Peyre [21] și o soluție open source – Meshlab.

Modelul 3D din figura 16 este un ciocan dacic scanat, norul de puncte inițial obținut în urma procesului de scanare are 147.780 de poligoane și 70.394 de noduri iar modelul simplificat are 23.463 de poligoane și doar 11.733 de puncte.

Figura 16 Cele patru soluții software utilizate pentru a determina deviația modelelor 3D simplificate

Principalul avantaj al soluției CATIA V5R21 îl reprezintă faptul că se poate interacționa cu analiza de deviație în timp real, cu ajutorul cursorului se poate verifica un anumit punct, iar deviația dimensională este suprapusă în timp real peste modelul 3D precum se poate observa în Figura 17.

Modelul inițial și cel optimizat al ciocanului au fost introduse și în soluția software Geomagic Studio 2012 pentru a realiza analiza de deviație, rezultatele acestei analize sunt prezentate în Figura 18.

Figura 18. Analiza de deviație realizată în Geomagic Studio 2012

Valorile obține în CATIA V5R21 și Geomagic Studio 2012 diferă dar toate valorile se află în intervalul de 0.003 mm pentru abaterea minimă și 0.002 mm pentru abaterea maximă.

Soluția software open source Meshlab utilizează algoritmul Metro [20] prezentat în lucrarea „Metro: measuring error on simplified surfaces” (Paolo Cignoni și alții 1996). Conform site-ului soluției software Meshlab [22], această lucrare a fost citată de peste 500 de ori, iar cu toate ca Metro a rămas și sub forma unui program individual acesta a fost integrat în Meshlab și poate fi accesat utilizând meniul Sampling -> Hausdorff. Același site prezintă un studiu de caz aplicat pe bine cunoscuta statuetă Happy Buddha digitizată în cadrul laboratorului de grafică asistată de calculator al Universității Stanford. [23]

Analiza de deviație în cazul ciocanului dacic digitizat realizat în Meshlab utilizând algoritmul Metro este prezentat în Figura 19. Modelul neoptimizat este ilustrat cu ajutorul culorii albe iar modelul optimizat este colorat cu roșu.

Figura 19. Analiza de deviație utilizând Meshlab – Metro –Hausdorff

După ce se verifica calitatea artefactului simplificat se poate trece la următorul pas și anume texturarea acestuia. Texturarea este operația care oferă calitățile vizuale a modelelor 3D, astfel încât obiectul virtual să poată să reprezinte o copie fidelă a obiectului real. Fișierele aferente texturii oferite de către sistemele de scanare care permit acest lucru trebuie procesate dat fiind faptul că modelele au fost optimizate această textură nu mai este compatibilă cu noul model. Texturarea se poate face în diferite soluții CAD precum Catia, 3ds max, Maya, Blender, etc. Această operație poate fi efectuată în două momente distincte ale metodologiei și anume imediat după ce avem modelul optimizat care poate fi utilizat în aplicații de realitate virtuală pentru ce deformațiile acestuia fața de modelul 3D inițial obținut cu ajutorul scanerului sunt minime. De asemenea această optimizare se poate realiza direct în aplicația de realitate virtuală sau realitate augmentată, aplicații precum Unity, Cryenigne sau Unreal engine permit realizarea materialelor și a texturilor direct în cadrul aplicației.

Conversia 3D este necesară datorită faptului că există foarte multe formate 3D, dar nu toate se pretează aplicațiilor de realitate virtuală și realitate augmentată. Cele mai frecvent utilizate formate pentru aceste aplicații sunt formatele de fișiere *.obj, *.vrml, *.3dxm, *.fbx deoarece aceste formate conțin informații suplimentare precum textura sau animații. Există soluții de scanare precum ViuScan sau Artec Spider care pot să ofere fișiere în format *.obj direct, dar marea majoritate a soluțiilor de scanare oferă formate standard CAD precum *.stl, *.igs, *.stp, sau *.ascii. Dat fiind faptul că în cele mai multe cazuri prelucrarea acestora se face în alte formate decât cele mai sus menționate este necesară conversia 3D.

Există soluții specializate pentru conversie a fișierelor 3D precum (Deep Exploration), în timpul conversiei modelele 3D pot suferi anumite deformații, astfel este importantă verificarea geometriei modelului convertit cu cel inițial.

Metadatele și animațiile sunt necesare pentru a realiza medii de realitate virtuală și realitate augmentată interactive. În cazul obiectelor simple, o rotație în jurul axei Z oferă o imagine de ansamblu a obiectului și elimină necesitatea manipulării manuale.

Metadatale reprezintă toate datele suplimentare care vor fi adăugate modelului 3D în mediu virtual. Acestea pot fi fișiere text, fișiere audio, imagini 2D sau fișiere video. Toate acestea au rolul de a furniza informații suplimentare în cazul în care utilizatorul dorește să le acceseze în timp ce vizualizează modelul 3D în mediu virtual.

Având în vedere că o mare parte din patrimoniul Cultural European face parte din diferite colecții digitale (muzee virtuale, biblioteci digitale) care necesită un efort uriaș pentru gestionare, conservare și arhivare, acestea utilizează standarde pentru managementul metadatelor precum Dublin Core[24] sau CARARE[25]. Adoptarea acestor standarde ar permite integrarea artefactelor digitizate în Europeana sau în alte biblioteci digitale.

Validarea metodei de optimizare

Pentru a valida metodologia propusă de optimizare a modelelor 3D obținute prin scanare cu laser au fost efectuate mai mule studii de caz utilizând diferite artefacte digitizate. Figura 21 a ilustrează cleștele digitizate, iar în Figura 21 b este prezentat norul de puncte obținut în urma scanării, acesta este format din 169.769 de noduri.

Figura 21. (a) Poză a artefactului digitizat, (b) norul de puncte aferent digitizării

Pentru acest model au fost realizate 18 versiuni optimizate, informațiile aferente numărului de noduri și al poligoanelor împreună cu deviațiile maxime și minime obținute utilizând CATIA V5R21, ToolBox Graphs implementată în MATLAB sunt prezentate în tabelul de mai jos. Toate modelele optimizate au fost comparate cu modelul LOD 100 (Level of Detail) care reprezintă modelul neoptimizat.

Cele mai mari abateri sunt pentru nitul rotund, diferența dintre modelul inițial LOD 100, LOD 50, LOD 10 și LOD 1 sunt ilustrate în Figura 22. Pentru a utiliza modelele optimizate în aplicații de realitate virtuală și realitate augmentată trebuie găsit un echilibru între fidelitatea modelului 3D și detaliile acestuia, astfel încât mărimea fișierului să nu fie foarte mare și să permite o încărcare rapidă dar să fie un model ce să prezinte corect geometria artefactului digitizat.

Fișierul LOD 100 are dimensiunea de 16.577 KB în formatul *.STL, format ce oferă doar informații aferente geometriei modelului. Formatul *.FBX utilizat pentru aplicațiile de realitate virtuală și realitate augmentată are 34.256 KB, acest format conține atât informații aferente geometriei cât și texturii.

Figura 22 Diferențele vizuale ale nitului între modelul inițial și două modele optimizate (LOD 10 și LOD 1)

Figura 23 Aspectul vizual al modelului inițial neoptimizat LOD 100 și al modelor optimizat LOD 10 și LOD 1

Având în vedere că deviațiile geometrice ale modelului LOD 10 optimizat nu sunt foarte mari în comparație cu modelul LOD 100 model care a rezultat în urma procesului de scanare cu laser, acest model poate fi folosit în aplicații de realitate augmentată pe tablete și telefoane inteligente. Dimensiunea acestui fișier în format *.FBX (format care conține atât textura cât și geometria) este de doar 3,096 KB în comparație cu fișierul neoptimizat care are 34.256 KB și care ar necesita o conexiune rapidă la internet pentru descărcare într-un timp optim.

Modelele foarte optimizate precum cele între LOD 10 și LOD 1 prezintă deformații foarte mari. În unele cazuri deviațiile geometrice sunt de aproape 1 mm, iar detaliile modelului 3D lipsesc acesta nefiind utilizabil în cazul în care utilizatorul dorește să utilizeze funcția de “zoom” pentru a observa de aproape modelul 3D.

Concluzii

Reducere numărului de poligoane a unui model 3D nu presupune neapărat și reducerea detaliilor, în unele cazuri aceste detalii se pot păstra dacă se utilizează soluții de filtrare adaptivă.

Crearea variantelor optimizate pentru artefactele obținute utilizând diferite tehnici de scanare cu laser nu este o sarcină simplă. Metoda de optimizare trebuie să fie analizată cu atenție astfel încât deformațiile geometrice să nu fie mari și sa nu se piardă detaliile artefactelor.

Metodologia prezentată în cadrul acestui raport utilizează patru soluții software pentru a analiza deformațiile modelelor 3D, aceste soluții utilizează algoritmi diferiți pentru a estima numeric aceste valori. Diferențe obținute utilizând cele patru soluții nu prezintă diferențe semnificative.

Această metodologie a fost prezentată în lucrarea „ METHODOLOGY TO CREATE 3D MODELS FOR AUGMENTED REALITY APPLICATIONS USING SCANNED POINT CLOUDS"[26] în cadrul conferinței “1st International Workshop on Virtual Archaeology Museums & Cultural Tourism” [27] conferință ce a avut loc între 25 – 28 septembrie 2013 în Delpi, Grecia.

Utilizând această metodologie de optimizare am optimizat 15 artefacte dacice din fier, artefacte ce fac parte din inventarul Muzeului Național de Istorie al Transilvaniei, aceste artefacte vor fi utilizate pentru realizarea aplicațiilor interactive de realitate virtuală și realitate augmentată.

Există o mulțime de direcții interesante aferente simplificării modelelor 3D complexe, aceste direcții permit îmbunătățirea calității procesului de optimizare astfel încât detaliile să fie păstrate integral.

Pe măsură ce sistemele de scanare cu laser devin mai eficiente și mai performate, acestea achiziționează un număr tot mai mare de noduri pentru a prelua cu o precizie toate detaliile unui artefact.

Pentru a realiza aplicații virtuale de prezentare a obiectelor digitizate către publicul larg se pot utiliza variantele optimizate ale modelor 3D, dar în cazul în care se realizează diferite cercetări și analize asupra detaliilor artefactelor este recomandat să se utilizeze modelul neoptimizat care permite vizualizarea geometriei achiziționate de către sistemul de scanare.

Aspecte cu caracter general

Metoda Analytical Hierarchy Process (AHP)

Metoda Quality Function Depolyment (QFD)

Metoda Teoriei de rezolvare inventivă a problemelor (TRIZ)

Cerințele mediului de realitate virtuală

Diseminarea

Concluzii

Referințe

1. Pavlidis, G., et al., Methods for 3D digitization of Cultural Heritage. Journal of Cultural Heritage, 2007. 8(1): p. 93-98.

2. Ioannides, M. and E. Quak, 3D Research Challenges in Cultural Heritage. 2014: Springer. 143.

3. Conferinta EuroMed 2012. [14.12.2014]; Available from: http://www.euromed2012.eu/).

4. Gomes, L., O. Regina Pereira Bellon, and L. Silva, 3D reconstruction methods for digital preservation of cultural heritage: A survey. Pattern Recognition Letters, 2014. 50(0): p. 3-14.

5. Muzeul National de Istorie a Transilvaniei. 14.12.2014]; Available from: http://www.mnit.ro/.

6. Santos, P., et al., The Potential of 3D Internet in the Cultural Heritage Domain, in 3D Research Challenges in Cultural Heritage, M. Ioannides and E. Quak, Editors. 2014, Springer Berlin Heidelberg. p. 1-17.

7. Institutul Fraunhofer IGD. 15.12.2014]; Available from: https://www.igd.fraunhofer.de/en.

8. Muzeul Nou al Berlinului. [14.12.2014]; Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Neues_Museum.

9. Muzeul Victoria si Albert. [14.12.2014]; Available from: http://www.vam.ac.uk/.

10. Proiectul 3D-COFORM. [14.12.2014]; Available from: http://www.3d-coform.eu/.

11. Scaner Breuckmann optoTOP-HE. [15.12.2014]; Available from: http://www.accurexmeasure.com/optotop.htm.

12. Specificatii Kreon Zephyr KZ-50. [16.12.2014]; Available from: http://www.kreon3d.com/zephyr/.

13. Bratul Stinger II. [16.12.2014]; Available from: http://www.cmmxyz.com/romer-stinger-ii-12-arm.

14. Scanerul VIUscan. [16.12.2014]; Available from: http://www.ems-usa.com/Creaform_VIUscan.html.

15. Scanerul Artec Spider. [16.12.2014]; Available from: http://www.artec3d.com/hardware/artec-spider/.

16. Yu, Z., et al., ASM: An adaptive simplification method for 3D point-based models. Computer-Aided Design, 2010. 42(7): p. 598-612.

17. Shi, B.-Q., J. Liang, and Q. Liu, Adaptive simplification of point cloud using -means clustering. Computer-Aided Design, 2011. 43(8): p. 910-922.

18. Vanderhyde, J. and A. Szymczak, Topological simplification of isosurfaces in volumetric data using octrees. Graphical Models, 2008. 70(1–2): p. 16-31.

19. Meftah, A., et al. Measuring errors for massive triangle meshes. in Multimedia Signal Processing (MMSP), 2010 IEEE International Workshop on. 2010.

20. Cignoni, P., C. Rocchini, and R. Scopigno, Metro: measuring error on simplified surfaces. 1996, Centre National de la Recherche Scientifique.

21. Toolbox Graph – MATLAB. [18.12.2014]; Available from: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/5355-toolbox-graph.

22. Meshlab measuring the distance [18.12.2014]; Available from: http://meshlabstuff.blogspot.ro/2010/01/measuring-difference-between-two-meshes.html.

23. Scanarea – Happy Buddha. [18.12.2014]; Available from: http://graphics.stanford.edu/data/3Dscanrep/.

24. Schema Dublin Core Metadata. [18.12.2014]; Available from: http://dublincore.org/.

25. Schema – CARARE pt metadata. [18.12.2014]; Available from: http://carare.eu/slk/Resources/CARARE-Documentation/CARARE-metadata-schema.

26. Comes, R., et al., METHODOLOGY TO CREATE 3D MODELS FOR AUGMENTED REALITY APPLICATIONS USING SCANNED POINT CLOUDS. Mediterranean Archaeology & Archaeometry, 2014. 14(4): p. 35-44.

27. Conferinta VAMCT 2013. [20.12.2014]; Available from: http://vamct.syros.aegean.gr/2013/aims-scope.shtml.