MODELAGEM BIM A PARTIR DE NUVEM DE PONTOS E RESTITUIÇÃO FOTOGRAMÉTRICA: ESTUDOS DE CASO PARA DOCUMENTAÇÃO ARQUITETÔNICA

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1 MODELAGEM BIM A PARTIR DE NUVEM DE PONTOS E RESTITUIÇÃO FOTOGRAMÉTRICA: ESTUDOS DE CASO PARA DOCUMENTAÇÃO ARQUITETÔNICA Aline Lago Guimarães (a) Universidade Federal da Bahia (UFBA) Natalie Johanna Groetelaars (b) Universidade Federal da Bahia (UFBA) Arivaldo Leão de Amorim (c) Universidade Federal da Bahia (UFBA) (a) lineguimaraes@yahoo.com.br; (b) natgroet@ufba.br; (c) alamorim@ufba.br RESUMO O presente artigo apresenta e discute estudos de caso realizados em uma edificação existente da FAUFBA (Casa Rosa), com uso das mais modernas tecnologias para captura de dados geométricos a partir de fotografias: (1) Fotogrametria Digital, para a obtenção do modelo de superfícies, e (2) Dense Stereo Matching (DSM), para a geração da nuvem de pontos. Esses modelos serviram como referência para a modelagem BIM (Building Information Modeling) da Casa Rosa no software Revit Architecture, a partir de processos mais interativos (sem plug-in) e mais automatizados (com a utilização do plug-in Scan to BIM). Ao final dos experimentos, foi possível comparar os processos de modelagem e avaliar os resultados obtidos. Pôde-se constatar o grande potencial dessas tecnologias para a documentação arquitetônica, superando as tradicionais técnicas de levantamento. Cada técnica utilizada apresentou vantagens e limitações. A escolha da mais adequada vai depender essencialmente das características do objeto a ser levantado, dos produtos e dos níveis de precisão requeridos. Palavras-chave: Nuvem de pontos. Modelo BIM. Fotogrametria Digital. Documentação Arquitetônica. ABSTRACT This article presents and discusses some case studies carried out in a existing building of FAUFBA (Casa Rosa) using the most modern technologies to geometric data capture from photographs: (1) Digital Photogrammetry, for obtaining surface model, and (2) Dense Stereo Matching (DSM), for generating point cloud model. These models served as reference for BIM modeling (Building Information Modeling) of Casa Rosa in Revit Architecture software, by more interactive (without plug-in) and automated processes (with the use of Scan to BIM plug-in). At the end of the experiments, it was possible to compare the modeling processes and evaluate the obtained results. We could see the great potential of these technologies to architectural documentation, overcoming the traditional survey techniques. Each used technique presented advantages and limitations. The most appropriate choice will depend mainly on the characteristics of the object to be documented, on the products and on the levels of accuracy required. Keywords: Point Cloud. BIM Model. Digital Photogrammetry. Architectural Documentation. 1

2 1. INTRODUÇÃO Existe uma grande quantidade de edifícios de valor histórico-cultural que vem sofrendo com a ação do tempo e do homem. A documentação desses monumentos é imprescindível, não só para preservação da memória, como para permitir ou viabilizar ações de conservação e restauração. Em muitos casos, a documentação de monumentos históricos é realizada com o auxílio de técnicas tradicionais de levantamento, como por exemplo, a medição direta. São técnicas lentas e apresentam dificuldade na representação de formas mais complexas e de grandes dimensões. Neste sentido, visando superar as limitações dos métodos tradicionais de aquisição de dados e representação, apresentam-se nesse artigo, estudos realizados com as mais modernas tecnologias para captura de dados geométricos a Fotogrametria Digital e o Dense Stereo Matching (DSM), e para a representação e gerenciamento de edificações a Modelagem de Informação da Construção (Building Information Modeling BIM). A seguir, são apresentados os aspectos conceituais dessas tecnologias e discutidos os experimentos realizados visando à modelagem BIM de uma edificação existente, tomando-se como referência modelos geométricos básicos gerados por Fotogrametria Digital e por DSM. Ao final, são analisados os métodos utilizados e os produtos gerados, destacando as potencialidades e as limitações dessas tecnologias para a documentação arquitetônica. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Revisão de literatura A Fotogrametria Digital permite obter, de forma precisa, uma série de produtos a partir de fotografias tomadas do objeto ou da cena de interesse, como desenhos, modelos geométricos (fotorrealísticos ou não), fotos retificadas e ortofotos. As técnicas mais conhecidas de monorrestituição e restituição de fotos convergentes, ambas a partir de processos essencialmente interativos, são mais adequadas para o levantamento de objetos que apresentam pontos facilmente identificáveis nas fotografias, como vértices e arestas bem definidas. Quando se trata de formas mais complexas e irregulares, os sistemas de captura de nuvens de pontos parecem ser os mais adequados. A nuvem de pontos é um modelo geométrico formado por um conjunto de pontos de coordenadas tridimensionais (x, y e z) conhecidas, localizados sobre a superfície do objeto, os quais possuem um ou mais atributos associados ao mesmo, como por exemplo, a cor visível do ponto ou a refletância do material, dentre outras possibilidades (GROETELAARS; AMORIM, 2011). 2

3 O modelo de nuvem de pontos pode ser obtido por processamento de imagens fotográficas, através da técnica Dense Stereo Matching, ou através da varredura a laser do objeto com o equipamento 3D Laser Scanner. A obtenção da nuvem de pontos por fotografias, empregando a técnica Dense Stereo Matching, apresenta menor custo, porém é um processo mais lento, se comparado ao 3D Laser Scanning, devido à necessidade de ser processar as imagens capturadas para depois se obter a nuvem de pontos. Além disso, é importante que a superfície a ser modelada tenha uma textura não uniforme, de modo a produzir uma diferenciação do aspecto dessa superfície, que possibilitará a correlação automática de conjuntos de pixeis das fotografias (tomadas de pontos diferentes do mesmo objeto), para a obtenção das coordenadas tridimensionais dos pontos. Geralmente os dados adquiridos ou gerados por essas técnicas de levantamento precisam ser processados, para obtenção de outros produtos. Os produtos mais comuns e tradicionalmente gerados para a documentação arquitetônica são os desenhos e, em menor quantidade, os modelos geométricos de superfícies (fotorrealísticos ou não). Apesar de poderem ser usados para várias aplicações, esses produtos apresentam limitações, como ambiguidades e inconsistências nos registros dos objetos. A tecnologia BIM possibilita a criação de um modelo único e parametrizado, que permite armazenar não somente dados geométricos, como informações semânticas dos elementos construtivos de uma edificação. A vantagem de se trabalhar com um modelo único é a eliminação da redundância de informações, reduzindo as ambiguidades de representação nas pranchas de desenho, já que as vistas e seções podem ser criadas automaticamente, definindo-se o plano de corte na posição desejada do modelo. Além disso, a tecnologia BIM facilita o trabalho colaborativo com o compartilhamento da informação, possibilitando a manipulação do modelo da edificação ao longo do seu ciclo de vida, permitindo análises e simulações em projetos de intervenção e auxiliando na manutenção e na operação da edificação. A tecnologia BIM tem sido muito explorada na etapa de projeto de novas edificações. No entanto, verifica-se na literatura que existem poucos estudos que tratam da produção de modelos BIM de edificações existentes. Foi possível encontrar na literatura alguns experimentos utilizando este tipo de metodologia, porém com várias limitações na modelagem a partir de nuvem de pontos, uma vez que esta servia somente como base de comparação (e de atualização) do modelo BIM, normalmente gerado a partir de desenhos em CAD, já existentes (ATTAR et al., 2010; MAUCK; GEE, 2010). 3

4 2.2. Experimentos A seguir, são descritos os experimentos realizados na Casa Rosa (antiga diretoria), edificação existente na Faculdade de Arquitetura da Universidade Federal da Bahia. Inicialmente, foi realizada a aquisição de dados geométricos dessa edificação para a geração dos modelos de nuvem de pontos e de superfícies. A nuvem de pontos foi gerada no programa 123D Catch, da Autodesk, ferramenta para DSM com processamento das imagens via web, realizada nos servidores da softhouse. Já o modelo de superfícies, foi gerado no Photomodeler Scanner 2012, da Eos Systems, um dos programas para Fotogrametria Digital mais difundidos internacionalmente. Em seguida, foram realizados os testes de modelagem BIM no Revit Architecture 2012, da Autodesk, tomando-se como referência, primeiramente a nuvem de pontos, e depois o modelo de superfícies. Nos primeiros testes, utilizou-se a nuvem de pontos apenas como referência para a modelagem (sem plug-in). Dada à dificuldade e à morosidade desse processo, foi selecionado e estudado o plug-in Scan to BIM 2012 (da Imaginit Technologies), visando automatizar diversas etapas da modelagem a partir da nuvem de pontos. O Scan to BIM permitiu selecionar trechos da nuvem de pontos (da parte externa da edificação) e associá-los a elementos construtivos da biblioteca de famílias do Revit, automatizando o processo da modelagem paramétrica. Para a criação do elemento parede, por exemplo, era necessário selecionar três pontos no modelo de nuvem de pontos (pertencentes a um plano) para a obtenção de uma superfície a ser associada ao elemento "parede" do Revit. Posteriormente, era necessário realizar alguns ajustes (interativos) para correção dos limites das paredes. A Figura 1 ilustra o modelo BIM gerado a partir da nuvem de pontos, com uso do plug-in Scan to BIM. Dentre as principais dificuldades encontradas nesse experimento, destaca-se a modelagem dos detalhes da edificação, devido à baixa densidade da nuvem de pontos, à grande quantidade de ruídos e de vazios (trechos sem informações) no modelo. Esses problemas foram decorrentes principalmente da presença de obstáculos e de trechos pouco (ou não) fotografados. Além disso, não foi possível modelar os pisos da edificação e as paredes internas, já que a tomada fotográfica contemplou apenas o exterior da edificação. Outra dificuldade foi a modelagem do telhado, devido à dificuldade de se fotografar a parte superior da edificação. 4

5 Figura 1: Modelo geométrico paramétrico da Casa Rosa, criado no Revit, a partir do modelo de nuvem de pontos. Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD, Posteriormente, foi realizada a modelagem BIM a partir do modelo geométrico de superfícies (Figura 2). Este processo foi mais demorado, já que não foi permitida a associação direta das superfícies a um elemento construtivo do Revit, tornando a modelagem mais interativa. Foi feita a modelagem paramétrica de cada superfície, utilizando os seus limites para a definição das feições do modelo (Figura 3a). Assim como o modelo a partir de nuvem de pontos, não foi possível realizar a modelagem do telhado da edificação. Apesar de esse processo ter requerido mais tempo do usuário, o modelo de superfícies permitiu uma modelagem mais precisa, possibilitando melhor definição dos limites da edificação e dos detalhes, gerados pela Fotogrametria. Foi possível a modelagem paramétrica dos detalhes (Figura 3b), tomando-se como base as superfícies geradas pela restituição fotogramétrica. Figura 2: Modelo de superfícies parcial da Casa Rosa, criado no PhotoModeler. Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD,

6 A B Figura 3: Modelo geométrico paramétrico parcial da Casa Rosa, criado no Revit, a partir do modelo de superfícies: (a) Perspectiva do modelo BIM criado; (b) Detalhe de um ornamento. Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD, A modelagem a partir de superfícies permitiu ainda a aplicação de textura fotorrealística como material de acabamento externo de um elemento "parede" do Revit, utilizando a ortofoto da fachada principal gerada pela Fotogrametria Digital (Figura 4). Figura 4: Aplicação de textura no elemento "parede" do Revit, utilizando a ortofoto correspondente.fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD, RESULTADOS E DISCUSSÕES Ao final dos experimentos foi possível comparar as duas técnicas aqui apresentadas: a criação de modelos BIM a partir de nuvem de pontos e a partir de modelos de superfícies. A criação de modelos BIM a partir de nuvem de pontos, utilizando a técnica Dense Stereo Matching (DSM), apresentou grandes vantagens com relação à etapa de levantamento dos dados geométricos (obtenção do modelo base, na forma de nuvem de pontos). Isto aconteceu devido à rapidez na aquisição das informações tridimensionais, através de processos automatizados de correlação entre fotografias, que foram realizados no software 123D Catch. Apesar do plug-in do Revit permitir acelerar o processo de modelagem dos elementos construtivos paramétricos, a partir da seleção de trechos da nuvem de pontos, foram identificadas algumas limitações deste método. O principal problema refere-se à dificuldade de identificação 6

7 das feições e contornos (arestas) dos objetos, principalmente devido à baixa densidade dos pontos do modelo gerado por DSM neste experimento. Vale destacar que a baixa densidade da nuvem de pontos gerada foi decorrente tanto das limitações do programa utilizado (123D Catch), que não permitiu definir com precisão o nível de detalhamento do modelo gerado (ou seja, o valor exato de afastamento entre os pontos), como da não utilização de fotos tomadas mais próximas (maior resolução) de determinados detalhes. Com relação à criação do modelo BIM a partir do modelo de superfícies, as maiores desvantagens referem-se à fase de aquisição dos dados (geração do modelo de superfícies). A restituição fotogramétrica no PhotoModeler é lenta, requerendo bastante tempo do usuário para identificação (interativa) dos pontos homólogos das feições de interesse nas diversas fotos, e para a criação das superfícies dos objetos. A grande vantagem desta técnica foi na etapa da modelagem BIM. O modelo de superfícies permitiu uma maior precisão no modelo final, uma vez que se baseou nos contornos dos objetos definidos na etapa de restituição digital no PhotoModeler. No entanto, foi necessário realizar uma nova modelagem sobre o produto fotogramétrico importado no Revit, já que a ferramenta BIM (com ou sem plug-in) não permitiu a associação (direta) das superfícies a componentes construtivos paramétricos do Revit. Esta técnica ofereceu ainda a possibilidade de utilização de textura fotorrealística, aplicando-se as ortofotos (geradas no PhotoModeler) sobre o modelo BIM, como um elemento de revestimento da parede. Com base nos experimentos supracitados e nos modelos produzidos foi possível fazer uma comparação da precisão do modelo BIM gerado a partir da nuvem de pontos (Figura 5, em branco), e do modelo BIM gerado a partir do modelo de superfícies (Figura 5, em azul), analisando a sobreposição dos elementos externos da edificação. 7

8 LEGENDA Modelo BIM a partir de nuvem de pontos Modelo BIM a partir de superfícies Figura 5: Sobreposição dos modelos BIM criados a partir de nuvem de pontos e a partir de superfícies. Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD, De forma geral, houve pequena diferença entre os dois modelos produzidos. As maiores diferenças ocorreram nos trechos da edificação que tiveram problemas na etapa de levantamento, seja por nuvem de pontos ou por superfícies (Figura 6). Como se pode observar na Figura 6a, faltaram informações em alguns trechos do modelo de nuvem (como a parede no centro da imagem). Isto foi devido à baixa densidade de pontos em alguns trechos, à ocorrência de ruídos e ainda à falta de informação em algumas áreas, pela presença de obstáculos à frente da edificação, ou ainda, quando a textura da superfície era muito homogênea. Já o modelo de superfícies permitiu a identificação de mais feições, permitindo um modelo com maior nível de detalhe (Figura 6b). A B Figura 6: Detalhe do modelo geométrico paramétrico da Casa Rosa, gerado no Revit: (a) Modelo BIM criado a partir de nuvem de pontos; (b) Modelo BIM criado a partir de superfícies. Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD,

9 Além da análise dos produtos gerados nos dois processos, é importante ressaltar o processo de escolha do plug-in que foi utilizado. Antes do experimento da Casa Rosa, foram realizados estudos também com o plug-in Feature Extraction da Autodesk (disponibilizado gratuitamente na internet e em fase de testes), além do Scan to BIM. Após os estudos com os dois plug-ins foi possível avaliar a modelagem a partir de nuvem de pontos através de três processos: sem plug-in, com o Scan to BIM e com o Feature Extraction. O estudo dos plug-ins representou grandes vantagens em relação à modelagem interativa no Revit (sem plug-in), havendo algumas diferenças entre eles (Quadro 1). As principais dificuldades do Scan to BIM, foi a falta de licença do programa (tendo que se limitar ao período de testes de um mês) e a menor automatização na modelagem de paredes, se comparado ao Autodesk Feature Extraction. Mas, por outro lado, o Scan to BIM permitiu acelerar a modelagem das esquadrias e gerar relatórios de análise da precisão dos resultados obtidos, que se mostraram satisfatórios. O Autodesk Feature Extraction apresentou algumas limitações, possivelmente por ser um plug-in ainda em fase de testes. O grande diferencial deste programa foi a rápida construção de paredes, muito mais automatizada, necessitando apenas de ajustes feitos pelo usuário. Tabela 1: Comparação dos plug-ins com a modelagem interativa AUTOMATIZAÇÃO SEM PLUG-IN SCAN TO BIM FEATURE EXTRACTION Ajuste dos eixos - - Reconhecimento dos níveis da edificação - - Terreno - Plataforma implantação de Piso - Paredes retas - Paredes curvas Somente cilíndricas Esquadrias - Somente painéis de vidro - Geração de relatórios de precisão - - Fonte: Elaborado por Aline Guimarães, LCAD, Necessita de alta densidade de pontos nos pisos Necessita de alta densidade de pontos no piso 4. CONCLUSÕES As técnicas de criação de modelos BIM a partir de nuvem de pontos e de superfícies, desenvolvidas neste trabalho, mostraram resultados bastante promissores para a área de documentação arquitetônica, facilitando a aquisição de dados e o posterior processamento destes, superando as tradicionais técnicas de levantamento arquitetônico. 9

10 Cada técnica apresentou vantagens e limitações. A escolha da mais adequada vai depender essencialmente das características do objeto a ser levantado, dos produtos e níveis de precisão requeridos. No entanto, para a maioria das aplicações é interessante o uso integrado de diversas técnicas de levantamento, de modo a automatizar diversas etapas e obter produtos mais precisos, completos e de melhor qualidade, uma vez que somam as potencialidades de cada técnica para resolver problemas específicos. Vale ressaltar que muitas das limitações encontradas nesses experimentos são decorrentes de problemas identificados na etapa de aquisição de dados, como falta de fotografias tomadas de determinados ângulos e detalhes, além das limitações do programa utilizado, que não permitiu a definição precisa do espaçamento entre os pontos (da nuvem de pontos). Neste sentido, é importante realizar novos experimentos, visando o estabelecimento de métodos e processos mais adequados de levantamento e representação arquitetônica. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de iniciação científica concedida. E à FINEP, pelo apoio financeiro referente ao projeto TIC-HIS, elaborado em resposta à CHAMADA PÚBLICA MCT / FINEP / Ação Transversal 7 / REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ATTAR, Ramtin et al. 210 King Street: A Dataset for Integrated Performance Assessment. In: SIMAUD SYMPOSIUM ON SIMULATION FOR ARCHITECTURE AND URBAN, 2010, Orlando. Proceedings Orlando: SIMAUD, GROETELAARS, Natalie Johanna; AMORIM, Arivaldo Leão de. Nuvem de pontos na criação de modelos BIM: aplicações em documentação arquitetônica. In: TIC ENCONTRO DE TECNOLOGIA DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO CIVIL, 5., 2011, Salvador. Anais eletrônicos... Salvador: FAUFBA, MAUCK, Bob; GEE, Richard. Chicago Federal Center: Improving Scan to Revit Modeling through Lean Inspired Workflows and Advanced Technologies, SparView, v. 8, n. 5, 29 março,