ANÁLISES DE FLUXO DE TRABALHO EM IMAGENS 3D CAPTURADAS COM O LASER SCANNER HDS LEICA 6000 EM ORNAMENTOS ARQUITETÔNICOS DO CASTELO BARROCO DE BRUCHSAL Delson Lima Filho Departamento de Arquitetura e Urbanismo, UFRRJ delima@ufrrj.br Artur Caldas Brandão Departamento de Transportes, Escola Politécnica, UFBA acaldas@ufba.br Arivaldo Leão de Amorim LCAD, Faculdade de Arquitetura, UFBA alamorim@ufba.br Thomas Vögtle Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, KIT Thomas.voegtle@kit.edu RESUMO Este trabalho apresenta os resultados parciais obtidos com o emprego das ferramentas do software Geomagic Studio 10 e Cyclone 5.8, aplicadas às nuvens de pontos capturadas pelo laser scanner HDS Leica 6000, de três ornamentos arquitetônicos do Castelo Barroco de Bruchsal, Alemanha. O presente estudo, ainda em desenvolvimento, utiliza as ferramentas computacionais disponíveis no Laboratório do IPF- Instituto de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto (Institute of Photogrammetry and Remote Sensing), da KIT- Karlsruhe Institute of Technologie, Alemanha. O objetivo principal é demonstrar o fluxo de trabalho e suas viabilidades, enfatizando a velocidade e a economia de tempo, buscando encontrar uma técnica semi-automática de correção de modelagem 3D com emprego dos filtros disponíveis nos software, com intervenção mínima do operador. Palavras-chave: Modelagem geométrica. Laser scanner. Documentação arquitetônica. Patrimônio. ABSTRACT This paper presents the partial results obtained by use of the software tools Geomagic Studio 10 and Cyclone 5.8, applied to point clouds captured of three architectural ornamentation of the Baroque Castle of Bruchsal, Germany, using the laser scanner Leica HDS 6000. This study, still in development, uses computational tools available on the IPF- Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, of KIT- Karlsruhe Institute of Technologie, Germany. The main objective is to demonstrate the workflow and its viability, emphasizing speed and economy of time, trying to find a semi-automatic technique for correction of 3D modeling with the use of filters available in the software, with minimal operator intervention. Keywords: Geometric modelling. Laser scanning. Documentation. Architectural heritage.
2 1 INTRODUÇÃO Neste momento, há uma demanda crescente por modelos geométricos digitais tridimensionais dos objetos complexos. As operações com os modelos digitais 3D superaram, com a vantagem do cálculo, da computação e das plotagens, aquilo que no passado dependia da habilidade manual. Dessa forma, os modelos digitais, capturados por intensidade ou profundidade (Albuquerque, 2006), podem ser utilizados no reconhecimento, na inspeção, na representação, no planejamento, na visualização, na navegação, na simulação e na análise. A captura de imagens por digitalização 3D, sem contato, principalmente com emprego dos digitalizadores a laser, constitui o estado-da-arte da modelagem, e, por isso, atrai os profissionais que utilizam a modelagem geométrica na indústria, na medicina, na arte, na arqueologia, na arquitetura, no entretenimento, na segurança, na defesa e em muitas outras áreas do conhecimento humano. De sorte que, o programa Probral/UFBA/KIT 1, inseriu alunos de doutorado do PPGAU/UFBA, neste novo mundo das representações, com acesso as tecnologias digitais de última geração, em estágio tipo sanduíche, junto ao IPF Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, do KIT Karlsruher Institut für Technologie. Assim, este artigo apresenta parte dos resultados alcançados com os estudos realizadas com nuvens de pontos capturadas de três ornamentos arquitetônicos do Castelo Barroco de Bruchsal, Alemanha. 1.1 O Castelo Barroco de Bruchsal O Castelo Barroco de Bruchsal começou a ser construído no ano de 1720 pelo Arquiteto Maximilian Von Weisch. Foi posteriormente reformado pelo Engenheiro Arquiteto Johann Balthasar Neumann, um dos arquitetos mais importantes da Alemanha, no século XVIII e, ao qual é dado especial destaque na história da arquitetura Barroca alemã (HASMANN, 1986). Como importância histórica, destaca-se que este castelo foi residência do Príncipe Bispo de Speyer. Durante a Segunda Guerra Mundial este patrimônio histórico foi fortemente bombardeado, sendo quase totalmente destruído, teve a sua reconstrução possibilitada por fotografias, desenhos, filmes e outros registros de sua arquitetura e do ornamento. Outros castelos históricos da Alemanha, também atingidos pela guerra, tiveram suas reconstruções possibilitadas pelo registro de suas imagens.
3 Tragédias, acidentes, violências e outras ações destrutivas são ameaças constantes a todo tipo de patrimônio, de todos os povos. Então, registrar, documentar, cadastrar, inventariar, são ações que motivam o estudo de técnicas de captura de imagens de objetos físicos que possam gerar modelos geométricos digitais, que sejam úteis aos procedimentos da conservação e do restauro. Acredita-se que a aprendizagem e a utilização das tecnologias digitais disponíveis na Alemanha, podem colaborar com ações e procedimentos hoje utilizados na documentação do patrimônio histórico e cultural brasileiro. A bibliografia (MAXWELL, 1995; REED, 1998; PAGE et al., 2003), mostra que os digitalizadores conhecidos por laser scanner, fixos ou móveis, fornecem dados confiáveis com aplicações em diversas áreas do conhecimento. Os modelos geométricos digitais 3D, utilizados na documentação do ornamento barroco, por suas complexas especificidades geométricas, se apresentam como mais uma contribuição para as disciplinas que atuam com a finalidade de conservação e (ou) restauro do patrimônio arquitetônico. Considerando parte das atividades da conservação e do restauro a geração de ações necessárias ao enfrentamento dos efeitos do tempo, relativa às causas naturais da própria matéria inorgânica e dos efeitos, muitas vezes nocivos, decorrentes de ações dos seres orgânicos. 2 DESENVOLVIMENTO 2.1 Tarefa inicial proposta pelo grupo de trabalho do IPF/KIT A partir de nuvens de pontos adquiridas pelo laser scanner HDS Leica 6000, em ornamentos Barroco do Castelo de Bruchsal, demonstrar o fluxo de trabalho do software Geomagic Studio 10 e Cyclone 5.8 e suas viabilidades, sob as configurações existentes no Laboratório do IPF, enfatizando a velocidade e a economia de tempo, da técnica de correção automática de modelagem 3D, com o mínimo de intervenção do operador. 2.2 Metodologia Foram tomadas, como elementos básicos, três imagens (vistas) capturadas de três ornamentos do Castelo Barroco de Bruchsal, assim classificados: Ornamento a pouco reflexivo em arenito lareira. Identificado neste estudo com o nome de kamim;
4 Ornamento b média refletividade gesso estuque com detalhes de películas douradas localizado sobre a escada e, por isso, identificado neste estudo com o nome de treppe; Ornamento c grande refletividade gesso estuque totalmente coberto com película dourada localizado na parede do Salão. Por isso, identificado neste estudo com o nome de halle. 2.3 Desdobramento das propostas iniciais - Verificar o tamanho máximo da nuvem de pontos suportada pelo software Geomagic Studio 10; - Operar arquivos menores efetuando cortes nos arquivos ptx utilizando o software Cyclone 5.8; - Testar os diferentes filtros do Geomagic Studio 10; - Identificar o melhor filtro de ruído do Geomagic Studio 10; - Efetuar modelagem 3D, utilizando a superfície triangulada: eliminando e fechando lacunas; - Testar a suavização de superfície antes da utilização da ferramenta wrap. 2.4 Características do hardware disponível no LAB/IPF Os arquivos treppe.ptx, Halle.ptx e kamin.ptx foram processados, neste trabalho, em um PC com sistema Microsoft Windows XP, Professional, version 2002, service Pack 3, processador Intel Core 2 CPU, 6300 @ 1.86 GHz, 1.40 GHz, 1.00 GB RAM, 32 bit. Placa de vídeo Plug and play Monitor MIT NVIDIA Geforce 7600GS. 2.5 Desenvolvimento Partiu-se do princípio que a reconstrução 3D é uma tecnologia de modelagem que está compreendida em três etapas, segundo Albuquerque (2006): a) Aquisição de dados, b) registro ou alinhamento de imagens múltiplas e c) integração de vistas ou reconstrução da superfície. 2.5.1 Aquisição dos dados Há uma grande variedade de digitalizadores de objetos. Dependendo da profundidade, a digitalização pode ser microscópica ou macroscópica (fotogrametria e sensoriamento remoto). Neste estudo, foi utilizado um laser scanner estacionário e realizadas três tomadas de cada objeto, com o equipamento em posições distintas. Importante salientar a necessidade de
5 localização de quatro alvos esféricos cujos posicionamentos permitiram a visualização das três aquisições. Como pode ser visto na Figura 1. (a) (b) (c) Figura 1 Ornamento a (kamin): (a) primeira captura; (b) segunda captura; (c) terceira captura Figura 2 Ornamento b (treppe): baixo relevo em gesso, localizado sobre a escada Na tela do monitor, Figura 3, é possível verificar os riscos verticais escuros que correspondem aos efeitos do laser sobre os detalhes dourados. Ver imagem da nuvem de pontos da Figura 5. São essas linhas que correspondem aos efeitos dos ruídos estudados neste trabalho. Figura 3 Ruídos visíveis nos detalhes dourados
6 Figura 4 Ornamento c (halle) Baixo relevo localizado na parede do salão 2.5.2 Registro ou alinhamento de imagens múltiplas Os registros e os alinhamentos das três imagens, dos três objetos descritos no item 2.2, foram realizados com o software Cyclone 5.8. Alinhar imagens é o mesmo que uni-las em um sistema de coordenadas comum ou global (ALBUQUERQUE, 2006), que tanto pode ser um sistema centrado no objeto como centrado em uma das vistas. Nessa etapa foi fundamental o posicionamento dos alvos (ver Figura 2), que serviram de pontos de controle, identificáveis em todas as tomadas (vistas). 2.5.3 Integração de vistas ou reconstrução da superfície Busca-se, em todas as reconstruções, utilizar-se dos cuidados necessários para que o resultado final possibilite a melhor correspondência entre a superfície do objeto físico (objeto real) e a do modelo geométrico. Esta correspondência deve ser realizada de modo a não permitir brechas nem distorções. A fase crítica deste trabalho foi a elaboração do modelo geométrico 3D do ornamento Barroco. Houve muito ruído, regiões não digitalizadas, devido a complexidade ornamental do mencionado estilo e, possível baixa resolução, pelo pouco tempo disponível na aquisição e pelo número de tomadas. Todos esses fatores podem ter afetado o alinhamento e a reconstrução da superfície. Estes problemas foram facilmente avaliados pela crítica visual durante a elaboração dos modelos.
7 2.6 Respostas às propostas iniciais I) Verificar o tamanho máximo da nuvem de pontos suportada pelo software Geomagic Studio 10. A Tabela 1 mostra que todos os arquivos operados foram abertos, com 100% da nuvem de pontos. Vê-se que, no tempo (1) a abertura dos arquivos variou de 00h:00m:55s a 00h:17m:20s. Este tempo foi cronometrado com acompanhamento visual. A triangulação da nuvem de pontos, etapa necessária para a geração do modelo, após o corte médio de 50%, resultou no tempo (2) que oscilou de 00h:11m:00s, ao tempo provável de 08h:17m:36s. O tempo de triangulação dos arquivos da linha 3: halle.ptx e da linha 4: kamin.ptx, por serem muito extensos, foi calculado proporcionalmente às aberturas dos outros arquivos, chegando-se aos respectivos resultados: 05h:58m:03s e 08h:17m:36s de provável processamento computacional. Tabela 1 - dimensões com tempo de abertura dos arquivos com 100% dos pontos arquivo % MB tempo 1 h:m:s pontos nuvem 1 corte tempo 2 h:m:s X (mm) Y (mm) Z (mm) 1 treppe.ptx 100 239 00:00:55 5.457.778 1.869.553 00:13:40 0.822 0.728 1.027 2 treppe2.ptx 100 273 00:01:20 6.426.016 3.496.311 00:35:12 0.885 1.226 1.839 3 halle.ptx 100 952 00:13:35 22.521.640 11.553.665 05:58:03 45044 57.044 13.554 3.1 part01.ptx 100 148 00:00:35 3.266.760 1.717.380 00:15:24 1.299 1.281 1.160 3.2 part02.ptx 100 136 00:00:34 2.392.827 1.230.870 00:14:50 1.125 1.204 0.647 3.3 part03.ptx 100 194 00:00:45 3.873.885 1.974.134 00:19:48 1.120 1.679 0.978 3.4 part04.ptx 100 178 00:00:41 3.682.593 1.879.765 00:18:02 1.111 1.708 0.802 3.5 part05.ptx 100 144 00:00:32 3.376.836 1.754.349 00:14:04 1.106 1.160 0.588 3.6 part06.ptx 100 114 00:00:25 2.569.753 1.310.268 00:11:00 1.113 6.443 0.528 3.7 part07.ptx 100 154 00:00:34 3.359.030 1.686.884 00:14:57 1.253 1.300 0.711 4 kamin.ptx 100 1350 00:17:20 32.776.307 23.834.615 08:17:36 10.858 14.159 2.532 II) Operar arquivos menores efetuando cortes nos arquivos ptx utilizando o software Cyclone 5.8. Este item pode ser observado na Tabela 1 nos itens de 3.1 a 3.7. Observa-se que o tempo de operação é similar aos outros já apresentados. Para facilidade das análises posteriores, foi selecionado o quarto superior direito do arquivo treppe.ptx (com 5.457.778 pontos), de modo que este setor, agora com 1.364.444 pontos, Tornou viável as operações de modelagem, dentro de um tempo hábil, com analises comparativas entre as superfícies reflexivas e não reflexivas. Mesmo assim, devido ao
8 tempo ainda elevado de processamento dessa nuvem de pontos, resolveu-se reduzi-la para 93.969 pontos, utilizando a parte mais crítica (Figura 5). Figura 5 Recorte da nuvem de pontos no quarto superior direito, com 93.969 pontos Figura 6 Vista lateral da nuvem de pontos correspondente a da Figura 5 Figura 7 Triangulação da superfície total do arquivo treppe.ptx, aplicando 10.000 triângulos em 10%, 25%, 50% e 100% da nuvem de pontos. Tabela 2 Resultados referentes ao tempo de abertura dos arquivos de 10% a 100% Arquivo treppe.ptx com wrap a 10.000 triângulos sobre o 2 corte arquivo % MB Tempo 1 abertura pontos 1 corte Tempo 2 triangulação X (mm) Y (mm) Z (mm) 1 treppe.ptx 10 239 00:01:13 545.777 187.114 00:01:19 0.822 0.703 1.023 2 treppe.ptx 25 239 00:01:25 1.364.444 467.520 00:03:09 0.822 0.707 1.026 3 treppe.ptx 50 239 00:01:40 2.728.889 934.864 00:06:30 0.823 0.703 1.024 4 treppe.ptx 100 239 00:01:55 5.457.778 1.869.553 00:16:50 0.821 0.703 1.024
9 III) Teste dos diferentes filtros do software Geomagic Studio 10. Foram testados os três filtros do Geomagic Studio 10, no quarto superior direito do arquivo treppe.ptx, após redução para 93.969 pontos, mostrado na Figura 5. a) Filtro (1) - Escolha de componentes separados (Getrennte Komponenten auswählen) Identifica e possibilita a eliminação dos pontos mais afastados; b) Filtro (2) - Seleção de Outliers (Ausreißer wählen): Identifica e possibilita a eliminação dos pontos destacados em um conjunto de pontos; c) Filtro 93) - Redução de ruídos (Rauschen verringen): Estabelece uma melhor equalização entre os pontos. 3 CONCLUSÃO A revisão bibliográfica, apesar de restrita aos autores mencionados na introdução, mostrou que o modelo geométrico 3D, obtido pela varredura laser sem contato, é o estado-da-arte na captura da geometria da superfície de um objeto físico. No processo de aquisição de imagem, para este estudo, se concluiu que a etapa mais crítica foi a que provocou os ruídos na captura. Concluindo-se que os ruídos foram provocados pelos reflexos dos elementos dourados, comuns na arte barroca; pela complexa geometria do ornamento e, consequentemente, por lugares não atingidos pelo laser. Como sugestão, para outras investigações, no sentido de melhor avaliar o efeito dos ruídos provocados pelas superfícies douradas nas capturas de dados com laser scanner, buscando-se reduzir, minimizar, corrigir ou eliminar ao máximo os reflexos, propõe-se: a) utilização de elementos maquiadores, no objeto físico, como, por exemplo, spray de pó de giz ou algo similar 2 ; b) desenvolvimento de um filtro analítico, ou seja, um modelo matemático que possa corrigir esse tipo de ruído, uma vez que foi observada certa tendência de comportamento desses pontos; c) fazer novas capturas com scanner móveis (hand scanners) 3, pela versatilidade, mobilidade e leveza desses sensores.
10 Foi observado, também, que a transformação da nuvem de pontos em malha de polígonos (renderização) com uso do comando envolver (wrap), com 10.000 triângulos, sem filtros, em parte do arquivo treppe.ptx, com 71.712 pontos, facilitou a visualização deste setor sem ruídos, obtendo-se um bom resultado, classificável como modelo à prova d água. Observou-se também que pequenos ruídos, decorrentes de erros grosseiros provenientes da aleatoriedade do processo de aquisição, são eliminados pelo próprio programa. Entretanto, não foi possível, dimensionar a localização desses pontos e o algoritmo utilizado pelo software Geomagic no processamento. Como pode ser observado no item 2.6, a aplicação dos três filtros, descritos no item 2.6, disponíveis no Geomagic, não causaram mudanças visivelmente satisfatórias, segundo os princípios brandianos, com a eliminação ou redução dos ruídos. A suavização da superfície com a utilização do comando formas prismáticas, agressivas (Prismatic Shapes, aggressive), em 64.131 pontos, teve bom resultado visual. Entretanto, não foi possível dimensionar se esta suavização causou pouca ou muita discrepância entre a geometria da superfície física e a do modelo geométrico. Na renderização do arquivo treppe.ptx, a 100%, ou seja, completo, foram detectados problemas tais como: amostragem esparsa e irregular; oclusões ou brechas pelos detalhes complexos do ornamento barroco; regiões digitalizadas fora do perímetro do ornamento. Acredita-se que todos os problemas apresentados neste trabalho, possam ser reduzidos ou, até mesmo, eliminados em trabalhos próximos, com a aplicação otimizada dos controladores disponíveis no programa. Problemas a serem verificados: abertura dos arquivos próximos a 1GB é extremamente demorado ou não se efetiva quando a triangulação (wrap) é superior a 100.000 pontos. Na primeira tentativa de abertura do arquivo kamin.ptx, o PC trabalhou aproximadamente por três horas. Em duas tentativas seguintes o mesmo tempo se repetiu sem que se obtivesse resultado positivo. Possível solução: dividir os arquivos no Cyclone e operá-los no Geomagic. Finalizando, este trabalho conclui que a captura da geometria de um objeto físico, com uso do laser, é importante na documentação arquitetônica, principalmente no registro das complexas superfícies como as do ornamento Barroco. Entretanto, pela revisão bibliográfica e informações vistas na World Wide Web, acredita-se que os scanner de mão (hand
11 scanner), pela versatilidade de movimentos, pode resolver parte dos problemas provocados pelos scanners estacionários. Torna-se necessário, no entanto, realizar estudos e testes objetivando avaliar esse tipo de equipamento nas aplicações da documentação arquitetônica. É importante salientar que este trabalho foi elaborado segundo as teses brandianas praticadas na conservação e restauro. Logo, um modelo geométrico de ornamento, por ser cópia de uma obra de arte, não deve ser melhorado através dos recursos disponíveis em programas de modelagem 3D. Um modelo geométrico bem elaborado torna-se agradável a vista, o que é útil na indústria, por exemplo. Entretanto, transforma a geometria da superfície do modelo em algo distante da geometria da superfície do objeto físico, o que, segundo entendimento aceitos pelos estudiosos do restauro, é algo distante do que se pode considerar a assinatura do criador da obra de arte. AGRADECIMENTOS A CAPES pela concessão da bolsa que possibilitou o estágio sanduíche em Karlshure. A Eva Richter, do IPF/KIT, pela demonstração do uso dos programas Geomagic Studio 10 e Cyclone 5.8. A Ulrike Sturm pela constante ajuda nas traduções dos textos, do português para o alemão ou inglês. REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, L. A. Alinhamento de imagens de profundidade na reconstrução 3D de objetos de forma livre. Dissertação (Mestrado em Sistemas Mecatrônicos). Publicação ENN.DM-09ª/06, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 2006. 125p. Disponível em <http://hdl.handle.net/10482/4989>. Acesso em: 11 set. 2010. CYCLONE Tutorial - College of Engineering, Purdue University. Disponível em: <https://engineering.purdue.edu/cem/people/personal/halpin/sim/cyclone>. Acesso em 20 set. 2010. GEOMAGIC Studio Demo: Point Cloud to NURBS Surface. Disponível em: <http://www.geomagic.com/de/services/training/self-paced/studio>. Acesso em 9 ago. 2010. HANSMANN, Wilfried. Balthasar Neumann: Leben und Werk, Köln: DuMont, 1986. IMPRESSUM. Schloß Bruchsal: Die ehemalige Residenz der Fürsbischöfe Von Speyer, Germany: Königstein im Taunus, veränderte Auflage, 1990.
12 MAXWELL; B. A. Teaching Computer Vision to Computer Scientists: Issues and a Comparative Textbook Review. Disponível em: <http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.57> Acesso em: 12 out. 2010. PAGE, D. L. et. al. Laser-based imaging for reverse engineering. Sensor Review, Special Issue on Machine Vision and Laser Scanners. 2003. Disponível em: <http://imaging.utk.edu/publications/papers/2003/page_srmvls0 > Acesso em: 23 set. 2010. REED, M. K. Solid Model Acquisition from range imagery, PhD Thesis, Columbia University. 1998. Disponível em: <http://www.cs.columbia.edu/~allen/papers/reedthesis.pdf >. Acesso em: 15 out. 2010. Notas 1 O Programa PROBRAL é desenvolvido pela CAPES em cooperação com o Serviço Alemão de Intercâmbio Acadêmico DAAD. Seu objetivo é apoiar projetos conjuntos de pesquisa e o intercâmbio científico entre grupos de pesquisa brasileiros e alemães de Instituições de Ensino Superior que promovam a formação em nível de doutorado e pós-doutorado. Disponível em: http://www.capes.gov.br/cooperacao-internacional/alemanha/probral. Acesso em: 26 out. 2010. 2 Spray Whiting-500, David laser scanner. Disponível em:https://ssl.david-visionsystems.de/shop/product_info.php/info/p93_whiting-spray.html/xtcsid/113f3f2d9c31f8ecda014fab938. Acesso em 15 out. 2010. 3 Creaform: Disponível em: <http://www.creaform3d.com/de/applicationsindustries/preservation.aspx?ie=preservation&ic=small+image+industry>. Acesso em: 24 set. 2010. NDI Portable Shop-foor Measurament: Disponível em: <http://www.ndigital.com/industrial/index.php>. Acesso em: 12 out. 2010; Artec 3D Scanner. Disponível em: http://www.artec3d.com/applications/heritage-preservation. Acesso em 25 out. 2010.