LEVANTAMENTO DA PORTADA DAS IGREJAS DE SÃO FRANCISCO E DO ROSÁRIO COM NUVENS DE PONTOS James Francis Silva Lima (1) Arivaldo Leão de Amorim (2) LCAD, Faculdade de Arquitetura, UFBA (1) James.francis@hotmail.com, (2) alamorim@ufba.br Florian Schmidt (3) IPF, Karlsruhe Institute of Tecnology - Alemanha (3) florian.schmidt@kit.edu RESUMO Este trabalho apresenta dois experimentos empregando tecnologias de captura de nuvens de pontos, para a documentação arquitetônica das portadas da Igreja do Rosário, em Cachoeira, e da Igreja de São Francisco, em Salvador, ambas na Bahia. A nuvem de pontos é um tipo de modelo geométrico constituído apenas de pontos, obtidos através de fotografias tomadas segundo determinada técnica, e processadas com o auxílio do programa Photomodeler Scanner. Com as nuvens de pontos, foi possível gerar modelos de superfície das portadas, nas quais são aplicadas as texturas das fotografias com a finalidade de se extrair as ortofotos das mesmas. Em seguida, estas são vetorizadas através de um editor de desenho, obtendo-se a representação gráfica das portadas com todos os detalhes requeridos. Palavras-chaves: Documentação Arquitetônica. Nuvens de pontos. Ortofotos. ABSTRACT This paper presents two experiments using the point cloud technology for architectural documentation of the portals of the Rosary Church, at Cachoeira, and of the San Francisco, Church at Salvador, both in Bahia state. The point cloud is a type of geometric model consisting only of points, obtained from photographs taken under a certain technique, and processed with the help of the PhotoModeler Scanner. With point clouds it was possible to generate surface models of the portals, to which are applied the textures of the photographs in order to extract the orthophotos. Then these are vectorized using AutoCAD as a drawing editor, to obtain a graphical representation of the both portals with all the required details. Keywords: Architectural Documentation. Point clouds. Orthophotos. 1 INTRODUÇÃO Este trabalho aborda a aplicação da nuvem de pontos, obtidas através de fotografias, para a documentação arquitetônica. Será apresentado e descrito o fluxo de trabalho empregado no experimento com as portadas das igrejas de São Francisco e do Rosário, ambas localizadas
2 na Bahia. A metodologia adotada consiste na tomada fotográfica por uma câmera previamente calibrada, na importação das fotos pelo programa PhotoModeler Scanner e no processamento dos dados, para obtenção dos modelos geométricos de nuvens de pontos, de superfícies e das ortofotos das portadas. Num segundo momento, essas ortofotos são importadas em um editor de desenho (AutoCAD) para a vetorização, obtendo-se assim o traçado das portadas. 2 DEFINIÇÃO DE NUVEM DE PONTOS Os recentes avanços das tecnologias digitais vêm provocando mudanças expressivas em diferentes áreas. Estas transformações também contemplam a arquitetura, especialmente os métodos e as técnicas para a documentação de edificações e de sítios de interesse histórico-cultural. Um desses avanços significativos foi o desenvolvimento de tecnologias que permitiram a viabilização de modelos geométricos constituídos exclusivamente por pontos, as nuvens de pontos. As nuvens de pontos ou point cloud, como são conhecidos, nada mais são que um tipo de modelo geométrico, constituído por um conjunto de pontos distribuídos no espaço, sem qualquer tipo de relação topológica. Cada um destes pontos é representado por suas coordenadas cartesianas (x, y, z), e um ou mais atributos associados ao mesmo, que podem corresponder à cor visível no ponto (componentes RGB), ou um outro atributo qualquer associado a esta posição, e que permite a sua visualização e materialização. Embora os modelos de nuvem de pontos possam ser muito grandes, de alguns milhares a muitos milhões de pontos, a sua estrutura de dados é tremendamente simples, a exemplo de {identificação ponto; x; y; z; atributo 1; atributo 2;...; atributo n}. O afastamento entre os pontos que define a densidade do modelo pode ser de milésimos de milímetro para objetos muito pequenos, como jóias e moedas, ou de alguns centímetros, para objetos grandes com edificações. Os atributos podem se referir a qualquer tido de grandeza corresponde ao ponto considerado, e que possa ser capturada e associada a ele. São exemplos de atributos associados: a cor visível no ponto ou suas componentes RGB; a sua distância a um dado referencial; a refletância do material que constitui a superfície onde o ponto está localizado; a temperatura, ou outras propriedades de interesse. Excetuando a cor visível, normalmente, estes atributos são mostrados em falsa cor (AMORIM, 2010). As nuvens de pontos podem ser obtidas de duas formas principais. A tecnologia mais antiga e talvez mais conhecida é através da varredura do objeto com equipamentos 3D laser scanners (Figura 1), onde são disparados feixes de raios laser às superfícies externas dos objetos, estes são refletidos, voltando ao scanner com informações que permitem calcular a
3 localização de cada um dos pontos que constituem o modelo, e a determinar alguns dos seus atributos. Esta tecnologia, também conhecida como 3D Laser Scanning ou High Definition Survey HDS, desenvolvida em meados da década de 1990, não permite capturar diretamente a cor visível do ponto. Isto só é possível a partir da extração desta característica a partir de uma fotografia digital de alta resolução (devidamente tomada, atendendo a certos requisitos), através de uma reamostragem da nuvem de pontos sobre a foto correspondente. (a) (b) Figura 1 Equipamentos 3D laser scanners (a) Leica; (b) Faro Uma outra forma de obtenção das nuvens de pontos é através de tecnologia mais recente, baseada em fotografias de alta resolução e que emprega o princípio da interseção dos raios visuais que passam no centro de projeção (centro óptico da câmera) e em pontos homólogos de pelo menos duas fotografias orientadas, tomadas a partir de pontos diferentes, mas com uma geometria adequada. Por se tratar de um processo de captura baseado em fotografias, neste tipo de nuvem de ponto o atributo natural é sua cor visível. No momento, as duas tecnologias mais conhecidas para a captura de nuvens de pontos fotográficas são PhotoModeler Scanner, da empresa canadense EOS Systems <http://www.eossystems.com> e ZScan da empresa italiana Menci <http://www.menci.com>. Embora os scanners e câmeras fotográficas sejam dispositivos de varredura (raster), os modelos resultantes deste processo (nuvem de pontos) são vetoriais. 3 EXPERIMENTOS REALIZADOS Para testar o método de extração de nuvens de pontos através fotografias, foram escolhidas as portadas principais das igrejas de São Francisco, no Centro Histórico de Salvador e a do Rosário, em Cachoeira, na região do Recôncavo Baiano (Figura 2). Essas igrejas apresentam grande valor histórico e arquitetônico para a Bahia, e suas portadas trazem
4 traços da arquitetura barroca que se estabeleceu no país como o principal estilo da arquitetura religiosa do período colonial. (a) (b) Figura 2 Portadas da Igrejas (a) São Francisco; (b) Rosário Foram realizados dois experimentos, um em cada uma das igrejas, empregando o software PhotoModeler Scanner versão 6.2, tendo em vista sua disponibilidade no LCAD (Laboratório de Computação Gráfica aplicado à Arquitetura e ao Desenho, da Faculdade de Arquitetura da UFBA), sua reconhecida qualidade para a restituição fotogramétrica digital convencional. Esta nova versão é capaz de gerar nuvens de pontos a partir de fotografias, através das quais podem ser obtidos outros produtos derivados, como modelos geométricos de superfícies, ortofotos (raster), desenhos, entre outros. 4 AQUISIÇÃO DE DADOS Na aquisição das nuvens de pontos foi utilizada a câmera NIKON D300 (Figura 3) com resolução máxima de 4288 x 2848 pixels, distância focal nominal de 18 mm, foco fixado no infinito, entre outros parâmetros, que só são possíveis serrem configurados devido ao fato da câmera ser profissional. Figura 3 Câmera Nikon D300
5 Para a determinação dos parâmetros da câmera foram utilizadas 12 fotografias da grade de calibração disponibilizada pelo PhotoModeler Scanner (Figura 4). As fotos formam tomadas a partir dos quatro lados da grade, sendo quatro fotos com o eixo maior na horizontal e oito com o eixo maior na vertical. O importante é que os quatro pontos principais apareçam em todas as fotos com nitidez e clareza, para que seja possível o processamento no programa. Recomenda-se que a calibração atinja no mínimo 80 % do campo visual. No experimento com as portadas esta taxa foi de 86%. Figura 4 Fotos utilizadas na calibração Figura 5 Sobreposição das fotografias para a formação dos estereopares Após a calibração da câmera, processo realizado para a determinação das características geométricas do sistema óptico, foram tomadas as fotografias das portadas para a
6 constituição de estereopares (fotos paralelas, ou com pequenas inclinações entre si), seguindo o princípio da sobreposição das fotos (Figura 5). As fotografias foram tiradas respeitando a relação entre base e altura, onde a base corresponde à distância entre as câmeras do estereopar, enquanto a altura é a distância entre a câmera e a superfície do objeto. Esta relação terá resultados significativos utilizando uma proporção de cerca de 0,3, ou seja, se o objeto estiver localizado a 1 m de distância da câmera, será necessário tomar as fotografias afastadas entre si a uma distancia de 0,3 m (30 centímetros). A quantidade de fotos depende do tamanho, da complexidade do objeto e das condições locais para a tomada fotográfica. Na Igreja de São Francisco foram tiradas 14 fotografias, e empregados os alvos codificados. Já na Igreja do Rosário foram necessárias 12 fotografias para a cobertura adequada do objeto de interesse. Figura 6 Levantamento fotográfico da Igreja do Rosário 5 OBTENÇÃO DAS NUVENS DE PONTOS Capturadas as fotografias necessárias para o experimento, elas são carregadas no Photomodeler Scanner, juntamente com o arquivo de calibração da câmera utilizada. Depois disso, realiza-se a correção automática das distorções na fotografia (baseado no processo de calibração) utilizando o comando idealize project. No Photomodeler Scanner é necessário referenciar (orientar) as fotografias entre si, através dos pontos homólogos, que deverão aparecer em todas, ou em grande parte delas, de modo que o programa possa reconhecer e relacionar os pontos no espaço. Para a identificação destes pontos são empregados alvos codificados fornecidos juntamente com o programa,
7 que são reconhecidos automaticamente através do recurso Automatic Targe Marking. Também podem ser empregados alvos personalizados criados pelo próprio usuário. Entretanto, neste caso, a identificação é feita manualmente, já que estes alvos não são reconhecidos pelo programa de forma automática. Com os pontos referenciados em todas as fotos é possível configurar os parâmetros para o processamento e a obtenção da nuvem de pontos. Em seguida, são determinados valores para o controle da densidade do modelo - distância entre os pontos. Para uma primeira visualização do modelo é preferível uma baixa densidade, o que implica num menor tempo de processamento. Também são estabelecidos valores relativos à faixa de dispersão dos pontos em relação à superfície de referência, onde os alvos estão localizados. Finalmente, é limitado o tamanho da área que será utilizada para a procura dos pontos homólogos. Uma vez obtida a nuvem de pontos, é criada uma malha triangular irregular (TIN) gerando assim um modelo de superfície, onde poderá ser aplicada a textura do objeto retirada da foto (Figura 7). (a) Figura 7 Portada de São Francisco (a) nuvem de pontos; (b) modelo de superfície com textura (b) 6 TRAÇADO DAS FEIÇÕES Os traçados das feições das portadas das igrejas foram elaborados no AutoCAD, tendo em vista a qualidade do seu editor de desenho e a agilidade para representação de formas complexas. Foram adotados os seguintes procedimentos.
8 A partir do modelo de superfície com a textura aplicada, foram geradas ortofotos em alta resolução de modo a permitir o traçado das feições de interesse com o rigor necessário (Figura 8). A correção é feita levando-se em conta a deformação da perspectiva nas fotos, a inclinação da câmera, as distorções do sistema óptico e o relevo da superfície do objeto. (a) Figura 8 Ortofotos das portadas das Igrejas (a) São Francisco; (b) Rosário (b) (a) Figura 9 Desenhos das portadas das igrejas (a) São Francisco; (b) Rosário. (b)
9 Obtida a ortofoto, esta é exportada para o AutoCAD, onde é inserida como imagem raster. Antes do traçado das feições, é necessário escalar a ortofoto, de modo que todas as feições sejam representadas na escala natural (1:1). Em seguida, é realizado o desenho sobre a ortofoto com todo o rigor necessário à obtenção de um produto fidedigno, preciso e com o nível de detalhe requerido (Figura 9). 7 ANÁLISE DOS RESULTADOS Nos experimentos relativos aos levantamentos das portadas das igrejas de São Francisco e do Rosário foi possível entender e estabelecer o fluxo de trabalho com o PhotoModeler Scanner: Calibragem da câmera, onde é necessário o uso de uma grade de calibração, que deverá ser proporcional ao tamanho do objeto em estudo; Tomada fotográfica após o posicionamento dos alvos; Entrada de dados no sistema e definição dos parâmetros iniciais para o processamento do modelo, e Reprocessamento para refinamento do modelo, com geração do modelo de superfície e da ortofoto. Finalmente, como resultados obtidos podemos citar: as nuvens de pontos, os modelos de superfície derivados das nuvens de pontos (com a textura da foto aplicada), as ortofotos e os desenhos de ambas portadas. Os modelos parciais obtidos das portadas apresentaram alguns vazios em sua superfície (que precisam ser preenchidos manualmente), o que constitui uma limitação do Photomodeler Scanner, ao menos neste primeiro experimento. Na etapa subseqüente, foi realizado no AutoCAD o traçado das feições das portadas. Empregou-se como pano de fundo a ortofoto gerada a partir da aplicação de uma foto no modelo de superfície, tendo o procedimento apresentado a qualidade necessária para o desenho das portadas com o nível de detalhe requerido. 8 CONCLUSÃO Através do experimento realizado foi possível conhecer melhor as possibilidades de geração e uso das nuvens de pontos obtidas por fotografias, na documentação arquitetônica. Embora o processo ainda seja muito artesanal e sujeito a erros e imperfeições nos modelos, esta tecnologia quando comparada com as nuvens de pontos obtidas por 3D laser
10 scanner, parece promissora tendo em vista os custos proibitivos da tecnologia laser. Assim, pretende-se continuar investindo no desenvolvimento desta metodologia para a geração de documentos precisos e confiáveis sobre edificações e obras de valor histórico-cultural. AGRADECIMENTOS Ao Sven Wursthorn do Instituto de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto do Karlsruhe Institute of Technology Alemanha, pelo seu suporte ao experimento. À CAPES e ao DAAD pela viabilização do Projeto através do PROBRAL. À FAPESB pela bolsa de iniciação cientifica concedida, e finalmente, ao CNPq pelos recursos concedidos ao LCAD, bem como uma bolsa de produtividade em pesquisa. REFERÊNCIAS AMORIM, A. L. Notas de aulas. Disciplina ARQ A08 Tecnologias digitais na documentação do patrimônio arquitetônico, Faculdade de Arquitetura da Universidade Federal da Bahia, Salvador BA. Semestre 2010.1. PHOTOMODELER User Manual. Version 6.2. [S.I.]: Eos Systems Inc, 2010. SCHMIDT, F.; WURSTHORN, S. Notas de aulas. PhotoModeler Scanner Workshop, Universidade Federal da Bahia, Salvador BA. Semestres 2009.2 e 2010.2.