EL “CONOCIMIENTO” DEL PATRIMONIO CULTURAL A ......Estudiante: M. Arq. Alejandro Marambio...

Estudiante: M. Arq. Alejandro Marambio CastilloDirector: Dr. Arq. Josep Roca Cladera

Tutor: Dr. Arq. Josep Roca Cladera

Universidad Politécnica de Cataluña, UPC | Departamento de Construcciones Arquitectónicas I, CAI DOCTORADO EN GESTIÓN Y VALORACION URBANA

Centro de Política de Suelo y Valoraciones, CPSV

EL “CONOCIMIENTO” DEL PATRIMONIO CULTURALA TRAVÉS DEL ESCÁNER LÁSER Y LA REALIDAD VIRTUAL

PATRIMONIO CULTURAL

Moderador

Notas de la presentación

Uno de los problemas más desafiantes y bien estudiados en la ciencia computacional es la recuperación y la representación 3D de la información geométrica, fotométrica y fotogrametría del mundo real. Hoy en día existen distintas maneras de crear un modelo 3D de un edificio complejo, al igual que una serie de tecnologías para registrar la complejidad espacial y visual de los entornos del mundo real.

El Patrimonio Cultural constituye un desafío paraencontrar las herramientas de documentación ytécnicas de recogida de datos 3D más adecuadas,debido a la gran variedad de tipos, tamaños ycomplejidad de monumentos que existe.

ESCANER LASER

90º

130º 130º

Escáner: Riegl z420iVisual: 80º x 180ºTheta: 0.08º, 1.000Phi: 0.08º, 2.251Puntos 2.251.000

90º 270º

50º 50º270º

ESCANER LASERIMAGEN DE RANGO [2.5D]

90º

130º 130º

90º 270º

50º 50º270º

ESCANER LASERREFLECTANCIA [2D]


ESCANER LASERREFLECTANCIA [3D]

XYZ + i


ALEJANDRO MARAMBIOEL “CONOCIMIENTO” DEL PATRIMONIO CULTURAL A TRAVÉS DEL ESCÁNER LÁSER Y LA REALIDAD VIRTUAL

ESQUEMA ACTUAL


ESQUEMA ACTUAL

Fig 1.1 Diagrama estándar para la generación de un modelo virtual (edificios patrimoniales)

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

MALLADO

MODELADO

ESQUEMA ACTUAL


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL 2D

MALLADO

MODELADOMODELADO

ORTO IMAGENES


ESQUEMA ACTUAL


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

MALLADO

MODELADOMODELADO

ORTO IMAGENES

SIMPLIFICACIÓNINTERPRETACIÓN

PERDIDA DE INFORMACIÓN

IMPRECISOSSIMPLIFICACIÓN

INTERPRETACIÓN

ESCALA ARQUITECTONICANO RESUELTO


ESQUEMA ACTUAL


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

MALLADO

MODELADOMODELADO

ORTO IMAGENES


ESQUEMA TESIS

Fig.1.2 Propuesta de Diagrama para la generación del Modelo Láser

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

MALLADO

MODELADOMODELADO

ORTO IMAGENES

2002 2010puntos/pos 1.000.000 60.000.000min/pos 15 5c. visual 40x40 360x180euros 130.000 40.000kilos 30 4

2002 2010mpix 0,3 14euros 2.000 2.000


ESQUEMA TESIS


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

MODELO LASER3D

UNION


ESQUEMA TESIS


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION


ESQUEMA TESIS


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D IMAGEN (2D)

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

¿PROCESO?

¿PROCESO?¿COMO?

¿PROCESO?


ESQUEMA TESIS



OBJETIVO

Se discute el potencial de la combinación del escaneado láser terrestre y la fotogrametría de cortadistancia en la documentación del patrimonio arquitectónico. En la tesis se utiliza la ventaja de cadatécnica para la creación de un modelo láser; el escáner láser como base para la creación de unmodelo 3D preciso y complejo, y la fotogrametría como técnica para aumentar la calidad y el detallede este. Además de mejorar la geometría del modelo, la integración tiene como objetivo el soporteen la calidad visual de los elementos lineales de superficie, la mejora de la interpretación y el detalleen la exploración. Así, el trabajo está dirigido hacia el logro de un modelo; optimizado, estructurado,segmentado, que sirva como base para la obtención de orto imágenes de alta calidad y planosvectoriales, capaz de integrarse en plataformas comerciales de realidad virtual.

ESQUEMA TESIS

Capítulo uno: En la introducción se discute el enunciado del problema, lamotivación del estudio y los métodos propuestos para resolver las tareas.

Capítulo dos: Presenta un estudio que abarca distintos trabajos previos en laintegración de las tecnologías del escáner láser y la fotogrametría. Se presentala metodología para la generación de un modelo láser, incluidos los algoritmospara el registro, limpieza, optimización y clasificación de las imágenes derango.

Capítulo tres: Un resumen de la adquisición de datos y del tratamiento previodel modelo láser para distintos ejemplos de edificios y sitios patrimoniales: elyacimiento arqueológico del Born, la Cueva de Olerdola y el Castillo de SantaBarbara.

Capítulo cuatro: Presenta un enfoque híbrido que combina las tecnologías delescáner láser y la fotogrametría digital con el fin de mejorar y completar elmodelo láser. El proceso es aplicable a imágenes de alta resolución con el finde llenar los vacíos en los datos del escáner láser y añadir nuevos detallesnecesarios para crear un modelo completo de mayor complejidad .

Capítulo cinco: En este capítulo se discute una aproximación eficaz alproblema de la generación de planos vectoriales a partir de imágenes de rangoy orto imágenes según distintos algoritmos de segmentación. El capítulopresenta las propiedades matemáticas de los algoritmos, su descripción ycaracterísticas.

Capítulo seis: Se propone la integración del modelo láser a través de laimplementación de un motor de puntos en un motor de videojuegos comercialpara la obtención de un modelo virtual. En los resultados de las pruebas, semuestran la generalidad y la robustez en modelos de millones de medidas.

Capítulo siete: Un resumen de la contribución, la conclusiones de este trabajode investigación y la dirección para futuras investigaciones.


Figura 1.2 Propuesta de Diagrama para la generación del Modelo Láser

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

1


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN DE RANGO 2.5D

IMAGEN DIGITAL 2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

Toma de Datos

Tiempo de Posiciones

Ubicación de Posiciones

Número de Posiciones

Puntos de Control

Resolución

Pre procesopuntos Limpieza

Registro

Optimización

Organización

Clasificación

Iterative Closest Point (ICP) [Ripperda 2008]Normal Distribution Transform (NDT)Scale Invariant Feature Transform (SIFT)

Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator (CUBE)Triangulated Sea-floor Map (TRISMAP) [Canepa 2003]Hierarchical Outlier Detection (HOD)

Particle Swarm Optimization (PSO)Wavelet Clustering (ALSwave)

AxisXYZ GridMinimum Distance (Perpendiculars)

Octree Partitioning [Young et. al. 2007]

Escáner Láserescala: objeto, arquitectura, urbano

geo referenciación

COLOR


(Orientación y Nivel)


MODELO REALCueva en Olerdola 2005

MODELO LASERCueva en Olerdola 2005Escáner Riegl z420i (30M puntos)


MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

PROCESO

2002 2010pos/dia 6 40pos/proy 30 400puntos 25M 600Mm/per 6 3


MODELO LASERHospital de Sant Pau, Barcelona 2009Escáner Riegl z420i (30M puntos)

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL 2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

2


LASER VS IMAGENHospital de Sant Pau, Barcelona 2009Escáner Riegl z420i (30M puntos)

Ortoimagen 1:100

ZOOM 400%

LASER VS IMAGENHospital de Sant Pau, Barcelona 2009Escáner Riegl z420i (30M puntos)

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN DIGITAL 2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

3

IMAGEN RANGO2.5D


ORTO IMAGENCueva en Olerdola 2005Escáner Riegl z420i (30M puntos)


Los algoritmos de segmentación publicados pueden ser clasificados, sobre la base de técnicas matemáticas utilizadas, en cinco grupos:

1. Método de detección de bordes. Heath et al. (1998), Jiang y Bunke (1999), Sappa y Devy (2001).

2. Método de crecimiento de superficie. Gorte (2002), Lee y Schenk (2002), Rottensteiner (2003), Pu y Vosselman (2006), Rabbani et al.(2006).

3. Métodos de escaneo de línea. Jiang y Bunke (1994), Sithole y Vosselman (2003), Khalifa et al. (2003).

4. Métodos de agrupamiento. Roggero (2001), Filin (2002), Biosca y Lerma (2008), Chehata et al. (2008), Sampath y Shan (2006, 2008).

5. Métodos gráfico de particionamiento. Kim y Muller (1999), Fuchs (2001), Wang y Chu (2008).


ALZADO VECTORIALHospital de Sant Pau, Barcelona 2009Escáner Riegl z420i (30M puntos)

MODELO VIRTUAL

MODELO REAL

IMAGEN RANGO2.5D

IMAGEN DIGITAL2D

ORTO IMAGENES

PLANIMETRIA

MODELO LASER3D

UNION

4


MODELO LASERHospital de Sant Pau, Barcelona 2009Escáner Riegl z420i (30M puntos)

POINTOOLS VORTEX ENGINE UNITY

InteroperabilidadFuncionesRendimientoTamaño compacto

Motor 3DEditorCualquier plataforma

MODELO LASER3D

APLICACIÓN DEREALIDAD VIRTUAL


• Generación de un modelo láser combinando información proveniente de los escáner

láser y de la fotogrametría

• Sistema de registro semi-automático; sin puntos de control, válido para cualquier tipo

sensor, aumentando el registro de un mayor número de posiciones y la gestión de más

puntos

•Conversión de imágenes digitales 2D en imágenes de rango 2.5D para el aumento el

detalle del modelo láser

• Creación de orto imágenes de alta resolución foto realistas

• Semi-automatizar el proceso de modelos de puntos densos en la generación de una

planimetría vectorial

• Incorporación del modelo láser en un motor 3D para su integración con otras

aplicaciones de realidad virtual en cualquier plataforma

CONTRIBUCIONES


PUNTO

Geom. Límite mínimo de la extensión, que se considera sinlongitud, anchura ni profundidad.

43.000.000 puntosLas nubes de puntos son una de las representaciones más primitivas y fundamentales queexisten sobre las superficies. Con el aumento de la popularidad y el gran número deaplicaciones de este tipo de datos, será natural poder trabajar directamente con este tipo derepresentaciones, sin tener que ir a los pasos intermedios, a veces imposibles, como es lareconstrucción teórica de superficies.

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