Metashape PhotoScan para documentación 3D del Patrimonio

💙 Metashape. Venimos alucinados del Curso de Manejo de PhotoScan para la documentación digital 3D del Patrimonio que el IPCE Instituto de Patrimonio Cultural de España y el Ministerio de Cultura y Deporte nos han impartido a lo largo de esta semana. Volvemos muy agradecidos de haber podido participar en todas estas clases y talleres y de haber podido compartir experiencias con otros profesionales como arqueólogos, restauradores, conservadores o topógrafos.

Este curso ha sido impartido en la Escuela de Patrimonio del Monasterio de Santa María la Real de Nájera, exactamente el mismo lugar donde fue impartido ese otro taller acerca del Estuco tradicional de yeso y cal y su espacio en el Patrimonio Histórico en el que tanto aprendimos y que sin duda cambió nuestra forma de pensar y trabajar.

En este artículo vamos a hacer una sencilla exposición acerca de lo que ha sido este curso, lo que hemos conocido y lo que hemos aprendido, así como unos ejemplos de los desarrollos de los diferentes ejercicios de toma de datos, fotografía y procesado de imágenes. Todas las imágenes que aquí se muestran han sido desarrolladas por nosotros con una licencia del programa Metashape que nos prestaron a propósito del curso, aunque algunas de las fotografías utilizadas no son nuestras.

Todas las imágenes contenidas en el artículo titulado ‘Metashape / PhotoScan para la documentación digital 3D del Patrimonio’ y las fotos actuales del artículo con el mismo nombre son contenido original. De las fotografías antiguas se ha citado la fuente en la medida de lo posible. Aquellas fueron publicadas por primera vez en sobredos.com y se encuentran bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivar 4.0 Internacional.

Profesores y programa

Dos han sido los profesores que hemos tenido a lo largo de esta semana: en primer lugar, José Manuel Lodeiro Pérez, topógrafo especialista del Gabinete de Fotogrametría del propio IPCE, el cual nos introdujo desde el primer día en el mundo de la medida y el control numérico, de la apreciación y de la escala. Ha sido el coordinador del curso y el que nos ha mostrado los diferentes tipos de material de fotografía, cámaras, objetivos, instrumental de medida, accesorios, preparación de las campañas de toma de datos, método, etc.

El segundo de los ponentes ha sido José Martínez Rubio, de la empresa Geobit, profesor de la Universidad de Valladolid y representante de Agisoft -creadores de PhotoScan y Metashape- en España. Él ha sido el encargado de mostrarnos cómo funciona el programa y las muchas aplicaciones y complejidades que tiene, desde las bases de la fotogrametría hasta los distintos tipos de procesado de datos que el programa es capaz de realizar.

Nos acompañó durante todas las clases Jorge Jiménez Rubio, también del Departamento de Fotogrametría del Instituto de Patrimonio Cultural de España.

El curso de Metashape ha durado cuatro días completos y este es el programa de todos los contenidos sobre los que hemos estado trabajando, tanto las clases teóricas como las tomas de datos y prácticas, de las que hablaremos más adelante. Tan importante como este programa ha sido la gente: arqueólogos y restauradores la gran mayoría, muy profesionales, apasionados y frikis. No nos pasó desapercibido que muchos ellos tenían amplios conocimientos sobre fotogrametría y manejo de Metashape.

Metashape vs PhotoScan

El antiguo PhotoScan de Agisfot -hoy renombrado como Metashape– es un programa que permite al usuario introducir una serie de datos de diferentes tipos, de los cuales los más importantes son fotografías digitales de un cuerpo, objeto artístico, edificio, volumen, estructura, etc. pero que sea estático.

Gracias a otros datos -esta vez numéricos- de posición, distancia u orientación, el Metashape es capaz de generar un modelo 3D sobre el que poder trabajar, bien desde el propio programa, bien desde otros tipos de software, en función de lo que se quiera obtener de él. 3D Studio Max, Autocad o Blender son ejemplos bastante potentes de programas que lo utilizan, así como empresas de creación de videojuegos como Epic Games o Ubisoft.

Curiosamente el nuevo Metashape conserva la extensión antigua extensión .psx pero entre él y su antiguo predecesor hay diferencias muy importantes. En este curso apenas dedicamos tiempo a analizar estas minucias, solamente cabe destacar la aclaración entre los dos nombres comerciales: un cambio reciente como consecuencia de una desafortunada coincidencia con el antiguo nombre de un escáner de una conocida marca de hardware.

A grandes rasgos, el antiguo Photoscan utilizaba los recursos de la CPU para procesar los distintos pasos del proceso, mientras que el Metashape nace con la opción de aprovechar la memoria y los núcleos de la tarjeta gráfica, o incluso combinar ambos.

Otras capacidades muy interesantes del nuevo Metashape son, en primer lugar, la mejora del rendimiento en las nuevas versiones. Es muy fácil encontrar en la red unas sugestivas fichas con comparativas de horas de cálculo entre los dos programas: 19 horas de procesado continuado frente a 9 horas; 90Gb de memoria RAM ocupada en los diferentes pasos, frente a 57Gb. Unas diferencias importantes de en torno al 40-45% que seguramente no dejen de aumentar.

También es de destacar la forma de procesar: de la nube densa de puntos como cuello de botella por el que había que pasar obligatoriamente, el nuevo Metashape ofrece la posibilidad de los mapas de profundidad que pueden ahorrarnos muchas horas de cálculo en función de la calidad con la que se quieran crear las mallas y los elementos que queramos obtener al final del proceso.

El último aspecto novedoso de este Metashape es una inteligencia artificial que funciona en los mapas de profundidad y la asignación de materiales. Aunque esta función no sea muy útil en trabajos sobre el Patrimonio Histórico, es muy potente en barridos aéreos. Permite con facilidad separar terreno, cultivos, árboles, construcciones, rocas, etc. no solamente con unos parámetros de texturas y colores que se pueden ir adaptando a cada modelo, sino también con un aprendizaje por parte del programa.

Toma de datos y procesado de imágenes con Metashape

Las clases teóricas y las explicaciones han estado en todo momento acompañadas de prácticas de toma de datos y trabajo de computación. La suerte que hemos tenido ha sido que dichas prácticas las hemos podido realizar directamente sobre bienes patrimoniales de enorme interés y belleza: las caras talladas de un sarcófago, una portada gótica con parte de las nervaduras de una bóveda y una figura de yeso.

Sin embargo, para nosotros el ejercicio más interesante ha sido un viejo y lejano molino en ruinas que no hemos visitado, pero cuyas estupendas fotografías nos han servido para hacer un ejercicio completo.

Sarcófago

La primera de las tomas de datos y fotografías que realizamos fue sobre el sarcófago situado delante del mausoleo de Don Diego López de Haro el Bueno, Xº Señor de Vizcaya. Por lo que pudimos averiguar pertenece a su esposa Doña Toda Pérez de Azagra, y se ha colocado sobre unas cuadernas de piedra a escasos centímetros de la base del nicho funerario de aquel. Este mausoleo se encuentra en la panda del Claustro de los Caballeros que lo separa de la iglesia del Monasterio de Santa María la Real.

No nos fue posible sacar fotografías de todas las caras, puesto que el sarcófago fue colocado muy cerca de la peana del sepulcro situado en el nicho; en este caso nos contentaremos con documentar sus alzados principales: el frontal, los laterales y la cara exterior de la tapa piramidal.

Esta toma de datos se hizo solamente con medidas relativas en tres de las esquinas de su la labra central del alzado frontal y un posicionamiento manual de la nube dispersa de puntos. Con dos medidas de distancia recta y tres marcadores se escala perfectamente la nube densa que recortamos sensiblemente por la cantidad de ruido que recoge del suelo del claustro, los paramentos cercanos y el nicho funerario que se sitúa detrás del sarcófago.

Sin embargo, al ir más allá nos dimos cuenta de que todo ese ruido era excesivo así que decidimos probar recortando las imágenes. Este recorte ha supuesto un trabajo manual sobre 137 fotografías, es decir un auténtico coñazo de horas y horas, pero por lo menos ha servido para ahorrarle trabajo al Metashape -también a la tarjeta gráfica- y conseguir más nitidez en la malla.

En las imágenes anteriores se puede ver la cantidad de puntos que eliminamos del cálculo y también lo bien que funcionan las máscaras. La nube sin recortar la usamos para conseguir los puntos clave, pero los puntos de paso de la nube dispersa solamente son los que quedan tras la aplicación de las máscaras. Sin necesidad de recortar más la nube densa ni de quitarle apenas puntos sobrantes hemos introducido seis marcadores: tres en la cara vertical del sarcófago para posicionar y escalar la pieza (que los profesores nos proporcionaron tras una medición cuidadosa con flexómetro) y otros tres en una de las caras de la tapa para poder orientar ésta, como veremos más adelante.

La siguiente imagen pertenece a la nube densa de puntos tal y como el programa Metashape la crea, con errores en la parte baja entre los sillares en los que se apoya el sarcófago, donde la oscuridad es total y donde no se realizaron fotografías para recoger estos huecos.

Aunque este modelo aparentemente muestra un volumen bastante completo del sarcófago, hemos trampeado un poco el punto de vista para que parezca así. En la realidad es una cáscara incompleta en la que el Metashape solamente ha creado 3 caras completas y algunas zonas parciales de las zonas de apoyo. No es ningún problema para este ejercicio puesto que físicamente no es posible fotografiar la parte trasera del sarcófago y, aunque disponíamos de unos medios técnicos fabulosos, las fotografías de la cara posterior de la tapa nos habrían llevado mucho tiempo, excesivo para el tiempo de que disponíamos en los días del curso.

Con esta nube densa, por tanto, hemos pasado directamente a procesar y obtener las ortofotos de las caras visibles del sarcófago como objetivos de esta práctica. En primer lugar, hemos obtenido la ortofoto (Metashape la llama “ortomosaico”) de la cara frontal, algo inmediato ya que la primera terna de puntos la teníamos en este plano y hemos podido orientarla perfectamente.

El tamaño y la calidad de esta ortofoto -la mayor de todas- es espectacular: 4067 x 2219 píxeles, lo cual significa una imagen de casi 1,50 m. de largo, es decir, un 75% del tamaño real del sarcófago.

Apoyados en estos 3 puntos hemos obtenido las 2 ortofotos de los alzados laterales. Sin embargo, no hemos creado más puntos para su orientación; la profundidad de los relieves tallados nos podría dar mayor error que suponer que los planos de la cabecera y los pies del sarcófago son perpendiculares al plano lateral.

Este supuesto ya es un error, porque las caras del sarcófago no son perpendiculares entre si. La cara del mismo a los pies es bastante más pequeña que la de la cabecera y la arista que corona la tapa tampoco es horizontal sino levemente inclinada hacia la parte derecha.

Los únicos planos que podríamos pensar que son paralelos son las caras menores del sarcófago, y de este modo impreciso obtenemos las ortofotos de Metashape. La ortofoto de los pies (izquierda) la hemos representado superpuesta por encima de la de la cabecera (derecha); al ser de menor altura y anchura se puede apreciar la diferencia geométrica entre ambas.

Nos queda un último plano del sarcófago que queremos trabajar con Metashape -la cara delantera de la tapa de aquel- pero que no es perpendicular a nada, aunque teóricamente se trataría de un trapecio oblicuo cuyas aristas superior e inferior deberían ser coplanares. Sin embargo, es la zona del sarcófago con mayor detalle en la labra.

Mientras que en los laterales y en el frontal aparecen animales fantásticos, aves, lobos y formas vegetales, esta parte de la tapa está decorada con figuras humanas: clérigos, plañideras, monjas, etc. en sucesión alrededor de la representación del propio sepulcro de Doña Toda. Por ello, nos ha parecido también interesante rescatar en verdadera magnitud la ortofotografía de este plano por las utilidades gráficas que pudiera tener.

Para ello hemos utilizado la segunda terna de puntos que, en este caso no tienen datos métricos referenciados. Son sencillamente 3 marcadores colocados en la arista interior del marco que envuelve a las figuras, comprobados sobre varias imágenes del proyecto que nos sirven para definir un plano de referencia sobre el que proyectar la ortofoto.

Portada gótico plateresca del Claustro de los Caballeros

Sin salir del Claustro de los Caballeros de la abadía najerina, la siguiente toma de datos que realizamos unas horas después fue sobre la portada de traza gótico plateresca que enmarca una de las puertas de la panda oriental.

Aunque los objetivos para esta práctica son mucho más sencillos, la toma de fotografías con trípodes y pértigas fue larga y tediosa. Hasta bien entrada la noche estuvimos realizando dos tandas de imágenes con objetivos de 24 y 50mm. subiendo y bajando, moviendo los soportes, cambiando los objetivos, desmontando y montando los focos para sujetarlos…

Gracias a todos estos medios que el IPCE puso a nuestra disposición -trípodes, pértigas, soportes, focos, taquímetro, focos, cables, etc.- se pudieron obtener una serie de imágenes de gran calidad. Prácticamente todas estas imágenes fueron tomadas por nuestros profesores, salvo unas pocas que pudimos tomar nosotros con los cables USB y un portátil. Pese a la oscuridad de las últimas horas en la que solamente tuvimos la luz de los focos hemos podido trabajar con unas buenas imágenes que nos han permitido obtener una nube densa bastante completa.

Sin embargo, si hemos podido hacer esta práctica ha sido gracias a las mediciones que se tomaron con taquímetro y con una serie de miras sobre los muros. El programa Metashape es capaz de crear un catálogo completo de miras para imprimir en papel o en plástico que luego es capaz de detectar e interpretar perfectamente sobre las imágenes.

De este modo colocamos como pudimos cuatro miras a ambos lados de las jambas de la portada, a las cuales sumamos dos puntos de referencia más colocados en el punto donde se cruzan las aristas de los dos grandes escudos situados sobre el carpanel y bajo los nervios.

Como curiosidad, señalaremos la tensión que produce un hecho: el ramillete de nervaduras de esta zona del claustro tiene su enjarje justo sobre el arco, toda la carga que recogen los nueve nervios del tramo se concentra precisamente en un punto del muro …! para luego tener que ser dividida en empujes horizontales que salven el arco carpanel, tipo común en los estilos plateresco y flamígero, pero perverso desde el punto de vista estructural.

Con la siguiente imagen hemos querido representar esos pasos del proceso entre la nube dispersa (a la izquierda) y la malla sin colorear (a la derecha), pasando por las diferentes nubes densas, los mapas de profundidad y también la textura.

En este caso teníamos una limitación que era la anchura del claustro, por lo que no podíamos alejar la cámara mucho del plano del muro. Esto hubiese sido un inconveniente si la portada hubiese sido plana, pero en este caso la continuidad de la clave del carpanel hacia las nervaduras hace que realmente la talla ornamental no termine nunca.

Realizar las fotos desde tan solo 2-3 m. de distancia obligaba a girar la cámara hacia arriba y hacia los lados, lo cual nos ha permitido conseguir parte del trazado de la bóveda. Con los ortomosaicos obtenidos a 90º a un lado y al otro nos aparece sin pedirlo lo que podría ser la traza del intradós del nervio que cruza transversalmente la bóveda. Ésta habría sido una información muy útil y precisa si hubiésemos querido dibujar, por ejemplo, una sección del claustro.

Antiguo molino en ruinas

No podemos decir que estos dos modelos absolutamente reales sobre los que practicar no fuesen interesantes; todo lo contrario. Sin embargo, el último de los ejemplos sobre los que hemos trabajado ha sido lo más de lo más. La principal diferencia con los anteriores es que no ha habido una toma de datos propia, sino que el ejercicio lo realizamos a partir de dos series de fotografías de un antiguo molino de viento en la localidad de Castromembibre en la provincia de Valladolid. Se trata de una estructura cilíndrica de mampostería bastante deteriorada que no solamente presenta un derrumbamiento vertical sino la desaparición completa de la forma original de su puerta de entrada.

En este caso, por cortesía de José Martínez -al cual agradecemos enormemente haber compartido fotografías y datos-, hemos podido trabajar con un modelo que incorpora fotografías tomadas con un dron lo que nos ha permitido ver la coronación del muro y trabajar con algo más de detalle la parte alta del molino, algo que solamente con fotografías tomadas desde el suelo no nos hubiese sido posible.

Las imágenes no son de una calidad tan alta como las anteriores del sarcófago y de la portada plateresca; están tomadas a varias decenas de metros, con el viento meneando la pértiga, con el dron bailando, con un sol de mañana sin nubes creando unas sombras muy marcadas y algunas de las imágenes recogiendo unos reflejos terribles.

El Metashape en este caso se ha portado fenomenal, ha pasado de todas las imperfecciones y nos ha permitido trabajar a una resolución muy alta en todos los pasos. Tanto es así que ha llevado a nuestra mejor tarjeta gráfica al límite. Con calidad alta y filtrado agresivo la búsqueda de emparejamientos tardó algo más de 30 minutos, la orientación 5 minutos y algo, la optimización 20 segundos y el procesamiento de los mapas de profundidad 4 horas largas. En total más de 5 horas con el equipo totalmente bloqueado.

Con esta calidad, la nube dispersa que obtenemos es casi un modelo intuitivo en sí mismo. Una de las cosas más interesantes es que apenas aparecen errores en la coronación de los muros, lo cual nos ha evitado el tedioso trabajo de recorte de máscaras. Dado que el color gris que el Metashape pone por defecto como fondo de pantalla es parecido al color de los mampuestos, hemos colocado algo equivalente a un croma verde insultantemente chillón para que los puntos de la nube destaquen.

Tenemos una nube dispersa de gran calidad orientada gracias a una serie de puntos de referencia externos y seis marcadores en la cara exterior del muro. Estos puntos fueron datados mediante marcado manual y taquímetro, con base UTM zona 30N, con lo que la orientación de la nube ha sido automática.

Tras limitar el volumen de trabajo un poco para que no se nos extienda el terreno excesivamente, pasamos a optimizar los marcadores. En este caso de un cuerpo cilíndrico hemos descubierto que el truco no es ajustar un montón de fotos por cada marcado, sino solamente 2 o 3. El Metashape trabaja muy bien en este caso y relaciona en “círculo” los diferentes puntos con lo que los posibles errores se controlan mejor.

En un elemento tan grande como éste -y en este caso concreto de un ejercicio para aprender- podríamos haber pasado de estos errores de pixel y no hubiese pasado nada, pero finalmente reduciendo los puntos los hemos eliminado casi por completo.

De este modo hemos obtenido una nube de puntos densa que tiene una calidad extraordinaria. Si nos alejamos un poco y realizamos una vista de pájaro –(pájaro pequeño en este caso) lo que vemos es esto:

Podríamos darle vueltas con el orbital, acercarnos y ver a primera vista cómo esta nube de puntos ha conservado un detalle bastante bueno de las juntas, de los deterioros de mampuestos perdidos o rotos, del derrumbamiento o incluso del terreno junto a la base de la construcción.

Sin embargo, donde nos ha dejado muy satisfechos ha sido en las ortofotos de alzado que para los arquitectos son las herramientas que realmente valen su peso en oro. Si podemos tener una orientación perfecta ha sido gracias a esos puntos de referencia que nuestros profesores se molestaron en tomar unos metros más allá de la ruina con el GPS. Si no, hubiéramos tenido que orientarlo a ojo, lo que hubiese restado interés.

La nube de puntos densa da paso a la malla y ésta a la textura. Las dos imágenes siguientes son un ejemplo de cada una:

Cuando forzamos el eje Z para obtener una ortofoto cenital sobre la malla con textura perpendicular al suelo es cuando podemos valorar la exactitud y precisión con que el programa ha realizado la geometría. El muro crece sensiblemente en espesor conforme lo hace en altura, pero esto es algo que en las imágenes tomadas para este trabajo esta construcción es imperceptible. Ese plano ligeramente inclinado, de apenas unos centímetros de diferencia entre la base y la coronación se puede ver perfectamente en el ortomosaico.

Podríamos obtener una planta perfecta de este molino, mucho más detallada que con mediciones clásicas las cuales, en el caso de un objeto cilíndrico y de grandes dimensiones, se vuelve un proceso excesivamente complejo.

Nos quedamos con esta última imagen del molino en ruinas como un posible paso intermedio para un levantamiento de un edificio. Muchos de los proyectos de arquitectura, rehabilitación y restauración patrimonial que estudiamos tienen trabajos previos de restitución gráfica que varían enormemente en cuanto a calidad, detalle y rigor.

Conclusiones

Tras el curso hemos dedicado un montón de horas a practicar con los modelos que acabamos de mencionar y con algún otro hasta que se nos ha terminado el periodo de la licencia gratuita: una jarra de barro cocido y la fachada de una casa castellana han sido los que mejores resultados nos han dado. Aún nos queda mucho trabajo por hacer.

Tan importante como el conocimiento de las diferentes opciones del Metashape es saber cómo realizar las fotografías y cómo sistematizar su obtención para facilitarle la tarea al programa y mejorar los resultados. Intentamos evitar desalineaciones, superposiciones, que las imágenes no se orienten bien, que no se creen diferencias grandes de luminosidad…) un montón de parámetros que conviene conocer y controlar.

Como con la mayoría de las cosas, el manejo de Metashape para la documentación digital 3D del Patrimonio, o para cualquier otro menester, requiere práctica y tiempo. Este curso intensivo que el IPCE Instituto del Patrimonio Cultural de España y el Ministerio de Cultura nos ha impartido solamente son las bases de todos estos conocimientos sobre el programa y sobre la fotogrametría aplicada al mismo.

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