8) Escáner 3D pasivos y sensores ópticos activos

Escáner 3D pasivos:

El escáner Estereoscopico u óptico en 3D. Se trata de un escáner de carácter pasivo que proporciona información a distancia y utiliza radiación capturada directamente del ambiente. Mediante dos cámaras de video o fotográficas,  separadas horizontalmente y dirigidas a la misma escena, se consigue información tridimensional. Analizando las diferencias entre las imágenes capturadas por cada cámara es posible determinar la distancia de cada punto de la imagen y proporcionar coordenadas en 3D. Resulta apropiado en proyectos donde la textura sea de gran importancia.

Sensores ópticos activos:

Scaner 3D activos:

Es un dispositivo que analiza la forma de un objeto y en algunos casos el color, mediante una medición directa de la superficie. Mide coordenadas polares, ángulos y distancias. Reúne  información referente a la  geometría de éste y describe la posición tridimensional de cada punto que analiza. Se define previamente un sistema de coordenadas, donde el escáner puede ser el centro de una esfera y todos los puntos se definen  tridimensionalmente en referencia al centro. Se suelen efectuar múltiples tomas desde distintas direcciones. Posteriormente mediante un proceso de alineación se integran en un sistema común de referencias.

El escáner  genera una nube de puntos inconexos que deberá ser transformada en polígonos tridimensionales mediante un proceso denominado reconstrucción. Una vez efectuada la reconstrucción se podrá utilizar en programas de dibujo CAD y de tratamiento 3D.

Proporcionan información a distancia y utilizan para ello algún tipo de radiación emitida previamente por el escáner, denominado por ello escáner activo. Éste medirá la señal de retorno una vez contactado con el objeto o espacio a escanear. Entre los tipos de radiación utilizada se encuentra la luz, que puede ser natural, laser o infrarroja, pero igualmente se trabaja con otras tipologías de radiación como ultrasonido, radiografía de rayos X, etc.

Dependiendo del proyecto arqueológico, como del tipo y tamaño del objeto fuente de estudio, se utilizarán escáneres de características diferentes. El escáner denominado Conoscopia se emplea en objetos milimétricos, para objetos pequeños el escáner de  triangulación, escáner de cambio de fase se destina a objetos intermedios, el escáner  de tiempo de vuelo se utiliza en grandes estructuras y paisajes y por último, para objetos en movimiento, el de luz estructurada.

La estación total que se maneja con frecuencia en una excavación arqueológica también se sirve de la tecnología láser, pero a diferencia de un escáner laser 3D no es capaz de emitir gran cantidad de pulsos laser en corto tiempo. Emplea un distanciómetro laser para mediciones y ángulos.

A continuación se tratará de forma resumida y mediante algunos ejemplos en la  investigación arqueológica los siguientes tipos de escáner activos:

El escáner de tiempo de vuelo mide la distancia al objeto cronometrando el tiempo de ida y vuelta de un pulso de luz emitido por un diodo láser. Puede operar a grandes distancias y permite escanear superficies amplias.

Se acompaña como ejemplo el video del proyecto: Diana Arcaizante realizado por la empresa Balawat en donde se muestra la utilización del escáner láser LMS-Z420i (Riegl). (Balawat Proyecto de Diana Arcaizante)

Una mención especial merece el escáner LIDAR aerotransportado. Facilita modelos digitales de yacimientos y del terreno (MDT) con gran definición y precisión y puede hacer visibles elementos arqueológicos  de difícil visibilidad. “El LIDAR también ha permitido la realización de planos de estructuras ocultas bajo masas forestales gracias a la penetración ocasional del haz hasta la superficie y la aplicación de algoritmos para la eliminación de las cotas correspondientes a la cobertura arbórea. (…) Igualmente, el LIDAR puede resultar de gran utilidad en la recreación tridimensional de yacimientos arqueológicos. Debido a su orientación perpendicular a la superficie terrestre resulta especialmente indicado para la creación de plantas de yacimientos en 3D. La conjunción de esta técnica con ortofotografías de gran definición puede presentar un gran avance en la representación gráfica del yacimiento” (Josep M. Palet … pag 78 y 79).

El proyecto Yrsum (Masini) , realizado por Nicola Masini  del CNR/IBAM, sobre una aldea medieval del sigo XII, del Monte Irsi (Yrsum) en Matera (Italia) ha utilizado tecnología LIDAR. Gracias a la interpretación de  imágenes proporcionadas por satélite y los datos generados por la tecnología LIDAR, se ha podido reconstruir la topografía de la aldea medieval sin necesidad de excavación. Se han obtenido diferentes componentes funcionales y espaciales de la aldea, suministrando información para la investigación histórica del lugar. Se trata de un proyecto completo, en donde por último se ha realizado una reconstrucción tridimensional fotorrealistica  y un video juego divulgativo  (imágenes 23-29).

                                                                       Imagen 23

                                                                         Imagen 24

Imagen 25

Imagen 26

Imagen 27

                                                                                               Imagen 28

Imagen 29

Escáner de diferencia de fase, se denomina así porque mide la diferencia de fase entre la luz emitida y recibida utilizando un haz continuo de potencia modulada. Se aplica a grandes superficies  donde se hace necesario un nivel alto de detalle, por ejemplo un templo con esculturas detalladas.

Escáner de triangulación, utiliza un haz de luz láser que incide con el objeto, gracias a un emisor que se encuentra a distancia conocida de una cámara con sensor CCD que recoge la información. Este último  es capaz de determinar angularmente la procedencia del punto luminoso o “sopt” una vez ha impactado con el objeto. Se denomina así porque el emisor del láser, el objeto y la cámara forman un triángulo. Proporciona  gran precisión pero no permiten operar a mucha distancia. De utilidad en objetos con dimensiones que oscilan entre unos pocos centímetros y tres metros.

Se muestra como ejemplo arqueológico de reconstrucción 3D, donde se ha utilizado escáner de triangulación, el proporcionado por Daniel Rubio Gil, José Martínez Rubio, Javier Baena Preysler, Juan José Fernández Martíny Javier Finat Codes en el artículo: Nuevos métodos para viejas tecnologías: análisis y documentación de los materiales arqueológicos mediante la aplicación de sistemas Láser –scanner.  

Para la reconstrucción de objetos cerámicos campaniformes del yacimiento Calcolítico  “El Camino de las Yeseras” (San Fernando de Henares, Madrid) se ha utilizado el escáner de triangulación Minolta Vivid910.  Dicho escáner proporciona  información  geométrica del objeto y además al funcionar como una cámara fotográfica que permite el uso de distintas lentes, dota de color a cada punto registrado por el escáner. Durante el proceso de escaneo la pieza se instala en una plataforma giratoria gobernada por el programa informático del escáner.

Según los autores del proyecto  “existen numerosas vías de análisis posteriores al modelado 3D del objeto, entre las cuales reseñamos estas (Imagen 30):

- Aprovechamiento de la precisión métrica, para la delineación correcta de los perfiles/secciones, que tanta complejidad presentan en las producciones cerámicas elaboradas a mano (Figura 3-A).

-Estudios de carácter tecnológico y de manufactura del objeto, por medio de secciones radiales desde el eje de simetría y equidistantes entre sí (Figura 3-B).

-Reconstrucción 3D a partir del fragmento (si es posible), con la finalidad de crear galerías virtuales, y de realizar analíticas relacionadas con la potencialidad de uso del artefacto, como son el cálculo de volumen, centro de gravedad, etc. (Figura 3-C)”. (Rubio Gil …pág. 171, 172)

Imagen 30

Escáner de luz estructurada: proyecta un patrón (de luz blanca)  sobre un objeto y mide la deformación con una cámara similar a la del escáner de triangulación. Su ventaja es la rapidez, ya que permite escanear múltiples puntos a un tiempo, incluso puede llegar a escanear objetos en movimiento de forma instantánea.

Holografía conoscópica: facilita la medición de ángulos pronunciados y cavidades profundas y suministra un escaneado de alta precisión. “Es una técnica interferométrica que consiste en hacer pasar un rayo reflejado en una superficie a través de un cristal birrefringente, esto es un cristal con dos índices de refracción, uno fijo y otro dependiente del ángulo de incidencia, el resultado son dos rayos paralelos que se hacen interferir con una lente cilíndrica, esta interferencia es capturada por un sensor CCD, la frecuencia de esta interferencia determina la posición del objeto en el que se proyectó el rayo láser. (…). La ventaja de esta técnica es que puede utilizar luz no coherente, esto quiere decir que la fuente de iluminación no tiene porqué ser un láser, la única condición es que sea monocromática” (S.A.B.I.A.).