La tecnología de realidad virtual al servicio de la comunicación y difusión de la Cueva de Santimamiñe | Sergio Barrera Mayo
“Cadena de producción” de una cueva virtual
En la creación de una cueva virtual se diferencian varias tareas que componen una “cadena de producción”, donde los datos se van transformando, alcanzando diferentes niveles de acabado. Inicialmente son datos en bruto exclusivamente numéricos y con escasa estructura, para finalmente convertirse en una aplicación mucho compleja estructuralmente, pero que compone un escenario en realidad virtual muy natural y por ello fácilmente asimilable por los usuarios. A continuación se describe a grandes rasgos la “Cadena de producción”
Tareas de generación
Selección de la proyección y sistema de referencia: En España, actualmente se recomienda entregar la documentación en el sistema de referencia global ETRS89 materializado por la Red Geodésica Nacional por Técnicas Espaciales (REGENTE).
Materialización y observación de una red de bases: En el exterior de cada cueva se instauran una serie de bases que sirven como salida y llegada de las poligonales realizadas por el interior de la cavidad. Dichas bases son observadas mediante técnicas GPS de doble frecuencia que trabajan con observables de código y fase.
Realización de una poligonal fundamental: Generalmente se realiza una poligonal cerrada de ida y vuelta que posteriormente es ajustada y compensada, con el propósito de conocer la fiabilidad de los puntos digitalizados. En el caso de la cueva de Santimamiñe dicho error se mantuvo en torno a un centímetro.
Digitalización de las cuevas:
Escaneado de las zonas de trabajo (véase Ilustración 2).
Se empleó el Láser Escáner Terrestre 3D FARO LS 880, descrito con anterioridad.
En esta fase, se han cubierto las siguientes fases:
Posición y rotación del instrumento
Coordenadas espaciales: valor XYZ
Intensidad: valor de reflectancia de los materiales
Los escaneados se realizaron sin la opción color, esto es, sólo se capturaron los niveles digitales del haz láser (785 nm). La georreferenciación se realizó empleando las bases topográficas materializadas con anterioridad.
Preprocesado de los datos: Limpieza y registro.
En esta etapa la información recogida en campo pasó una serie de procesos para filtrar y unir la información en un único modelo:
Limpieza: Se ha eliminado toda aquella información que no se desea (ruido), ya sea de forma manual o automática.
Registro: Se encontró la posición y rotación del instrumento para cada barrido en un sistema de coordenadas específico. Esto se puede hacer a través de puntos de control, materializados como esferas calibradas y dianas.
Optimización del modelo: creación de un modelo homogéneo. El modelo se estructura y divide en partes para facilitar su manejo y comprensión.
El resultado es una superficie es una nube de puntos, procesada, libre de ruido, en el mismo marco de referencia del levantamiento si se dispusiese de las bases.
Extracción de documentación tradicional: La información capturada, además puede ser empleada para crear cartografía de la cueva:
Planos en planta de detalle
Secciones transversales y longitudinales
Mapas de alturas de galería
Información de Monteras
Documentación vectorial de curvas de nivel
Transformación de los modelos de nubes de puntos obtenidos mediante el escáner en geometría manipulable
Previa a la tarea de transformación, es necesario optimizar los datos de partida mediante un software de filtrado y optimización de las nubes de puntos [Ilustración 3]. Para este propósito se ha adquirido una licencia de Technodigit 3DReshaper.
Ilustración 3. Representación de una porción de cueva mediante nube de puntos filtrada.
Para integrar los datos adquiridos en nuestra “cadena de montaje”, se ha desarrollado un software módulo “plug-in” para el paquete Autodesk Maya, que permite la conversión de nubes de puntos en modelos poligonales.
Construcción del modelo 3D
Obtención de un modelo continuo: Con las mallas poligonales [Ilustración 4] básicas ya generadas comienza el trabajo de modelado, consistente en la consecución de un modelo 3D continuo que represente la cueva. En este proceso casi manual, interviene la capacidad de los modeladores, que modifican la topología de las redes de vértices interconectados que conforman las mallas.
Ilustración 4. Representación en mallado poligonal.
Aplicación de color mediante texturas fotorrealísticas: Fotografías obtenidas en el interior de la cueva y tratadas para homogenizar la iluminación, son proyectadas sobre la malla poligonal obtenida. De esta forma se consigue un modelo visual muy próximo a la realidad de la cueva.
Cálculo de un modelo de iluminación realista: Haciendo uso de un inventario de iluminación de la cueva, se simula la luz que había cuando la cueva se explotaba. La tecnología de Realidad Virtual, permite por otra parte experimentar con otras iluminaciones alternativas para hacer la visita más espectacular.
Desarrollo del guión de la aplicación.
Paralelamente a la construcción del modelo 3D, se desarrolla el guión de contenidos en función de las características de la cueva.
Se realiza un inventariado de los puntos fuertes de la cavidad, espeleotemas interesantes, arte rupestre [Ilustración 5], yacimientos arqueológicos existentes, puntos de interés didáctico etc.
Ilustración 5. Imagen capturada de la apliación en tiempo real de las pinturas rupestres de Santimamiñe.
Se documenta el inventario mediante texto de expertos en cada materia, e imágenes y vídeos tomados in-situ.
En colaboración con el cliente, y los expertos en cada materia, se realiza un guión de lo que se quiere mostrar, y se organiza la información en secuencias que después se ordenan para definir el contexto de la “Visita Virtual”, así como su duración.
Programación de aplicación de Realidad Virtual en tiempo real interactiva con soporte para render estereoscópico.
Adaptación del guión realizado a la aplicación para satisfacer los diferentes puntos de vista técnicos, visuales, de difusión etc.
Desarrollo del “núcleo” de la aplicación. El núcleo de la aplicación se basa en sistema capaz de interpretar autómatas de estados finitos. Mediante este paradigma es posible simplificar el problema de la aplicación total, en pequeños subproblemas representados en estados. Cada uno de estos estados, se hace corresponder con una secuencia lógica de las especificadas en el guión. De esta manera se consigue una plataforma muy flexible y adaptable a nuevos requerimientos.
Desarrollo de interfaces y sistemas de manipulación de la aplicación: La aplicación consistirá en un sistema manipulable por el usuario, en la que los gráficos se generarán en función de las acciones realizadas por este. La principal ventaja de estos sistemas de imagen “en tiempo real”, es que permiten configurar las visitas en función del tipo de público asistente a la visita, permiten pasear virtualmente, decidiendo en cada momento que se observa, utilizando un sencillo dispositivo de entrada (ratón, joystick, etc.).
Representación visual mediante “High Level Shading Language” (HLSL) para obtener una representación realista.
Cálculo unificado del color basado en cuatro canales:
Diffuse map: Canal de color base obtenido mediante fotografías in situ.
Light map: Iluminación precalculada utilizando un sistema de iluminación por radiosidad y oclusión de la luz ambiental ambient occlusion mapping)
Normal map: Texturas de relieve obtenidas a partir de las fotografías. Permiten la adición de rugosidad aportando la sensación de mayor complejidad poligonal, obteniendo una roca más natural.
Specular map: Mapas de reflexión especular. Se utilizan para resaltar determinadas zonas donde la humedad es especialmente sensible. Permiten que la luz se refleje de una manera más o menos puntual en las zonas de interés.
Conclusiones
Graciasa estas ventajas se consigue cumplir los objetivos principales:
La conservación del patrimonio natural y arte rupestre.
La explotación turística mediante una herramienta de difusión atractiva para el turismo, representando la cueva de una manera lo más relista posible.
La recuperación del recurso patrimonial de la cueva para su uso turístico, incluyendo la visita a las pinturas rupestres.
La creación de modelos virtuales de elementos patrimoniales de nuestro legado cultural permite la explotación turística de dichos recursos, evitando el deterioro por el uso abusivo. En el caso de las cuevas naturales, por tratarse de un patrimonio especialmente sensible a la explotación, y tal y como se ha demostrado en el particular caso de Santimamiñe, se puede conseguir un equilibrio que permite la conservación, sin dejar de lado la difusión cultural y manteniendo el realismo [Ilustración 6].
Ilustración 6. Imagen de la recreación virtual fiel a la cueva real.
El resultado técnico obtenido ha superado con creces las previsiones, ya que durante la ejecución del proyecto se ha ido incorporando valores añadidos con la que no se contaba inicialmente,
En cuanto al resultado práctico, mucho más importante que el anterior, tras la realización de una serie de ensayos con público, podemos concluir que la gente disfruta de la visita virtual, le resulta espectacular, y de una manera muy amable aprende conceptos que desconocía acerca de Santimamiñe y su entorno, además por supuesto de conocer perfectamente la cueva.
El número de visitas durante sólo las dos primeras semanas desde su inauguración en marzo del 2008 ha alcanzado las 2.500 personas y la media semanal hasta septiembre del 2008 se ha mentenido en 300 visitas.
De cara al futuro se presentan múltiples retos a nivel tecnológico:
Una visita virtual de mayor definición: En función de los avances tecnológicos que van multiplicando la potencia de proceso, podremos filtrar una menor cantidad de los datos adquiridos en la fase inicial, y obtener modelos de mayor definición.
El estudio de sistemas algorítmicos que permitan acelerar los procesos más manuales adaptación de los datos iniciales en datos geométricos con estructura topológica.
Crear un sistema gestor de la información de la cueva, que pueda ser empleado en la toma de decisiones sobre la misma. Un sistema dinámico, con información temática que permita el monitoreo de la misma en el tiempo.
Llegar a recuperar pinturas “virtualmente”, paneles o grabados que con el paso del tiempo, bien sea por procesos naturales o por efectos antrópicos, han quedado desvirtuados o prácticamente desaparecidos. Se plantea un sistema riguroso y de precisión para la recuperación de dichos paneles.
