Digitalização 3D a partir de Vídeo de Drones Disponíveis na Internet¶
Moacir Elias Santos Arqueólogo, Museu de Arqueologia Ciro Flamarion Cardoso, Ponta Grossa-PR
Cicero Moraes 3D Designer, Arc-Team Brazil, Sinop-MT
Luca Bezzi Arqueólogo, Arc-Team, Cles-TN, Itália
Alessandro Bezzi Arqueólogo, Arc-Team, Cles-TN, Itália
DOI |
O presente capítulo tem por objetivo discorrer acerca do uso de vídeos disponíveis na plataforma YouTube para a digitalização de cenas tridimensionais através da fotogrametria implementada no add-on OrtogOnBlender.
Importante
Este material utiliza a seguinte licença Creative Commons: Atribuição 4.0 Internacional (CC BY 4.0).
Apresentação¶
O uso de drones para a filmagem de grandes regiões tem se tornado muito comum nos últimos anos. Apenas no Brasil o número de equipamentos registrados na Agência Nacional de Aviação Civil (ANAC) saltou de 48.752 em 2018 para 71.561 em 2019 [Vie]. A realidade brasileira ainda está distante dos EUA, onde a FAA (Federal Aviation Administration) conta com 875.110 drones registrados [Adm].
A popularização da tecnologia se reflete em portais de vídeo como o YouTube onde é possível assistir a uma infinidade de materiais capturados com o auxílio de drones. Muitos geradores de conteúdo optaram por produzir vídeos voltados ao turismo, história e cultura, de modo que utilizam a flexibilidade de voo dos drones para capturar grandes monumentos, oferecendo vistas nunca antes exploradas dos mesmos a um custo acessível e com grande qualidade de imagem, sendo a maioria dos vídeos gravados em HD (1280x720px) e FullHD (1920x1080px) e uma parte considerável em 4K ou UHD (3840x2160px).
Por serem vídeos de movimento sequencial e em alta resolução, tornam-se candidatos perfeitos para a digitalização 3D através da fotogrametria, a técnica que utiliza imagens para gerar modelos tridimensionais.
Há uma série de ferramentas que permitem baixar os vídeos do YouTube em arquivos locais e o OrtogOnBlender oferece a opção de converter o vídeo em uma sequência de imagens e posteriormente transformar essas imagens em modelos 3D.
Digitalização da Necrópole de Gizé¶
Sobre a Necrópole¶
O planalto de Gizé forma uma área ampla, situada 24 quilômetros do Cairo, e mede aproximadamente 1,9 por 1,6 quilômetros. Este local, que é constituído por rocha calcária, foi denominado de Formação Mokattam, que na língua árabe significa “cortado” ou “interrompido”. A formação possui distintas camadas denominadas “Membro I, II e III” que possuem diferenças de qualidade da rocha (Lehner, p. 106) [LEH]. As camadas II e III podem ser reconhecidas na própria esfinge. Enquanto o corpo foi esculpido na camada Membro II, com maior fragilidade visto seu estado precário de conservação, a cabeça encontra-se na camada III, um calcário mais duro que permitiu a preservação das suas feições. Este calcário de melhor qualidade também foi explorado como material construtivo para as pirâmides e mastabas (tumbas retangulares em forma de banco), pois se confirmou a existência de pedreiras na área da necrópole. Além da extração da rocha calcária para as construções é importante lembrar que uma boa parte do planalto foi aplainado, notadamente na área que foi destinada às pirâmides, conforme se pode observar por meio do modelo 3D aqui apresentado.
Os três faraós responsáveis pela edificação das pirâmides e seus anexos, Khufu, Khafra e Menkaura (ou a versão mais conhecida originária do grego: Queóps, Quéfren e Miquerinos) pertencem à IV dinastia (c. 2575 – 2465 a.C.). A escolha da atual região de Gizé pelos faraós estava relacionada a uma questão religiosa. Consideradas como um local de ascensão e transformação para o reis, as pirâmides representavam um meio para uma nova existência. Seus nomes refletem esta questão, pois a pirâmide de Khufu era chamada de Akhet Khufu, ou o “Horizonte de Khufu”. A raiz da palavra akh, significa “brilhante” ou “radiante”, o que passa o entendimento de que é um lugar “radiante de glorificação” (Lehner, p. 24).
Tais estruturas foram construídas com uma notável orientação das faces em relação aos pontos cardeais, com as entradas posicionadas no lado norte, bem como um alinhamento que permite traçar uma reta a partir do canto sudeste das pirâmides. Outros alinhamentos também podem ser verificados, outrossim há hipóteses que foram formuladas como a ligação com as estrelas, e que ainda geram debates entre os especialistas.
Ao final de seu processo construtivo as pirâmides foram revestidas com calcário polido, proveniente de Tura. Na atualidade a área melhor conservada pode ser observada na parte superior da pirâmide de Khafra, pois todo o restante foi removido e o material reutilizado para construções do Cairo medieval. No caso da pirâmide de Khufu, cuja altura original atingia 146,75 metros (Edwards, 1985, p. 104) [EDW], além do revestimento externo ocorreu também a remoção de uma parte do topo, bem como seu pyramidion. Isto ocasionou a diminuição de 9,45 metros da altura (Edwards, 1985, p. 104) e deixou uma área de aproximadamente 10 metros quadrados (Araújo, 1992, p. 89) [dA] plana. Já a pirâmide de Menkaura possui uma base feita com granito vermelho (Watson, 1987, p. 33) [WAT], que permanece no local, mas todo o revestimento calcário foi igualmente retirado.
Tanto a pirâmide de Khufu quanto a de Menkaura possuem três pirâmides menores destinadas às rainhas, em suas faces leste e sul respectivamente. Junto a pirâmide de Khufu, em sua face leste, há três poços naviformes. Já na face sul foram encontrados outros dois poços contendo os barcos de Khufu (Hawass, 2019, p. 111) [HAW]. A estrutura que aparece no modelo virtual (veja nas imagens 5 e 6) representa o museu que fica sobre o poço onde o barco foi encontrado em 1954 por Kamal el-Mallakh (Edwards, 1985, 115), e onde encontra-se atualmente exposto. Entre as pirâmides das rainhas foram encontrados dois poços naviformes, de menor tamanho. No canto sudeste da pirâmide de Khufu também foi localizada, por uma pesquisa conduzida por Hawass, a base e a infraestrutura de uma pirâmide satélite (Hawass, 2019, p. 115-116). Outra pirâmide semelhante está na face sul da pirâmide de Khafra. Junto as faces situadas no lado leste temos a presença dos templos das pirâmides, onde o culto funerário dos faraós era feito por sacerdotes. Estes templos estavam ligados a outros, situados no início da zona desértica, por meio de grandes calçadas. A esfinge (figura 3) está localizada ao lado da calçada, junto ao templo do vale de Khafra. A conservação deste templo é notável pela presença dos grandes blocos de granito em seu interior. Em frente à esfinge temos o templo de Hor-em-akhet (Hórus do Horizonte), única estrutura não funerária conhecida da IV dinastia. Podemos perceber os vestígios de praticamente todas estas estruturas no modelo virtual exceto por parte da calçada e o templo do vale do complexo de Khufu que hoje se encontra sob a área urbana de Gizé, e parte da calçada e do templo do vale de Menkaura cujos vestígios são escassos (figura 9).
O conjunto de edificações é completado por uma grande quantidade de mastabas, tumbas baixas em forma de banco, que foram construídas como casas da eternidade da elite da IV dinastia. Tais tumbas foram situadas a oeste (destinadas aos oficiais e dignitários) e a leste (para os membros da família do faraó), dos muros que cercavam a pirâmide de Khufu, devidamente organizadas em fileiras paralelas. Ao sul da pirâmide há uma única fileira, disposta um pouco além dos poços com as barcas (figura 5 e 6). Posteriormente, já durante a V e VI dinastias, novas tumbas foram sendo construídas nos espaços entre as mastabas para abrigar sacerdotes funerários que, em vida, foram responsáveis pelo culto mortuário do rei (Edwards, 1985, p. 120).
Escolha do Material¶
Apesar da ampla oferta de vídeos nem sempre é uma tarefa fácil encontrar algum que seja compatível com a região que se pretende digitalizar em 3D, ainda mais quando se trata de uma vasta área como a Necrópole de Gizé. As opções em 4K são bastante variadas e cobrem parte considerável da região, mas houve dificuldades para a digitalização completa da pirâmide de Menkaura, talvez por ser a menor e logo, a menos notória entre as três grandes.
Outra região com escasso material próprio para digitalização é a Grande Esfinge de Gizé, neste caso, para complementar a região faltante compreendida pela cabeça e patas dianteiras foi necessário utilizar um vídeo capturado em um simulador de voo.
Os vídeos utiizados foram os seguintes:
Digitalização da Cena¶
Existem duas maneiras de se digitalizar uma cena utilizando vídeos no OrtogOnBlender, uma convertendo o vídeo em uma sequência de imagens, selecionando os quadros desejados e rodando a fotogrametria e outra simplesmente indicando o vídeo desejado e ordenando a digitalização.
Há um material bem explanado acerca de como baixar o vídeo do YouTube e posteriormente convertê-lo em uma sequência de imagens, trata-se do capítulo da documentação oficial do OrtogOnBlender intitulado Convertendo um Vídeo em um Arquivo DICOM [MdRDa]. Apesar do mesmo ser orientado para a conversão em uma sequência de arquivos DICOM, a forma de conversão inicial é exatamente a mesma daquela utilizada para a fotogrametria.
A outra forma consiste em utilizar a ferramenta Video to 3D disponível na aba Others.
Segue o passo-a-passo do seu funcionamento:
Interface da ferramenta de digitalização 3D por vídeos.¶
Ao expandir a seção clique no ícone do diretório e selecione o arquivo desejado, o formato pode ser qualquer um que seja compatível com o FFMPEG, são eles: avi, mpeg, mpg, webm, etc. (Fig. 2);
Em Nº of photos to use informe o número de fotos que serão utilizados para a geração do modelo, lembrando que quanto maior o número, maior será o tempo necessário para o processo;
Para uma melhor resolução do modelo o usuário é orientado a desselecionar a opção Decrease picture size! (por padrão vem selecionada) de modo a explorar mais a definição das imagens originais;
O usuário é orientado a baixar os valores de D Factor e Smooth Factor para 4 e 4 ou 2 e 2 (por padrão é 6 e 16) de modo a gerar superfícies com mais resolução;
Depois de tudo definido basta clicar em Convert Video to 3D! e agardar até que a digitalização seja finalizada.
Reconstrução de uma mesma região utilizando vídeos diferentes.¶
Como se trata de uma área muito grande foi necessário utilizar vários vídeos para que a digitalização fosse ampla. Para a região da pirâmide de Menkaura foi imprescindível uma complementação com vários vídeos. Cada um deles gerou um modelo e ao final todos foram alinhados de modo a reconstruir a pirâmide em questão. Esta técnica foi descrita detalhadamente no capítulo Fotogrametria 3D de uma Ponta de Projétil Arqueológica [SM].
Reconstrução da Esfinge de Gizé utilizando vídeos diferentes.¶
O mesmo foi efetuado na região da Esfinge de Gizé e com um detalhe que denota bem a flexibilidade da fotogrametria, o vídeo utilizado foi de um voo efetuado no Microfost Flight Simulator, ou seja, não se tratava de um vídeo real, mas de um cenário modelado em 3D.
Regiões correspondentes aos vídeos utilizados.¶
Em um mapeamento geral é possível visualizar quais vídeos foram responsáveis pelas regiões reconstruídas em 3D.
Redimensionamento na escala, baseado nos dados do Google Maps.¶
Para colocar o modelo na escala, recorreu-se a uma captura de imagem efetuada no Google Maps. A referência de redimensionamento é fornecida por uma paquena escala presente na parte direita inferior da interface.
Digitalização 3D, vista de duas pirâmides.¶
O resultado da digitalização a partir de vídeo 4K é surpreendentemente bom, a ponto de evidenciar detalhes do relevo da superfície. É importante lembrar que parte considerável dos quadros capturados em um vídeo apresentam borrão (blur) e isso em tese pode colaborar com uma má digitalização, posto que parte da imagem não fornece dados estruturais ao algoritmo. Felizmente essa característica pareceu não influenciar significativamente no escaneamento da estrutura.
Comparação ortográfica das construções. Da esquerda para a direita: Piramide de Khufu, Pirâmide de Khafra, Pirâmide de Menkaura e Esfinge de Gizé.¶
Uma das vantagens de se digitalizar um monumento é poder gerar vistas ortognonais do mesmo, de modo a evitar qualquer tipo de magnificação gerado em vistas com deformação de perspectiva. Tomando todos os monumentos pelas vistas frontais e laterais é possível colocá-los lado a lado e comparar as dimensões, algo difícil de se fazer quando observadas as fotografias do local, justamente por conta da deformação de perspectiva.
Dica
Mais detalhes acerca da diferença entre a visualização com deformação de perspectiva e ortogonal podem ser vistos no capítulo Princípios Básicos de Computação Gráfica 3D Aplicada às Ciências da Saúde da documentação oficial do OrtogOnBlender [MdRDb], mais precisamente em Formas de Visualização (pág. 8-15).
Modelos unidos com texturas heterogêneas vs. Modelo único com textura homogênea.¶
Se por um lado o alinhamento de várias digitalizações diferentes permite ao usuário montar uma cena com boa cobertura da superfície, por outro as diferenças na captação geralmente geram texturas com coloração diferentes, como visto na pirâmide de Menkaura. Para solucionar esse problema inicialmente é necessário unificar as várias malhas tridimensionais em apenas uma, no entanto não se trata de um simples agrupamento, mas a geração de uma malha limpa com superfície sem sobreposição de vértices e para isso o usuário pode recorer ao gerador de malha não retentiva fornecido pelo OrtogOnBlender e cuja descrição do funcionamento está disponível no capítulo Sistema de Geração de Malhas 3D Anti-Retenção Baseadas em Projeção Z-Depth [MdRDc]. Para homogeneizar a coloração da malha, a forma mais acessível, uma vez que a superfície em questão é não retentiva, é utilizar uma projeção de UV Map do tipo Project from View pela vista superior e usar como base uma imagem de satélite.
Aviso
A geração de modelo não retentivo se aplica bem a esse exemplo (necrópole com pirâmides), mas pode não ser eficiente em outras situações onde os modelos são mais complexos e com superfícies retentivas.
Modelo interativo WebGL.¶
Uma vez que se tem um modelo limpo e homogeneizado há ainda a possibilidade de simplificar o mesmo e gerar uma versão para visualização 3D interativa via WebGL que pode ser visualizada tanto de um microcomputador, quanto de um tablet ou smartphone.
Outros Exemplos¶
Cidade de Pedra de Uplistsikhe¶
Fotogrametria de Uplistsikhe.¶
A cidade de Uplistsikhe foi digitalizada utilizando como base apenas um vídeo disponível no YouTube sob o nome Ouplistsikhé uplistsikhe drone mavic pro 4k.
O resultado do processo de digitalização pode ser visto em outro vídeo, também disponível no YouTube.
Importante
É importante frisar que a heterogeneidade das cores e formas acaba por auxiliar o algoritmo de digitalização de modo que, se o mesmo fosse feito com uma estrutura monocromática e sem contrastes a chance de sucesso na digitalização seria pequena.
Stonhendge¶
Fotogrametria de Stonehenge.¶
A estrutura de Stonehenge também passou pelo mesmo processo de fotogrametria por vídeo, resultando em um modelo interativo disponível de modo online.
Conclusão¶
A presença de vídeos produzidos por drones em sítios arqueológicos e sua disponibilidade em plataformas como o YouTube possibilita a produção de modelos tridimensionais por meio da fotogrametria. Neste capítulo, desenvolvemos um estudo de caso a partir do planalto de Gizé onde estão localizadas as pirâmides de Khufu, Khafra e Menkaura, os templos funerários, as mastabas, a esfinge, entre outras estruturas. Para tanto foram selecionados cinco vídeos disponíveis no YouTube e a partir da conversão destes em imagens, foi possível criar um modelo 3D do planalto de Gizé. Uma vez alinhados os dados obtidos dos vídeos, a escala foi então regulada a partir de uma imagem do Google Maps. A técnica aplicada proporcionou a geração de vistas ortogonais dos monumentos, sem a deformação da perspectiva.
A criação de modelos como o planalto de Gizé permite uma interatividade maior com a área para fins de divulgação científica, ao contrário das plantas baixas existentes encontradas em publicações especializadas ou na internet. Neste sentido, as estruturas e suas dimensões podem ser facilmente reconhecidas. Neste caso também é possível posicionar as estruturas maiores lado a lado para uma comparação das dimensões. Percorrer o modelo virtualmente, observando diferentes ângulos, também auxilia na compreensão de como o espaço do planalto de Gizé foi se transformando pelo crescente número de monumentos adicionados ao longo da IV dinastia e mesmo de épocas posteriores.
O modelo criado também permite a confecção de maquetes impressas, seja do atual estado de conservação da área ou mesmo com a restauração dos monumentos, que podem servir para museus e mesmo para a sala de aula, possibilitando o acesso ao conhecimento para o público em geral ou para estudantes. Por fim, a técnica aplicada no planalto de Gizé pode ser empregada para qualquer sítio arqueológico. Desta forma não só auxilia no registro de informações detalhadas sobre o estado atual de conservação de monumentos, mas também possibilita o registro contínuo de escavações arqueológicas assegurando a preservação de dados para pesquisas e restaurações futuras.
- Adm
Federal Aviation Administration. Uas by the numbers. URL: https://www.faa.gov/uas/resources/by_the_numbers/.
- dA
L. M. de ARAÚJO. Egipto: as pirâmides do império antigo. Lisboa : Edições Colibri, 1992.
- EDW
I.E.S. EDWARDS. As pirâmides do egito. Rio de Janeiro: Record, 1985.
- HAW
Z. HAWASS. Montanhas dos faraós: a história não contada dos construtores das pirâmides. Curitiba: AMORC, 2019.
- LEH
M LEHNER. The complete pyramids. London: Thames & Hudson, 2000.
- MdRDa
Cicero Moraes, Everton da Rosa, and Rodrigo Dornelles. Convertendo um vídeo em um arquivo dicom. URL: https://www.researchgate.net/publication/344141704_Convertendo_um_Video_em_um_Arquivo_DICOM, doi:10.6084/m9.figshare.12923822.
- MdRDb
Cicero Moraes, Everton da Rosa, and Rodrigo Dornelles. Princípios básicos de computação gráfica 3d aplicada às ciências da saúde. URL: https://www.researchgate.net/publication/341833430_Principios_Basicos_de_Computacao_Grafica_3D_Aplicada_as_Ciencias_da_Saude.
- MdRDc
Cicero Moraes, Everton da Rosa, and Rodrigo Dornelles. Sistema de geração de malhas 3d anti-retenção baseadas em projeção z-depth. URL: https://www.researchgate.net/publication/343822666_Sistema_de_Geracao_de_Malhas_3D_Anti-Retencao_Baseadas_em_Projecao_Z-Depth, doi:10.6084/m9.figshare.12881231.v1.
- SM
Antonio Carlos Soares and Cicero Moraes. Fotogrametria 3d de uma ponta de projétil arqueológica. URL: https://www.researchgate.net/publication/343980094_Fotogrametria_3D_de_uma_Ponta_de_Projetil_Arqueologica, doi:10.6084/m9.figshare.12894209.
- Vie
Nathan Vieira. Número de drones cadastrados no brasil salta 55. URL: https://canaltech.com.br/drones/numero-de-drones-cadastrados-no-brasil-salta-55-em-apenas-um-ano-145177/.
- WAT
P. WATSON. Egyptian pyramids and mastaba tombs. Aylesbury: Shire Publications, 1987.