Backup 3D | Tecnología al servicio de nuestra Semana Santa

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Backup3D es el nombre bajo el que AgeO, una spin-off de la Universidad de Granada, oferta el servicio de copia de seguridad en 3D tanto de esculturas y como de edificios en formato digital. Esta copia de seguridad es el resultado final de un meticuloso proceso de digitalización 3D y muchas horas de procesamiento de los datos obtenidos con los dispositivos de captura, cuyas características dependen de las dimensiones del elemento a digitalizar. Para edificios y grandes estructuras se usan escáneres láser de media o larga distancia, capaces de captar puntos de la superficie a unas distancias de hasta 150 metros los primeros y hasta 1 km. los más potentes. Para esculturas u objetos industriales se utilizan dispositivos de los denominados de triangulación, bien mediante láser o patrones de luz blanca estructurada.


En el ámbito concreto de la imaginería religiosa, el proceso de Backup3D podría entenderse como la realización de una mascarilla o molde virtual que captara por completo la superficie de la imagen, con una resolución tal que cualquier detalle de hasta 0.030 mm es captado con fidelidad absoluta, manejando un margen de error inferior a 4mm.  Para ello, el servicio Backup3D de AgeO dispone del escáner tridimensional más avanzado de Andalucía, con una resolución de 2 millones de puntos para cubrir una superficie de 30cm2 (aprox. 20x10cms) en el caso de las piezas que requieran más nivel de detalle (piezas de orfebrería, pequeñas filigranas, etc.) o una superficie de 240cm2 (aprox. 60x40cms) en el caso de zonas que no requieran de precisiones cercanas a la micra. Estamos hablando en el último caso de 10 puntos capturados por cada área de 1x1mm, que constituye una resolución muy superior a lo que cualquier dispositivo de impresión o tallado 3D por ordenador es capaz de ofrecer hoy en día.


Frente a otras técnicas de replicado o de creación de moldes, como el tradicional copiado por puntos o las mascarillas de escayola o silicona, Backup3D presenta varias ventajas:


- Es totalmente inocuo para la imagen a digitalizar. El escáner se sitúa a unos 80cms de la superficie de la imagen, y en ningún momento se entra en contacto con la superficie policromada, así que no hay ningún riesgo de deterioro de la policromía por el contacto con herramientas, agentes químicos o manipulación humana. Además, en el caso concreto de Backup3D se usa una tecnología de proyección de patrones de luz blanca de baja intensidad que no altera los colores.


- Rapidez y comodidad. No hay que trasladar la imagen a ningún taller ni laboratorio, sino que son los equipos de digitalización los que se trasladan al lugar donde se encuentre expuesta al culto, por lo que se ahorran costes y se evitan riesgos innecesarios en el traslado.  Además, el proceso de digitalización no suele llevar más de un día, por lo que el tiempo que la imagen queda apartada del culto se reduce a unas pocas horas que en la mayoría de los casos pasan desapercibidas para la comunidad.


- Facilidad de custodia. El Backup3D no ocupa espacio, por lo que su custodia es mucho más fácil y económica. Una simple caja fuerte es suficiente para almacenar la memoria USB o disco duro externo que contiene los datos (unos 32GB aproximadamente).


- Versatilidad. Con el Backup3D de una imagen procesional se podrían realizar reproducciones totalmente fieles del original, totales o parciales, sin necesidad de llevar la imagen a ningún taller, tan sólo con el pendrive. Además, estas reproducciones se pueden realizar a cualquier tamaño, pudiendo realizar miniaturas en cualquier material (bronce, madera, resina, etc.) que sirvan para difundir la devoción a la imagen digitalizada y recuperar la inversión en la copia de seguridad digital.


En el mundo de las cofradías, no sólo las imágenes sagradas pueden ser objeto de un Backup3D, sino que puede ser aplicado a cualquier elemento del patrimonio cofrade que merezca una salvaguarda digital como pueden ser piezas de orfebrería o las cartelas de las canastillas de pasos o tronos.


Han sido varias hermandades las que ya han tomado la precaución de realizar el Backup3D de sus titulares, tanto en Jaén, Granada o Málaga. En nuestra ciudad la Hermandad de Ntra. Sra. de la Piedad ha sido pionera, como en otros ámbitos de la conservación del patrimonio cofrade, en la aplicación de las nuevas tecnologías para la preservación del conjunto escultórico que ya tuvo que hacer uso en su momento de una copia de seguridad para ser re-tallada por Palma Burgos, pues la talla original de su padre Palma García desapareció en un incendio a los pocos años de ser tallada. Hay quien opina que de haber tenido el Backup3D de de la Cena (1969), Fusionadas (1980) o Monte Calvario (2006) los trágicos incendios habrían tenido una repercusión emocional menor al haber podido realizar la reproducción exacta de las tallas perdidas en el incendio.


Captura de datos


La realización del Backup3D de una imagen procesional comienza con la captura de la información geométrica y la policromía de la talla. Para ello se desplaza hasta el lugar acordado para realizar estos trabajos el equipo de Backup3D de AgeO, acompañado por los doctores en Informática Jorge Revelles y Fco. Javier Melero, profesores del departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos de la Universidad de Granada, y que intervienen durante todo el proceso como asesores científicos, coordinando todas las tareas de captura y revisando la calidad del procesamiento posterior. Como infraestructura técnica, AgeO desplaza un ordenador, un disco duro para realizar copias de seguridad, focos de luz fría para controlar la iluminación y el escáner con su trípode.


La duración del proceso de captura de datos depende de las dimensiones y complejidad de la talla a digitalizar, pero oscila entre las dos horas de un busto hasta las ocho o diez horas de un crucificado de grandes dimensiones o un conjunto como el de La Piedad.


La digitalización de una superficie compleja como es el caso de una talla procesional requiere de la captura de varias tomas o imágenes 3D de la superficie, constando de entre uno y dos millones de puntos cada una de ellas. Para que  el lector se haga una idea, es como realizar un completo examen fotográfico de toda la superficie a digitalizar de forma que a posteriori se pueda componer un puzzle con todas las capturas y obtener la totalidad de la superficie, con la particularidad que estas “imágenes” son nubes de puntos en 3D que representan fielmente la superficie física de la imagen.


A modo orientativo, un busto puede requerir entre 10 y 15 tomas, y un crucificado puede rondar las 70 u 80 tomas. Estas tomas se solapan entre sí de forma que normalmente para una misma zona de la superficie hay al menos dos o tres imágenes 3D que la cubren, por lo que se reduce el margen de error, se aumenta el muestreo y se facilita la composición de ese rompecabezas del que hablábamos en el párrafo anterior.


Además, a la vez que se captura la geometría se capta el color de la superficie. Esto es, el escáner no sólo obtiene la posición en el espacio 3D de cada uno de los puntos, sino que estos puntos tienen asignado un color, que no es otro que el de la policromía en ese preciso punto de la superficie.


Este último aspecto, la captura del color, permite generar modelos virtuales hiperrealistas que son utilizados para la generación de videos por ordenador, como el que se presentó el pasado mes de noviembre de La Piedad o incluso realizar simulaciones sobre restauraciones de la policromía previas a la actuación en sí.


El escáner tiene tal precisión que cualquier mínimo cambio en las condiciones lumínicas se percibe en el color de cada uno de los puntos 3D. Para evitarlo, además de controlar la iluminación con focos, se toman durante los trabajos de digitalización, un conjunto de fotografías de 10Mpx cada una que cubren también la totalidad de la superficie y permiten el retexturizado del modelo a posteriori si el color dado por el escáner no fuese totalmente satisfactorio.


Procesamiento de los datos


Tras la toma de la información geométrica y colorimétrica de la talla, comienza el trabajo que realmente distingue a Backup3D de otros servicios de digitalización 3D: el procesamiento. A modo orientativo, cada hora de captura se traduce –si no hay complicaciones- en quince horas de procesamiento posterior, por lo que es fácil deducir que un crucificado puede llevar entre 150 y 200 horas de trabajo delante de un ordenador hasta tener completamente terminado el modelo.


Las fases del procesamiento de los datos se pueden desglosar en:


- Limpieza de los datos. Se aplican filtros para reducir las pequeñas distorsiones producidas en la nube de puntos por el normal funcionamiento de la electrónica del aparato, y se eliminan aquellos elementos que el escáner ha captado pero que no interesan para la digitalización, como puede ser la mesa o andas sobre la que se ha tenido la imagen durante la captura de los datos.


- Alineado de las tomas. Aunque durante el proceso de escaneo se ha ido pre-alineando cada una de las tomas realizadas, esto es, colocándolas en su sitio del puzzle, es necesario realizar un proceso posterior de alineamiento y registrado fino hasta que la distancia media entre tomas se aproxime a la medida del error que tiene el escáner, esto es, unos 0.003mm.


- Fusión de las tomas. Una vez que está el puzzle completo, se genera una única nube de puntos, sin solapamientos, que dará una primera visión del resultado que finalmente se obtendrá.


- Triangulación. Los puntos en el espacio determinan la geometría del modelo 3D que tenemos, pero no dejan de ser elementos aislados. Hay que conformar una superficie continua que pase por cada uno de estos puntos y que permita posteriores tratamientos de simplificación, suavizado, etc.


- Tapado de agujeros. Por mucho empeño que se ponga, siempre hay pequeñas zonas (menos del 0.1% de la superficie) que no pueden ser capturadas por el escáner por su innacesibilidad visual (el interior de las boca entreabierta, los puntos de contacto entre la planta de los pies y la cruz, el interior de unas manos casi cerradas, etc.). En estos casos, se aplican algoritmos de reconstrucción de la superficie que, basándose en la información del contorno, son capaces de inferir por donde va la geometría que no ha podido ser capturada.


- Construcción de un modelo topológicamente correcto. Una vez que el modelo ha sido cerrado, se trata de eliminar los errores de configuración en la disposición de los triángulos en la superficie. Estos pueden ir desde aristas muy plegadas, puntos repetidos, o triángulos que no tengan vecinos. Este paso es fundamental para la generación posterior de reproducciones físicas, pues éstas requieren que los modelos sean manifold. Dicho de forma llama, “que no tengan cosas raras”. Estamos hablando de errores de nivel submilimétrico que sólo son visibles a ojos del ordenador (valga la expresión), y que pasarían totalmente desapercibidos a cualquier humano que visionara el modelo durante horas.


- Simplificación. El Backup3D de una talla de tamaño natural puede tener entre 15 y 22 millones de puntos, y esta cantidad de información es actualmente inmanejable tanto por el software de generación de animaciones por ordenador (3DS Max, Maya, Cinema4D, Blender, etc..) como por el software de prototipado 3D que se utiliza para generar las reproducciones totales o parciales a escala del modelo digital. Es por ello que a partir del Backup3D se generan modelos de menor resolución para que el cliente pueda usarlos en cualquier escenario de los anteriormente contemplados. Se generan modelos con el 75%, 57%, 25%, 10%, 5% y 1% de los polígonos del Backup3D original, conservando en todo caso la corrección topológica anteriormente descrita.


A estos pasos habría que añadir uno de texturización  en el caso de que la información de color capturada por el equipo no fuese directamente utilizable, lo que ocurre de vez en cuando, ya que es muy difícil que en tantas horas no se abra una puerta durante la captura de la imagen, o simplemente porque a cierta hora el sol ilumina una vidriera del templo y cambia la intensidad lumínica ambiente.


Digitalización de 'La Piedad'


Todo el proceso de creación del Backup3D anteriormente descrito se aplicó al complejo escultórico de Ntra. Sra. de la Piedad, realizándose las tareas de captura de datos el pasado 27 de junio en la casa de hermandad, situada en calle Alderete. Durante prácticamente diez horas ininterrumpidas el equipo de AgeO desplazado desde Granada hasta Málaga estuvo realizando más de 100 tomas con el escáner, y casi 70 fotografías, para realizar su primer trabajo en la capital de la Costa del Sol.


Jorge y Javier, desplazados ese día a Málaga no olvidarán la jornada por dos anécdotas, ambas con final feliz pero que tuvieron sus corazones en vilo. Una, la más banal, es que se estaba jugando la final de la Eurocopa (España-Portugal) mientras terminaban las últimas tomas con el escáner, y escuchaban al barrio del Molinillo entero animar a la selección mientras ellos, acompañados estoicamente por el hermano mayor, D. Manuel Carrión Ruíz-Escribano, iban completando su tarea. Ya en el camino de vuelta a Granada, con la noche caída, no pudieron resistir la tentación de parar en Salinas para ver la tanda de penaltis (recordemos, pasó España a la final).


La segunda incidencia sí fue algo más seria, y fue lo que provocó en parte la anterior. Cuando estaban tomando unas capturas “de repaso”, las últimas, el ordenador que controlaba el escáner se colgó. Un fallo de memoria, un aviso del sistema operativo y “la aplicación cerró inesperadamente”. La aplicación utilizada para la digitalización, Optocat ®, crea automáticamente tras cada toma una copia de seguridad, por lo que el equipo de AgeO apenas dio importancia al cuelgue… hasta que al ir a recuperar los archivos de respaldo ¡estos no estaban!. Imaginen la tensión: el partido a punto de comenzar, toda la directiva de la Hermandad preparada y dispuesta a devolver a la imagen de La Piedad a su capilla… y había que decirles que había que realizar de nuevo 40 tomas, lo que suponía unas 4 horas de trabajo perdidas.  Según cuenta el hermano mayor, la cara del equipo de AgeO se tornó pálida, lo sudores ya no eran debido al terral, sino que eran sudores fríos mientras los informáticos se afanaban por escrudiñar el disco duro y encontrar algún resquicio de información… Llamadas al servicio técnico del software, en Alemania, al distribuidor en Valencia… La cosa pintaba que esa noche se acabaría tarde. Pero no se sabe si por intercesión de Ntra. Sra. de la Piedad ¡se obró el milagro! En una carpeta temporal, de esas que desaparecen al apagar el ordenador, bajo un nombre indescifrable, se encontraba una carpeta que albergaba la copia de la copia de seguridad que Optocat® tenía que haber realizado y no guardó en el sitio. Se pudieron recuperar los datos, y los alemanes que desarrollan el software descubrieron algo desconocido para ellos: la existencia de esa carpeta temporal de nombre raro, aunque no sabemos si fue Ella quien la creó para no hacernos padecer más.


Fueron necesarios varios meses de procesamiento, complicado sobre manera por el cambio de condiciones lumínicas en la casa de Hermandad que generó unas nubes de puntos con colores muy distintos. Gracias a la colaboración en el proyecto de Matteo Dellepiane, investigador del Visual Computing Lab del Centro Nazionale di la Recerca de Pisa, que es el grupo de investigación referencia mundial en algoritmos y software de digitalización 3D, se pudo abordar tras meses de infructuoso trabajo la ardua labor de texturizado de la malla, y obtener el acabado hiperrealista que se puede contemplar en la animación realizada por Miguel Valdivia.


                                                                                                                                                                                                                                                                Pinchar sobre la imagen para ir al vídeo. 


El 29 de noviembre se presentó en la sala capitular de la Agrupación de Cofradías el Backup3D de Ntra. Sra. de la Piedad, haciendo entrega a la hermandad un USB con toda la información generada, proyectando el video anteriormente comentado y entregando a la Hermandad la reproducción a escala 0.9/10 de la talla de Palma Burgos en resina color marfil.

El Backup3D que custodia ya la Hermandad de Ntra. Sra. de la Piedad consta de 22.7 millones de triángulos, con una distancia entre puntos media de 0.3mm. Asimismo, disponen de copias del modelo digital a distintas resoluciones, con el mínimo de los 250.000 polígonos utilizados en la impresión 3D entregada.


Aplicaciones de Backup3D


Hay que decir que el proceso de generación de una reproducción a escala, total o parcial, de una imagen requiere necesariamente del acceso al Backup3D de la talla. Es por ello que se recomienda a los usuarios de Backup3D la máxima diligencia en la custodia de los datos.


Hoy en día hay diversas tecnologías para el prototipado rápido de un modelo digital 3D, pero citaremos brevemente sólo tres: la impresión 3D, el sinterizado láser y la estereolitografía:


- La impresión 3D consiste en la generación de la pieza física mediante el acúmulo, capa a capa, de pequeñas gotas de resina de 0.1mm de grosor.


- El sinterizado láser también va acumulando capas de un polímero que se funde por la acción de un láser de CO2, permitiendo la fabricación de geometrías muy complejas.


- La estereolitografía consiste en la solidificación de  resinas líquidas fotosensibles, que pasan de estado líquido a sólido cuando son expuestas a un láser con frecuencia  ultravioleta.


Si bien las tecnologías anteriormente citadas generan modelos de alta calidad, su coste las hace inviables para realizar grandes tiradas, por lo que para ello se utilizan moldes de silicona creados a partir de una única impresión 3D por cualquiera de las tres técnicas anteriormente citadas, y se rellenan estos moldes con resinas que simulan cualquier material (mármol, terracota, madera, etc.). Estas reproducciones seriadas sirven a algunas cofradías para financiar el Backup3D mediante la venta entre los hermanos, con la calidad que supone tener reproducciones 100% fieles y exactas.


Las reproducciones físicas, o la copia de seguridad, no son la única aplicación de Backup3D. El modelo digital de la talla, a muy baja resolución, se puede integrar en la web de la Hermandad para que cualquier visitante pueda contemplar virtualmente con su navegador desde casa los detalles de la sagrada imagen. Sería igualmente posible utilizar el Backup3D de una talla de vestir para realizar simulaciones de iluminación, cambio de túnicas o vestuario, o de composición de misterios, sin necesidad de invertir salvo unas horas en un programa de modelado 3D.


También es de mucha utilidad el modelo digital de una talla procesional para realizar cálculos de fuerzas, y detectar puntos débiles en la estructura que puedan ser la causa de grietas y alteraciones, de forma que se puedan reforzar y prevenir para evitar un mayor deterioro. Como ejemplo, cabe decir que gracias a la digitalización 3D del David de Miguel Ángel se pudo averiguar la causa de una grieta en el tobillo derecho: una inclinación de tres grados en el pedestal a causa del hundimiento del terreno sobre el que se asentaba la obra maestra de Buonarrotti en la Plaza di la Signoria de Florencia.

jm
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