Optimización en proyectos de Realidad Virtual de bajo presupuesto en la didáctica del patrimonio

Comunicación y Pedagogía nº 317-318. Realidad Aumentada y Virtual en Educación

Se propone una metodología de optimización de procesos en la creación de contenidos didácticos en Realidad Virtual para proyectos de bajo presupuesto.

 

 

La Realidad Virtual se ha ido implementando, en los últimos años, en la didáctica de bienes patrimoniales. Su idiosincrasia la convierte en una herramienta con mucho potencial: permite la inmersión en espacios que ya no existen o que han cambiado con el tiempo, mejora el sentimiento de ubicación y aumenta la empatía (Checa y Bustillo, 2019). Hasta ahora, varios estudios han investigado en la Realidad Virtual aplicada a la didáctica de sitios históricos: datos históricos (Kiourt et altri, 2018), trazado urbano (Laurent et altri, 2018), modos de vida (De Paolis, 2013), tradiciones (Chen et altri, 2018), etc. Éstos coinciden en señalar la gran capacidad de esta herramienta en la didáctica del patrimonio y los datos parecen verificar que la Realidad Virtual aumenta la capacidad de aprendizaje de los usuarios, al menos, en algunos ámbitos cognitivos (Checa y Bustillo, 2019).

Estas capacidades, no obstante, pueden no ser aplicadas con todo su potencial en algunos entornos que requieran un desarrollo personalizado, como es el caso de la educación en el patrimonio, debido al alto coste que supone la creación de contenidos específicos para cada caso. Habitualmente los contenidos generados en Realidad Virtual requieren una importante inversión en equipamiento y mantenimiento, aunque el mayor coste es el del propio desarrollo técnico, ya que los equipos de trabajo que pueden generar contenidos en Realidad Virtual han de ser multidisciplinares y experimentados. Esto supone que muchos bienes patrimoniales a los que les interesaría utilizar la Realidad Virtual como recurso didáctico no pueden permitirse el gasto. Este estudio se focaliza en la optimización de procesos para el desarrollo de contenidos en Realidad Virtual portable de bajo presupuesto. Se propone una metodología de optimización de procesos que permita la viabilidad de esta herramienta en el entorno educativo del patrimonio (en este caso visualización monoscópica con gafas de Realidad Virtual de imágenes equirectangulares obtenidas a través de una combinación de fotografías 360º y reconstrucciones virtuales en 3D). Se pretende descubrir si bienes patrimoniales con poca financiación pueden permitirse acceder al complemento didáctico de la Realidad Virtual a través de la optimización de recursos (Bruno et altri, 2010).

Para testear esta metodología de optimización se ha seleccionado un yacimiento arqueológico que cumple una serie de características muy apropiadas para alcanzar los objetivos de este estudio. Se trata del yacimiento de “La Peña del Castro” en La Ercina, León. En esta excavación se han hallado restos de varias etapas de ocupación poblacional, aunque destaca una serie de construcciones de la Segunda Edad del Hierro. Un equipo arqueológico lleva desde 2014 realizando excavaciones y análisis del entorno para poder interpretar la cultura castreña que lo poblaba, y se ha hecho especial énfasis en la difusión y divulgación del yacimiento y su entorno. Esta divulgación requería de herramientas didácticas especiales, que permitiesen una correcta interpretación por parte de los usuarios. Se trata de un yacimiento visitable pero muy alejado del núcleo poblacional más cercano, por lo que la Realidad Virtual portable puede funcionar como sustituto de una visita guiada convencional, inasumible por los gestores del bien patrimonial. Este bien patrimonial se ajustaba a la propuesta de este estudio debido a los siguientes factores:

  • Hay una práctica ausencia de financiación para la divulgación y musealización, por lo que se requiere optimizar todos los recursos dedicados al proyecto.
  • Se dispone de una amplia cantidad de información arqueológica y del asesoramiento constante del equipo de trabajo de la excavación.
  • En un futuro se pueden obtener encuestas que permitan un análisis estadístico del impacto de la Realidad Virtual en el aprendizaje de los visitantes, combinando los estudios sobre optimización de recursos con los de las capacidades didácticas de la Realidad Virtual en el patrimonio.

Por tanto, se diseñó una metodología aplicable a yacimientos de esta misma tipología en la que se primó la optimización de recursos a través del ahorro de tiempo en el desarrollo del proceso, buscando que se pudiesen crear, en un futuro, la mayor cantidad posible de experiencias a bajo coste para ayudar a expandir el uso de la Realidad Virtual como herramienta didáctica. Para este estudio se ha partido de experiencias previas en la optimización de recursos (Alaguero et altri, 2017) y en las capacidades didácticas de la Realidad Virtual (Bustillo et altri, 2015).

Metodología

Se propone una metodología que combina diferentes recursos y que se basa en la fase del compositing audiovisual habitual en la posproducción de imagen o vídeo y, en este caso, aplicada a la Realidad Virtual portable con imágenes equirectangulares. Se diseñó un itinerario de 5 puntos de reconstrucción virtual a lo largo del yacimiento, para que se utilizasen como complemento didáctico en visitas guiadas. Estos contenidos se realizaron utilizando diferentes recursos:

  • Fotogrametría de bajo detalle

Estudios anteriores sobre optimización habían demostrado cómo la fotogrametría de bajo detalle ahorraba tiempos en la fase de modelado, utilizando el modelo virtual obtenido de la digitalización como referencia para modelar. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en los últimos años gracias a los avances técnicos que ha experimentado. Básicamente, los modelos 3D muy realistas se crean a partir de imágenes bidimensionales mediante procesos de software automáticos. Esta técnica se ha utilizado recientemente para la visualización arquitectónica, el modelado urbano, la conservación del patrimonio o incluso para recrear escenas de crímenes en investigaciones policiales (Buck et altri, 2013). El proceso fotogramétrico para crear modelos 3D ultrarrealistas para ser visualizados en Realidad Virtual se divide en cuatro pasos: captura de imágenes, creación del modelo en alta resolución, reprocesamiento del modelo para crear un modelo de baja resolución y, finalmente, su integración en el software de modelado 3D. En este caso de estudio, la captura de datos es sencilla y rápida, ya que el usuario tendrá un movimiento limitado al ser una experiencia con sólo tres grados de libertad, por lo que no hay problema en que no se capturen ciertas áreas porque nunca serán visibles para el usuario. Idealmente y para una mayor optimización del proceso, puede utilizarse una estación láser, para tener una malla de puntos más detallada y luego mezclarla con la obtenida de la fotogrametría. El procesamiento de estas imágenes se realizó en Reality-Capture utilizando el método recomendado de alineación de imágenes, creación de nubes de puntos densas y generación de mallas (Remondino et altri, 2017). El modelo 3D resultante de este cálculo es demasiado pesado, por lo que su carga poligonal debe ser reducida. Para este objetivo, utilizamos la propia herramienta de diezmar del software. Finalmente, el modelo fue utilizado como referencia para la siguiente fase: el modelado 3D.

  • Modelado 3D

Ésta es la fase en la que el equipo de trabajo que iba a desarrollar este proyecto tenía más experiencia. Se habían publicado los resultados de varias propuestas de metodologías de optimización de procesos en la reconstrucción virtual (Alaguero et altri, 2015; Bustillo et altri, n.d.; Bustillo et altri, 2015). Se planteó un sistema de trabajo basado en obtener un nivel de detalle adecuado para la Realidad Virtual pero adaptado a la escasez de recursos. Se planteó un modelado 3D con topología sencilla y desarrollado a través de la extrusión de polígonos que siguieran las líneas de los planos arqueológicos y el modelo de baja resolución obtenido a través de fotogrametría. Estudios anteriores habían demostrado que las estrategias de optimización de procesos eran especialmente efectivas en la fase de mapeado UV, por lo que se realizó un modelado 3D adaptado a ahorrar tiempo en la fase de texturizado. Se decidió invertir todo el tiempo de la fase de modelado en la generación del trazado urbano y las estructuras de las que se tenía constancia arquitectónica.

Para el texturizado se optó por la obtención de imágenes directamente del yacimiento en favor de la fidelidad histórica, pero en contra del objetivo de buscar la mayor optimización posible (hubiera sido más rápido y eficaz buscar texturas semejantes ya preparadas para su uso en un modelo 3D). Se optó por recurrir a las imágenes originales por criterios arqueológicos, ya que para los gestores del yacimiento era imperante la veracidad histórica. Para adaptar las texturas originales se recurrió al retoque digital de imagen, convirtiendo fotografías de unos pocos restos en amplias texturas utilizables en el modelo tridimensional. En esta fase de texturizado no se pudieron seguir estrategias de optimización.

  • Fotografías 360º
Distribución de modelado 3D y fotografía 360º en una de las composiciones.

Se realizó una serie de fotografías en el propio yacimiento que se pudiesen compilar en imágenes 360º equirectangulares para utilizar directamente en la fase de compositing. Estas imágenes cumplían una triple función en la optimización de tiempo en las fases de modelado, texturizado y renderizado. Al utilizar el propio entorno para las fotografías se mostraban varios elementos del paisaje, evitando tener que generarlos digitalmente en la fase de modelado. En cuanto a la fase de texturizado se evitó el proceso de generación de mapeado UV y la adaptación de texturas para suelos y paisaje, ya que estas fotografías 360º permitían sustituir estos espacios con la imagen original. En la fase de renderizado, las fotografías 360º permitieron el ahorro de recursos evitando la fase de iluminación, ya que la propia fotografía se utilizó como luz ambiental. Esto además supuso que la fase de retoque de color en el compositing fuese más sencilla, ya que el propio color de la escena iluminaba de una manera realista el modelo 3D.

  • Render

Para la fase de renderizado se recurrió al ahorro de tiempo en la fase de iluminación, ya que se usaron las fotografías 360º, que, además, suponían una mayor velocidad de renderizado ya que, en las zonas donde se mostraba la fotografía original, el renderizado era prácticamente en tiempo real al no tener que calcular disposiciones de polígonos, texturas e iluminación.

Estos recursos se combinaron en la siguiente fase, compositing, que se desarrolló en las siguientes etapas:

  • Sincronización de cámaras reales y virtuales

Se tomaron medidas de la ubicación de cada cámara en la obtención de fotografías 360º para su sincronización con las cámaras virtuales para que la superposición de ambas capas fuese realista y permitiese una correcta visualización por parte de los usuarios. Esta ubicación debió ser revisada en algunos casos que requirieron una reubicación de la cámara virtual para mejorar la visualización.

  • Superposición de recursos y matte painting

Se combinaron los diferentes recursos usando un software de edición de imagen. Tras verificar y, en su caso, revisar la ubicación de cada uno de los recursos y su adaptación a la visualización con gafas de Realidad Virtual se procedió a fusionar cada uno de los recursos con el entorno a través de la técnica de matte painting. Se fueron editando digitalmente los recursos a través de retoque digital, buscando el mayor realismo posible en la superposición de imágenes. En este proceso la única optimización de tiempos posibles es reduciendo el nivel de detalle.

  • Corrección de color y refinamiento

En el último paso se retocó el tono de color, saturación y luminosidad de los recursos para mejorar su incrustación con las fotografías 360º que servían como fondo.

Resultados

Se consiguió realizar un tour con Realidad Virtual portable de cinco puntos de visualización en 60 horas de trabajo de técnicos especializados. El nivel de detalle de las visualizaciones era de calidad suficiente como para que se comprendiese el entorno, pero no llegaba a hiperrealista¹. Esto supone que con una inversión mínima de tiempo y bien organizada se puede crear un producto de Realidad Virtual portable asequible, por lo que se podría comenzar a utilizar de una manera más masiva como herramienta didáctica para proyectos de bajo presupuesto.

Como conclusiones se obtienen las siguientes:

  • En la fase de modelado se pueden ahorrar muchas horas de trabajo partiendo de un modelo fotogramétrico como referencia y realizando una topología preparada para el futuro mapeado UV.
  • El uso de fotografías 360º sobre las que se proyectan los renders equirectangulares ahorran una considerable cantidad de horas de trabajo en la creación de suelos y entornos.
  • La correcta preproducción del proyecto y la revisión sistemática de expertos (en este caso arqueólogos) reducirá drásticamente el número de horas dedicadas al modelado y composición, fundamentalmente evitando la pérdida de horas por errores.
  • Apenas se pueden optimizar los procesos en las fases de generación de texturas y matte painting, si el resultado que se pretende conseguir es de nivel de detalle medio o alto y se trata de proyectos de una elevada personalización.

Futuras líneas de trabajo

El equipo de investigación que ha generado varios estudios sobre el uso de nuevas tecnologías en La Peña del Castro pretende seguir investigando sobre dos vías: la optimización de recursos en la reconstrucción virtual del patrimonio y las capacidades didácticas de la Realidad Virtual. En futuras publicaciones, se explicarán las diferentes iniciativas para la divulgación y se compararán buscando la influencia de la optimización y los recursos dedicados a cada proyecto con su calidad didáctica.

Yacimiento arqueológico de La Peña del Castro.
Notas
  1. En siguientes investigaciones pretendemos realizar estudios estadísticos sobre el impacto en el aprendizaje de diferentes herramientas didácticas, haciendo una comparativa entre: visita convencional, tour de realidad virtual portable con composiciones 360 y vídeo guionizado 360º.

 

Bibliografía
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Autor: Mario Alaguero Rodríguez

Mario Alaguero Rodríguez. Área de Comunicación Audiovisual y Publicidad, Universidad de Burgos, Burgos, España.

Autor: David Checa Cruz

David Checa Cruz. Área de Lenguajes y Sistemas Informáticos, Universidad de Burgos, Burgos, España.

 

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