Aquisição geométrica e de refletância para renderização baseada em física (PBR) aplicada à visualização 3D interativa

Abstract

O presente trabalho aborda o problema da aquisição geométrica e de refletância de objetos físicos, em especial, aqueles pertencentes ao patrimônio cultural. Por, geralmente, demandar não só conhecimentos técnicos avançados, mas também recursos financeiros abundantes, o desenvolvimento dessas tecnologias tem se limitado a alguns poucos grupos de pesquisa. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver um sistema para a documentação da aparência de artefatos do patrimônio cultural, empregando estratégias acessíveis de aquisição geométrica e de refletância, e ferramentas de texturização para renderização baseada em física. O estudo culminou no desenvolvimento de um protótipo de sistema automatizado de aquisição, no qual se implementou a separação dos componentes de refletância difuso e especular, por meio da polarização da luz, e a reconstrução geométrica por Fotogrametria. O estudo verificou a influência da densidade de amostragem da captura de imagens sobre a reconstrução geométrica e de refletância. Os modelos tridimensionais gerados foram submetidos à análise dimensional, e, com base em medições de tempo total de processamento, foi possível recomendar diretrizes para escolha de parâmetros para documentação de acervos. Por fim, comparou-se o produto visual obtido com o método proposto a digitalizações realizadas sem levar em consideração o comportamento de refletância, as quais empregaram Fotogrametria de curta distância e um escâner comercial de luz branca. A análise comparativa evidenciou melhorias na qualidade e precisão da representação digital dos artefatos, proporcionadas pela aquisição de refletância e pela renderização baseada em física. O método proposto mostrou-se, portanto, uma alternativa eficiente e viável para documentação da aparência completa de artefatos do patrimônio cultural, também podendo ser aplicado em outras áreas que demandem modelos 3d realistas.

The present work deals with the geometry and reflectance acquisition of physical objects, especially those belonging to cultural heritage. The development of these technologies has been limited to a few research groups, since they demand not only advanced technical knowledge, but also abundant financial resources. In this context, the objective of the present work was to develop a system for the documentation of the complete appearance of cultural heritage artifacts, applying accessible geometry and reflectance acquisition strategies, and texturing tools for physically-based rendering. The study was successful in developing an automated prototype of said acquisition system. The separation of diffuse and specular reflectance components was implemented using cross polarization of light, and the geometry is obtained through photogrammetric reconstruction. The study verified the effects of variable sampling density on the geometric and reflectance reconstruction. The reconstructed 3D models were submitted to dimensional deviation tests, and, based on additional processing time measurements, it was possible to outline guidelines for the selection of efficient reconstruction parameters. The visual products obtained with the proposed method were, finally, compared to scans carried out without considering the reflectance behavior, for which short-range photogrammetry and an Artec Eva scanner were used. Comparative analysis showed improvements in the quality and accuracy of the digital representation of scanned artifacts, provided by the additional reflectance acquisition and physically-based rendering. The proposed method, therefore, proved to be an efficient and feasible alternative for documenting the complete appearance of cultural heritage, being also suited for other fields.