1 - Resumo

O objetivo deste projeto é realizar pesquisas na automatização da modelagem de peças mecânicas e a inserção da tecnologia no processo de restauro de instrumentos científicos. O Rio de Janeiro conta com a unica equipe especializada no Brasil neste tipo de restauro, e apenas poucos foram realizados até hoje. O conhecimento ainda é passado essencialmente através do aprendizado prático, por isso é essencial que as atividades sejam documentadas e acessíveis para futuras campanhas e na formação de novos especialistas. Apesar da tecnologia de digitalização já ser utilizada em diversos meios, como por exemplo no auxílio às atividades relacionadas a bens culturais, não existe ainda esta integração quando se trata de instrumentos científicos históricos.

Este projeto visa, através do restauro de um círculo meridiano pertencente ao acervo do MAST, pesquisar meios onde a tecnologia de modelagem e digitalização possam facilitar e apoiar a tarefa de restauro, documentação e exibição ao público destes instrumentos. Além do restauro, será também criada uma réplica virtual a ser exposta no museu servindo de meio de aprendizado e ilustrando o funcionamento do instrumento. É importante salientar que as peças originais do acervo não podem ser utilizadas para demonstrações, dificultando a percepção do público quanto ao seus usos e valores. Três equipes participarão do projeto: o Laboratório de Computação Gráfica da COPPE/UFRJ, pesquisadores do MAST também professores da Pósgraduação em Museologia e Patrimônio da UNIRIO/MAST, e pesquisadores do Visual Computing Lab da Itália, um dos únicos grupos no mundo especializados em pesquisa na área de tecnologia 3D aplicada à herança cultural. A longo prazo, o grande objetivo do projeto é a transferência de tecnologia para o Brasil, além da formação de uma linha de pesquisa na área de apoio tecnológico à conservação, documentação e divulgação do patrimônio histórico nacional.

2 - Introdução

Para que os vestígios materiais da memória sejam preservados é essencial a disponibilização dos acervos culturais de modo a facilitar o acesso, a compreensão e propiciar o aprendizado por parte do público. Especificamente no caso de bens materiais, este processo pode ser apoiado por tecnologias que permitem a eficiente documentação, divulgação, e auxiliem em tarefas como estudos e restauros. Uma técnica recente é a digitalização tridimensional, onde é criada uma réplica virtual em alta resolução representando fielmente o objeto. Este processo vem a substituir ou complementar métodos tradicionais de registro, como a fotografia, desenhos a mão, textos e anotações por exemplo.

Para que a memória seja conservada é essencial a disponibilização dos acervos históricos de modo a facilitar o acesso, a compreensão e o aprendizado por parte do público. Os modelos virtuais estreitam esta relação e superam a barreira da distância física, resgatando de forma imersiva e elucidativa o patrimônio e a sua contextualização em um momento histórico: "A preservação do patrimônio pressupõe um projeto de construção do presente, e por isso vale a pena na medida em que este patrimônio esteja vivo no presente, vivo para que as pessoas que o cercam possam de algum modo usufruir dele." (Mariuzzo, 2004). Entre os meios mais comuns de divulgação utilizando os modelos virtuais estão a Internet e os pontos de acessos locais, como quiosques interativos ou projeções de vídeo em museus e exibições.

Em muitos países o processo de digitalização já está inserido na comunidade vinculada à preservação de bens culturais, e se estabelece como meio comum de divulgação e auxílio a profissionais e acadêmicos. Um exemplo é a utilização do modelo digital para replicar estátuas em museus, onde a original é preservada para melhor conservação enquanto a réplica é exposta ao público. Neste caso são utilizados scanners de alta precisão (ex. Minolta Vivid) para reproduzir uma cópia fiel. Desta forma, os modelos digitais acrescentam ainda nos fatores segurança e economia, uma vez que as peças originais são preservadas e mantidas longe de riscos de deterioração ou acidentes. Apesar de ser uma técnica difundida, um serviço de digitalização ainda oferece obstáculos na sua realização, exigindo esforços manuais consideráveis e, consequentemente, um tempo e custo maior.

No âmbito nacional os esforços ainda são poucos, concentrando-se principalmente na digitalização de acervos literários (DocPro, 2009). Todavia, iniciativas recentes revelam o interesse em expandir esta prática, como a do Laboratório de Modelos Tridimensionais do Instituto Nacional de Tecnologia que recentemente, em parceria com o Museu Nacional, digitalizou parte do acervo utilizando um scanner 3D de mão (INT, 2009).

2.1 - Conservação de instrumentos científicos

A conservação de instrumentos científicos é uma área pouco difundida no Brasil, sendo praticada em termos de acervos nacionais somente pelo MAST. Alguns instrumentos da coleção do MAST, como um teodolito astronômico, uma luneta equatorial e um círculo meridiano, foram restaurados até o momento. Destaca-se este último, fabricado por Paul Gautier (Paris), que se encontrava armazenado desmontado e sem referências, sendo necessário um extenso trabalho de pesquisa e levantamento das peças e suas funções (Granato e Tully, 2009).

2.2 - Tecnologia de registro de imagens para instrumentos científicos

A área de bens culturais não é a única a se beneficiar das tecnologias de digitalização 3D - aplicações também são encontradas na arquitetura, indústria, medicina e entretenimento, entre outras. No caso de peças mecânicas, o processo inverso é bem conhecido, onde o objeto é primeiro modelado no computador e depois reproduzido fisicamente. Existe uma variedade de sistemas computacionais CAD (desenho assistido por computador) que permitem que o protótipo seja precisamente modelado e depois manufaturado com auxílio de máquinas e robôs.

Porém, muitas vezes é interessante digitalizar equipamentos que não foram previamente modelados. Tradicionalmente, este processo de engenharia reversa é realizado de forma manual, utilizando-se de plantas ou medições intrusivas (réguas ou fitas métricas). Com os equipamentos modernos de medição é possível realizar esta etapa de uma forma mais precisa, eficiente e não intrusiva, porém ainda não inteiramente automática. Esta técnica é de especial interesse para a conservação ou restauro de instrumentos científicos, onde é desejada não só a digitalização dos aspectos geométricos mas também a reprodução do seu funcionamento. Um exemplo de aplicação a instrumentos científicos é o projeto do Antikythera (Freeth, 2009) (Antikythera, 2010), um mecanismo de medição astronômica datado por volta do século 2 BC. Devido à fragilidade dos componentes, o desmonte não é possível, e foram adquiridas imagens do interior por meio de tomografia computadorizada. O alto grau de complexidade do instrumento, contendo trinta engrenagens diferentes, foi decifrado apenas cem anos depois de sua descoberta. Durante esses anos alguns modelos foram propostos e réplicas físicas e virtuais foram criadas.

Outro exemplo é o automóvel de Leonardo da Vinci, reproduzido digitalmente pelo Istituto e Museo di Storia della Scienza (Automobile, 2009). Neste caso o objeto foi reconstruído a partir de desenhos esquematizados pelo próprio inventor. Este mecanismo também foi reconstruído diversas vezes durante a história, porém somente na última foi realizado um modelo virtual a fim de auxiliar a reconstrução da réplica física e facilitar a exibição ao público.

2.3 - A importância da digitalização em alta resolução

Apesar de existirem técnicas mais econômicas para digitalizar um modelo, elas não oferecem todas as vantagens do scanner a laser de alta resolução. As diferenças principais estão na resolução, robustez e flexibilidade do equipamento e qualidade das lentes que evitam distorções e ruídos.

A reconstrução por fotos apesar do baixo custo e apresentar bons resultados para alguns tipos de objetos (geralmente planares como fachadas de prédios), não é adequada para modelos de geometria complexa contendo muitos detalhes. Por sua vez, as tecnologias de medição por contato (touch probes) não são ideais para objetos delicados ou históricos, onde o contato físico deve ser evitado a fim de evitar oxidação e desgaste.

A tecnologia de scanner a laser evita o contato com o objeto e provê medições precisas em alta resolução. Destacam-se dois modelos nesta categoria, os scanners de mão e os estáticos. Scanners estáticos possuem uma resolução entre dez a vinte vezes maior do que os de mão, e são significativamente mais robustos pela estabilidade do equipamento que é geralmente apoiado em um tripé. Por outro lado, os scanners de mão são mais simples de se trabalhar pela fácil manuseabilidade, porém necessitam da colocação de marcadores ou referências sobre o objeto. Todavia, uma grande vantagem dos scanners estáticos é a versatilidade, são capazes de capturar peças na ordem de centímetros até alguns metros, enquanto cada modelo de scanner de mão é especializado para uma faixa específica de dimensão dos objetos.

Existem outros tipos de scanners equiparáveis a estes modelos em questão de qualidade de aquisição, porém, geralmente são fabricados para atender um propósito único, como por exemplo os scanners para manequins ou cabeças. No caso de uma aquisição em escala maior, como monumentos ou edifícios, faz-se necessário um scanner do tipo tempo-de-vôo que, entretanto, podem custar até dez vez mais. Scanners de mão e estáticos possuem faixas similares de preços.

3 - Objetivos

O objetivo deste projeto é criar uma réplica virtual para documentação de um instrumento científico astronômico, a luneta meridiana Bamberg, além de reproduzir o seu funcionamento para fins ilustrativos e de aprendizado. Os desafios de pesquisa que serão encalçados pelo projeto estão relacionados aos métodos de reparo do instrumento, aos algoritmos para produzir uma réplica virtual, e a novas formas de integrar esta tecnologia especificamente ao restauro de instrumentos científicos dentro do âmbito nacional.

3.1 - O objeto de estudo : Luneta Meridiana Acotovelada

Número de registro: 1993/132

Fabricante: Carl Bamberg (Berlim, Alemanha)

O instrumento a ser restaurado, pertencente à coleção do MAST, Museu de Astronomia e Ciências Afins, trata-se de uma luneta meridiana portátil do início do século XX (MAST, 2009), muito utilizada em trabalhos de campo. O círculo meridiano, ou luneta meridiana, é um tipo de telescópio especialmente projetado para determinar posições de estrelas com alta precisão. É o instrumento fundamental para determinação das coordenadas celestes dos astros, permitindo a elaboração de catálogos de posição de estrelas, a partir de observações nele feitas.

Dois tipos principais de observações eram normalmente realizadas com esse tipo de instrumento: as de determinação de ascensões retas, associadas à hora sideral da passagem das estrelas pelo meridiano, e as de declinação, dependentes do conhecimento da latitude geográfica do instrumento. Em ambos os casos, um micrômetro ocular era utilizado através de seus dois movimentos ortogonais, cada um relativo a uma dessas coordenadas.

O processo de observação das estrelas para determinação das ascensões retas permitia reciprocamente o conhecimento da marcha das pêndulas (relógios), visto que um conjunto de estrelas brilhantes fora previamente organizado para constituir um catálogo básico de referência a partir de outros métodos de observação. A manutenção e difusão do tempo (hora) nos observatórios era baseada essencialmente nesse processo. A utilização do círculo meridiano determinava a necessidade de ter no mesmo local pêndula e um cronógrafo. Esses instrumentos funcionavam juntos para realizar as medições aqui exemplificadas.

3.2 - Desafios de pesquisa na montagem da réplica virtual

Existem diversas especificidades do instrumento científico que fazem deste tópico um tema de alto interesse e atrativo na pesquisa, sobretudo meios de elevar o grau de precisão e automatização durante a extração de características geométricas e funcionalidades físicas do mecanismo. No âmbito específico deste projeto, o processo de restauro requer o desmonte do objeto permitindo a digitalização de cada peça de forma independente. Isto não só é importante para a simulação do funcionamento no modelo virtual, mas também para documentação e eventual reprodução de peças avariadas. Sendo assim, a réplica virtual fornece uma maneira segura e eficiente de explorar o instrumento para meios didáticos e científicos, reduzindo custos e riscos adicionais uma vez que o instrumento original é integralmente conservado.

Este instrumento difere dos dois casos ilustrados anteriormente: primeiro, por não ser frágil como o Antikythera pode ser desmontando, o que inclusive é necessário para o processo de conservação; segundo, não possui os diagramas e desenhos como no caso do automóvel de da Vinci, mas sim o objeto físico original. Desta forma, consideramos que a forma mais eficiente de capturar todos detalhes geométricos e mecânicos do instrumento seja digitalizando suas peças a medida que o desmonte for realizado.

Um dos desafios principais é como transformar o modelo adquirido pelo scanner em uma representação compatível com modeladores CAD, para que as funcionalidades do instrumento possam ser estudadas e reproduzidas de forma conveniente. As arestas, por exemplo, não são prontamente capturadas pelo scanner já que possuem dimensão infinitésimas. O passo principal deste processo é a segmentação de cada peça, onde primitivas básicas (cilindros, planos, esferas, etc...) são reconhecidas de forma automática utilizando conceitos de engenharia reversa; apesar de existirem pesquisas neste tema (Schnabel et al., 2006; Schnabel et al., 2007; Agathos et al., 2007; Urbanic et al., 2008), ainda existem várias limitações quanto o reconhecimento inteiramente automático. Tradicionalmente este trabalho de retopologia e simplificação da malha é realizada manualmente, exigindo um tempo considerável do modelador.

Outro tema relevante de pesquisa é a exibição dos componentes de forma elucidativa, e meios de auxiliarem a desmontagem e remontagem. Por exemplo, é possível gerar diagramas passo a passo para montagem de um mecanismo (Agrawala et al., 2003), porém, estes métodos são limitados a poucas peças; no caso do equipamento proposto novas formas de ilustração e passos de montagem devem ser pesquisados. Outra forma comumente empregada para compreensão de objetos formados por diversos componentes são as vistas explodidas (Li et al., 2008).

De fato, durante o processo de desmonte do instrumento para restauro, as peças são dispostas em um arranjo similar a uma vista explodida para facilitar a remontagem (como ilustrado nas imagens abaixo realizadas durante o restauro da luneta Gautier pela equipe do MAST). Em alguns casos também são utilizadas anotações para coordenar a remontagem entre conjunto de peças maiores. Uma das frentes de pesquisa propostas neste projeto é o estudo da transposição destas técnicas para o computador a medida em que as peças forem digitalizadas, além da concepção de ferramentas de apoio ao restauradores. Estes estudos orientarão a melhor forma de documentar não só o processo de restauro mas também de armazenamento de informação sobre o instrumento para consultas.

3.3 - Documentação e exibição

Todo o processo de conservação de um patrimônio é vantajoso se ele servir à população de alguma forma. Por isto é importante que a documentação detalhada do processo seja feita e sirva como referência a futuros projetos semelhantes. Ainda mais, é necessário que esta memória seja passada ao público de uma forma clara e atrativa: "Os monumentos ou o patrimônio histórico devem ser meios de nos ligar ao nosso passado, devem, portanto, fazer sentido no nosso cotidiano" (Mariuzzo, 2004). Um modelo simplificado será gerado para exibição no museu, e possivelmente online, exibindo as funcionalidades básicas do instrumento através de animações, inserindo desta forma o patrimônio no contexto de aprendizado e memória. As animações devem mostrar o instrumento em seu lugar de uso, ou seja, o pavilhão da luneta no MAST que atualmente está sendo restaurado, ilustrando como eram usadas as comportas e miras distribuídas pelo campus. Finalmente, o processo de restauro será documentado através de um vídeo que poderá ser utilizado como consulta ou parcialmente exposto em uma instalação no museu.

3.4 - Domínio e transferência da tecnologia

Todavia, existe um objetivo de mais longo prazo no que se refere ao domínio da tecnologia. A aquisição dos equipamentos durante este projeto, principalmente o scanner 3D, permitirá novos projetos no futuro com custo e tempo significativamente inferiores. É importante realçar que o equipamento pleiteado é atualmente o mais versátil do mercado, seu conjunto de lentes intercambiáveis e regulagem de foco possibilita o uso em uma ampla gama de aplicações, digitalizando desde pequenas peças como parafusos até um objeto de dimensões de um ônibus sem a necessidade de registros excessivos.

Finalmente, um dos pontos principais deste projeto é a transferência de conhecimento para o âmbito nacional. Como tecnologia consolidada em alguns países, empresas oferecem serviços de digitalização em diversas áreas. Porém, além do valor do equipamento, estão associados os valores de importação de pacotes de software comerciais, como o Geomagic (aproximadamente $30.000), e a transferência do conhecimento operacional do equipamento e dos softwares, geralmente realizado através de cursos ou de contratação de serviços. Por este motivo é importante o envolvimento do grupo de Pisa que possui mais de dez anos de pesquisa e experiência nesta área. Eles auxiliarão nos primeiros momentos de digitalização e realizarão o treinamento para os outros pesquisadores, alunos e demais interessados. Outro ponto importante é o consentimento do grupo italiano quanto ao uso de software desenvolvido internamente, de forma a evitar o custo de software comercial e de prover um meio comum para promover a colaboração em pesquisa com os grupos brasileiros. Para auxiliar ainda mais esta colaboração está prevista no projeto uma estadia de curta duração em Pisa de dois participantes da UFRJ.

Em suma, a longo prazo este projeto visa a criação de uma base de conhecimento, pesquisa e desenvolvimento na área, para que no futuro, especialmente à medida que a tecnologia se torne mais consolidada e necessária, não seja continuamente necessária a importação de serviços e conhecimento. Ademais, promove a integração de grupos multidisciplinares regionais objetivando a consolidação de uma linha de pesquisa na área de tecnologias aplicadas à conservação, restauro e divulgação de bens culturais.

4 - Método

- Restauro da luneta meridiana acotovelada

- Criação da réplica virtual

- Divulgação e exibição dos resultados do projeto

Etapas:

a) levantamento do histórico do equipamento

b) documentação inicial com fotos e digitalização

c) compra e importação do scanner

d) levantamento bibliográfico da pesquisa sobre segmentação

e) levantamento bibliográfico da pesquisa sobre ilustração

f) desmonte do equipamento e digitalização de cada peça

g) digitalização das peças

h) mini-curso sobre tecnologias de imagem para bens culturais

i) retopologia das peças para preparar modelo simplificado

j) animações

k) desenvolvimento da ferramenta de apoio ao restauro

l) pesquisa sobre técnicas de ilustração e exibição das partes do instrumento

m) pesquisa sobre segmentação automática

n) concepção da interface para o quiosque

o) montagem do quiosque

p) gravações para vídeo documentário

q) inauguração do quiosque no pavilhão do Mast

5 - Metas

Uma das metas principais ao longo do projeto é realizar uma documentação detalhada sobre o processo e métodos de restauro e estudar formas onde a tecnologia de réplicas virtuais possa auxiliar este processo. É importante salientar que no Brasil, e até conhecimento atual na América Latina, esta é a primeira proposta que procura integrar técnicas de digitalização ao restauro e divulgação de instrumentos científicos históricos.

Quanto ao restauro:

- analisar o instrumento científico e realizar um diagnóstico de seu estado de conservação;

- definir o processo de conservação adequado;

- determinar a composição das ligas metálicas majoritárias no instrumento;

- realizar a conservação do instrumento.

Quanto à digitalização do instrumento científico:

- digitalizar o modelo completo;

- digitalizar as peças separadamente;

- documentação do modelo virtual em alta resolução;

- geração do modelo simplificado para fins de animação e exibição.

Quanto à pesquisa espera-se avanços em duas áreas contando com a colaboração dos grupos do Rio e do Visual Computing Lab em Pisa:

- segmentação automática para detecção de primitivas a partir das peças digitalizadas;

- diagramação automática de vistas explodidas e concepção de ferramentas de auxílio ao restauro, como um sistema para visualização detalhada do instrumento e suas peças internas.

A última meta é a finalização do vídeo documentário sobre o restauro e da instalação do quiosque interativo no pavilhão do MAST. É importante que se possa ter, além da representação em alta resolução do equipamento para efeitos de documentação, formas de ilustração e interface simplificadas de modo a permitir a compreensão pelo público geral não especialista:

- elaboração do vídeo para divulgação;

- animações ilustrando o funcionamento da luneta meridiana;

- concepção da interface do quiosque;

- montagem do quiosque interativo no pavilhão da luneta.

6 - Resultados esperados

Alguns dos resultados principais do projeto são consequências diretas de todo processo de restauro e digitalização do equipamento, isto é, o objeto físico recuperado junto à réplica virtual, além dos meios divulgadores ao público. Entre estes destaca-se a montagem do quiosque interativo no MAST, para interação com o público através de animações usando o modelo 3D que demonstrem como medições são realizadas utilizando a luneta meridiana.

A documentação deste processo será importante como roteiro para futuras campanhas. A colaboração multidisciplinar é um fator atrativo e se espera ao menos uma publicação em um meio específico, como por exemplo o VAST (International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Cultural Heritage) ou SIC (Scientific Instrument Symposium).

Espera-se ainda ao menos uma publicação em revista internacional da pesquisa realizada no tema de registro e reconstrução do modelo digital, sendo um meio possível a Computer-Aided Design ou outra relacionada à área de computação gráfica. Espera-se ainda outras publicações relacionadas as teses dos alunos envolvidos no projeto.

8 - Equipe

A equipe é composta por grupos de três instituições diferentes:

- COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro - Laboratório de Computação Gráfica : responsáveis pela coordenação do projeto, além da digitalização das peças, montagem do modelo virtual e coordenação da criação das animações ilustrativas. Também serão realizadas as pesquisas de segmentação, engenharia reversa e diagramação/exibição de modelos CAD complexos.

- Museu de Astronomia e Ciências Afim (MAST) / Programa de Pós-Graduação em Museologia e Patrimônio UNIRIO (PPG-PMUS): responsáveis pela coordenação do restauro, documentação dos métodos e diagramação do quiosque interativo para exibição ao público, além de auxiliar na concepção e roteiros para as animações.

- Istituto di Scienza e Tecnologie dell'Informazione (ISTI) / Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) - Visual Computing Lab: auxiliarão no processo inicial de digitalização, além de realizarem a transferência de tecnologia de software e conhecimento para os demais pesquisadores e outros interessados durante a visita ao Rio de Janeiro. Também participarão ativamente das pesquisas realizadas em conjunto com os pesquisadores e alunos da COPPE/UFRJ.

Coordenador e Pesquisadores Associados do Estado do Rio de Janeiro:

- Antonio Alberto Fernandes de Oliveira - COPPE/UFRJ

- Claudio Esperança - COPPE/UFRJ

- Ricardo Marroquim - COPPE/UFRJ

- Marcus Granato - MAST

- Marcio Ferreira Rangel - MAST


Pesquisadores Externos:

- Roberto Scopigno - ISTI/CNR

- Marco Callieri - ISTI/CNR

- Matteo Dellepiane - ISTI/CNR