Wednesday, June 30, 2004

Simulando o passado: A realidade virtual ao serviço da arqueologia

Resumo:
Desde à uma década atrás, que progressivamente, se têm desenvolvido projectos e conteúdos tridimensionais na arqueologia portuguesa.
Estes conteúdos, sejam científicos ou didácticos, permitem compreender o passado através de um ponto de vista diferente do até actual. A sua aplicação na investigação e na pedagogia permitirá percepcionar e visualizar melhor os objectos, as estruturas e o meio, permitindo uma interacção entre o usuário e o computador e possibilitando a sua disponibilização em tempo-real.
Até que ponto as reconstruções são importantes, é uma pergunta que podemos fazer. Contudo está claro que algumas das limitações do 2D, mesmo que teoricamente não sejam relevantes, são facilmente ultrapassadas proporcionando uma melhor percepção dos vestígios arqueológicos.

Palavras chave: 3D, Arqueologia, Realidade Virtual, Interactividade, Modelos Dinâmicos

As mudanças na visualização de dados

As primeiras reconstruções e aproximações técnicas do uso das três dimensões foram desenvolvidas nos anos 60, sobretudo por Ivan Sutherland na Universidade de Utah (Sutherland, 1965). O desenvolvimento destas aplicações foi, contudo muito lento, devido sobretudo às necessidades e aos custos económicos de tais conteúdos. A maior parte dos trabalhos que, posteriormente, se desenvolveram emergiram em instituições de cariz militar. Só nos anos 80 é que começaram a ser utilizados noutros meios, como é o caso da industria cinematográfica. O centro de pesquisa da NASA, Virtual Interface Environment Workstation Project teve um papel preponderante no desenvolvimento destas tecnologias, sobretudo com a produção do Data Glove.
A animação das reconstruções, através da disponibilização de uma sequência de imagens digitais consecutivas que iludem um movimento, possibilitou ultrapassar muitas limitações tecnológicas da representação do real, até então nunca experimentadas.
Nestas últimas duas décadas esta nova tecnologia expandiu-se a outras ciências, incluindo a arqueologia facilitando a percepção e a apresentação do passado.
Estas aplicações foram possíveis pelo aparecimento crescente de novos softwares com interfaces mais próximos do nível do utilizador e, naturalmente, pelo aumento das capacidades de hardware e diminuição dos custos com os meios informáticos. São exemplo disso as sucessivas versões do 3D Studio, 3D Studio MAX, 3D Studio VIZ, AUTOCAD, Bryce, Poser, Lightwave, entre outros.
A Internet teve também o seu papel no auxilio documental destas experiências facilitando o acesso a algumas demonstrações e na divulgação desta tecnologia, nomeadamente através do uso da linguagem VRML (Virtual Reality Modelling Language). O acrónimo VRML nascido pela primeira vez em 1994, em Geneva, no primeiro congresso dedicado ao World Wide Web, tornou-se desde então a ferramenta gráfica, por excelência, da visualização de reconstruções em Internet. Esta ferramenta permite disponibilizar simulações interactivas, facultando ao utilizador a possibilidade de “mexer” no objecto, caminhar por entre estruturas, visualizar diferentes perspectivas, entre outras funções.
As últimas inovações têm sido desenvolvidas na área da digitalização, através do uso de mecanismos de scanarização 3D. Esta nova tecnologia capta por triangulação de raio lazer os parâmetros dos objectos e das estruturas, transportando o seu relevo e todas as suas características para o computador, reconstruindo e dando volume ao objecto. Apesar de um pouco dispendioso, esta ferramenta torna-se notória pela rapidez e precisão, contudo falta-lhe uma melhoria na perfeição de captação de micro-relevos. O desenvolvimento desta funcionalidade permitiria captar mais facilmente, por exemplo, os difíceis filiformes da arte pré-histórica.
Na arqueologia, a possibilidade de transformar um pequeno fragmento num objecto ou de reconstruir virtualmente todo um espaço, abre (em teoria) um território amplo em possibilidades.
O objectivo da reconstrução virtual da cultura material é a obtenção de uma reprodução realista, de modo a conseguir uma aproximação tal como foi imaginado e construído no passado.
A representação em duas dimensões de um vaso circular com decoração em todo o seu redor, exigia um esforço e um desdobramento para a sua publicação. Da mesma forma um elemento arquitectónico necessitava de um desdobramento em várias perspectivas. As informações eram seleccionadas sendo só analisadas determinadas vertentes. A perca de dados era inevitável.
O artista, normalmente contratado para desenhar o objecto ou a estrutura, deparava-se com pequenos fragmentos e era através desta informação parcial e pelo auxilio da interpretação do arqueólogo, que imaginando, o representava em imagem.
Contudo, e apesar de todo o leque de possibilidades, o uso de reconstruções tridimensionais está longe de ser representativo. São escassos o número de representações tridimensionais em teses de doutoramento ou mestrado, artigos em revistas, apresentação em comunicações ou qualquer outro tipo de publicação cientifica em Portugal.
As razões para esta situação são várias:
• A novidade da técnica
• O número reduzido de pessoal preparado no domínio das técnicas
• Dificuldades de articulação entre várias áreas inter-disciplinares
• Desconfiança em relação à utilidade de tal aplicação
• Prioridade para outras áreas de investigação
Pode-se mesmo dizer que, em Portugal, a temática geral das aplicações informáticas à arqueologia tem vindo a ser vista um pouco como uma área paralela menor, de resultados práticos pouco importantes, deixada de parte perante outros temas mais importantes, nomeadamente o discurso teórico.
Gostaríamos no entanto de propor nestas breves linhas a conjugação destes vários elementos. A arqueologia faz-se de várias componentes, materiais e imateriais, teóricas e metodológicas. Consagrar primazias é no mínimo perigoso. A teoria, o método, os materiais fazem todos parte do mesmo conjunto enquanto ferramentas do saber.

Visualizar o passado

A visualização pode ser definida como uma representação gráfica de um conjunto de pontos abstractos com informações de interligação. Esta informação cria uma conexão para a compreensão da complexa linguagem numérica transposta em linhas, superfícies e sólidos, representando, desta forma, o objecto (Bryson 1994, Fishwick 1995, Barceló 2000). Isto é, a geometria, usada como linguagem visual, representa um modelo teórico que será captado pela zona sensorial do cérebro humano através do uso de sombras e luz, realçando os aspectos de volume e dando a ideia de real (FishwicK 1995).
Significa isto que um modelo visual representa a realidade decompondo-a em unidades (linhas, pontos ou polignos) com base na teoria geral do sistema. Como consequência, para imitar um mundo real, um modelo visual de representação deve integrar um conjunto de padrões, tais como a cor, a forma, a textura, a topologia e o movimento, dados por diferenças de iluminação (cor), mudança brusca de orientação das extremidades (forma), realçadas pelo reflexo e pelas suas variações uniformes (textura), pela diferenciação entre as extremidades em diferentes posições espaciais (topologia), e espaço temporais (movimento) (Barceló 2000).
Esta representação utilizada na disponibilização de informação ao público oferece várias vantagens pedagógicas, sobretudo pela apreensão imediata e mais atractiva dos elementos (Sanders 2000). Veja-se por exemplo o site da empresa norte-americana Learning Sites .
Permite ainda uma experiência que se torna mais interessante e estimulante para o utilizador.
Este tipo de tecnologia aplicado a museus, não só torna mais proveitosa, em termos de conteúdo, para o adulto, como torna a exposição mais divertida e estimulante para a criança, assumindo a realidade como menos abstracta e mais compreensível.
Modificando a tradicional imagem do museu como um lugar aborrecido.
Neste caso, já há muito que defendemos a criação de um museu virtual total, com informações sobre a arqueologia portuguesa, objectos reconstruídos, estruturas virtuais idênticas aos exemplares observados em escavações, animações que expliquem acontecimentos e ou determinado tipo de actividades, e a sua disponibilização ao público, quer por meios digitais, magnéticos, quiosques ou outros e com a criação de pequenos demos colocados on-line.
Assim sendo, o conceito de “museu vivo” ganhava realidade podendo, a cultura, estar acessível a todos em qualquer altura ou lugar.
O mesmo acontece com a aplicação desta tecnologia nas escolas. Os professores, ao utilizarem meios informáticos e audiovisuais (vídeos), poderão atrair e desenvolver as capacidades dos alunos. No fundo trata-se de criar um clima afectivo de interesse pelo passado.
O desenvolvimento desta tecnologia serve também para a construção de um mundo virtual total. “Os modelos geométricos podem ser animados incorporando interactividade” (Barceló 2000, 23).
O conceito de realidade virtual existe quando o mundo construído passa a ser interactivo e o modelo torna-se dinâmico auxiliado pelas diferenças de posição, tamanho, propriedades materiais, luz e perspectiva (Foley et al. 1996).
O tempo real é detectado pelo computador que traduz instantaneamente as modificações que o utilizador lhe indica representando a acção no ecrã, criando a ideia de interactividade tal como na realidade.
A imersão num mundo arqueológico virtual transmite ao utilizador um conjunto de sensações vividas por este, permitindo percorrer por entre os objectos, ruas, entrar nos edifícios, analisar detalhes, enfim visitar todo um espaço livremente, que pode ser enriquecido com outras informações importantes. Desta forma um indivíduo sentado em frente ao seu computador poderá realizar toda uma viagem no tempo. De igual modo constrói-se uma interacção que promove a ideia de realidade, ao chocar com os objectos, subir escadas, olhar pelas janelas.
Algumas experiências neste campo vão sendo produzidas actualmente por toda o mundo. No XXVI Computer Applications in Archaeology já se haviam apresentado mais de quarenta projectos diferentes ligados de algum modo a este tipo de tecnologia e em 2000, podiam-se contar com cerca de 70 projectos de reconstruções virtuais de estações arqueológicas em todo o mundo (Sanders 2000).

Possibilidades de análise

No campo cientifico permite-se ao investigador colocar questões que normalmente não poderiam ser respondidas numa visualização a duas dimensões.
O estudo de uma estação arqueológica está dependente da publicação dos seus resultados. Torna-se notório o papel fundamental das publicações no estudo de intervenções anteriores, assim como existe uma preocupação generalizada de publicar o maior número possível de dados como legado para investigações futuras. Assume-se assim a escavação como elemento de destruição, que como tal, deve ser acompanhada por uma longa descrição pormenorizada e várias ilustrações seriadas segundo um critério de custos e tamanho. Publicações que incluem dados da escavação, ilustrações da planta, estruturas, perfis e desenhos de artefactos, alguns cortes estratigráficos e pouco mais (Sanders 2000).
Será isto suficiente para que se compreenda toda a problemática da escavação, todo o trabalho empreendido e a profundidade da sequência histórica descoberta?
Um tratamento informático dos dados provenientes da escavação, pode encurtar o tempo despendido até à publicação dos mesmos, bem como aumentar a qualidade dos mesmos
A apresentação ganha novas possibilidades de expansão em termos de visualização.
Permite contextualizar os objectos na sua realidade espacial, e analisar questões estratigráficas, bem como associar informações antigas e novas da escavação, adicionado a informação em camadas sucessivas que podem ser correlacionadas e cruzadas entre si.
Uma melhor compreensão global da estação, vai sendo reconstruída pouco a pouco no gabinete, surgindo à posteriori num ecrã.
Não é, assim, de estranhar que este tipo de técnica seja aplicado em investigações interdisciplinares e na partilha de resultados de escavação.
A publicação destes resultados, devido à sua forma, torna possível alcançar um público mais vasto de uma forma mais rentável, prática e dinâmica.
A realidade virtual pode também ser usada para testar teorias, uma vez que a reconstrução virtual de estruturas pode identificar incoerências nos dados arqueológicos e rectificar hipóteses a cerca da aparência de elementos pré-históricos (Kantner 2000).
A modelação deve ser orientada no sentido de responder a determinados objectivos e a avaliar sobretudo elementos relativos a hipóteses e dados e não preocupada em ser excessivamente precisa sobre todos os elementos que caracterizam o objecto (Kantner 2000). Significa isto que se pretendemos perceber a relação por exemplo da arquitectura de um monumento com a posição dos astros, não é excessivamente necessário que se invista demasiado tempo a trabalhar na precisão da textura ou cor dessa mesma estrutura.
É um novo tempo para a investigação arqueológica.
Deixamos de estudar o passado com métodos antigos.
A nova tecnologia trará todas as condições favoráveis em termos recolha, estudo e publicação dos dados. As nossas questões poderão ser respondidas, ultrapassadas e estimuladas por uma nova maneira de visualizar o passado.

Aplicação Técnica

Uma questão básica, para quem pretende desenvolver este tipo de aplicações será, o tempo que seria necessário, para em parte, desenvolver aquilo de que alguns apelidam de “Pretty Pictures”.
Para demonstrar melhor estas capacidades analisemos alguns casos em estudo. O formato no qual é desenvolvido este texto não é em si o melhor. Aliás, é por essa mesma razão que advogamos a utilização de novos suportes de comunicação, nomeadamente o multimédia. Muito mais que folclore, espectáculo, ou meramente declaração politicamente correcta, esta é uma declaração de princípio que aplicamos na prática.
Tomemos em consideração uma paisagem, neste caso a região de Cheles do Alqueva, onde no seu centro podemos observar a passagem do rio Guadiana, dividindo, como fronteira, Portugal e Espanha.
Na carta militar 1:25 000 (figura n.º 1) e na fotografia aérea (figura n.º 2) podemos observar a zona em análise.
Na figura n.º 1 presenciamos um conjunto de curvas de nível, que naturalmente contêm informações a elas agregadas, nomeadamente a altitude. É com este tipo de informação, que neste primeiro caso, nós vamos trabalhar.



Figura n.º 1 – Região de Cheles na
Carta Militar 1:25.000, folha 474 Monsaraz.

Figura n.º 2 – Fotografia aérea da região
de Cheles.

A figura n.º 3 e n.º 4 evidênciam já uma aproximação a uma reconstituição. As diferentes linhas da altitude, encontram-se referenciadas com um X, um Y, e o mais importante um Z, as três dimensões.











Figura n.º 3 e n.º 4 – Tratamento 3D, através do estabelecimento de uma malha com as indicações de X, Y e Z.

Contudo, apesar de perceptível, a paisagem necessita de ser reconstruída, através da aplicação de texturas e luminosidade.
O céu, a luz, o brilho e a sensação de movimento da água, são tudo factores que nos ajudam a aproximar a reconstrução do real, tal como observamos nas figuras n.º 5, n.º 6 e n.º 7.


Figura n.º 5 – Vista da reconstrução SE – NW.

Figura n.º 6 – Vista da reconstrução SEE - NWW

Figura nº 7 – Vista da reconstrução de N – S.

Após a realização da reconstrução são inúmeras as possibilidades da sua utilização, desde a diversidade de imagens que podemos recolher, possibilitando uma melhor apresentação ao público; das animações que podemos desenvolver - desde o simples navegar à visualização de um ataque de guerreiros - os constantes dados que lhes podemos acrescentar - desde a reconstrução de um monumento ou vários e a sua localização no terreno, podendo observar, a sua visibilidade, a sua relação com a paisagem, com outros monumentos, bem como a sua relação com os astros, desenvolvendo animações do nascimento e pôr do Sol, ou ainda análises, como por exemplo, neste caso, uma reconstituição da paisagem após o enchimento da barragem (figura n.º 9)


Figura n.º 8 – Vista de topo da paisagem
a uma cota de 120 m)

Figura n.º 9 – Reconstrução virtual da paisagem após enchimento da barragem (cota 150 m).

Vejamos outro exemplo, neste caso um simples vaso cerâmico calcolítico com uma decoração metopada ou ainda um vaso com decoração incisa oculada.
As figuras n.º 10 e 12 apresentam os desenhos com todas as características do desenho arqueológico. São estas as informações que vamos utilizar, nomeadamente a espessura, o diâmetro da boca, a morfologia do vaso e o desenho da decoração.
Após transpormos estas informações e vectorizarmos o perfil podemos atribuir-lhe o 3D, preenchendo de igual forma todo o espaço em redor, tomando como ponto de partida e de chegada a informação traduzida na vectorização.
Tal como foi feito para a paisagem é necessário atribuir-lhes uma textura que se aproxime ao máximo da tonalidade e rugosidade da cerâmica, bem como incidir no vaso a simulação da decoração.
Assim, a textura, normalmente definida pelos atributos de contraste, direccionalidade, regularidade, rugosidade, linearidade e coesão, juntamente com a iluminação determinarão quais as linhas ou superfícies que mais deverão contrastar. O resultado final pode ser observado na figura n.º 11 e 13.



Figura nº 10 – Desenho arqueológico.
S.O.J., 1990)

Figura n.º 11 – Reconstrução do vaso calcolítico, com decoração metopada, proveniente do povoado da Vinha da Soutilha.


Figura nº 12 – Desenho arqueológico.
(S.O.J., 1990)

Figura n.º 13 – Reconstrução do vaso calcolítico, com decoração oculada, proveniente do povoado da Vinha da Soutilha.

A ilusão da decoração, bem como das texturas é dada por um conjunto de funcionalidades existentes em alguns solftwares. Neste caso a incisão e a rugosidade é dada pela distorção causada por partículas de pequenos altos e baixos e pela luminosidade.
Também neste tipo de exemplo se pode manipular o objecto rodando-o e analisando-o pormenorizadamente, tirando-lhe fotografias ou animando-o.
O processo de modelagem das estruturas é idêntico.
Quando visitamos as ruínas de um edifício torna-se difícil conceber qual a altura deste muro ou daquela parede. Assim muito do que é a reconstrução tridimensional de edifícios passa por um primeiro trabalho de análise da própria estrutura. A reconstrução de estruturas habitacionais exige sobretudo um trabalho prévio da cálculo arquitectónico. Importa assim executar um trabalho de desenho em plano das vistas frontal, lateral e planta.
Para o período romano utiliza-se sobretudo a obra de Vitruvio para desenhar os vários planos do edifício. Para períodos anteriores o trabalho torna-se dificultado por falta de referencias bem como pela perecíbilidade de algumas estruturas.
Partindo dos planos frontal, lateral e da planta (figura n.º 14) é executada a reconstrução do edifício como pode ser observado na figura n.º 15.



Figura n.º 14 – Planta do Templo romano
de São Cucufate (Alarcão et al. 1990)

Figura n.º 15 – Complexidade da reconstrução virtual do monumento.

Utilizam-se sobretudo sólidos geométricos de modo a obter o menor número de vértices, que proporcionam uma melhor manipulação dos objectos. Novamente são elementos como a iluminação, a cor e a textura que dotam de realismo a reconstrução.



Figura n.º 16 – Reconstrução Virtual do templo romano de São Cucufate.

A partir daí pode-se jogar com estes atributos de modo a obter um olhar particular sobre determinados elementos (iluminação da sala, aspecto do interior a determinada hora do dia, local de incidência das luz solar, etc.), podendo também conjugar diferentes objectos (expor materiais reconstruídos no seu interior, integrá-lo numa paisagem ou relacioná-lo com outras estruturas).

Conclusão:

Apesar de não podermos apresentar aqui animações ou reconstruções em formato VRML, mesmo assim, podemos perceber, com as imagens que demonstramos, algumas das capacidades das três dimensões.
Palavras tais como manipulação, interactividade, animação, ilusão, modelo dinâmico, três - dimensões, integram-se na compreensão do conceito de realidade virtual.
Esta nova realidade pode ser aplicado a tudo o que é material, desde as estruturas à paisagem que a envolve.
A sua utilização é idêntica à de um mapa, contento os mesmo problemas que outros sistemas de representação e modelação do real. Um modelo tridimensional é exactamente isso, uma representação da realidade que a torna maleável e passível de interpretações.
A potencialidade, mais do que a ferramenta, mede-se pelas questões que são levantadas ao modelo e pela necessidade de ter em conta as limitações da modelagem para realizar determinadas questões.
O grau de experimentação do passado é relativo.
Contudo também há que ter a frontalidade de dizer que há questões que ficam sem resposta.
Enfim, o modelo não é um fim em si mesmo, mas um meio para a compreensão do real.

Bibliografia:

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Barceló, J. 2000, “Visualizing what might be: na introduction to virtual reality techniques in archaeology” Virtual Reality in Archaeology, Bar international Series 843, pp. 9-35.

Bryson, S. 1994, “Real-time exploratory scientific visualisation and virtual reality”. In Scientific Visualisation. Advances and Challenges. Edited by L. Rosenblum et al. New York, Academic Press, pp. 65-85.

Fishwick, P. A. 1995, Simulation and Model Design and Execution. Building Digital Words. Englewood Cliffs. Prentice Hall.

Foley, J., Ribarsky, B., 1994, “Next-generation data visualization tools”. In Scientific Visualization. Advances and Challenges, Edited by L. Rosenblum et al. New York, Academic Press, pp. 103-127

Jorge, S. O. 1990 “Desenvolvimento da Hierarquização Social e da Metalurgia”, Nova História de Portugal, Coordenação de Jorge de Alarcão, Editorial Presença.

Kantner, J. 2000 “Realism vs. Reality: Creating virtual reconstruction of prehistoric architecture”. Virtual Reality in Archaeology, Bar international Series 843, pp. 47-52.

Sanders, D. 2000 “Archaeological Publications using virtual reality: case studies and caveats” Virtual Reality in Archaeology, Bar international Series 843, pp. 37-46.

Sutherland, I. 1965 The Ultimate Display Information Processing, Proceedings of the IFIP Congress 65, 2, New York.

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