Da Janela da Minha Escola: Mapas 3D

Os alunos da turma escolhida para o projeto Da Janela da Minha Escola, participante na iniciativa Ciência na Escola, estão a trabalhar num dos elementos mais importantes: um mapa tridimensional, impresso em 3D, da bacia do rio Lizandro entre as zonas da Ericeira e Venda do Pinheiro. O objetivo deste projeto é levá-los a conhecer melhor a região onde vivem.

Produzir mapas em 3D não é uma tarefa fácil. Numa primeira fase, desafiámos todos os alunos a experimentar aplicações simples que a partir de mapas geram um modelo 3D em STL. Foi um exercício de localização geográfica, os alunos tinha de encontrar nos mapas a região de Mafra para poderem converter para 3D.

No entanto, estas aplicações não nos dão modelos 3D com o nível de detalhe que precisamos para este projeto. Demos um passo em frente, utilizando as bases de dados geográficas do Open Topography para recorrer a mapas mais detalhados. Sendo um trabalho mais minucioso, optámos por desafiar um pequeno grupo de alunos, enquanto o resto da turma afina competências em Sketchup para poder avançar com outra vertente deste projeto.

Na primeira fase, as alunas encarregues dos mapas 3D extraíram do OpenTopography mapas em formato GeoTIFF para selecionar o tipo de captura que nos traria melhores resultados. Em pesquisa global, este site disponibiliza mapas criados a partir dos projetos Global Multi-Resolution Topography (GMRT), ALOS (Advanced Land Observing Satellite) Global Digital Surface Model (AW3D30) e Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). Cada um tem as suas resoluções, e as alunas fizeram uma captura da zona da Ericeira-Mafra-Venda do Pinheiro com os vários datasets para aferir qual o mais adequado.

O passo seguinte foi dado pelo professor, que converteu os mapas GeoTIFF para ficheiros DEM (modelos de elevação digitais) utilizando o MicroDEM, utilizando o Accutrans para transformar os DEM em superfícies 3D com volume estanque para impressão 3D. Todo este processo pode ser encontrado no Instructables Make 3D Printed Topo Maps of Anywhere. Originalmente, a os serviços geográficos da Câmara Municipal de Mafra forneceram-nos mapas extraídos dos seus sistemas de informação geográfica, mas não conseguimos adaptá-los para 3D.

Em seguida, avaliámos com a professora de Ciências qual o mapa 3D mais adequado aos nossos objetivos. Optámos pelos mapas obtidos na SRTM, os mais detalhados para impressão 3D.

Na aula seguinte o desafio ao grupo de trabalho foi repetir a captura da região, desta vez utilizando um único dataset. As alunas fizeram duas capturas, uma mais abrangente, outra mais restrita. Em seguida, aprenderam a extrair o modelo 3D a partir do mapa GeoTIFF, e começaram a processar o modelo STL no netfabb. Estes mapas dão-nos modelos à escala real, e não dispomos de impressoras capazes de imprimir um mapa 3D com 30 quilómetros no eixo maior. Temos de reduzir o tamanho dos modelos, e cortar em módulos para imprimir um modelo maior do que o volume de impressão nos permite. Será esse o desafio para a próxima aula.

Projetos Finais de TIC 2017/20187 (1º Semestre): 7º I

Nesta turma, os projetos finais inseriram-se num tema abrangente, com participação no projeto eTwinning Invent Your Future, em parceria com escolas francesas, catalãs e italianas. O projeto ainda não terminou, e será envolvida uma segunda turma para a fase seguinte. Como o objetivo é integrar modelação 3D neste âmbito, não seguimos à risca a estrutura original do projeto. Estamos a trabalhar com escolas e docentes com outros tipos de estratégias, mais clássicas, de abordagem ao trabalho de projeto.

No âmbito deste projeto, cada grupo de trabalho procurou invenções portuguesas. Contámos aqui com o apoio das Bibliotecas Escolares, que organizaram vários momentos de pesquisa orientada por guiões. O objetivo é duplo: desenvolver técnicas de pesquisa, e recolher informação textual e visual para recriação em 3D de artefatos.

Modelação por subdivisão de superfícies em Sketchup foi a técnica utilizada pela maior parte dos grupos de trabalho. Dependendo dos projetos a modelar, alguns grupos modelaram com as técnicas de modelação, outros traçaram sobre fotografias e criaram modelos por extrusão simples.

A partir do tema Inventores Portugueses, os alunos fizeram pesquisa orientada sobre o tema e recolha e imagens de referência para modelação 3D. Selecionaram o tipo de modelação que lhes pareceu mais adequado - subdivisão de superfícies ou primitivos, realizando o trabalho de modelação em três aulas. Para além da pesquisa inicial, elaboraram um pequeno relatório final de reflexão técnica sobre os processos de trabalho.

Este projeto desenvolveu-se em várias fases. Como habitual em projetos eTwinning, os alunos desenvolveram atividades de introdução pessoal aos restantes participantes, utilizando colagens organizadas com o Padlet. Com parceria de Português e Inglês, escreveram cartas para enviar aos colegas das restantes escolas participantes. TIC foi responsável pelo lado digital do projeto,  modelação e impressão 3D dos projetos. Formação Cívica e Bibliotecas Escolares colaboraram no domínio da literacia da informação.

Antecipando as diretivas do RGPD, optamos por não identificar os alunos que elaboraram estes projetos.

Projetos Finais de TIC 2017/20187 (1º Semestre): 7º H

A proposta surgiu da diretora de turma: como os alunos em História vão dedicar atenção especial a uma zona específica, podemos trabalhar com as TIC? Claro. Nesta turma, os seus projetos finais refletem um trabalho interdisciplinar que envolve História, TIC, Bibliotecas Escolares e outras disciplinas. O médio oriente é o tema abrangente de História - 7º Ano, e esta turma tinha selecionado o Egipto.

Os grupos de trabalho que em História e noutras disciplinas, com apoio da Biblioteca, selecionaram artefatos e realizaram pesquisa para os contextualizar, em TIC tiveram a tarefa de os recriar em 3D.

Tivemos constrangimento de acesso à web durante o primeiro semestre, e os alunos tiveram de utilizar o Sketchup Make. Uma ferramenta excelente para aqueles com maior aptidão desenvolverem projetos interessantes, mas fez falta a simplicidade do Tinkercad para alguns grupos.

O esquema de trabalho iniciou-se com aprendizagem de modelação 3D. Depois de selecionados os artefatos, com pesquisa efetuada em História, os alunos fizeram recolha de imagens sob vários pontos de vista e recriaram o artefato escolhido com ferramentas de modelação. Para alguns, o processo foi o de traçar sobre uma fotografia, criando extrusões a partir de formas planas, outros optaram por desenhar em 3D. Para finalizar, cada grupo de trabalho elaborou um relatório de reflexão sobre a técnica de trabalho.

Resta imprimir em 3D os trabalhos resultantes.

Este ano, antecipando as diretivas do RGPD, optamos por não identificar os alunos que elaboraram estes projetos.

Projeto Paleo

Diga-se que este foi um dos mais divertidos projetos que desenvolvemos nos últimos tempos. Como todos os bons projetos, arrancou por acaso, com uma menção à vertente fablab do Centro de Recursos. A ideia original era a de complementar uma exposição de artefatos líticos com atividades de pesquisa em repositórios 3D e impressão de alguns dos elementos pesquisados. Mas percebemos que se podia ir mais longe.

Impressão 3D de biface

E porque não, pensámos, digitalizar alguns destes artefactos? Não dispomos de scanners 3D, mas sabemos utilizar aplicações de fotogrametria. Não temos tido muitas oportunidades para usar esta tecnologia de digitalização, e este projeto pareceu-nos uma excelente forma de o fazer. 

Projeto Paleo

 Na sua forma final, este projeto incluiu:
- digitalização 3D de artefatos líticos, com partilha online e ficheiros disponíveis para impressão 3D;
- impressão 3D de reproduções dos artefatos líticos;
- pesquisa no Centro de Recursos, em repositórios de conteúdo de 3D, de modelos relativos à pré-história;
- exposição no átrio da escola, reunindo artefatos originais, cópias impressas em 3D, impressões 3D de modelos pesquisados pelos alunos, bibliografia e monografias.

Finalizado o projeto e a atividade, a escola fica a dispor, no Centro de Recursos, de um acervo de reproduções rigorosas de artefatos líticos da zona de Elvas, Póvoa de Santo Andrião e Tróia, que podem ser utilizados pelos docentes de História nas suas aulas.

Malha poligonal texturizada, processada no ReMake

 Para quem quiser fazer uso dos materiais criados neste projeto, podem descarregar diretamente no Sketchfab, organizados na coleção Projeto Paleo. A página de cada artefato tem informação sobre o local de recolha, época histórica, material do artefato e dimensões reais para impressão 3D, em milímetros. No Sketchfab podem ser descarregados os modelos em OBJ, com mapa de texturas. Para impressão 3D, podem encontrar aqui os ficheiros STL: ficheiro zip contendo todos os artefatos líticos, ou podem aceder a esta pasta do Google Drive para descarregar ficheiros STL individuais: Projeto Paleo. Os ficheiros STL foram validados pelo netfabb e imprimem sem erros.

Tecnologias Utilizadas

Fotogrametria é uma técnica de digitalização 3D que se baseia na trigonometria. É possível extrair informação espacial a partir de medições feitas sobre uma imagem - o princípio matemático que permite gerar informação rigorosa a partir de reconhecimento e levantamentos aéreos. O que os algoritmos de fotogrametria fazem é concatenar essa informação espacial a partir de sequências de fotografias, identificando pontos em comum e com isso gerar a malha poligonal de um modelo 3D. Normalmente, tira-se um mínimo de vinte fotos ao redor do objeto a capturar. Os melhores resultados requerem muito cuidado na toma de fotos, com máquinas fotográficas e software calibrado.

Captura 3D, em pré-processamento

Há algumas soluções mais simples: o Scann3D para Android, que gera resultados razoáveis mas na versão gratuita sem o nível de detalhe que queríamos para este projeto; o Regard3D, programa gratuito que dá bons resultados na extração de point clouds e geração de malha poligonal a partir de fotografias, mas não está optimizado e não permite limpar triângulos em excesso (um processamento de dados de imagem para extracção de pontos pode demorar horas); acabámos por utilizar o poderoso ReMake da Autodesk, programa que requer 8Gb de RAM no mínimo para correr, e é gratuito com uma licença de educação. O processamento das fotos é feito nos servidores da Autodesk (há uma versão totalmente offline, mas necessita de 16 Gb de RAM para correr), e o algoritmo é poderoso e tolerante com a qualidade das imagens. Mesmo na versão gratuita, comparativamente ao Scann3D permite melhores capturas, e ao contrário do Regard3D, fá-lo de forma rápida e com ferramentas de edição para posterior limpeza de malha poligonal.

Artefatos para digitalizar, reproduções impressas em 3D, medição das dimensões globais dos artefatos nos eixos XYZ.

Depois de um teste inicial para validar o conceito, digitalizámos alguns dos objetos da coleção de Vítor Miranda, o professor de História que propôs este projeto. São artefatos líticos que recolheu em diversos locais arqueológicos do paleolítico e neolítico, que estudou no domínio de artigos e monografias, algumas das quais estão expostas na exposição que reúne as várias vertentes deste projeto. Não digitalizámos todos os objetos que nos trouxe. A fotogrametria não é apropriada para objetos muito pequenos, optámos por digitalizar os mais representativos. Como o método de captura foi algo rudimentar (um plinto de projetor, massa bostik ou suportes simples para manter as peças fixas, fotos com um telemóvel), tivemos uma taxa de sucesso nas capturas de cerca de 80%. Houve pelo menos três capturas cuja malha poligonal não correspondia aos nossos critérios mínimos de captura da forma.

Porquê em 3D?

Não é difícil ir a um repositório e encontrar modelos de artefatos líticos. Porque é que nos decidimos a fazer um projeto destes? A questão da autenticidade e proximidade parece-nos pertinente. Há uma diferença sentimental forte, de elo de ligação, entre trabalhar com modelos e exemplos vindos de outras realidades, ou tocar em objetos de realidades que nos são próximas. Saber que o artefacto milenar em que seguramos foi recolhido no nosso país, corresponde ao labor dos nossos longínquos antepassados, tem qualquer coisa de especial.

Pesquisa orientada de recursos em repositórios de modelos 3D.

Normalmente abordamos o património de outros países, porque temos poucos exemplos recolhidos e partilhados do nosso próprio património. Foi por isso que nos atirámos a este projeto, e disponibilizamos os modelos para visualização online e download para impressão 3D. Qualquer interessado pode fazer uso dos modelos que criámos nestes projetos, em qualquer contexto. Se tiverem uma enorme vontade de imprimir bifaces e machados pré-históricos, estes modelos estão ao vosso dispor. Se quiserem mostrar na sala de aula, permitindo que os alunos toquem nestes objetos, sintam a sua volumetria e textura, utilizem livremente o resultado deste trabalho. Não garantimos a total fiabilidade das capturas 3D, mas o seu processamento tentou ao máximo manter fidelidade ao modelo original.

Este projeto é mais uma contribuição para a partilha de conhecimento, de elementos que facilitem aprendizagens. Foi criado no âmbito das atividades do departamento de Ciências Sociais e Humanas do Agrupamento de Escolas Venda do Pinheiro, proposto pelo Prof. Vítor Miranda. As fases de pesquisa foram coordenadas pela Prof.ª Jacqueline Duarte, coordenadora do Centro de Recursos Poeta José Fanha, no âmbito do projeto Fab@rts: O 3D nas mãos da Educação. A captura e processamento 3D dos artefatos líticos foi feita pelo Prof. Artur Coelho, coordenador PTE e dinamizador dos projetos TIC em 3D/Fab@rts. A impressão dos modelos foi feita em impressoras BEEVERYCREATIVE no espaço maker do Centro de Recursos Poeta José Fanha e zona de trabalho PTE do Agrupamento.

Projeto Artefactos Líticos

Há qualquer coisa de mágico na sensação de segurar num objeto que foi cuidadosamente criado pelos nossos ancestrais, há milhares de anos atrás. Sentimos a linha direta de criatividade e engenho humano que liga a nossa contemporânea era da computação com os idos tempos da pedra lascada. Uma das tecnologias de ponta da sua época, um dos imensos passos da nossa contínua evolução tecnológica. Estas pedras lascadas, para quem não conhece a sua história e evolução, são objetos surpreendentemente complexos, pensados de acordo com as suas utilizações, com uma óbvia mestria na sua manufatura. A sensação de tocar estes artefactos, sentir o seu peso e textura, imaginar as mãos dos nossos ancestrais que os lascaram pacientemente, é extraordinária.

E se tivermos a oportunidade de aliar duas pontas extremas da tecnologia, a longínqua pedra lascada e a contemporânea impressão 3D, procurando novas dimensões de descoberta e aprendizagem? O potencial da impressão 3D em tornar táctil o complexo ou o inacessível em educação é bem conhecido, e uma pesquisa nos repositórios de modelos 3D dá-nos logo acesso a capturas de objetos pré-históricos. O projeto Scan The World no MyMiniFactory tem uma extensa coleção de modelos artísticos, e o Sketchfab alberga trabalhos de digitalização 3D partilhados por arqueólogos e historiadores. Se pesquisarem apenas pela etiqueta archaeology-3Dmodel-photogrammetry encontrarão imensos modelos para descobrir o riquíssimo património pré-histórico.

Normalmente, um trabalho nosso no domínio da impressão 3D e património histórico ficaria nesta vertente, utilizando o espaço da biblioteca escolar para explorar literacias digitais e técnicas de pesquisa, e os recursos de TIC e do mini-fablab da escola para tornar tangível o digital. Colocaríamos alunos a pesquisar em repositórios, de acordo com objetivos pré-definidos em áreas disciplinares específicas, e em seguida imprimiriam as suas descobertas. É uma excelente forma de aprender, encontrando modelos e tocando nas reproduções dos objetos, que dão a sensação táctil da volumetria de uma forma que a imagem, ou mesmo o 3D no ecrã.

O passo lógico seguinte, difícil de dar em condições normais, seria o de reproduzir modelos originais. No nível de ensino em que trabalhamos não colocamos a hipótese de ensinar os alunos a modelar reproduções destes objetos, com modelação por primitivos ficariam modelos demasiado simplistas, requerem técnicas mais avançadas de modelação que não estão ao alcance de todos.

Artefatos destes não nos são acessíveis no dia a dia. Por isso, quando nos foi dada a oportunidade de trabalhar com eles, nem hesitámos.

Ficamos ainda com uma vertente extra. Podemos facilmente descarregar e imprimir modelos vindos de sítios arqueológicos de todo o mundo, mas há um valor adicional quando trabalhamos com modelos criados a partir de artefatos encontrados em Portugal. Dá-nos uma mais profunda sensação de continuidade cultural, e relaciona-se diretamente com o meio de proveniência dos nossos alunos.

Um pouco de contexto. Este projeto, como geralmente naqueles que são mais interessantes e desafiantes, surgiu informalmente. Chegou-nos ao conhecimento a proposta de um dos professores de História do Agrupamento de Escolas Venda do Pinheiro de fazer uma exposição no Centro de Recursos com alguns dos artefatos líticos da sua coleção pessoal, com, como referiu nas mensagens, uma vertente de fablab com pesquisa. Podíamos ir mais longe, propusemos. Poderíamos digitalizar esses artefactos, explorando-os de outra forma. Não temos scanners 3D, mas sabemos como utilizar aplicações de fotogrametria, que processam sequências de imagem e extraem delas um modelo 3D.

O como fazer iremos explorar em diversos posts. Mas não é um processo complexo. Necessitamos de fixar o objeto, e tirar uma sequência de fotos à sua volta. Não há aqui regras restritas, um número entre 20 a 40 fotos é o suficiente para uma boa captura. Necessitamos de ter alguns cuidados, mantendo o objeto que queremos digitalizar sempre focado e no centro da foto, mantendo sobreposições de pontos de vista entre cada foto da sequência. Temos de ter algum cuidado com a iluminação, contrastes grandes entre luz intensa e sombra vão impedir a captura correta. Ter uma boa máquina fotográfica ajuda a fazer boas captações, mas basta um telemóvel com uma câmara razoável para se conseguir bons resultados. O processo de captura em si é algo cansativo, temos de ser rigorosos nesse momento, para se conseguir um bom resultado.

O passo seguinte é escolher um software de digitalização 3D por fotogrametria. Neste projeto estamos a experimentar três: Scann3D, uma app mobile para Android, o podero ReMake da Autodesk (agora parte do ReCap, mas ainda disponível na secção de descargas da Autodesk e gratuito com licença para estudantes), e o gratuito Regard 3D. Destes, o ReMake é claramente o mais poderoso e fácil de utilizar, com imenso rigor nos resultados da captura. O processamento é feito nos servidores da Autodesk, e após a extração da malha poligonal podemos descarregar para o nosso computador.

O Scann3D é promissor pela sua portabilidade. O processamento das fotos é feito no dispositivo, pareceu-nos, mas não foi o que gerou resultados mais rigorosos.

Já o Regard3D merece mais exploração. É mais complexo para o utilizador do que o ReMake, funciona de uma forma sequencial em que temos de processar fotos rastreando pontos comuns, extrair a informação espacial, gerar uma nuvem de pontos, triangular a nuvem de pontos, transformar a triangulação numa superfície com algoritmos poisson de reconstrução de malha poligonal. Ou, em alternativa, exportar a pointcloud para o Meshlab e fazer aí o processamento. É bastante tolerante com a fonte das imagens. Utilizá-lo é um processo de descoberta das vertentes avançadas do 3D, requer conhecimentos avançados. Também exige bastante do processador do computador, o tempo de duração de algumas operações dos algoritmos mede-se em horas. Não tem ferramentas de processamento e limpeza de malha poligonal.

O ReMake é mais rápido, não nos dando controle sobre o processo de criação do modelo. No modo de edição, dá-nos ferramentas para fazer a limpeza e correção da malha poligonal, eliminando triângulos em excesso, fechando buracos, suavizando ou esculpindo diretamente nos polígonos. Exporta para diversos formatos e preserva muito bem a textura visual do modelo.

Começámos com dois bifaces, mas já temos mais em processamento. A ideia original de fazer uma exposição com os artefatos líticos mantém-se, mas vai ser aumentada com reproduções impressas em 3D que os alunos poderão manipular livremente. Queremos contribuir para a comunidade. Os modelos serão disponibilizados em repositórios, STL para impressão 3D e obj com mapa de texturas no Sketchfab. Dois já estão disponíveis.

Como estes projetos costumam ser faíscas para ideias impensáveis, certamente que iremos criar outras experiências de aprendizagem com os nossos alunos.

Há Festa no Palácio

Há festa no Palácio...

Publish at Calameo

Está publicado o resultado final do projeto interdisciplinar da turma D do oitavo ano. Há Festa no Palácio é o culminar de um trabalho colaborativo entre a disciplina de História, onde os alunos estudaram os elementos relativos à história do palácio real de Mafra, Bibliotecas Escolares, com sessões de trabalho sobre pesquisa e tratamento de informação e acesso a bibliografia específica sobre o convento. As TIC entraram com a modelação e impressão 3D de elementos representativos do palácio. Este projeto foi desenvolvido no âmbito do Fab@rts: O 3D nas Mãos da Educação.

Este livro digital reúne a pesquisa dos alunos e as imagens dos modelos 3D. Foi apresentado à escola numa cerimónia com presença de todos os alunos, dos professores envolvidos, do diretor da turma e do diretor da escola. Os alunos autografaram o exemplar impresso, que ficará no Centro de Recursos Poeta José Fanha. Os projetos impressos em 3D estão expostos no átrio da escola, e podem ser vistos aqui: Mafra 3D.