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.

Tutorial: Correção de Modelos do Sketchup para Impressão 3D

O Sketchup Make distingue-se pela facilidade de modelação 3D. Não está, tanto quanto sabemos, otimizado para impressão 3D. Durante o processo de modelação 3D neste programa é fácil deixar arestas soltas, sobrepor faces, mesclar objetos sem interseção, ter normais invertidas ou deixar elementos de geometria no interior dos modelos. Problemas que se não forem corrigidos, irão gerar erros na impressão 3D, com peças falhadas. Neste tutorial mostraremos algumas técnicas que, recorrendo ao Sketchup, Netfabb, Meshlab e Tinkercad permitem minorar ou eliminar erros de impressão. Não há, tanto quanto sabemos, um processo único que resolva problemas de impressão com modelos 3D gerados no Sketchup.  Normalmente teremos de combinar operações em vários programas para garantir que o modelo 3D cumpra os requisitos de estanquicidade, orientação de normais e arestas que garantem uma impressão 3D bem sucedida.

No final deste processo, podemos obter um modelo 3D pronto para impressão, sem erros. Estes procedimentos não são lineares. Para obter uma malha poligonal sem erros poderá bastar atenção ao processo de modelação 3D no Sketchup. Por vezes, bastam os algoritmos de reparação do Netfabb ou do Meshlab. Outras, tudo falha até se combinar com primitivos no Tinkercad. Utilizar o Sketchup para criar modelos para impressão 3D permite uma enorme liberdade na modelação, mas obriga ao experimentar de diversas soluções para garantir que o resultado final esteja conforme o desejado.

Tutoriais Meshlab: Dizimar Polígonos e Converter Ficheiros

Dois novos tutoriais, sobre o Meshlab. Primeiro, utilizar o Meshlab para converter entre formatos de ficheiros 3D (de OBJ para STL, por exemplo).


O segundo tutorial mostra como reduzir a contagem de polígonos de um modelo, para facilitar o processo de impressão 3D.

Workshop Introdução à Impressão 3D - Lisboa

Hoje foi assim, na sala Escola do Futuro do Museu das Comunicações em Lisboa. Workshop de Introdução à Impressão 3D da ANPRI. Três horas intensas e exigentes, porque condensar técnicas, potencialidades e introdução a esta tecnologia é tarefa ingrata. A quantidade de ideias, conhecimentos, metodologias e aplicações de trabalho partilhada é muito elevada, e esperamos que entre a introdução deste momento de formação e os materiais complementares que disponibilizamos aos formandos, estes ganhem algumas bases que lhes permitam iniciar o seu próprio percurso pessoal de descoberta desta fantástica tecnologia, cheia de potencial.

Desenganem-se, as minhas fotos foram todas tiradas no final da sessão. Não houve tempo para ser de outra maneira. Para este workshop, a Anpri disponibilizou a sua impressora 3D BEEINSCHOOL, e complementei com exemplos tácteis de trabalhos desenvolvidos pelos alunos do Agrupamento de Escolas Venda do Pinheiro. Os nossos bonecos, modelos moleculares, brinquedo vencedor do concurso Codeweek 3D e modelo da fachada do convento de Mafra despertaram a atenção dos participantes.

A formação iniciou-se pelo essencial, a introdução à modelação 3D em Tinkercad, com o clássico desafio de modelar um porta-chaves. É um exercício simples que permite iniciar conceitos elementares da modelação 3D. Mas não nos ficámos por aqui. Também se abordou um pouco de Sketchup e Inkscape, mostrando como na modelação 3D podemos conjugar diversas aplicações para criar. Mostrou-se também o processo de preparação de um modelo para impressão, com correcções e validação de mesh no netfabb, e correcções e remeshing no Meshlab. Mostrando que o tablet começa a ser uma poderosa ferramenta de modelação, fizeram-se curtas demonstrações do 123D Catch (fotogrametria), escultura digital no Sculp+, a simplicidade modular do Thingmaker Design e a integração do FormIt em app para tablet e web app. E não pudemos deixar de mostrar o que o Mineways faz aos mapas do jogo Minecraft, extraindo a informação 3D para impressão dos modelos criados pelas crianças no jogo.

O uso e manutenção das impressoras 3D também foi abordado, mostrando como funciona a tecnologia FDM/FFF, como utilizar o Beesoft para controlar a impressora e imprimir objectos com opções de impressão (resolução, densidade, suportes, raft). Também houve tempo para falar um pouco da tecnologia de manufactura aditiva e das suas potencialidades pedagógicas.

De facto, é muita informação para um espaço de tempo tão curto. E ainda ficou muito por dizer. Teremos de equacionar uma acção de formação formal, mais alongada, que permita aos formandos aprofundar estas questões.

Andava por lá um bom exemplo das potencialidades pedagógicas da impressão 3D como ferramenta aliada a outras do crescente arsenal de tecnologias educativas: o robot Anprino. Fiquei a saber que estes dois protótipos já têm nome. O  segue-linhas/desvia obstáculos foi apelidado de Luís, por causa do Luís Dourado, que andou de volta da electrónica e programação do Anprino. O controlado por bluetooth é o artur, o despistado. Certeiro, diria!

No final da formação, um dos simpáticos responsáveis do Museu das Comunicações perguntou-me quantos formandos estiveram presentes no workshop. Para aí uns quinze, disse. Era a informação que tinha, sabendo que também estariam presentes três elementos do Museu. "Contei 21", disse o segurança. Whoa! É bom ver o interesse na impressão 3D em contextos educativos a crescer, sem hype e com muita reflexão. É um ponto que saliento sempre nestes momentos. Esta tecnologia pode ser uma enorme mais-valia para os nossos alunos, mas temos que saber o que queremos dela, senão arrisca-se a tornar-se mais um objecto que depois do entusiasmo inicial fica numa sala, ou numa arrecadação da escola, a apanhar pó por falta de uso. Para evitar isto, há que reflectir, ler, investigar e partilhar. Confesso que tenho um enorme gosto por poder dar a minha contribuição para que esta tecnologia se dissemine entre os professores, e uma enorme gratidão à ANPRI pela abertura que demonstra, que se tem traduzido nos estimulantes desafios em que participo.

Edit: Fui consultar os registos e reparei que foi há exactamente um ano que, com a ANPRI, foi desenvolvido também no espaço Sala do Futuro aquele que foi o primeiro workshop de introdução à impressão 3D para professores. De 28 de novembro de 2015 a 26 de novembro de 2016, digamos que tem sido um ano emocionante!

Dica F@b #03: Dizimar Malhas Poligonais

Socorro! Na imagem, o modelo 3D parecia perfeito. No computador, é muito pesado, e ao enviar para a impressora 3D o software demorou demasiado tempo para fazer o slicing, a impressão correu mal, ou crashou continuamente. O que é que se passa?

É um problema comum nos objectos 3D que encontramos online. Todos os modelos 3D são constituídos por uma superfície definida por triângulos, chamada malha poligonal (mesh, em inglês). Quanto maior o número de triângulos que define o objecto, melhor a sua perfeição. Ter modelos 3D com elevados números de polígonos é desejável, mas por vezes pode-se tornar problemático. Quanto maior for o número de triângulos, maior será o tamanho do ficheiro e as necessidades de memória RAM do computador para o processar (quer em rendering quer em slicing).

Existem técnicas que permite diminuir o número de polígonos de um modelo 3D, tornando-o mais leve e fácil de processar. Vamos mostrar uma, utilizando os recursos do Meshlab. Nesta dica F@b, utilizámos um modelo 3D de estatuária suméria digitalizado e disponibilizado pelo British Museum.

Primeiro, importamos o modelo 3D para o Meshlab com o comando Import Mesh do menu File. 

No painel do Meshlab podemos saber quantas faces tem a malha poligonal.

Se o modelo tiver textura associada, podemos visualizar a malha poligonal clicando em wireframe nas opções de visualização.

Para diminuir o número de polígonos do modelo, vamos aplicar o filtro Quadric Edge Collapse Decimation, disponível no submenu Remeshing, Simplification and Reconstruction do menu Filters (filtros). O Meshlab dispõe de uma enorme quantidade de recursos para processar modelos 3D.

O filtro define de forma automática a diminuição para metade do número de polígonos. Na opção Target Number Of Faces podemos definir para quantos polígonos queremos que a redução seja feita. A qualidade da malha poligonal pode ser controlada nas opções do filtro.

A diminiução da contagem de polígonos torna o modelo mais leve, mas retira-lhe realismo. Podemos ir executando gradualmente este processo, até atingir o resultado desejado.

Quanto menor o número de polígonos, mais facetado ficará o objecto.

Para finalizar esta dica F@b, reduzimos o número de polígonos do modelo para 25 000.

Exportamos o modelo com a opção Export Mesh As... do menu File. No formato, escolhemos ficheiro STL. Uma das melhores ferramentas do Meshlab é a facilidade com que converte entre formatos de ficheiros 3D.

Uma análise do STL no netfabb (procedimento que recomendamos para certificar que a impressão 3D vai ser bem sucedida) mostra que o modelo não tem problemas a corrigir.

Só falta imprimir, e levar para a sala de aula. Com esta técnica, podemos assegurar que a impressão de um modelo 3D pesado será bem sucedida.

Acreditar

Não é todos os dias que podemos escrever... eis os primeiros trabalhos concebidos e impressos de raiz por alunos de sétimo ano na sala de aula. Os primeiros de muitos, esperamos. Os sorrisos traem um misto de alegria com aquele ar nem acreditamos que estamos a segurar naquilo que construímos no computador!

Tangibilidade

Sexta feira iremos deixar um aluno muito surpreendido e, esperamos, uma turma ainda mais motivada. É o primeiro exemplo prático de utilização da beethefirst para materializar projectos criados por alunos neste semestre. Ainda não o é totalmente na sala de aula, porque houve operações de teste para verificar. Mas, com sorte, o próximo será.

Com este finalizado, percebemos alguns pormenores a afinar, especialmente no que toca à estrutura dos objectos. Entre remeshing e escalagem os pormenores mais pequenos perdem-se, e isso pode compremeter a integridade do modelo final.

Para criar este simpático robot o aluno de uma turma de sétimo ano modelou utilizando o Doga L3 por assemblagem de elementos. Pegámos no resultado final em VRML e depois começou o trabalho de bastidores. No Meshlab convertemos para collada. O ficheiro convertido foi importado para o Sketchup para se juntar a uma base. O resultado foi exportado como collada, aberto no Meshlab para converter para STL. Usando o Meshmixer transformou-se as várias peças num sólido oco. Como esta operação tem tendência a disparar a contagem de polígonos do modelo, usou-se o Meshlab para operações de remeshing, diminuindo os polígonos do modelo. Quando chegámos a uma contagem razoável, voltámos a exportar como STL que foi validado pelo Netfabb. O beesoft fez o resto.

Parece complicado, não parece? Falta-nos, de facto, um utilitário simples que transforme os modelos cheios de geometria interior criados pelos alunos num sólido. Modelar num programa mais avançado, como um ZBrush ou blender, poderia facilitar o processo (pelo que tenho lido, nem por isso). Mas a complexidade destes não torna viável a sua aplicação no nível de ensino onde nos situamos. Ficamos com estes processos que são mais simples do que parecem, dependem de muitos passos que não são iguais para todos os modelos. Apesar de toda a promessa, a impressão 3D é um processo estupendamente artesanal. Mas o que realmente vai saber bem vai ser ver o sorriso na cara do aluno quando pegar no objecto que modelou no computador.