1. Introducción
Las marcas de pisadas (icnitas) de dinosaurio conforman los icnofósiles de vertebrados más abundantes a nivel mundial (Lockley, 1996; Marty, 2008). Estos rastros proporcionan información valiosa sobre el comportamiento, modo de vida y el tipo de ambiente en el que se desarrollaron estos organismos (Lockley, 1996). México no es la excepción y cuenta con diferentes yacimientos con este tipo de fósiles tanto en temporalidad como en extensión, sin embargo, los estudios de este tipo de evidencias han sido escasos y muchas de las localidades que los contienen están en riesgo de destrucción por erosión y actividades antropogénicas (Bravo-Cuevas y Rodríguez-de la Rosa, 2014). En las últimas dos décadas, varios grupos de investigadores alrededor del mundo han aprovechado las nuevas tecnologías de modelado digital en 3D aplicándolas al estudio de la icnología. Se inició con el empleo de escáner láser digital para modelar lajas con icnitas en laboratorio (Arakawa et al., 2002), posteriormente se empleó una combinación de escáner LiDAR y fotogrametría aplicados directamente en los yacimientos (Breithaupt et al., 2004; Matthews et al., 2006; Bates et al., 2008a, 2008b; Petti et al., 2008; Adams et al., 2010) y durante los últimos cinco años muchos estudios se han llevado a cabo mediante modelos de fotogrametría digital, cuya principal ventaja ante el empleo de un escáner es su bajo costo y facilidad de manejo en campo (Castanera et al., 2013a, 2013b; Falkingham, 2012; Falkingham et al., 2014; Mallison y Wings, 2014; Razzolini et al., 2014; Lallensack et al., 2015; Matthews et al., 2016; Romilio et al., 2017).
Con este proyecto se buscó generar el registro virtual de seis yacimientos con huellas de dinosaurio de manera que se corroborara la efectividad del modelado por fotogrametría digital, una técnica de bajo costo e impacto nulo sobre los icnofósiles, que permitiera generar un catálogo a modo de resguardo permanente del patrimonio paleontológico de México y al mismo tiempo funcionara como una herramienta eficiente para facilitar su estudio.
2. Marco geológico
La Formación Cerro del Pueblo (FCdP) es una unidad geológica compleja que conforma la parte basal del Grupo Difunta (Figura 1). De acuerdo con Eberth et al. (2004), esta formación representa una unidad transicional que destaca por la gran diversidad de organismos fósiles que contiene, entre los que se incluyen plantas, protistas, invertebrados y vertebrados, organismos que vivieron en condiciones marinas, salobres y terrestres (Rivera-Sylva et al., 2006; Gates et al., 2007; Perrilliat et al., 2008; Loewen et al., 2010; Bravo-Cuevas y Rodríguez-de la Rosa, 2014). Eberth et al. (2004) ubicaron a la FCdP entre las magnetocronozonas 32n.3r-32n.2n, sugiriendo una edad absoluta máxima de 72.5 millones de años (Campaniano tardío).
Con base en los datos estratigráficos de las secciones de referencia suplementarias medidas por Eberth et al. (2004) en las zonas de Rincón Colorado y Las Águilas, se realizó un perfil global en el que se establece la posición relativa de los seis estratos fosilíferos estudiados en la FCdP (Figura 2). Todas las localidades están ubicadas dentro del territorio del Municipio de General Cepeda, formando parte de los ejidos Porvenir de Jalpa, La Rosa, Depósito de la Luz y Rincón Colorado (Figura 3).
3. Métodos
3.1. Limpieza y registro fotográfico
Previo al inicio del registro fotográfico se realizó la limpieza de los yacimientos, que consistió en la remoción de los sedimentos actuales acumulados dentro de las icnitas; se utilizaron palas, cucharas de jardinería, escobas, cepillos, brochas, palanganas, cubetas y bolsas de plástico. También se retiraron las hierbas dentro y alrededor de las huellas con tijeras de poda.
Las fotografías requieren características específicas para su procesamiento fotogramétrico. Para que una sección de la imagen quede representada en el modelo, se requiere que esté presente en tres fotografías como mínimo, y es necesario que las tomas presenten traslape entre cada una (Falkingham, 2012).
No es necesario el uso de cámaras profesionales. En el presente estudio se emplearon cámaras de calidad comercial con resoluciones entre 5 y 10 Mp (Tabla 1). Para el procesamiento se prefiere la cantidad de fotografías sobre su calidad (alta resolución) (Falkingham, 2012). La fotogrametría es un método que no registra el tamaño real de los objetos modelados, por lo que resulta imperativo el empleo de una escala fija para cada huella o sector a registrar (Breithaupt et al., 2004).
Marca | Modelo | Dimensión de imagen | Tamaño de archivo |
---|---|---|---|
Sony | Cybershot DSC-W610 | 3648x2736 | 3 - 4 Mb |
Sony | Cybershot DSC-W320 | 4320x3240 | 4 - 5 Mb |
Nikon | COOLPIX S2700 | 4608x3456 | 3 - 4 Mb |
Samsung | VLUU PL65 | 4000x3000 | 3 - 4 Mb |
Canon | EOS REBEL T2i | 3456x2304 | 2.5 - 3 Mb |
Nikon | D3100 | 4608x3072 | 6 - 8 Mb |
Samsung | ES9 | 2592x1944 | 1.75 - 2.5 Mb |
Fujifilm | FinePix S1600 | 2816x2112 | 3 - 4 Mb |
Nikon | COOLPIX AW100 | 4000x3000 | 1.5 - 3 Mb |
Canon | PowerShot A2200 | 3072x2304 | 2.5 - 3 Mb |
De acuerdo con Falkingham (2013), no hay un número fijo de fotografías para generar un buen modelo, ya que este criterio varía dependiendo de la complejidad del objeto; no obstante, Mallison y Wings (2014) indican que existe un punto en que al emplear demasiadas fotografías el modelo generado no mejora su calidad, pero sí ralentiza su tiempo de procesamiento. En los sitios con menor número de huellas (Depósito de la Luz, Las Águilas B, Rincón Colorado y La Rosa), se procedió a la toma de fotografías individuales de las icnitas, tomando entre 50 y 60 de cada una, así como una serie completa a lo largo de cada estrato. Para las icnitas individuales se incluyeron tomas desde varios ángulos y en distintas posiciones de cámara para obtener mejor detalle (Figura 4).
Los yacimientos más grandes (Paso del Oso y Las Águilas A) se separaron en secciones para facilitar el registro fotográfico. En el sitio Las Águilas A se colocó una cuadrícula de 3x3 m y se tomaron series de entre 60 y 100 fotografías de cada cuadrante, incluyendo traslape con los bordes. En el yacimiento de Paso del Oso se colocaron marcas cada 3 metros a todo lo largo del sitio y se tomaron series de entre 60 y 100 fotografías de cada sector.
3.2. Generación de los modelos fotogramétricos
El registro fotográfico obtenido se procesó con dos programas para generar modelos virtuales tridimensionales por fotogrametría digital: VisualSFM y Meshlab. Para el procesamiento se empleó una computadora de escritorio marca Dell Alienware modelo X51 con microprocesador Intel Core i5 (2 GHz), tarjeta de video NVIDIA GTX 745 y 16 GB de memoria RAM.
Se empleó el programa VisualSFM por ser un soft ware de acceso libre capaz de generar “nubes de puntos” a partir de fotografías, a partir del método “estructura desde movimiento” (Wu, 2007, 2011). Se cargaron el conjunto de fotografías de la icnita o estrato a reconstruir (Figura 5A) en el programa y este se encargó de comparar cada fotografía con las demás, encontrando puntos en común para generar un mapa vectorial; a este proceso se le denomina sifting por las siglas SIFT (ScaleInvariant Feature Transform) del algoritmo que utiliza. Después de obtener los puntos en común, el programa reconstruyó un mapa tridimensional con las coordenadas de cada uno formando una “nube de puntos dispersa” (Figura 5B).
Al emplear el algoritmo CVMS (Clustering Views for Multi-view Stereo) para escalar los puntos, el programa formó conjuntos (clusters) y obtuvo la posición relativa de la cámara en cada fotografía, lo que generó una “nube de puntos densa”. Dependiendo de la complejidad del modelo, esta “nube” puede contener varios millones de vértices (puntos individuales).
Al finalizar, VisualSFM generó los modelos en archivos con extensión .ply (polygon file format), formato estándar de escáneres para modelado tridimensional. El archivo resultante es manipulable (permite realizar rotación, desplazamiento, alineación a un plano) y da una representación satisfactoria del objeto base (Figura 6).
Meshlab (Cignoni et al., 2008) es un sistema de procesamiento y edición de modelos de malla poligonal (polygon mesh). Con este software de acceso libre se convirtieron las nubes densas de puntos generadas en VisualSFM en un sólido poligonal por un proceso llamado meshing. Para realizar este proceso se aplicó el algoritmo de Reconstrucción de Superficie de Poisson (con valores de profundidad de árbol octal de entre 9 y 13, y de divisor de solucionador entre 7 y 8) y los modelos poligonales se texturizaron con las fotografías originales para obtener modelos de alta definición (texturas de 2048 bits).
El último paso del proceso involucró escalar cada objeto a sus dimensiones reales para facilitar la posterior toma de datos merísticos. Como se mencionó con anterioridad, para ello es imprescindible haber colocado una escala de referencia junto al objeto de estudio durante el registro fotográfico (Figura 7).
Para la edición y preparación de imágenes se utilizaron filtros y sombreadores (shaders) nativos del Meshlab, así como los programas de acceso libre CloudCompare (CloudCompare, 2015) y ParaView (Henderson, 2015). El primero permitió alinear los modelos con respecto a un plano; el segundo se utilizó para generar mapas de contorno por curvas de nivel y aplicar filtros de color por profundidad (Figura 8).
Los modelos generados en formato .ply ocuparon 5.71 GB y se grabaron tres copias en disco DVD de doble densidad. Dichos medios digitales fueron entregados a la Colección Nacional de Paleontología de la UNAM, al Centro INAH Coahuila y JLGM conservó el último para poder generar más copias en el futuro. Con estos modelos se busca tener un medio de almacenamiento permanente del estado actual de los yacimientos, con fines de preservación patrimonial y como punto de referencia para estudios futuros.
4. Resultados
En total se tomaron 11840 fotografías durante todo el desarrollo de la fase de campo, incluyendo tomas de los trabajos de limpieza, documentación de los niveles estratigráficos adyacentes a los de las icnitas, fotografías de externas del proceso de registro fotográfico y las tomas para uso fotogramétrico propiamente dicho. De estas últimas, tras descartar las fotografías demasiado borrosas o desenfocadas, se seleccionaron 4960 como adecuadas para su procesamiento. La primera parte, que incluyó la generación de nubes densas de puntos empleando VisualSFM, tomó entre 500 y 600 horas. Se requirieron alrededor de 350 horas adicionales para la aplicación de algoritmos que permitieran obtener los 72 modelos tridimensionales de malla poligonal texturizados de las seis localidades utilizando Meshlab (Tabla 2).
Localidad | # de fotografías | Área (m2) | # de icnitas | # de modelos |
---|---|---|---|---|
Las Águilas A | 2792 | 340 | 220 | 44 |
Las Águilas B | 277 | 70 | 12 | 8 |
Paso del Oso | 1281 | 168 | 107 | 1 |
La Rosa | 271 | 60 | 9 | 9 |
Depósito de la Luz | 214 | 37.5 | 6 | 7 |
Cantera Rojas | 125 | 26 | 4 | 3 |
Las particularidades de cada localidad se detallan a continuación:
4.1. Las Águilas A
Ubicada a 2.6 km al este del poblado de Porvenir de Jalpa, esta fue la localidad estudiada más extensa con 340 m2 y con mayor número de icnitas (220). Se emplearon 2792 fotografías para procesar esta localidad y debido a su extensión, se decidió registrarla mediante cuadrantes de 3 por 3 metros. La resolución obtenida en cada cuadrante es suficiente para mostrar la forma y contornos de las icnitas, pero a mayores acercamientos se pierden detalles, puesto que no pudieron hacerse tomas individuales para cada huella. Se intentó generar un modelo completo del yacimiento procesando todas las fotografías a la vez, pero no fue posible conservar la resolución completa debido a falta de memoria de video al intentar procesar el modelo poligonal, por lo que se empleó CloudCompare para generar un modelo texturizado de baja resolución (Figura 9).
4.2. Las Águilas B
Se encuentra a 1.2 km al noroeste del yacimiento de las Águilas A, muy cerca del Cerro La Angostura. Comprende un estrato de arenisca que aflora con inclinación de 28° y conserva un rastro individual de siete huellas de pie y lo que parece ser cinco huellas de mano. Un modelo con alto grado de detalle se generó a partir de 277 fotografías, incluyendo tomas de cada icnita de forma individual (Figura 10).
4.3. Paso del Oso
El yacimiento se localiza a 4.12 km al noreste de la cabecera del Ejido La Rosa. Las icnitas de esta localidad (alrededor de 107) se encontraban pobremente conservadas en un estrato de arenisca y lutitas, con gran densidad de fósiles de ostréidos embebidos, aflorado en el lecho de un arroyo seco. El modelo completo generado a partir de 1281 fotografías resultó ser el de menor calidad de todos los realizados (Figura 11).
4.4. La Rosa
Esta se ubica a 0.35 km al norte de Paso del Oso. Esta localidad incluye nueve icnitas pobremente conservadas que se ubican en el lecho de un arroyo seco de características muy similares al anterior. El yacimiento se modeló con 271 fotografías; la calidad de su reconstrucción fue la menos satisfactoria de las localidades pequeñas, principalmente por las condiciones del sustrato. Fue necesario aplicar un filtro de curvas de nivel al modelo terminado para ayudar a visualizar las icnitas (Figura 12).
4.5. Deposito de La Luz
Está ubicada a 2 km al noroeste de la Zona Paleontológica de Rincón Colorado (ZPRC) y está representada por un afloramiento de arenisca de 12.5 m de longitud por 3 m (37.5 m2) de anchura que preserva marcadas rizaduras de oleaje junto con el rastro individual compuesto por seis huellas. Cada icnita se procesó individualmente y el modelo conjunto del yacimiento, para el que se emplearon 214 tomas, resultó muy satisfactorio (Figura 13).
4.6. Cantera Rojas
Es el yacimiento más pequeño, se encuentra dentro de la ZPRC y cuenta con cuatro icnitas aisladas en un delgado estrato de arenisca que tiene un área de 26 m2. Los modelos generados de las icnitas individuales, especialmente las más grandes (al centro del yacimiento) presentaron muy buena calidad y detalles finos: se pueden apreciar las marcas de las garras, así como el contorno y la profundidad completa de cada huella (Figura 14). Sin embargo, el modelo en conjunto del yacimiento resultó carecer de la resolución lograda en otras localidades como Depósito de la Luz y Las Águilas B.
5. Discusión
Los modelos obtenidos para las localidades de Las Águilas B, Depósito de la Luz y Cantera Rojas presentaron la mejor calidad; hay que considerar también factores como el reducido tamaño de los yacimientos, que al contener menor número de icnitas facilitó su registro individual.
En el caso de La Rosa se observa una reducción notable en la calidad del detalle de sus modelos, que deriva en principio del estado de preservación del yacimiento. Aunado a esto, la presencia de arbustos, maleza y fragmentos rodados de roca generaron un exceso de elementos no deseados durante el modelado, lo que dificultó la generación de un modelo de alta definición.
Al emplear la división sectorial en Las Águilas A, se sacrificó detalle en las icnitas individuales en pro de abarcar una mayor área durante el registro fotográfico, lo que resultó en un modelo con menos detalles en acercamientos mayores, pero más práctico en su generación y manipulación. Finalmente, los modelos con la menor fidelidad fueron los que se generaron a partir del mayor número de fotografías para mapear las áreas más extensas: Paso del Oso y Las Águilas A.
El modelo de Paso del Oso se procesó a partir de 1281 fotografías que se tomaron de corrido en el yacimiento. Debido a las inclemencias del tiempo, no se consiguió segmentar su área de 168 m2 de forma similar a como se realizó en Las Águilas A, lo que dio como resultado un modelo satisfactorio a nivel visual de 10 metros, pero que dejó mucho que desear en los detalles finos al realizarse un acercamiento mayor.
El intento de procesar las 2792 fotografías que conformaron los 43 sectores del sitio Las Águilas A en un modelo único demostró ser más desgastante de lo que se había previsto: con siete días de procesamiento continuo para realizar el sifting y generar la nube de puntos dispersa y otros tres para obtener una nube de puntos densa que pesó 1.87 GB, el procesamiento normal en Meshlab se truncó por falta de memoria de video para aplicar el algoritmo de reconstrucción de superficie de Poisson. Con el algoritmo de meshing presente en CloudCompare, se pudo generar el modelo de malla poligonal texturizado, pero no sin antes reducir la calidad del modelo a 40 MB para hacerlo manipulable, lo que hizo que prácticamente todo el detalle se perdiera y sólo se pudiera emplear para referenciar la posición de los modelos de los sectores individuales.
Con la experiencia obtenida durante la realización del presente proyecto, podemos sugerir algunos lineamientos generales que ayudarán a otros investigadores que intenten la técnica de fotogrametría digital a obtener modelos tridimensionales satisfactorios: se requieren yacimientos con el menor número de elementos intrusivos posibles (cantos rodados, maleza, cambio en las sombras); se recomienda obtener entre 10 y 20 tomas fotográficas empleando buenos puntos de referencia para facilitar el solapamiento de las imágenes en la generación de las nubes de puntos. Las fotografías funcionan mejor si se toman desde distintos ángulos y con diferentes acercamientos, siempre lo menos borrosas posible. Aunque en el presente estudio se utilizaron programas de acceso libre, existe software comercial (por ejemplo, Agisoft PhotoScan) que presenta mayor número de opciones, una interfaz más amigable con el usuario, mejor optimización en el proceso de modelado, y puede resultar muy conveniente si se puede costear la licencia.
Se decidió utilizar el formato de archivo .ply durante todo el proceso debido a que a) es el tipo de archivo obtenido a partir de VisualSFM al generar la nube densa de puntos; b) funciona al inicio del procesamiento de Meshlab; c) es un formato estándar en los programas de modelado y escaneo y d) se puede exportar fácilmente a otros formatos comunes, como formato STL (.stl), objeto Wavefront (.obj), formato de archivo Collada (.dae) y varios más, lo que permite a los modelos obtenidos ser empleados para diversos fines: en la generación de mapas de terreno, animaciones e incluso manufactura aditiva (impresión 3D).
En cuanto al software necesario, detectamos que la velocidad del procesador tiene un efecto directo en la velocidad del proceso de sifting y la generación de la nube dispersa de puntos; el algoritmo CVMS consume toda la memoria RAM disponible para generar la nube densa de puntos y finalmente el proceso de meshing requiere de toda la memoria RAM y de la memoria de video de la que se pueda disponer, en ese orden; si se supera la capacidad de ambas memorias, el programa falla y la operación no se completa.
Con la reducción de tamaños y costos en las tecnologías de escaneo láser, resulta interesante que a futuro se realice un levantamiento de los yacimientos mediante este método, que permita generar un referente de comparación y contraste con los resultados obtenidos en el presente proyecto.
6. Conclusiones
Se generaron 72 modelos para seis localidades con icnitas de dinosaurio en la FCdP. Los modelos generados para las localidades más pequeñas presentaron mejor calidad gracias a que su extensión era menor y por la toma individual de cada icnita. Por otro lado, los yacimientos más extensos perdieron definición al realizarse ajustes que permitieran que el tiempo de procesamiento y los tamaños de archivo fueran viables para el equipo de cómputo con el que se contó.
Con este ejercicio, se obtuvieron modelos de referencia para trabajos futuros, así como parámetros guía para facilitar y hacer más eficiente la toma de fotografías útiles para su procesamiento fotogramétrico y, de este modo, mejorar la calidad de los modelos digitales generados en el futuro.