THE APPLICATION OF VOX EL IN ARCHAEOLOGY

Document Sample
THE APPLICATION OF VOX EL IN ARCHAEOLOGY Powered By Docstoc
					    Settimo meeting degli utenti italiani di GRASS. Genova (Italy), 23 ­ 24 febbraio 2006



                        THE 
                  APPLICATION OF 
                       VOXEL 
                 IN  ARCHAEOLOGY
                          A.Bezzi, L. Bezzi, D. Francisci, R. Gietl




                                               
                                       DEFINITION

A voxel (a portmanteau of the words volumetric and pixel) is a volume element, 
representing  a  value  in  three  dimensional  space.  This  is  analogous  to  a  pixel, 
which  represents  2D  image  data.  Voxels  are  frequently  used  in  the  visualisation 
and analysis of medical and scientific data.

There are two interpretations for a voxel value, depending on usage:

    * A tiny cube with particular properties in a larger volume.
    * A point sample in a regularly spaced 3D grid.

The value of a voxel may represent various properties. In CT scans, the values are 
Hounsfield  units,  giving  the  opacity  of  material  to  X­rays.  Different  types  of  value 
are acquired from MRI or ultrasound.
Voxels can contain multiple scalar values; in the case of ultrasound scans with B­
mode and Doppler data, density, and volumetric flow rate are captured as separate 
channels of data relating to the same voxel positions.
Other values may be useful for immediate 3D rendering, such as a surface normal 
vector and color.
                        Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Voxel
                                                
    Traditional documentation




     scheda 
     US




                 
                groundplan, section, documentation sheet 
    Documentation up to date

                   total station

                   high resolution digital camera

                   workstation

                   photogrammetry applications

                   laserscan




                
                         Hardware and software
    Notebook Pentium 4,  3.0 Ghrz, Hdisk 40Gb
    Operating System: Debian Sarge

    GRASS 6.0.0
    GRASS 6.1.cvs (2006_02_04) a Geographic Information System (GIS) 
    used for geospatial data management and analysis, image processing, 
    graphics/maps production, spatial modeling, and visualization. GRASS is 
    currently used in academic and commercial settings around the world, as well 
    as by many governmental agencies and environmental consulting companies.
    (Definition: http://grass.itc.it/)

    Blender v. 2.36 is the free & open source software for 3D modeling, 
    animation, rendering,... (Definition: http://blender.org/cms/Home.2.0.html)

    ParaView v. 2.4  is a free & open­source, parallel visualization application. 
    (Definition: http://www.paraview.org/)
                                              
                      GRASS: import ­ export


     Standard Workflow:                            Arc­Team Workflow:


              GRASS                                         GRASS




     Vis5D           Pov­Ray                    ParaView                 Blender
Vis5D  &  Pov­Ray  are  using  only        ParaView & Blender comunicate among 
the own standard formats: *.v5d,           each other in 3 standard formats: *.vtk, 
*.pov.  For  our  purposes  they           *.ply,  *.wrl.  Up  to  now  GRASS  exports 
seem  to  be  too  complex  &  less        only *.vtk.  
user­friendly  compared  with 
                                        
ParaView & Blender
    GRASS: from raw data to first analyses (1)
                     In our case the 1st  step was to import surface­
                     data  in  ascii  format  executing  v.in.ascii.  The 
                     obtained  vector­data  was  processed  with
                     v.surf.idw  in  order  to  create  a  21/2  D  raster 
                     elevation model 

                     v.in.ascii




                    v.surf.idw




                            
    GRASS: from raw data to first analyses (2)
                                        Vector 3D
                       We  digitalise  the  archaeological  finds 
                       continuously on the orthophotos of the single 
                       layers  with v.digit  and transform them in 3D 
                       vectors  assigning  elevation­values  with 
                       v.drape.
                       In  some  cases  (e.g.  for  pottery)  it  was 
                       possible to allot a 3D diameter to the vectors 
                       with v.extrude.
                       The  last  work  step  is  the  visualization  with 
                       nviz.




                          
                  GRASS: exporting to *.vtk (1)

                                                Surface 2.5D

90% of the workflow was effected in GRASS, but for visualization we decided to
leave  GRASS  and  his  module  nviz  because  at  the  moment  it  allows  only  to 
display  voxel  as  isosurfaces.  For  that  reason  2.5D  raster  surface  data  was 
exported to the *.vtk format for Paraview executing r.out.vtk:


r.out.vtk  input=fase_01 elevation=fase_01 
output=/home/ale/fase_01 null=­10.0 elevscale=1.0 elevation2d=0.0




                                           
                GRASS: exporting to *.vtk (2)

                                                  3D Vector

      The same was effected with the 3D vectors, especially archaeological 
               finds like bones or pottery and other artefacts...

    v.out.vtk input=ossa_3D output=/home/ale/vvv.vtk feature=area




                                        
              GRASS: exporting to *.vtk (3)

                                                   3D Voxel
     ...and finally with the 3d Voxel data, bounded by the surfaces of two 
                      superimposed archaeological layers:  

    g.region ­d t=0.074 b=­0.143 res=0.001 res3=0.001 
    tbres=0.217

    r3.mapcalc "nomevoxel=row()+col()+depth()"

    r3.out.vtk ­s input=nomevoxel top=fase_01 bottom=fase_03 
    output=/tmp/out.vtk



                                       
    Blender: reconstruction of finds & objects




                         
               ParaView: Visualization & Analysis
ParaView displays the 2.5D layer surfaces 
toegether with the virtual reconstructed finds    Surface 2.5D
on their original position




                                             
    ParaView: Visualization & Analysis

                         Surface 2.5D




                     
              ParaView: Visualization & Analysis
ParaView is able to handle two or more layer 
surfaces simultaneously                         Surface 2.5 D




                                          
                 ParaView: Visualization & Analysis
With  the  help  of  different  filters  we  can  union  the  two  surfaces  toegether,  but  the 
resulting  entity  is  hollow  and  should  not  be  confounded  with  a  body  composed  by 
Voxels. But nevertheless we can cut sections across it wherever we need. 




                                                 
               ParaView: Visualization & Analysis

Visualization as section...         Surface 2.5 D




                                
                 ParaView: Visualization & Analysis

    ...and as wire frame (high density).       Surface 2.5 D




                                            
              ParaView: Visualization & Analysisc
The step from 2.5D layer surfaces to an entity composed 
by a large number of single Voxels – depending on the 
                                                           Surface 2.5 D
resolution – is effected in GRASS the visualization in 
ParaView. Below: Visualization as points




                                              
               ParaView: Visualization & Analysis
Some screenshots of a layer  composed by a large 
amount of Voxel:                                    Voxel 3D




                                             
             ParaView: Visualization & Analysis
As before we can load in the reconstructed finds, 
                                                     Voxel 3D
like a vase...




                                          
               ParaView: Visualization & Analysis
...or the 3D vectors like pottery (orange), bones 
                                                     Voxel 3D
(white) or bronze (green).




                                             
               ParaView: Visualization & Analysis

With the clipping filter we can cut the Voxel layer...   Voxel 3D




                                              
               ParaView: Visualization & Analysis
...with the cut filter we are able to calculate various 
                                                           Voxel 3D
sections




                                               
                 ParaView: Visualization & Analysis
It offers the possibility to repeat the excavation virtualy 
step after step.                                               Voxel 3D




                                                    
             ParaView: Visualization & Analysis
Like Pixel, Voxel can represent different values, in 
Archaeology e.g. attributes like soil type, color,      Voxel 3D
consistence,...




                                           
    ParaView: Visualization & Analysis

                             Voxel 3D




                     
    ParaView: Visualization & Analysis

                             Voxel 3D




                     
              ParaView: Visualization & Analysis
For the real 3D documentation and analysis of future 
archaeological excavations the use of Voxel will 
                                                        Voxel 3D
become indispensable!




                                          
                     THE END
                    SPECIAL THANKS TO:
                       Soeren Gebbert
    http://www­pool.math.tu­berlin.de/~soeren/grass/modules/
         He's not only the developer of some of the modules here 
    presented, he modified them for our needs and provided us always 
                    with the latest versions of his tools!


                  alessandro.bezzi@arc­team.com
                     luca.bezzi@arc­team.com
                   denis.francisci@arc­team.com
                        ruppi@arc­team.com




                                  
                        www.arc­team.com