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Drones para obtener modelos estereoscópicos 3D de calidad

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El repunte en el uso de sensores instalados en aparatos no piloteados, conocidos con el nombre de drones, para adquirir imágenes aéreas ha dado nuevos vientos a las aplicaciones fotogramétricas. Hasta hace no mucho estas aplicaciones estaban reservadas para los especialistas que habían dominado los principios matemáticos de la modelización por cámara, de la aerotriangulación de bloque de imágenes y la corrección geométrica. En efecto, hoy en día se dispone de toda una gama de herramientas de las cuales una gran cantidad se centran en la reconstrucción automática de objetos en 3D o escenas a partir de múltiples tomas fotográficas. Este campo ha avanzado a pasos agigantados gracias a los avances en inteligencia artificial y el reconocimiento de formas, así como a la profusión de las imágenes digitales del mundo en el que vivimos. Basta con consultar la página de Wikipedia “Comparison of photogrammetry software” ( Comparación de software de fotogrametría) para constatar la cantidad impresionante de software que existe, la mayoría de los cuales ofrecen funciones para la modelización automática de varias imágenes.

Sin embargo, si observamos más de cerca esta lista podemos constatar que resaltan dos elementos. Primero, el autor de la página de Wikipedia* no ha incluido en sus criterios de comparación la posibilidad de visualizar las imágenes en estéreo (con la ayuda de un sistema tipo NVIDIA 3D usando lentes con obturadores) que permiten la fotointerpretación o la extracción manual de medidas precisas. También están ausentes en esta lista muchos software profesionales de fotogrametría como Socet GXP (antes Socet Set), Imagine Photogrammetry (antes LPS) o incluso Summit Evolution (Dat/EM). Estos productos son muy especializados y costosos y se venden como paquetes fotogramétricos, a menudo integrados a una aplicación SIG. Entre otras cosas permiten funciones estereoscópicas interactivas de visualización además de diversas operaciones automatizadas.

De cierta manera esta lista revela una tendencia en el sector de la fotogrametría que es objeto de un interés generalizado de parte de una multitud de usuarios y de diseñadores para el procesamiento de imágenes o de videos 2D aplicados a la reconstrucción en 3D. Es un sector dinámico y muy innovador (ejemplo: https://grail.cs.washington.edu/rome) que incluye conocimiento especializado obtenido de la inteligencia artificial y de la visión artificial. Por eso no debe sorprendernos el que las primeras aplicaciones en ofrecer funcionalidades para procesar las imágenes que provienen de drones hayan aparecido primero en los software dedicados a este campo. El procesamiento de las imágenes de drones puede parecer una extensión natural de la reconstrucción 3D, especialmente teniendo en cuenta la calidad de imágenes a ser procesadas y la capacidad de procesar imágenes en condiciones variables de adquisición.

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Sin embargo, cierta incertidumbre en los resultados y la dificultad en la obtención de medidas precisas en un sistema cartográfico dado podría decepcionar a aquellos para quienes es importante la precisión cartográfica cuando se trata de información geográfica, así como para aquellos que consideran el uso de drones para la adquisición de imágenes a manera de una extensión de la fotografía aérea o de las imágenes de satélite en un contexto geomático.

No obstante, existen softwares que podríamos calificar como “híbridos”,  tales como Correlator 3D y Pix4D, que se han beneficiado de los avances de la visión artificial, principalmente para el procesamiento eficaz de muchas imágenes y mediante enfoques altamente automatizados e intuitivos. Estos programas de software parecen, por un lado, más cabales en cuanto a los principios geométricos y la precisión cartográfica de los productos generados y, por otro lado, más integrados en una cadena de procesamiento SIG. Sin embargo, la mayoría de éstos no ofrecen la posibilidad de visualizar en estéreo.

En lo que respecta soluciones más tradicionales, la mayoría de los proveedores, que enfrentan una creciente cantidad de nichos pero menos soluciones altamente automatizadas, ofrecen ahora un módulo de procesamiento de imágenes de drones (Summit UAS, Imagine UAV) con soluciones integradas en paquetes SIG más costosos. Sin embargo, siguen siendo prácticamente los únicos que ofrecen la posibilidad de visualizar interactivamente en estéreo las imágenes de los drones, o sus derivados, y de interpretar los mismos o extraer en forma manual información precisa.

La visualización en estéreo es además uno de los aspectos que llamó nuestro interés durante nuestras primeras experiencias con las imágenes de drones. Si bien la capacidad de procesar automática y eficientemente estos lotes de imágenes y tener productos resultantes de manera rápida es hoy en día un requisito esencial, también debemos pensar en la posibilidad de visualizar las imágenes en estéreo y de extraer de éstas la información temática, o incluso la posibilidad de corregir y de mejorar los productos generados automáticamente (por ejemplo, el perfeccionamiento de la limpieza de un modelo de superficie para hacer con éste un modelo de terreno). O simplemente el hecho de poder medir puntos de control en estéreo para mejorar la aerotriangulación para un bloque con absoluta precisión.

Es por ello que hemos tratado de beneficiarnos de las capacidades de procesamiento y triangulación de softwares como Correlator 3D, para obtener parámetros de cámara y de orientación exterior ajustados con una precisión suficiente. Luego, importamos pares estéreos usando estos mismos parámetros en un software como Summit que permite la visualización 3D. Tuvimos la suerte de tener un bloque de imágenes que tenía un recubrimiento adecuado y suficientes líneas de vuelo, condiciones esenciales para el éxito en la modelización fotogramétrica de un bloque de imágenes. Igualmente, debido a que la cámara no estaba calibrada, fue posible usar una función muy práctica que utiliza la redundancia de las tomas para determinar por autocalibración los parámetros interiores de la cámara, por ejemplo, los coeficientes de distorsión del lente, los cuales no pueden pasarse por alto en ciertos tipos de cámaras como la D800e que utilizamos para nuestras pruebas. El perfeccionamiento de estos parámetros, que a menudo no se conocen al inicio, han probado ser de gran utilidad, ya que permiten obtener una visión estereoscópica clara sin paralelo vertical sobre una parte más grande del traslape estéreo. Por otro lado, el uso de algunos parámetros aproximativos ofrece una visión estereoscópica adecuada sólo en una pequeña parte radial en el centro del modelo.

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El ejercicio fue concluyente e interesante: es impresionante ver el nivel de detalle que ofrecen las imágenes de los drones en estéreo. Prácticamente pudimos diferenciar la grava ¼ de la ¾, ¡esto es impresionante! Sin embargo, las soluciones que permiten obtener este tipo de configuración con rigor siguen siendo escasas y poco especializadas. La posibilidad de adquirir imágenes con dron no ha cambiado ciertos principios fotogramétricos de base. Debemos ser capaces de resolver, con suficiente precisión, los parámetros de orientación interior (cámara) y exterior (posición del dron en el espacio). Para lograr esto se debe, entre otras cosas, planificar un sobrevuelo basándose en un bloque de imágenes que posea suficientes líneas de vuelo y un traslape adecuado entre las fotos. Una vez que se integran las imágenes en un sistema de visualización estereoscópico, es posible llevar a cabo el procesamiento de fotointerpretación para extraer la información o incluso mejorar interactivamente los productos generados automáticamente tales como un modelo digital de terreno.

*Nota del Autor: En el momento de escribir este artículo, el software Socet Set, Summit Evolution, Summit UAS e Imagine LPS no formaban parte de la lista. Recientemente se han añadido.

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