Medición 3D con Fotogrametría

¿QUÉ ES LA FOTOGRAMETRÍA? ¿IMÁGENES Y MEDICIÓN 3D?

La fotogrametría 3D es una técnica que tiene como finalidad, la medición mediante imágenes. Básicamente es «medir sobre fotos» Es una técnica que a pesar de ser hoy en día cada vez más utilizada gracias en parte a la capacidad de computación que tenemos en los ordenadores, móviles etc… tiene más de 150 años.

Ejemplo de Ortoimagen por fotogrametría. Medición y levantamiento de colegio , realizado por FOVEA

El objetivo de la fotogrametría es obtener información tridimensional del objeto o terreno fotografiado, con cualidad métrica, es decir con posibilidad de tomar mediciones sobre estas de forma fiable.

Posteriormente explicaremos con detalle los ámbitos y aplicaciones, pero van desde la arquitectura, topografía, arqueología, ingeniería, cartografia….

HISTORIA Y COMIENZOS DE LA FOTOGRAMETRÍA

Se considera el padre de la Fotogrametría a Aimé Laussedat (Moulins, Francia 19 de abril de 1819 – París 18 de marzo de 1907). Aunque hay constancia, del uso de perspectivas con un fin cartográfico. (1725 M.A. Capeller).

En 1849 llevo a cabo investigaciones sobre el uso de la fotografía para realizar mapas topográficos. Acabó desarrollando con éxito, un método nuevo de análisis matemático para convertir perspectivas superpuestas, en proyecciones ortográficas en un plano.

Fuente: Wikipedia

Conforme fueron pasando los años, se perfeccionó el instrumental y los aparatos utilizados, la imágenes fueron mejorando, ya sea por la calidad de las cámaras como por la forma de capturar las imágenes, en el caso de la fotogrametría aérea: globo aeroestático, aviones etc… 

TIPOS DE FOTOGRAMETRÍA

Hay varios tipos de fotogrametría:

Por tecnología:

• Fotogrametría analógica:  La primera en desarrollarse. Son los modelos matemáticos utilizados.
• Fotogrametría analítica: La siguiente en desarrollarse. Encargada de aplicar los modelos matemáticos a objetos físicos.
• Fotogrametría digital: Apareció con los ordenadores, sustituye a la imagen analógica por la imagen digital, del mismo modo que se empiezan a utilizar programas informáticos. En la actualidad la conviven la fotogrametría analógica y la digital. Los avances informáticos  y tecnológicos hicieros posible el cambio de la fotogrametría analógica a la digital. Las propias cámaras digitales hicieron mejorar la precisión y la calidad de los levantamientos. La fotogrametría digital permite tener resultados más precisos a una mayor cobertura, además de poder automatizar varios procesos. 

Ejemplo de software usando fotogrametría digital. (Photomodeler.com)

Por la perspectiva de captura:

• Fotogrametría aérea: Basada en fotografías aéreas, es decir obtenidas mediante aeronaves. Ya sea tripuladas o no tripuladas. En lo últimos años los drones están ganando terreno a los aviones y helicópteros con los que se realizaba anteriormente fotogrametría.Los principales usos de esta tipología son la elaboración de planos y/o mapas para el desarrollo de proyectos de ingeniería.

Fuente: www.dji.com

«DEMOCRATIZACIÓN DE LA MEDICIÓN 3D CON FOTOGRAMETRÍA»

Destacar sobretodo la democratización inmensa que supuso el uso de drones, pasando ser la fotogrametría aérea de una técnica usada por empresas e instituciones con la capacidad de disponer o contratar un avión / helicóptero para realizar una serie de trabajos de cartografía. A ser algo disponible al alcance de cualquier profesional o empresa que requiera hacer un levantamiento de una zona puntual de un tamaño medio.

Ya que obviamente los levantamientos de grandes dimensiones, siguen siendo realizados por empresas especializadas en cartografía de grandes extensiones. Son muchos las empresas de servicio de topografía como FOVEA, las que han incorporado el uso de drones para generar mapas topográficos, y ortoimágenes. Ya sea para usos de arquiectura, urbanismo, ingeniería como de arquelogía y patriminio.

• Fotogrametría satelital: La fotogrametría satelital al igual que la aérea es una tecnología para la obtención de medidas fiables de objetos físicos y su entorno. En este caso se utilizan varias imágenes estereoscópicas de satélite. Es una disciplina que se ha desarrollado y consolidado a lo largo de los últimos 15 años, para hacernos una idea de la importancia que esta tiene, solo durante el año 2019 se enviaron al espacio 63 nuevos satélites con sensores Ópticos Electrónicos de distintos tipos para observar la tierra. 

• Fotogrametría terrestre: En esta tipología las fotografías son tomadas a poca distancia del suelo. Normalmente son imágenes capturadas sobre trípodes más o menos altos (1-5metros), la ventaja de esta fotogrametría es la facilidad y accesibilidad de la captura. No depende de ciertos permisos para poder realizarla como si ocurre como con la fotogrametría aérea. Normalmente el uso al que este destinado hará que se usen un tipo u otro de instrumental. Como tecnología la ventaja que tiene es que abarca un abanico muy amplio de usos, al depender del tipo de imágen usada, podemos tener mapeos de precisión centimétrica, a convertir un sistema fotogramétrico en una MMC industrial, con la que hacer verificaciones de calidad del tipo metrológico del orden de micras de precisión.

Técnico de Fovea realizando fotogrametría 3D, medición con reglas calibradas en laboratorio.

¿CÓMO FUNCIONA REALMENTE LA FOTOGRAMETRÍA? PASO DE IMAGEN 2D A MEDICIÓN 3D

Al igual que pasa en las personas con la percepción tridimensional, creada por el cerebro gracias a que cada ojo recoge una información diferente de una misma realidad. Y es precisamente esta diferencia la que el cerebro es capaz de interpretar y analizar para generar una sensación de volumen de unos objetos o una escena que está siendo captada por el sistema visual humano.

Toma de imágenes para crear efecto estereoscópico. Fuente: Universidad de Murcia

Basada en el efecto de la estereoscopía, que es cualquier técnica capaz de recoger información visual tridimensional. Como mínimo se necesita un par de fotogramas, o par estereocópico (estereograma). Se tienen que dar dos condiciones, la primera, que cada foto debe estar tomada desde puntos distintos y la segunda, que ambas imágenes tengan una zona común fotografiada.

Fuente: Fundamentos de fotogrametría (Jacinto S.P/ Teófilo S.M)

Usando varias imágenes y basándonos en la teoría del estereopar, se pueden enlazar y calcular la posición relativa de las cámaras entre ellas. Como hemos comentado anteriormente, sumado al poder de cálculo de los ordenadores actuales, se puede obtener la posición de miles de estas fotografías en tiempo antes inimaginable.

Si tenermos una referencia respecto al objeto, además de la escala podremos obtener/calcular las posiciones absolutas de las cámaras(1 por imagen), además de poder tomar medidas precisas, siempre y cuando la escala de referencia sea fiable.

Fotogrametría 3D, Medición con imágenes convergentes.Fuente: Zeiss

SECTORES DE APLICACIÓN

FOTOGRAMETRÍA E INDUSTRIA + METROLOGÍA

En el mundo industrial, la fotogrametría puede ser usada para digitalizar instalaciones de grandes dimensiones, como pueden ser plantas petroquímicas, o de cualquier índole productiva. Otro uso interesante es la medición de depósitos de grandes dimensiones, que si combinamos a la fotogrametría con canales infrarrojos además del RGB (Fotogrametría multiespectral) podemos analizar otras patologías en el espacio y medir sobre estas.

Otros ejemplos de trabajos, serían la digitalización de torres de alta tensión, antenas, calcular el cubicaje de canteras y material en minerías.

Medición 3D con fotogrametría aérea. Fuente: Bentley

Si vamos a campos con mayor exigencia métrica, se encuentra la fotogrametría usada en metrología, basada en dianas y en calcular los centros de esta, llegando a realizar cálculos de subpixel consiguiendo precisiones de micras, que compiten en ciertos aspectos con los laser tracker o máquinas tridimensionales MMC.

Medición 3D Fotogrametría industrial. Gom Metrology (Zeiss)

No todos los trabajos realizados con fotogrametría son el objeto la medición o sacar medidas con esta metodología. Como ejemplo nosotros hemos realizado proyectos, donde el objetivo es crear una digitalización, la cual podemos utilizarla con otros fines; ya pueden ser crear un gemelo digital, para alimentarlo con sensores u otra información. O también usarlo en formaciones mediante realidad virtual. Ya que los modelos digitalizados son en forma y textura(color) totalmente iguales a la realidad. En este proyecto se puede ver el ejemplo.

Digitalización 3d, combinando medición con escáner láser 3d y fotogrametría.

FOTOGRAMETRÍA ARQUITECTURA Y TOPOGRAFÍA

Los usos de la fotogrametría en Arquitectura y Topografía son muy extensos. Utilizada en el levantamiento de fachadas, cubiertas, edificios o parcelas en las que no se necesite una precisión tan alta, como la otorgada por el escáner láser. En FOVEA en el 90% de los trabajos la utilizamos en combinación con el escáner láser, ya que nuestros clientes quieren una geometría lo más fiel posible a la realidad.

En el sector de la difusión del patrimonio arquitectónico, no es tan necesario y puede ser factible el utilizar únicamente la fotogrametría. Pero en el caso de querer documentar un bien, nosotros siempre consideramos necesario utilizar herramientas de medición, como mínimo reglas calibradas o la estación total topográfica y en el escenario perfecto, la combinación con el escáner láser 3d.

Lo que nos aporta la fotogrametría, es el tener en un tiempo breve de trabajo en campo, mucha información. Que con otras técnicas lleva más tiempo. Sobre todo si se usa la fotogrametría aérea que nos permite cubrir grandes dimensiones.

Otros usos demandados en Arquitectura y Topografía son: Medición de deterioros y deformaciones, cálculo de volúmenes de excavación, ortoimágenes de fachadas, terrenos, cubiertas y muros o paramentos con valor histórico.

Fotogrametría 3D Aérea. Medición en arquitectura.

FOTOGRAMETRÍA Y PATRIMINIO

Dentro del patrimonio histórico y arqueología, la fotogrametría hoy en día es una de las técnicas más utilizadas, debido a su accesibilidad y bajo coste del equipamiento con el que se puede empezar a realizar. Lo bueno de esta técnica es la versatilidad, se pueden empezar a obtener modelos 3d con un smartphone y software libre, con un coste residual.

O se puede realizar con cámaras calibradas, o de alta gama, y lentes de alta resolución (que el equipamiento base puede ser de varios miles de euros), al que se le suma el coste del software profesional de fotogrametría.

Ejemplo de modelo fotogramétrico para difusión.

<DIFUSIÓN Y/O DOCUMENTACIÓN>

Dentro del campo del patrimonio, al igual que se ha explicado en el anterior punto. Se diferencian entre dos escenarios:

Trabajos de difusión en los que se pueden usar prácticamente cualquier material siempre y cuando llegue a los requisitos del proyecto de divulgación.

Trabajos de documentación en los que hay que ser muy estricto a la hora de la toma de datos, pues se esta documentando un bien para que se conserve en el tiempo. Por lo que la fidelidad en el color, y la geometría es muy importante. Aqui nosotros siempre usamos la fotogrametría acompañada de nuestros escáneres u otras tecnologías que le proporcionan al cliente la tranquilidad de tener un archivo certero.

Ejemplo de modelo fotogramétrico para conservación. Resolución 1px/mm

¿QUÉ PRECISIONES PODEMOS OBTENER EN LA MEDICIÓN?

Depende. Esa sería la respuesta más rápida. ¿Por que? Pues porque tenemos muchos factores que tener en cuenta a la hora de dar un número. La fotogrametría será tan buena o tan mala como: 1 la calidad de las imágenes que tomemos, 2 del solape entre imágenes 3 y con mucha importancia, del método de escala o medición usado.

1_CALIDAD DE IMAGEN

La imagen es luz capturada, así que dependiendo de la hora del dia si es en exterior, tipo de luz usada, tendremos una imágen con mejor o peor contraste. Y/o sombras que pueden hacer que un modelo fotogramétrico sea un fracaso.

Sin entrar en marcas ni modelos, aqui depende mucho de la cámara y objetivo usado, normalmente cuanto mayor resolución puedan otorgar la combinación de lente + objetivo será mejor.

Para simplificar algo tendremos que tener una relación entre la resolución de nuestra cámara, con la distancia de fotografiado. Esto nos dará un tamaño de GSD (Ground sampling distance) distancia de muestreo, dato importante que deberíamos de acordar con el cliente

Obviamente cuanto mayor sea este peor resolución y por ende precisión obtendremos en nuestro levantamiento.

Fuente: Pix4d

2_SOLAPE

Para que el software fotogramétrico pueda alinear todas las imágenes, estan deben de tener un solape entre ellas entre el 50-80%, es en esta zona en común entre imágenes donde el programa buscará los puntos en común entre estas dos fotografías para calcular la posición realativa entre una y otra. Esto se extrapola a todo el set de imágenes, si por lo que sea no mantenemos este solape en todas ellas, podemos incurrir en malas alineaciones y errores en el modelo.

3_MEDICIÓN Y ESCALA

Al final todo depende de la precisión que necesite el cliente, los datos son orientativos pues dependerá de los dos puntos anteriores:

Si el cliente necesita un levantamiento con precisiones entre 4-15 cm se puede realizar mediante fotogrametría aérea, con apoyo topográfico de gps RTK + Base. Hoy en día existen drones con gps RTK integrado,no confundir con el gps integrado de serie de cualquier drone de consumo, estos tienen errores de metros. No obstante aún usando drones RTK, seguimos recomendando el posicionamiento de dianas georeferenciadas como puntos de control si se quiere garantizar un buen trabajo.

Diana de 50×50 cm especial para fotogrametría aérea, levantamiento con GPS topográfico.

Si el cliente necesita un levantamiento con precisiones entre 2-7 cm se puede realizar mediante fotogrametría terresetre, con apoyo topográfico de estación total,aunque esta tenga precisiones de +/-2mm, si que los puntos medidos tendrán esa precisión, pero la geometría obtenida con los métodos de reconstrucción fotogramétricos introducen errores geométricos no controlables. Ya que depende al 100% del tipo de imagen introducida en el software y del tamaño pixel/m. 

Estación total topográfica, indispensable en muchos trabajos topográficos que requieran precisión en dianas o puntos de control.

Si el cliente requiere un levantamiento de máxima precisión, precisiones entre 2mm-2cm se necesita el uso de escáner laser, ya que este instrumento genera una geometría con precisión milimétrica, y la geometría obtenida con fotogrametría sería auxiliar, la cual se adapta a la escala del escáner minimizando los errores.

Escáner láser realizando una captura de alta densidad de puntos, para combinar con fotogrametría.

Si el cliente requiere un levantamiento precisión metrológica (micras), como se ha explicado anteriormente, se debería usar la fotogrametría industrial. Pero esta difiere a los anteriores métodos fotogramétricos (semi-automáticos), porque se basa únicamente en puntos concretos, que son las dianas que hemos colocado previamente sobre el objeto. Este tipo de fotogrametría no da un modelo 3d mediante reconstrucción, sino que sería lo más parecido a una máquina MMC por coordenadas. En este tipo de mediciones se usan reglas calibradas en laboratorio, que incluso están preparadas para no sufrir variaciones por dilatación.

¿Y QUÉ ME APORTA LA FOTOGRAMETRÍA?¿CUÁLES SON LAS VENTAJAS?

 01.La principal es la captura masiva de datos. La gran ventaja es la cantidad de datos que capturamos por segundo, hay que tener en cuenta que cada pixel tiene información, y estamos capturados millones por imagen.

02. Ahorro en tiempo = costes. La fotogrametría aunque el trabajo en gabinete es algo mayor, la captura en campo se realiza con rapidez, y más si es acompañada de drones, con la posibilidad de programar vuelos autónomos. Es un tipo de levantamiento que si no se requiere la precisión del escáner láser, es más económico que este.

03.Flexibilidad y accesibilidad. El uso de fotografía aéreas permiten digitalizar elementos poco accesibles de otras formas. Y al mismo tiempo que se digitalizan cubiertas, también se pueden digitalizar de forma terrestre otros elementos.

04. Seguridad.  Posibilidad de captura en entornos confinados con riesgo o con poca accesibilidad, minimizando el tiempo en el lugar por su alta velocidad en la medida.