Software para restituição fotogramétrica

A fotogrametria digital evoluiu rapidamente com o uso de câmeras digitais e programas para restituição fotogramétrica. A qualidade e a precisão dos levantamentos dependem de fatores como a resolução da imagem, o tipo de câmera, e a habilidade do operador na tomada fotográfica e na utilização do software escolhido.

São diversos os programas disponíveis para restituição fotogramétrica, variando nas principais funcionalidades que apresentam e com custos diferenciados. Para Grussenmeyer e Al Khalil (2000), os pacotes comerciais são interativos e de fácil manejo, permitindo a utilização de uma ou mais imagens, capturadas com câmeras métricas, como também, com câmeras digitais não-métricas, oferecendo a opção de calibração da câmera.

Segundo Groetelaars (2004), a escolha da ferramenta dependerá da finalidade a que o modelo gerado se destina. Para modelos utilizados em documentação é importante um nível alto de precisão e grande número de detalhes, já para a criação de “museus virtuais”, os modelos precisam ser leves e fotorrealísticos. Outras características que também são desejáveis incluem automatização completa do processo, baixo custo e tamanho reduzido para arquivo do modelo.

Os programas podem realizar a retificação de fotografias como: PhoToPlan e Monumap, Asrix, Perspective Rectifier e DigiCAD 3D, ou apresentar módulos com diferentes ferramentas,como é o caso do Pictran, Archimedes3D e, Elconvision. Outros permitem a restituição, a obtenção de modelos geométricos e uma grande variedade de produtos, são eles: ImageModeler, Photo 3D, Image Master (Photo, Pro e Std), Iwitness, ShapeCapture, PhotoModeler (versões Scanner e Motion), Evosuit.

Os programas que realizam a retificação de imagens geralmente têm um custo mais baixo, mas se restringem a objetos planos, como é o caso das versões básicas do PhoToPlan (da Kubit72_{), que trabalham no ambiente do AutoCAD. Nas versões mais} completas do PhoToPlan (Pro e Ultimate), é possível criar modelos geométricos (tridimensionais) de arestas (Figura 62) e de superfícies a partir da identificação de pontos homólogos de diferentes fotos inseridas no AutoCAD. Outros produtos que podem ser gerados são ortofotos, ortofotomosaicos e planificações de formas cilindricas.

O MonuMap é outro programa da Kubit, que utiliza imagens retificadas para mapeamento de danos e inventário de materiais.

Figura 62 – Modelo wireframe gerado no programa PhotoTo Plan 3D

Fonte: <http://br.kubit-software.com/CAD/Products/PhoToPlan_Camera/CAD_ photogrammetry.php>. Acesso em jan. 2015.

O programa Digital Image Rectifier – ASRix (v2.beta), disponível no endereço <http://nickerson.icomos.org/asrix/>, utiliza imagens digitais nos formatos BMP, TIFF e

72 _{Desenvolvido pela empresa Kulbit - Software for Surveying and As-Built Documentation. Website:}

JPEG, e necessita de um mínimo de quatro coordenadas que definem o plano do objeto que será processado para produzir a imagem retificada. Esta imagem pode ser exportada para o AutoCAD, como, também, utilizada em editores de imagem.

No programa Perspective Rectifier são necessárias duas dimensões (que podem ser inseridas manualmente) ou pontos de controle obtidos por métodos topográficos, para retificar uma imagem. A ferramenta importa a fotografia em diversos formatos, inclusive fotografias panorâmicas e permite a seleção da área a ser retificada. A Figura 63 apresenta a imagem retificada feita a partir de duas imagens de uma fachada plana.

Figura 63 – Programa Perspective Rectifier: Fotografias da fachada (a); Foto retificada (b)

(a) (b)

Fonte: <http://www.perspectiverectifier.com/>. Acesso em 11 jan. 2015.

O DigiCAD 973 _{permite a retificação da imagem a partir da determinação de quatro ou} cinco pontos de referência especificados diretamente sobre esta, ou em elementos desenhados sobre ela. A retificação pode ser feita em apenas uma parte de imagem, delimitando-se a área por um polígono. Recursos ou ferramentas de transparência permitem que sejam selecionados somente alguns detalhes na imagem ou na fotografia original. O programa também permite a junção de várias fotografias de um mesmo objeto, formando um mosaico retificado.

O pacote Pictran, desenvolvido pela empresa Technet, possui vários módulos: Pictran-E requer que o objeto seja plano, como também, necessita de quatro pontos de controle para realizar a retificação da imagem. Pictran-O gera ortofotos, sem que necessariamente o objeto seja plano, mas requer a orientação interna e externa das imagens e o seu modelo geométrico. Pictran-D permite a restituição do modelo geométrico de objeto a partir da identificação de pontos homólogos em duas ou mais imagens capturadas a partir de uma ou mais câmeras. O módulo Pictran-B determina a orientação externa da imagens, os parâmetros de calibração da(s) câmera(s) e fornece a análise estatística dos erros; o Pictran-A oferece a detecção automática de alvos codificados que podem ser criados e impressos pelo próprio usuário, adaptando-os às condições da cada projeto.

O software Archimedes3D é composto por módulos e está disponível em várias versões. A versão completa (professional) é composta de cinco módulos: processamento de dados obtidos por estação total (FAMES); geração e edição de modelos de superfície de fachadas (FASE); retificação de imagens digitais (IMDIS); ajuste dos feixes perspectivos, ou, bundle ajustment (IMBUN); criação de mosaicos a partir das imagens retificadas (MOSAIC), conforme a Figura 64.

Figura 64 – Mosaico de imagens retificadas gerado com programa Archimedes3D (a); Desenho de restituição realizado em AutoCAD (b)

(a)

(b)

O Elcovision74 _{10 ELSP permite a retificação de imagens por meio: da definição de} restrições (linhas paralelas e perpendiculares); a partir de cinco distâncias conhecidas; ou a partir de quatro ou mais pontos de controle. Já o módulo Elconvision 10, permite a utilização de uma, duas ou várias fotografias e realiza a calibração automática da câmera. Segundo informações disponibilizadas no website do fabricante, a precisão dos resultados dependerá da câmera escolhida para a captura das imagens. As câmeras com sensores de dimensões menores (4:3) produzirão resultados de menor precisão do que as de sensor APS-C e full-frame. O fabricante também disponibiliza o módulo ELCOVISION ELSP Auto, para a aplicação de texturas nos modelos e a geração de nuvem de pontos.

Programas mais simples para a geração de modelos geométricos tendem a ter custo mais baixo, mas possuem a limitação quanto à forma do objeto a ser modelado. Geralmente, precisam de formas planas e fáceis de se identificar nas imagens (cantos e arestas bem definidas), como também a modelagem é feita a partir de primitivas geométricas tridimensionais (cubos, cilindros etc.).

Este é o caso do software da Autodesk ImageModeler75_{, que permite a criação de} modelos geométricos a partir de duas ou mais fotografias quando conhecidos os parâmetros da câmera, três ou mais fotografias caso sejam desconhecidos ou a partir de imagens panorâmicas. Ao se identificarem os pontos homólogos nas imagens, o programa realiza a orientação interna e externa das fotografias; para realizar a calibração com maior precisão podem ser fornecidos pontos de controle, distâncias conhecidas entre dois pontos, e restrições referentes à coplanaridade de superfícies. A partir desse ponto, a geração do modelo é realizada por meio de primitivas, traçadas sobre uma imagem ou por extrusão de polilinhas. A aplicação de textura pode ser feita a partir da seleção de uma ou de várias imagens e, assim, finalizado o modelo fotorrealístico do objeto (AUTODESK, 2009). A Figura 65 apresenta a sequência de etapas para a criação do modelo geométrico utilizando fotografias convergentes no ImageModeler.

74 _{Desenvolvido por Photo Mess Systeme AG: <http://www.elcovision.com/e_index.html>.}

75 _{Este programa teve sua versão descontinuada a partir de 2009, atualmente, sua licença faz parte dos}

Figura 65 – Programa ImageModeler – etapas de criação do modelo geométrico: fotografias convergentes (a); identificação dos pontos homólogos (b); criação das superfícies a partir de

primitivas (c); modelo geométrico wireframe (d); modelo geométrico fotorrealístico (e) (a)

(b)

(c) (d)

(e)

O Photo3D76_{, desenvolvido pela empresa japonesa SoftCube Co, permite criação de} modelos geométricos com textura a partir de uma ou de várias imagens. A correção das distorções da lente é feita a partir da utilização de restrições geométricas como ortogonalidade e paralelismo para a determinação dos eixos x, y e z do modelo. De posse dessas informações, o programa calcula automaticamente o posicionamento da câmera sem a necessidade de seus parâmetros de calibração. Assim, o modelo pode ser gerado a partir da determinação dos planos do objeto sobre a fotografia.

Programas mais complexos para restituição fotogramétrica permitem a geração de diversos produtos (coordenadas, desenhos, distâncias, ortofotos, modelos geométricos fotorrealísticos, entre outros) com maior precisão e nível de detalhe. Esses programas utilizam elementos básicos (pontos, linhas e curvas) além das primitivas geométricas, o que permite maior flexibilidade na geração das superfícies dos modelos, não se restringindo a objetos com superfícies planas, permitindo também a reconstrução do objeto a partir de uma ou várias imagens tomadas com câmeras digitais não-métricas, pois oferecem procedimentos para a calibração da câmera e correção das distorções das objetivas. Algumas dessas ferramentas permitem a correlação automática de pontos homólogos, facilitando a extração das feições principalmente de objetos mais complexos, utilizando-se a técnica Dense Stereo Matching (DSM).

Uma das ferramentas comerciais com essas características é o ImageMaster77_, desenvolvido pela empresa TerraDat Geophysics nas versões Photo, Pro e Std, e permite a geração dos modelos a partir de duas imagens (estereopar), como também utiliza pontos de controle obtidos com estação total; a calibração da câmera é automática nas versões Photo e Pro. Possui a função “stereo matching”, possibilitando a extração automática das feições nas imagens, em que o trabalho do operador se limita a determinar a área da imagem a ser utilizada para a geração dos dados na forma de malha TIN.

Apesar de ser mais utilizado para reconstituição de acidentes e medições forenses, o

software iWitness78_{, também tem aplicação em engenharia, arquitetura, documentação} de patrimônio e realidade virtual. As fotografias podem ser capturadas a partir de câmeras digitais comuns, como também, por câmeras desconhecidas, pois a calibração é

76 _{Informações disponíveis no website: <http://www.softcube.co.jp/productinfo/photo3d_eg/eindex.html>.} 77 _{Informações disponíveis no website: <http://www.terrageomatics.com/products/>.}

automática. Os pontos homólogos são marcados em duas ou mais imagens sobrepostas e o programa processa automaticamente, gerando o modelo geométrico a partir de pontos e linhas. A Figura 66a apresenta um exemplo, obtido a partir de fotografias capturadas com câmera Canon PowerShot G1, de um edifício histórico (1755) localizado em Melbourne (Austrália), e tela a capturada do programa (Figura 66b), com identificação de linhas e pontos que caracterizam as principais feições do objeto.

Figura 66 – iWitness: modelo geométrico do edifício (a); captura de tela (b) (a)

(b)

Fonte: <http://www.iwitnessphoto.com/solutions/cook.html>. Acesso em: 11 jan. 2015.

O ShapeCapture79 _{é um programa que permite a criação de modelos geométricos a partir} de uma ou várias fotografias, como, também, aceita dados provenientes de levantamentos feitos por varredura a laser, além de possibilitar a combinação de modelos criados de forma independente a partir de diferentes conjuntos de imagens, unindo automaticamente os vértices e removendo as distorções de perspectiva das texturas. Nessa ferramenta a calibração da câmera é automática e, quando são utilizados alvos

codificados, a identificação automática dessas marcas é feita com precisão de sub-pixel (Figura 67).

Figura 67 – Programa ShapeCapture: identificação de pontos nas imagens (a); modelo geométrico com aplicação de textura (b)

(a)

(b)

Fonte: <http://www.shapecapture.com/gallery/ShapeScan_SM2.pdf>. Acesso em: 10 nov. 2015.

O pacote ShapeCapture Suite, é composto pelos ShapeGauge, ShapeCapture, ShapeScan, ShapeTexture, ShapePattern e Innovmetric PolyWorks / Modeler permitindo que se trabalhe com todas as formas de dados digitalizados e gerando modelos também em nuvem de pontos.

O Agisoft PhotoScan80 _{é disponibilizado nas versões professional e standard. A versão}

professional gera modelos geométricos, nuvem de pontos e modelos digitais de

superfície a partir de fotografias digitais, capturadas com câmeras métricas ou não- métricas. O fabricante faz algumas recomendações: utilização de câmeras com resolução acima de cinco megapixel; objetivas com distância focal, preferencialmente fixa, entre 20

e 80 mm; valores baixos de ISO; e uso do formato RAW convertido em TIFF. As fotografias podem ser capturadas de qualquer posicionamento, desde que o objeto a ser restituído tenha seus pontos visíveis em pelo menos duas fotos. Conforme informações contidas no manual do usuário, a orientação das imagens e a geração do modelo são realizadas por um processo totalmente automatizado. A Figura 68 ilustra um modelo de nuvem de pontos (a) e um modelo geométrico com aplicação de textura (b), gerados com a utilização desse processo.

Figura 68 – Programa PhotoScan: modelo de nuvem de pontos (a); modelo geométrico com aplicação de texturas (b)

(a)

(b)

Desenvolvido pela empresa italiana Menci, o EvoSuit é uma nova versão do antigo

software ZSCAN. Possui processos automatizados, permitindo a restituição de modelos a

partir de imagens digitais tomadas, com sobreposição de 60%, de diferentes ângulos. Segundo Caldarelli e colaboradores (2012), o sistema é composto por: programa; câmera DSLR de alta resolução e objetiva de foco fixo; suporte topográfico; e tablet com conexão

usb (Figura 69). De fácil utilização, apresenta dados precisos e de qualidade,

demandando pouco tempo de processamento.

Figura 69 – Sistema Evo

Fonte: CALDARELLI et al., 2012.

Smart3DCapture81 _{é desenvolvido pela empresa Acute3D, que disponibiliza duas versões} com funcionalidades básicas (sendo uma grátis) além de outras três versões (Advanced,

Expert e Ultimate). Essa ferramenta utiliza a correlação automática de pontos para a

geração dos modelos geométricos e modelos digitais de superfície82 _{tendo como} diferencial a resolução das imagens utilizadas que podem chegar a 30 gigapixel (versão

Expert) ou mais, para levantamento de grandes áreas (Figura 70).

81 _{Informações disponíveis no website: <http://www.acute3d.com/>.}

82 _{O Modelo Digital de Superfície (MDS) é um conjunto de pontos com coordenadas conhecidas em um}

Figura 70 – Versões e funcionalidades do programa Smart3DCapture

Fonte:<http://www.acute3d.com/software/>. Acesso em: 20 set. 2014.

Segundo informações do fabricante, apresenta um algoritmo de otimização da malha tridimensional com base em mapas de profundidade, que recupera detalhes e deixa as bordas mais definidas, diminuindo os problemas de oclusão e melhorando a precisão geométrica do modelo, como, também, controla, por meio de algoritmos de decimação da malha, o tamanho dos arquivos gerados, sem que a precisão do mesmo seja reduzida. As fotografias são tomadas sem a necessidade de pessoal especializado ou equipamentos especiais. Conforme ilustrado na Figura 71, a versão ultimate foi utilizada para a geração do modelo fotorrealístico de parte da cidade de Paris (França), com resolução de sete a nove centímetros.

Figura 71 – Modelo fotorrealístico de Paris

Desenvolvido pela empresa canadense EOS Systems Inc., o programa PhotoModeler é comercializado, também, nas versões Scanner e Motion83_{. A ferramenta permite obter}

modelos geométricos e uma grande variedade de produtos a partir de fotografias capturadas com câmera digital não-métrica. Para a geração do modelo, é necessário o conhecimento dos parâmetros da câmera, que podem ser obtidos por meio de procedimentos de calibração disponíveis no próprio programa. A partir deste ponto, para orientação externa é necessário o traçado das feições de interesse e identificação dos pontos homólogos nas fotografias, que é feito de modo interativo. Já as versões Scanner e Motion permitem a correlação automática dos pontos, facilitando o processo no caso de objetos complexos. A segunda etapa, após a orientação das fotografias e do traçado das feições, é a criação das superfícies gerando, assim, o modelo em estrutura de arame. Após a criação das superfícies é possível a aplicação das texturas (advindas das fotografias) obtendo então, o modelo fotorrealístico do objeto e, por fim, a exportação dos produtos.

O Orthoware é desenvolvido pela empresa espanhola Metria Digital. O programa utiliza o princípio da fotogrametria a partir de fotografias convergentes, permitido a geração de ortofotos e a criação de modelos geométricos utilizando imagens capturadas com câmeras não-métricas. Os parâmetros da câmera podem ser obtidos de maneira automatizada pelo software a partir do EXIF84 _{das fotos ou através de arquivo de} calibração obtido previamente. A identificação dos pontos homólogos pode ser realizada de maneira interativa, ou com maior grau de automação, contribuindo para a simplificação do processo. A orientação absoluta pode ser feita por meio da identificação de três pontos, dois pontos com distância conhecida, ou pontos de controle obtidos por métodos topográficos. A partir daí, é possível exportar o modelo geométrico e a ortofoto. Além dos programas comerciais descritos anteriormente, existem outros pacotes desenvolvidos por universidades. Segundo Grussenmeyer e Al Khalil (2000), geralmente, os programas não-comerciais fornecem informações detalhadas sobre todos os cálculos envolvidos no processo, assim como valores de desvio-padrão utilizados para avaliar a precisão dos parâmetros calculados. Os algoritmos utilizados permitem cálculo preciso dos parâmetros de orientação e das coordenadas tridimensionais; no entanto, esses

83 _{PhotoModeler Motion trabalha com dois tipos de situações: a primeira utiliza múltiplas câmeras (duas ou}

mais) sincronizadas e estáticas fixadas em tripés ou similar; a segunda, uma câmera que se movimenta para registro do objeto a partir de diferentes ângulos; possibilitando o registro de objetos em movimento ou que sofrem alterações/deformações ao longo do tempo (PHOTOMODELER, 2014).

84 _{Padrão para armazenamento de metadados relativos às características da câmera e parâmetros da}

pacotes exigem mais conhecimento e experiência por parte do operador. Outras considerações importantes referem-se à interface do programa, que nem sempre pode ser considerada “amigável”, como pode ser observado na Figura 72; e à pouca disponibilidade de tutoriais e materiais de apoio que possibilitem o aprendizado da ferramenta, por parte de usuários menos experientes.

Figura 72 – Interface do programa SURE

Fonte: <ftp://ftp.ifp.uni-stuttgart.de/sure_public/SURE_Manual.pdf>. Acesso em: 25 jan. 2015.

Dentre os programas não-comerciais podem-se citar: Orpheus, SURE –

Photogrammetric Surface Reconstruction from Imagery e o pacote Esfera.

O programa Orpheus85_{, desenvolvido pelo Instituto de Fotogrametria e Sensoriamento} Remoto da Universidade de Viena, utiliza fotografias (coloridas ou em escala de cinza) no formato TIFF e executa o processamento dos dados de dois modos distintos, a saber: (1) o interativo, onde qualquer discrepância encontrada irá solicitar uma ação corretiva, por parte do operador, para que o programa dê continuidade ao processamento; e (2) modo por lote (batch), o programa faz a verificação, os dados são interpretados e as mensagens de erros são armazenadas em arquivos. É necessário importar o arquivo de calibração da câmera; já os dados referentes a pontos de controle devem estar no formato ASCII. O programa gera modelos geométricos wireframe (que podem ser

exportados no formato DXF) ou modelos geométricos com aplicação de textura exportados no formato VRML86_{, assim como ilustrado na Figura 73.}

Figura 73 – Programa Orpheus: modelo geométrico com aplicação de textura87

Fonte: <http://photo.geo.tuwien.ac.at/software/orient-orpheus/orpheus/>. Acesso em 11 jan. 2015.

O pacote Sphera, desenvolvido pelo engenheiro e professor Gabriele Fangi, da Faculdade de Engenharia, da Universidade Politécnica delle Marche, em Ancona, na Itália, é caracterizado pelo uso de imagens fotográficas panorâmicas, geradas a partir de fotografias “convencionais” capturadas com câmera digital não-métrica, empregando um

software de costura. A ferramenta implementa os princípios da fotogrametria esférica,

apresentados na Seção 3.3.3. Segundo D’Annibale (2013), os panoramas são processados pelo programa e vários dos procedimentos empregados são manuais: a identificação dos pontos homólogos; a orientação; e a restituição.

O programa SURE88_{, foi desenvolvido pelo Instituto de Fotogrametria da Universidade de} Stuttgart e, atualmente, sua versão SURE Profissional é comercializada pela startup nFrames. Utilizando algorítmos Semi Global Matching (SGM), a ferramenta a permite a

86 _{Virtual Reality Modelling Language. Esse formato possibilita visualização em diversos ângulos e níveis de}

detalhamento.

87 _{As ortofotos e o modelo digital do terreno foram adicionados ao modelo exportado (Fonte:}

<http://photo.geo.tuwien.ac.at/software/orient-orpheus/orpheus/>).

88 _{Disponível em: <http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/software/sure/index.en.html>. Acesso em: 25}

derivação de nuvens de pontos densas (Figura 74) a partir de um determinado conjunto de imagens e as suas orientações (interior e exterior) correspondentes. Os dados de orientação podem ser obtidos a partir do método Structure-from-Motion (SfM) ou por meio de programas para orientação como: Bundler, VisualSFM, Trimble/INPHO Match-At