Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs)

Os VANTs utilizados foram os multirrotores de 4 asas rotativas (quadricópteros) (Figura 79) desenvolvido no âmbito do projeto µVANT em execução no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da UnB. Estes equipamentos possuem sistema de controle e estabilização automáticos, motorização elétrica com uso de baterias de lítio, fixação da posição de aquisição das imagens com uso de bússola eletrônica e coordenadas obtidas por GPS. A vantagem do emprego específico do multirrotor é a possibilidade de voos paralelamente ao plano das fachadas. O VANT multirrotor da Figura 79 (a) possui a capacidade de carga embarcada de 500 g e foi utilizado para as câmeras Sony RX100 e Canon SX270 HS, enquanto o VANT multirrotor da Figura 79 (b) possui a capacidade de carga embarcada de 600 g e foi utilizado para a câmera Canon EOS Rebel SL1.

Figura 79 - VANTs multirrotores (quadricópteros); (a) Multirrotor com carga embarcada de 500 g; (b) Multirrotor com carga embarcada de 600 g

(a) (b)

Fonte: próprio autor.

O aspecto que caracteriza a fotografia aérea é a posição da câmera em relação ao objeto a ser fotografado e ao VANT onde está embarcada. A direção do voo, também com base no objeto de interesse (fachadas), foi no sentido vertical, diferentemente de voos no sentido horizontal

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comuns aos VANTs de asa fixa. Desta maneira, fundamentalmente, utilizou-se como método a fotografia horizontal. A captura das imagens dos edifícios geralmente aconteceu em duas etapas: voos verticais ascendentes (do nível do solo para o último pavimento) e voos verticais descendentes (do último pavimento para o nível do solo).

A captura das imagens tanto na ascendente quanto na descendente ocorreu pelo fato de que a câmera estava no modo automático de disparo. Para edifícios específicos, como o do Museu Nacional Honestino Guimarães, algumas particularidades foram tomadas para a captura das fotografias e serão explicadas melhores no subitem que trata do respectivo edifício.

Com base no que foi discutido, a utilização do VANT na captura das imagens é importante, uma vez que:

• para geração dos modelos fotogramétricos por nuvem de pontos, todas as partes do edifício devem ser fotografadas garantindo-se a sobreposição entre as imagens e para edificações baixas se é possível pela fotogrametria terrestre. Entretanto, para edifícios altos, isso só é possível utilizando outras técnicas, como a captura de imagens por VANTs;

• por meio do VANT, se é possível alcançar as partes mais altas dos edifícios e, desta maneira, alcançar uma maior resolução da imagem pela proximidade da câmera à fachada, o que permite a visualização de detalhes, como fissuras;

• também por meio de VANTs e de acordo com a revisão literária, elimina-se as zonas de oclusões que podem ser geradas por objetos salientes ou reentrantes das fachadas (sacadas, elementos ou volumes arquitetônicos e construtivos), aspectos inevitável nos produtos oriundos da fotogrametria terrestre.

5.2.3 Hardware

Utilizou-se para os experimentos envolvendo a geração de modelos por DSM um computador de mesa (desktop) com processador Intel (R) Core (TM) i7-4770 CPU 3,40 GHz, 32 GB de memória instalada (RAM), sistema operacional de 64 bits.

154 5.3 PROCESSAMENTO

O processamento para a obtenção dos modelos foi realizado em quatro programas disponíveis atualmente no mercado, a saber: Photosynth (programa via web); 123D Catch (programa via web); VisualSfM e MeshLab (programa livre e gratuito) e o PhotoScan (programa comercial). Para nenhum destes programas foi necessária a realização da orientação interna ou a calibração das câmeras utilizadas.

Para se alcançar um dos objetivos específicos dessa pesquisa, a exportação de ortoimagens para geração de mapas de danos é uma etapa imprescindível. No entanto, alguns dos programas utilizados não possuem este recurso, mas foram utilizados para avaliar o método de aquisição de imagens, a geração de nuvens de pontos e a qualidade visual do modelo geométrico. A seguir serão descritas algumas particularidades dos programas citados.

5.3.1 Photosynth

O Photosynth é um programa livre, disponível na internet para download, desenvolvido pela Microsoft e a Universidade de Washington por meio de pesquisas em parceria e é uma ferramenta para captura de imagens digitais e geração de nuvens de pontos. A partir da comparação entre píxeis das imagens, as nuvens de pontos são criadas e, assim, é possível navegar tridimensionalmente devido à orientação externa. A Figura 80 é a ilustração da interface do Photosynth, mostrando a etapa de seleção de imagens.

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Figura 80 – Photosynth: seleção de imagens

Fonte: próprio autor.

Posteriormente, faz-se necessário acessar a conta para a visualização dos modelos dentro da biblioteca pessoal, ilustrada na Figura 81. Por fim, o Photosynth só permite que os modelos sejam visualizados pelo navegador Internet Explorer e não permite a exportação de ortoimagens.

Figura 81 – Photosynth: biblioteca de modelos pessoais

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5.3.2 123D Catch

O 123D Catch é um programa livre para download em que o processamento é por meio do carregamento (upload) de imagens para os servidores da Autodesk e, após etapas de orientação externa, o produto é gerado, podendo-se visualizar, como opções, a malha triangular e a textura aplicada. A Figura 82 apresenta a interface gráfica do 123D Catch.

Figura 82 – 123D Catch: seleção de imagens

Fonte: próprio autor.

A partir da opção Choose Mesh Quality, o usuário pode alterar o refinamento da malha, sendo oferecidas pelo programa três possibilidades: mobile, standand e maximim, como pode ser visto na Figura 83, em ordem crescente de refinamento.

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Figura 83 – Opções de escolha da malha

Fonte: próprio autor.

Dentre outras poucas possibilidades do programa, o 123D Catch permite a visualização do posicionamento da câmera no momento da fotografia e a malha poligonal criada para o objeto, como ilustrado na Figura 84.

Figura 84 – (a) Malha TIN do corpo de prova; (b) modelo de superfície com textura gerado no 123D Catch

(a) (b)

Fonte: próprio autor.

O 123D Catch permite a obtenção de medidas dos objetos por ferramentas específicas após a orientação externa absoluta e também não possui a opção de exportação de ortoimagens.

5.3.3 VisualSfM

O VisualSfM é um programa livre utilizado para a construção de nuvens esparsas e densas. No entanto, para a construção da nuvem densa foi instalado o software CMVS desenvolvido por Yasutaka Furukawa para a sua geração. A operação no VisualSfM inicia-se com o carregamento

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das imagens e posteriormente a geração da nuvem esparsa através do comando Reconstruct Sparse ou Compute 3D Reconstruction.

Figura 85 – Interface de trabalho do VisualSfM

Fonte: próprio autor.

A operação para a reconstrução da nuvem densa é realizada a partir da opção Run Dense Reconstrution, em que uma janela é aberta para salvar o modelo e o processamento é realizado. Para a visualização do modelo de nuvem de pontos densa, usa-se a tecla Tab.

5.3.4 MeshLab

O MeshLab é um programa empregado para a processamento de nuvens de pontos para a geração de malhas poligonais e aplicação de texturas. A primeira etapa consiste em abrir o projeto desejado (Open Project) e também importar a nuvem (Import Mesh). Após importação da nuvem, os pontos da nuvem que não possuem interesse devem ser selecionados pelo comando Select Vertexes e excluídos pelo comando Delete the current set of selected vértices. A Figura 86 ilustra a interface do programa MeshLab com um modelo de nuvem de pontos densa.

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Figura 86 – Interface de trabalho do MeshLab

Fonte: próprio autor

Nesta próxima fase, a opção Surface Reconstruction: Poisson deve ser acionada, presente barra de ferramenta Filter, Point Set. Erros no modelo gerado podem ocorrer e esses podem ser visualizados pelas opções: Show Nom Manif Vertices e Show Nom Manif Edges, como ilustrado na Figura 87. Esses devem ser selecionados pela opção Filter: Selection: Select Nom Manifold Vertices e Edges e finalmente excluídos pelos comandos Delete Selected Vertices and Faces.

Figura 87 – Erro detectado no vértice do modelo

Fonte: próprio autor

Após a construção da malha poligonal, vértices do modelo podem ser excluídos – caso não interessem como resultado – por meio da seleção e exclusão de pontos da nuvem. Para a

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aplicação da textura é selecionada a opção: Filters: Texture: Parameterization + Texturing from registered rasters. Por fim, o MeshLab não tem a opção para exportação de ortoimagens.

5.3.5 PhotoScan

O PhotoScan versão 1.1.2 build (2014) possui etapas bastante definidas e uma interface prática no que diz respeito à operação, que segue os seguintes procedimentos: alinhamento de imagens e reconstrução da nuvem de pontos esparsa; delimitação da área para construção da nuvem densa; construção da nuvem densa; construção da malha (mesh); e aplicação da textura.

Figura 88 – Interface de trabalho do PhotoScan

Fonte: próprio autor

No alinhamento das imagens, menu workflow, são definidos parâmetros, como: a precisão (accuracy) e o par pré-selecionado (pair preselection). Maiores valores de accuracy permitem uma maior precisão do posicionamento da câmera. Para processamentos mais rápidos, a pré- seleção generic no campo pair preselection pode ser escolhida.

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Figura 89 – Etapa de alinhamento das fotos

Fonte: próprio autor

Após a etapa de alinhamento, uma caixa com dimensões calculadas automaticamente é inserida, objetivando um refinamento por delimitação da nuvem esparsa a ser processada. A dimensão da caixa pode ser alterada, assim como rotacionada, abrangendo somente os pontos da nuvem de interesse.

Figura 90 – Caixa delimitadora da área de interesse para o processamento da nuvem densa

Fonte: próprio autor.

Na etapa de construção densa (build dense cloud), a partir das posições estimadas da câmera, o programa calcula as informações de profundidade para cada câmera para serem combinadas num único ponto da nuvem densa. A qualidade (quality) pode ser alterada, porém quanto maior for a qualidade requerida, maior o custo computacional. No recurso avançado, a filtragem de profundidade (depth filtering) apresenta as opções aggressive e mild. Quando a geometria da cena a ser reconstruída é complexa, com inúmeros pequenos detalhes sobre o plano e se deseja um processamento rápido e com poucos detalhes, é recomendado o modo mild. Importante

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informar que pontos da nuvem densa, como ruídos, podem ser removidos a partir das ferramentas de seleção (selection tools) e o comando delete/crop, localizado na toolbar.

A malha (mesh) é gerada após a reconstrução da densa nuvem de pontos. Dentre os parâmetros, citam-se: surface type, source data, face count e interpolation. No modo source data, pode-se optar pela construção da malha a partir da nuvem de pontos esparsa ou densa, lembrando que a nuvem densa possui um nível de informações maior e com mais detalhes. A opção face count permite que se defina a quantidade de faces do modelo e esse número é baseado nas informações da nuvem de pontos densa. As opções para face count são: high, médium, low e custon. A Figura 91 seguir apresenta as três variações de número de faces para um modelo, como exemplificação.

Figura 91 – (a) Modelo em malha poligonal com 26.860 faces e 15.226 vértices – low; (b) Modelo em malha poligonal com 80.580 faces e 42.781 vértices – médium; (c) Modelo em malha poligonal com 241.742 faces

e 123.950 vértices - high

(a) (b) (c)

Fonte: próprio autor.

A quantidade necessária de faces para um modelo estará relacionada ao nível de detalhamento que se espera de um modelo e quanto maior esse nível, maior também será o custo computacional, ou seja, tempo necessário para processamento e, enfim, o desempenho requerido do hardware. Se o modelo for gerado a partir da nuvem de pontos esparsa, naturalmente a quantidade de faces e vértices reduzirá.

A etapa de aplicação da textura (build texture) pode ser ignorada se o modelo sem textura já é suficiente como um resultado final. Como parâmetros a serem adotados para essa etapa, listam- se: mapping mode, blending mode, texture size/count e enable color correction. Mapping mode determina como a textura será aplicada ao objeto e o PhotoScan possui as seguintes opções:

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generic, adaptive orthophoto, orthophoto, spherical, single photo e keep uv. O Quadro 13 apresenta a descrição de cada mapping mode.

Quadro 13 – Tipos de aplicação de textura do PhotoScan

Modos de textura Indicação

Generic Permite parametrizar a textura para os tipos de geometrias arbitrárias. Adaptive orthophoto

Neste modo, a superfície do objeto é dividida em partes planas e regiões verticais, em que cada uma recebe a textura separadamente para obtenção da precisão.

Orthophoto A superfície do objeto inteiro é texturizada por projeção ortográfica. Spherical Adequado para classe de objetos que possuem formato esférico. Single photo Permite gerar a textura a partir de uma única foto selecionada.

Keep uv Usado para reconstruir texturas usando diferentes resoluções ou para gerar

atlas de texturas para modelos parametrizados em outros programas. Fonte: próprio autor.

Blending mode é a opção como os píxeis de diferentes imagens serão combinados na textura final, sendo estes: mosaic (permite melhor qualidade à ortoimagem), average (valor da média dos píxeis), max intensity (utiliza a foto com píxel de maior intensidade) e min intensity (utiliza a foto com píxel de menor intensidade). Texture size/count determina o tamanho da textura e o número de arquivos para a textura a ser exportada. Enable color correction importante para o processamento de dados que houve extrema variação de brilho, porém esse processo é lento e somente indicado para projetos que apresentaram pouca qualidade.

O programa PhotoScan permite que ortoimagens sejam exportadas. Recomenda-se que antes da exportação, a orientação externa absoluta seja realizada a partir de medidas extraídas do edifício: uma no sentido horizontal e outra no sentido vertical, em que as duas medidas formem também um ângulo de 90º entre si.

Figura 92 – Especificação de marcas para orientação externa absoluta no PhotoScan

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Em algumas edificações, estas medidas podem ser facilmente identificáveis sobre a superfície da fachada, sendo necessária somente a realização da medição com instrumentos, para posteriormente essas serem inseridas no modelo. Quando isso não é possível, a colocação de alvos sobre a fachada pode ser feita, permitindo que essas sejam obtidas posteriormente no modelo gerado.

Nesta etapa de exportação, pode ser definida a resolução da ortoimagem em função da quantidade de píxeis no sentido da maior dimensão da imagem pela opção: Max. Dimension (pix), como ilustrado na Figura 93. Para todas as exportações, o formato de arquivo utilizado foi o TIFF (Tagged Image File Format).

Figura 93 – Exportação de ortoimagens

Fonte: próprio autor.

A configuração mínima para operação do PhotoScan no sistema operacional Windows é de Windows XP, com processador Intel Core 2 Duo e 2 GB de memória RAM, mas esta configuração limitará o número de fotos. Para o processamento de 20 a 30 fotos, pensando-se em fotos com 10 megapíxeis, o mínimo exigido de memória RAM é de 2 GB e para 200 a 300 imagens faz-se necessário 12 GB.