La fotogrammetria digitale automatica consiste nell’elaborazione del modello tridimensionale partendo da immagini bidimensionali. In parole povere, da alcune foto di un oggetto si può ottenere un modello tridimensionale con contenuto fotorealistico.
Di cosa hai bisogno?
Un computer, un software, un soggetto da riprodurre ed… alcune ore di tempo.
Entriamo nel dettaglio…
La fotogrammetria è una tecnica di rilievo che permette di acquisire i dati metrici di un oggetto tramite l’acquisizione e l’analisi di fotogrammi stereometrici. Essa permette di identificare la posizione spaziale di tutti i punti dell’oggetto, scenario o di un luogo.
Nasce originariamente per il rilievo architettonico, sviluppandosi per il rilievo topografico.
La tecnica della fotogrammetria è stata utilizzata in vari ambiti: in ambito bellico, nella cartografia, nell’architettura, nell’ingegneria, geologia, archeologia, per operazioni di polizia fino alla cinematografia.
La storia della fotogrammetria è molto legata alla storia della geometria descrittiva, che ne ha determinato i principi teorici, e naturalmente all'ottica e alla fotografia. La tecnica della fotogrammetria, quindi, ha sfruttato le conoscenze di queste discipline sintetizzandole.
Le basi per la nascita della futura fotogrammetria, dunque, furono gettate con la scoperta della prospettiva e delle sue leggi.
Tipologie di fotogrammetria:
esiste la fotogrammetria di tipo monoscopico che consiste nel raddrizzamento di singoli fotogrammi da cui si ricava una proiezione ortogonale di tipo bidimensionale, parallela alla superficie inquadrata;
la fotogrammetria stereoscopica (di nostro interesse) implica invece che il soggetto venga fotografato da punti differenti in modo da ricavarne la sua visione tridimensionale;
Nell’ambito di questa disciplina si distinguono inoltre due fondamentali settori di applicazione: la fotogrammetria aerea che contempla la documentazione del territorio e l’acquisizione delle immagini avviene per mezzo di camere installate su aeromobili o su droni; la fotogrammetria terrestre utilizza camere posizionate a terra;
Una volta acquisite le fotografie (in seguito vedremo le linee guida per scattarle al meglio) si procede con l’elaborazione delle immagini in cui si distinguono:
– la fase di orientamento dei fotogrammi, che vengono riferiti a un sistema tridimensionale di coordinate spaziali;
– la fase di restituzione 3D dell’oggetto.
Si impiegavano una volta gli stereorestitutori analogici, complessi macchinari dotati di sistemi ottici per la visualizzazione stereoscopica e organi meccanici per il disegno. Oggi il lavoro viene svolto interamente al computer utilizzando appositi software di fotogrammetria, automatizzando e semplificando così tutti i procedimenti..png)
Ma cosa significa realizzare un modello 3D?
Realizzare un modello tridimensionale di un oggetto significa crearne una corrispondente copia digitale, metricamente corretta e a colori (non sempre necessario, dipende dallo scopo).
Quindi da un set di immagini digitali bidimensionali, (ottenute con una comune macchina fotografica o con uno smartphone) che vengono elaborate dal software, si estraggono dati tridimensionali.
L’elaborazione delle immagini avviene attraverso quattro fasi distinte e successive:
1. Structure-from-motion (SfM) e Multiview Stereo Reconstruction (MVS).
Gli esseri umani si muovono attraverso l’ambiente e ricevono molte informazioni su di esso e sulla sua struttura tridimensionale. Quando l'osservatore si muove, gli oggetti intorno a lui si muovono, la prospettiva si modifica e l'informazione è ottenuta da immagini nel tempo.
Su ciò si basa la “Structure from Motion” (struttura dal movimento), una tecnica di calcolo che permette di ricostruire la forma di oggetti attraverso la collimazione automatica di punti da un insieme di foto.
Basata su algoritmi di Computer Vision, la SfM estrae i punti notevoli dalle singole foto, e li incrocia, trovandone le coordinate nello spazio. Per poter ricostruire la tridimensionalità di una scena è necessario ricostruire la posizione di scatto delle singole fotografie, la cosiddetta geometria di presa.
Lo scenario oggetto di interesse deve essere ripreso con almeno una coppia di fotografie sovrapponibili, ottenute posizionando la camera approssimativamente alla stessa distanza dall'oggetto e con lo stesso orientamento.
Il software mette a confronto le coppie di fotogrammi e ricerca le analogie tra le coppie. Affinando la sua analisi trova quindi le coordinate di tutti i punti visibili che definiscono la superficie dell’oggetto, corrispondenti ai pixel delle fotografie, proiettandoli nello spazio 3D.
Se l’oggetto da riprendere ha una lunghezza considerevole oppure ha varie facce saranno necessarie diverse coppie di fotogrammi.
Partendo dai punti chiave, attraverso un procedimento di bundle adjustement, in maniera automatica viene calibrata la fotocamera e viene ricostruita la posizione di scatto delle singole fotografie e per ogni punto chiave vengono ricavate le coordinate reali x,y,z che vengono materializzate tridimensionalmente in una sparse points cloud, cioè in una nuvola di punti a bassa densità. Questa prima fase viene denominata Image Alignment: essa permette l'orientamento automatico delle immagini nello spazio. Viene poi creata una nuvola di punti "rada" formando una sorta di modello spaziale di foto “solida” degli oggetti ripresi.
Nel passaggio successivo la nuvola di punti a bassa densità viene infittita aumentando il numero di punti (dense point cloud);
2. Mesh reconstruction: a partire da una nuvola di punti densa viene ricostruita una superficie continua composta da poligoni i cui vertici sono i punti della dense cloud;
3. A questa mesh viene applicato il colore, secondo due modalità alternative: color-per-vertex o texture mapping;
4. Il modello 3D deve essere messo in scala attraverso una distanza di riferimento, poiché il software non è in grado di dimensionare automaticamente gli oggetti che compaiono nelle foto. Il software dispone di strumenti che consentono di editare la nuvola di punti e la mesh ed esportare il modello ottenuto in un CAD dove sarà oggetto di ulteriori elaborazioni.
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Rispetto al lasercanner questa tecnica riesce a garantire in certe condizioni il medesimo livello di precisione e presenta il vantaggio di comportare costi enormemente inferiori, grazie anche alla sua maggiore versatilità.
Il risparmio è soprattutto sull’hardware che è costituito esclusivamente dalla macchina fotografica. Infatti, il costo di una camera professionale ad alta risoluzione non è paragonabile a quello di un laser scanner (rapporto 1/40).
Se l’immagine è nitida, se le angolazioni delle coppie di fotogrammi sono corrette e se i parametri della geometria interna della camera sono noti al programma, si possono ottenere rilievi con una precisione inferiore ad un pixel, valore che può corrispondere a meno di un cm reale.
E se questa procedura fosse applicata al rilievo del luogo del sinistro per la creazione di uno scenario 3D? Il rilievo 3D così ottenuto può essere importato in un software di ricostruzione di incidenti stradali ed è possibile effettuare i calcoli cinematici in tale ambiente 3D.
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Nel prossimo articolo, i consigli su come scattare le foto per ottenere una buona restituzione 3D…resta sintonizzato!