La fotogrametría es la ciencia y tecnología de obtener información confiable sobre objetos físicos y el medio ambiente mediante el proceso de registrar, medir e interpretar imágenes fotográficas y patrones de imágenes radiantes electromagnéticas y otros fenómenos. [1]
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Si bien la invención del método se atribuye a Aimé Laussedat , [2] el término "fotogrametría" fue acuñado por el arquitecto prusiano Albrecht Meydenbauer, [3] que apareció en su artículo de 1867 "Die Photometrographie". [4]
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Hay muchas variantes de fotogrametría. Un ejemplo es la extracción de mediciones tridimensionales a partir de datos bidimensionales (es decir, imágenes); por ejemplo, la distancia entre dos puntos que se encuentran en un plano paralelo al plano de la imagen fotográfica se puede determinar midiendo su distancia en la imagen, si se conoce la escala de la imagen. Otra es la extracción de rangos de color precisos y valores que representan cantidades tales como albedo , reflexión especular , metalicidad u oclusión ambiental a partir de fotografías de materiales con fines de representación física .
La fotogrametría de corto alcance se refiere a la recopilación de fotografías desde una distancia menor que la fotogrametría aérea (u orbital) tradicional. El análisis fotogramétrico se puede aplicar a una fotografía, o se puede utilizar fotografía de alta velocidad y detección remota para detectar, medir y registrar campos de movimiento complejos en 2D y 3D alimentando mediciones y análisis de imágenes en modelos computacionales en un intento de estimar sucesivamente, con precisión cada vez mayor. , los movimientos relativos reales en 3D.
Desde sus inicios con los estereotrazadores utilizados para trazar curvas de nivel en mapas topográficos , ahora tiene una gama muy amplia de usos como sonar , radar y lidar .
La fotogrametría utiliza métodos de muchas disciplinas, incluidas la óptica y la geometría proyectiva . La captura de imágenes digitales y el procesamiento fotogramétrico incluyen varias etapas bien definidas, que permiten generar modelos digitales 2D o 3D del objeto como producto final. [6] El modelo de datos de la derecha muestra qué tipo de información puede entrar y salir de los métodos fotogramétricos.
Las coordenadas 3D definen las ubicaciones de los puntos de los objetos en el espacio 3D . Las coordenadas de la imagen definen las ubicaciones de las imágenes de los puntos del objeto en la película o en un dispositivo electrónico de imágenes. La orientación exterior [7] de una cámara define su ubicación en el espacio y su dirección de visión. La orientación interior define los parámetros geométricos del proceso de obtención de imágenes. Se trata principalmente de la distancia focal de la lente, pero también puede incluir la descripción de las distorsiones de la lente. Otras observaciones adicionales juegan un papel importante: con las barras de escala , básicamente una distancia conocida de dos puntos en el espacio, o puntos fijos conocidos , se crea la conexión con las unidades de medición básicas.
Cada una de las cuatro variables principales puede ser una entrada o una salida de un método fotogramétrico.
Los algoritmos de fotogrametría suelen intentar minimizar la suma de los cuadrados de los errores sobre las coordenadas y los desplazamientos relativos de los puntos de referencia. Esta minimización se conoce como ajuste del paquete y a menudo se realiza mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt .
Un caso especial, llamado estereofotogrametría , implica estimar las coordenadas tridimensionales de puntos de un objeto empleando mediciones realizadas en dos o más imágenes fotográficas tomadas desde diferentes posiciones (ver estereoscopía ). Los puntos comunes se identifican en cada imagen. Se puede construir una línea de visión (o rayo) desde la ubicación de la cámara hasta el punto del objeto. Es la intersección de estos rayos ( triangulación ) la que determina la ubicación tridimensional del punto. Algoritmos más sofisticados pueden explotar otra información sobre la escena que se conoce a priori , por ejemplo simetrías , permitiendo en algunos casos reconstrucciones de coordenadas 3D desde una sola posición de la cámara. La estereofotogrametría está emergiendo como una técnica robusta de medición sin contacto para determinar las características dinámicas y las formas modales de estructuras giratorias y no giratorias [8] [9] . [10] [11] La recopilación de imágenes con el fin de crear modelos fotogramétricos puede denominarse más propiamente polioscopia, en honor a Pierre Seguin [12]
Los datos fotogramétricos se pueden complementar con datos de alcance de otras técnicas. La fotogrametría es más precisa en las direcciones xey, mientras que los datos de alcance son generalmente más precisos en la dirección z [ cita requerida ] . Estos datos de alcance pueden ser proporcionados por técnicas como LiDAR , escáneres láser (que utilizan tiempo de vuelo, triangulación o interferometría), digitalizadores de luz blanca y cualquier otra técnica que escanee un área y devuelva coordenadas x, y, z para múltiples puntos discretos (comúnmente llamadas " nubes de puntos "). Las fotografías pueden definir claramente los bordes de los edificios cuando la huella de la nube de puntos no puede hacerlo. Es beneficioso incorporar las ventajas de ambos sistemas e integrarlos para crear un mejor producto.
Se puede crear una visualización 3D georreferenciando las fotografías aéreas [13] [14] y los datos LiDAR en el mismo marco de referencia, ortorrectificando las fotografías aéreas y luego colocando las imágenes ortorrectificadas sobre la cuadrícula LiDAR. También es posible crear modelos digitales del terreno y, por tanto, visualizaciones 3D utilizando pares (o múltiplos) de fotografías aéreas o satelitales (por ejemplo, imágenes de satélite SPOT ). Luego se utilizan técnicas como la coincidencia estéreo de mínimos cuadrados adaptativos para producir una densa variedad de correspondencias que se transforman a través de un modelo de cámara para producir una densa variedad de datos x, y, z que se pueden usar para producir modelos digitales de terreno y productos de ortoimagen . Los sistemas que utilizan estas técnicas, por ejemplo el sistema ITG, se desarrollaron en los decenios de 1980 y 1990, pero desde entonces han sido sustituidos por enfoques LiDAR y basados en radar, aunque estas técnicas todavía pueden ser útiles para derivar modelos de elevación a partir de fotografías aéreas o imágenes de satélite antiguas.
La fotogrametría se utiliza en campos como la cartografía topográfica , la arquitectura , el cine , la ingeniería , la fabricación , el control de calidad , la investigación policial , el patrimonio cultural y la geología . Los arqueólogos lo utilizan para producir rápidamente planos de sitios grandes o complejos, y los meteorólogos lo utilizan para determinar la velocidad del viento de los tornados cuando no se pueden obtener datos meteorológicos objetivos.
También se utiliza para combinar acción en vivo con imágenes generadas por computadora en la postproducción de películas ; Matrix es un buen ejemplo del uso de la fotogrametría en el cine (los detalles se dan en los extras del DVD). La fotogrametría se utilizó ampliamente para crear elementos ambientales fotorrealistas para videojuegos, incluidos The Vanishing of Ethan Carter y Star Wars Battlefront de EA DICE . [15] El personaje principal del juego Hellblade: Senua's Sacrifice se derivó de modelos fotogramétricos de captura de movimiento tomados de la actriz Melina Juergens. [dieciséis]
La fotogrametría también se emplea comúnmente en ingeniería de colisiones, especialmente con automóviles. Cuando se produce un litigio por una colisión y los ingenieros necesitan determinar la deformación exacta presente en el vehículo, es común que hayan pasado varios años y la única evidencia que queda son las fotografías del lugar del accidente tomadas por la policía. La fotogrametría se utiliza para determinar cuánto se deformó el automóvil en cuestión, lo que se relaciona con la cantidad de energía necesaria para producir esa deformación. Luego, la energía se puede utilizar para determinar información importante sobre el choque (como la velocidad en el momento del impacto).
El fotomapping es el proceso de hacer un mapa con "mejoras cartográficas" [17] que han sido extraídas de un fotomosaico [18] que es "una imagen fotográfica compuesta del suelo", o más precisamente, como un fotomosaico controlado donde "fotografías individuales se rectifican la inclinación y se llevan a una escala común (al menos en ciertos puntos de control)".
La rectificación de las imágenes generalmente se logra "ajustando las imágenes proyectadas de cada fotografía a un conjunto de cuatro puntos de control cuyas posiciones se han derivado de un mapa existente o de mediciones terrestres. Cuando estas fotografías rectificadas y escaladas se colocan en una cuadrícula de puntos de control , se puede lograr una buena correspondencia entre ellos mediante un hábil recorte y ajuste y el uso de las áreas alrededor del punto principal donde los desplazamientos del relieve (que no se pueden eliminar) son mínimos." [17]
"Es bastante razonable concluir que algún tipo de fotomapa se convertirá en el mapa general estándar del futuro". [19] Continúan sugiriendo [ ¿quién? ] que "el fotomapping parecería ser la única forma de aprovechar razonablemente" las fuentes de datos futuras, como los aviones de gran altitud y las imágenes satelitales.
Para demostrar el vínculo entre la ortofotografía y la arqueología , [20] se utilizaron fotografías aéreas históricas para ayudar a desarrollar una reconstrucción de la misión Ventura que guió las excavaciones de las paredes de la estructura.
La fotografía aérea se ha aplicado ampliamente para mapear restos de superficies y exposiciones de excavaciones en sitios arqueológicos. Las plataformas sugeridas para capturar estas fotografías incluyen: globos de guerra de la Primera Guerra Mundial; [21] globos meteorológicos de caucho; [22] cometas ; [22] [23] plataformas de madera, estructuras metálicas, construidas sobre una exposición de excavación; [22] escaleras solas y unidas con postes o tablas; escaleras de tres patas; postes de una y varias secciones; [24] [25] bípodes; [26] [27] [28] [29] trípodes; [30] tetrápodos, [31] [32] y camiones con cesta aérea ("recolectores de cerezas"). [33]
Se han utilizado fotografías digitales aéreas, cercanas al nadir y portátiles, con sistemas de información geográfica ( SIG ) para registrar las exposiciones de las excavaciones. [34] [35] [36] [37] [38]
La fotogrametría se utiliza cada vez más en arqueología marítima debido a la relativa facilidad de mapear sitios en comparación con los métodos tradicionales, lo que permite la creación de mapas 3D que se pueden representar en realidad virtual . [39]
Una aplicación algo similar es el escaneo de objetos para realizar automáticamente modelos 3D de los mismos. Dado que la fotogrametría se basa en imágenes, existen limitaciones físicas cuando esas imágenes son de un objeto que tiene superficies oscuras, brillantes o claras. En esos casos, el modelo producido a menudo todavía contiene espacios, por lo que a menudo sigue siendo necesaria una limpieza adicional con software como MeshLab , netfabb o MeshMixer. [40] Alternativamente, pintar con aerosol dichos objetos con un acabado mate puede eliminar cualquier cualidad transparente o brillante.
Google Earth utiliza fotogrametría para crear imágenes en 3D. [41]
También hay un proyecto llamado Rekrei que utiliza fotogrametría para crear modelos 3D de artefactos perdidos, robados o rotos que luego se publican en línea.
Existen muchos paquetes de software para fotogrametría; ver comparación de software de fotogrametría .
Apple presentó una API de fotogrametría llamada Object Capture para macOS Monterey en la Conferencia Mundial de Desarrolladores de Apple de 2021 . [42] Para utilizar la API, se requiere una MacBook con macOS Monterey y un conjunto de imágenes digitales capturadas. [43]
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