UMA DISCUSSÃO SOBRE TÉCNICAS BASEADAS EM IMAGENS PARA LEVANTAMENTO DE EDIFICAÇÕES Andrea Verri Bastian PPG-AU – Faculdade de Arquitetura – UFBA, Mestranda [email protected]Resumo A restituição de uma edificação é uma forma de tornar disponíveis as características da arquitetura presente nesta, permitindo sua visualização. Essa documentação gráfica é obtida por processos de levantamento do objeto real. Para tanto, várias são as técnicas possíveis de serem utilizadas além dos métodos tradicionais de levantamento, como fotogramétricas e de varredura. Nesse trabalho, são discutidas as aplicações mais recentes, onde as imagens são obtidas próximas à superfície da Terra e do objeto de interesse, sendo elas a Fotogrametria Digital Arquitetônica, dividida aqui em Estereoscopia (utilização de um par de imagens), baseada em fotos convergentes e uma nova técnica, desenvolvida na Itália, denominada Fotogrametria Esférica (utilização de panoramas), como também 3D Laser Scanning e Photo-based Scanning onde são apresentados os princípios e características de cada uma delas. Para concluir, são discutidas as vantagens e desvantagens na utilização dessas técnicas. Palavras-chave: Fotogrametria, Fotogrametria Esférica, 3D Laser Scanning, Photo-based Scanning. Abstract The reconstruction of a building is a way to make these available features of this architecture, enabling its graphical visualization. This graphic documentation is obtained by appropriate lifting of the real object. Therefore, there are several techniques that may be used in addition to traditional survey methods such as photogrammetry and scanning. In this paper, we discuss the latest architectural applications land, where images are obtained near the surface of the Earth and the object of interest, and they Architectural Digital Photogrammetry divide here in stereoscopy (using a pair of images), Based on convergent images and a new technique developed in Italy called Spherical Photogrammetry (use panoramas) as well as 3D Laser Scanning Photo-based scanning and which presents the principles and characteristics of each. To conclude, we discuss the advantages and disadvantages in the use of these techniques. Palavras-chave: Photogrammetry, Spherical Photogrammetry, 3D Laser Scanning, Photo-based Scanning.
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UMA DISCUSSÃO SOBRE TÉCNICAS BASEADAS EM IMAGENS PARA LEVANTAMENTO DE EDIFICAÇÕES
Andrea Verri Bastian
PPG-AU – Faculdade de Arquitetura – UFBA, Mestranda [email protected]
Resumo
A restituição de uma edificação é uma forma de tornar disponíveis as características da arquitetura presente nesta, permitindo sua visualização. Essa documentação gráfica é obtida por processos de levantamento do objeto real. Para tanto, várias são as técnicas possíveis de serem utilizadas além dos métodos tradicionais de levantamento, como fotogramétricas e de varredura. Nesse trabalho, são discutidas as aplicações mais recentes, onde as imagens são obtidas próximas à superfície da Terra e do objeto de interesse, sendo elas a Fotogrametria Digital Arquitetônica, dividida aqui em Estereoscopia (utilização de um par de imagens), baseada em fotos convergentes e uma nova técnica, desenvolvida na Itália, denominada Fotogrametria Esférica (utilização de panoramas), como também 3D Laser Scanning e Photo-based Scanning
onde são apresentados os princípios e características de cada uma delas. Para concluir, são discutidas as vantagens e desvantagens na utilização dessas técnicas. Palavras-chave: Fotogrametria, Fotogrametria Esférica, 3D Laser Scanning, Photo-based Scanning.
Abstract
The reconstruction of a building is a way to make these available features of this architecture, enabling its graphical visualization. This graphic documentation is obtained by appropriate lifting of the real object. Therefore, there are several techniques that may be used in addition to traditional survey methods such as photogrammetry and scanning. In this paper, we discuss the latest architectural applications land, where images are obtained near the surface of the Earth and the object of interest, and they Architectural Digital Photogrammetry divide here in stereoscopy (using a pair of images), Based on convergent images and a new technique developed in Italy called Spherical Photogrammetry (use panoramas) as well as 3D Laser Scanning Photo-based scanning and which presents the principles and characteristics of each. To conclude, we discuss the advantages and disadvantages in the use of these techniques.
Palavras-chave: Photogrammetry, Spherical Photogrammetry, 3D Laser
Scanning, Photo-based Scanning.
1 Introdução A restituição de uma edificação é uma maneira de tornar disponível características da
arquitetura presentes nesta, permitindo sua visualização por meio de representação
gráfica (MOREIRA, 2000). Segundo Mateus (2012), a representação gráfica é aquela
que faz uso da informação visual constituída por linhas, figuras geométricas, cores,
isto é, desenhos, que permitem à interpretação de quem as utilizam. Essa
documentação gráfica é obtida por qualquer processo de levantamento do objeto real,
permitindo o entendimento dos vários momentos da vida do objeto, alterações
sofridas, tecnologias e materiais utilizados, anomalias existentes, e etc..., sendo um
instrumento indispensável para análise e planejamento de ações de intervenção física
sobre o objeto construído e, nas suas diversas formas. Portanto, quanto mais preciso,
mais fácil será o trabalho subsequente.
Várias são as técnicas possíveis de serem utilizadas no processo de levantamento,
sendo sua escolha feita de acordo com a complexidade do mesmo e das
características da edificação. Métodos tradicionais de levantamento, utilizados em
grande parte dos trabalhos realizados no Brasil, são baseados em medição direta e
uso de esboços cotados, possíveis de serem utilizados para edificações com formas
mais simples, com poucos ornamentos e pequenas dimensões. Para formas
complexas, outros métodos como o topográfico, feitos com o uso de teodolitos ou
estações totais, permitem medições indiretas e o alcance da precisão requerida
(AMORIM, 2012).
Além dos métodos citados, outras técnicas fotogramétricas, como os métodos
fotogramétricos baseados em Estereoscopia, em fotos convergentes, em varredura
laser, ou em Photo-based Scanning, podem ser utilizados na documentação métrica
de edificações (BÖHLER; HEINZ, 1999; SCHERER, 2002). A Fotogrametria tem sido
bastante utilizada como ferramenta para levantamentos arquitetônicos, embora pouco
empregada no Brasil, passando na sua evolução por várias fases, desde a gráfica,
analógica, e analítica até a digital, o que permitiu a simplificação dos processos e
redução de custos dos recursos empregados.
Atualmente, a International Society of Photogrammetry and Remote Sensing
(ISPRS) define a Fotogrametria como a arte, ciência e tecnologia de se obter
informação confiável de imagens a partir de sensores imageadores e outros, sobre a
Terra e seu meio ambiente, e de outros objetos físicos e processos através da
gravação, medição, análise e representação. Ainda segundo a American Society for
Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) a Fotogrametria é definida como a
arte, ciência e tecnologia de se obter informação confiável sobre objetos físicos e meio
ambiente, através de processos de gravação, medição e interpretação de imagens e
padrões de energia eletromagnética radiante, e outros fenômenos.
Mateus (2012), estabelece que a Fotogrametria pode ser classificada de acordo
com vários critérios como: a relação de distância entre câmara e objeto, número de
imagens utilizadas, princípio, tempo para obtenção dos resultados e área de aplicação.
Nesse trabalho, serão discutidas apenas as tecnologias mais recentes para aplicações
arquitetônicas terrestres, onde as imagens são obtidas sobre a superfície1 da Terra e
próximas ao objeto de interesse como a Fotogrametria Digital, 3D Laser Scanning e
Photo-based Scanning.
2 Técnicas de levantamentos arquitetônicos baseados em imagens
A documentação gráfica tradicionalmente é executada com técnicas de
levantamento em loco, baseando-se em medições diretas o que torna o trabalho
moroso, além disso, em edificações em adiantado estado de deterioração, o uso de
métodos diretos, onde o levantador tem contato físico com o imóvel, constitui um sério
risco de acidentes. Nesse contexto, a fotogrametria é uma ferramenta crucial, uma vez
que permite a restituição métrica e morfológica do objeto em estudo, sem a
necessidade de contato direto com objeto.
2.1 Fotogrametria digital arquitetônica
A Fotogrametria Digital visa à obtenção das dimensões e formas de um objeto a
partir da captura e processamento de imagens, de acordo com Groetelaars (2004),
quando utilizada de forma adequada, permite a criação de modelos tridimensionais
precisos, foto realísticos, gerando um volume de dados possível de ser utilizado por
ferramentas modernas de planejamento, como banco de dados e SIG (Sistemas de
Informações Geográficas), além de programas de animação, simulação, realidade
virtual e realidade aumentada.
Segundo Mateus (2012), os métodos fotogramétricos utilizam sempre duas ou
mais imagens de um objeto, obtidas de pontos de vista diferentes e com sobreposição,
podendo-se assim, classificá-los em estereoscópicos, baseados em imagens
convergentes e baseados em panoramas.
1 - Considera-se que as fotos capturadas com Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT), se
enquadram nessa categoria.
2.1.1 Estereoscopia
De acordo com Hansen e Grussenmeyer (2002), os princípios da Estereoscopia
permitem que um par de imagens, conforme visto nas Figuras 1 e 2, de um mesmo
objeto (estereopar) seja utilizado para restituição tridimensional de fachadas desde
que a área de interesse esteja presente nas duas imagens. Para que isto seja
possível, os eixos óticos das câmaras devem ser paralelos entre si e, a relação da
distância entre as câmeras e a distância entre câmera e objeto deve estar entre 1:15 e
1:50.
Figura 1 - Levantamento fotográfico baseado em Estereoscopia
Nesse processo, cada ponto do objeto é determinado a partir da identificação de seus
pontos homólogos presentes nas partes superpostas das duas imagens. Para que isso
seja possível é necessário conhecer os parâmetros de translação e rotação da
câmera, obtidos diretamente no momento da tomada fotográfica ou indiretamente com
a utilização de pontos de controle (coordenadas obtidas através de Topografia),
apresentando maior precisão (GROETELAARS, 2004). Através desse processo,
podem ser obtidos desenhos de fachadas (Figura 3), modelos wireframe, modelos de
superfície, além de levantamento de coordenadas.
Figura 3 – Desenho de fachada obtido através de estereorestituição
Fonte: HANSEN; GRUSSENMEYER, 2002 2.1.2 Baseada em fotos convergentes
Hoje, a situação mais comum em levantamentos arquitetônicos é a utilização de várias
imagens convergentes, que, após a orientação, permitem a restituição de modelos
geométricos (3D) e a representação gráfica dos objetos registrados, possibilitando a
extração de dimensões lineares, áreas e volumes. Os produtos gráficos podem ser
empregados em usos tradicionais, para visualização em meio digital, ou como
elementos de preservação, integrantes de base de dados digitais multimídia
(MATEUS, 2012).
De acordo com Koch e Kaehler (2009), a Fotogrametria baseada em fotos
convergentes utiliza o princípio da triangulação, onde matematicamente a intersecção
de linhas convergentes no espaço determina com precisão um ponto. Conforme Figura
4, a base para determinação de um ponto no espaço é orientar as imagens para um
sistema de coordenadas, o que significa que as posições (x, y, z) e os ângulos rotação
(ω, φ, κ) das imagens devem ser determinados antes da triangulação. Para tanto, as
coordenadas do ponto na imagem (x', y'), no momento da tomada fotográfica devem
ser conhecidas em pelo menos duas imagens, sendo o ideal três ou mais.
A restituição das coordenadas dos pontos do objeto no espaço tridimensional, serão
determinadas pela intersecção dos raios que partem da representação do ponto na
imagem, passam pelo centro de projeção e atingem o objeto. Nesse sentido, a
restituição fotogramétrica pode ser entendida como o processo inverso ao da captura
fotográfica, ou seja, a devolução do objeto do espaço 2D para o espaço 3D. A
precisão do processo e a orientação das imagens dependerão do tamanho do pixel da
imagem, escala da foto e distância entre as posições da câmera.
Figura 4 – Princípio da Fotogrametria a curta distância Fonte: KOCH; KAEHLER, 2009
Segundo Mateus (2012), o processamento das imagens pode ser manual, onde a
calibração da câmera2 e identificação dos pontos homólogos nas várias imagens para
orientação é feita pelo operador; somente após esse procedimento pode-se gerar o
modelo geométrico do objeto. Esse é o procedimento utilizado pelo PhotoModeler3 e
outros programas. O procedimento semiautomático pode ser feito por reconhecimento
de padrões de geometria pré-definidos, como também por reconhecimento de alvos
codificados sendo esse, o tipo de procedimento utilizado no PhotoModeler para a
calibração da câmera. Na versão Scanner e, nas ferramentas Zscan e Image Master,
as imagens são correlacionadas para facilitar a marcação de pontos ou realizar a
reconstrução automática de superfícies.
Como produtos da Fotogrametria, a partir do modelo restituído, podem ser gerados
desenhos, modelos geométricos aramados, de superfície, com texturas, fotos
retificadas, ortofotos, mosaicos de ortofotos. As Figuras 5 e 6 mostram alguns desses
produtos.
(a) (b) (c)
Figura 5 – (a) Ortofoto (b) Foto retificada (c) Desenho de restituição Fonte: BASTIAN, 2012
2 Calibração da câmera é o processo que permite ao software, utilizado na restituição, a determinação das deformações decorrentes da geometria da câmera e distorções do sistema óptico, dando condições para a determinação dos pontos homólogos no espaço (AMORIM, 2012). 3 Software da empresa canadense EOS Systems, comercializado em duas versões. Maiores informações em: <http://www.photomodeler.com>.
Nesse tipo de técnica, todo o processamento é automatizado dividindo-se em duas
fases, primeiramente as imagens são orientadas; para tanto, são extraídos e
correlacionados os pontos homólogos, através de algoritmos de reconhecimento de
padrões entre as várias imagens onde a identificação é feita pelos valores das
intensidades radiométrica dos pixels. Após essa operação é gerada uma nuvem de
pontos esparsa e a partir desta, uma segunda nuvem de pontos bem mais densa,
onde os pontos possuem a informação radiométrica das imagens fotográficas
(textura). Nesse processamento podem ser utilizadas ferramentas para aplicações
comerciais como o PhotoModeler Scanner, Samantha, Orthoware, e o EyeDea e,
ferramentas on-line como ARC3D, Bundler, Photofly, Photosynth e o VSFM onde os
modelos gerados podem ser visualizados na internet ou descarregados no computador
do usuário (MATEUS, 2012).
Ainda, segundo Mateus (2012), a metodologia SfM, para aplicação em modelagem,
através da captura de uma sequencia de vídeos, onde esses são analisados de modo
a se obter os parâmetros de orientação dos vários quadros seguindo a geração do
modelo geométrico (3D) da cena registrada, com a textura associada. Nesse caso, os
modelos gerados apresentam apenas qualidade para efeitos de visualização. Para
essa aplicação estão disponíveis, ferramentas como o VideoTrace, ou ainda on-line, a
ProFORMA.
3 Discussão e Conclusão
As técnicas apresentadas nesse trabalho mostram-se eficazes, sendo que a escolha
do método utilizado no levantamento está associado à finalidade dos dados obtidos,
prazo de execução, disponibilidade de recursos financeiros e técnicos, condições do
local da edificação e precisão requerida. A impossibilidade na obtenção de medidas
diretas em campo, a dificuldade em fotografar a parte superior das edificações, a
interferência das condições atmosféricas e de iluminação na qualidade dos resultados
e, ainda, a exigência de processamento especializado e o tempo necessário para
obtenção dos produtos são algumas desvantagens.
A “estereoscopia” está em desuso em aplicações para levantamentos de edificações,
sendo substituída pela Fotogrametria baseada em imagens convergentes. Essa
técnica mostra-se mais útil no caso de fachadas planas ou com curvas bem definidas,
para fachadas com formas mais complexas e grande quantidade de detalhes Dense
Surface Modeling (DSM) ou o sistema de varredura a laser são métodos mais
vantajosos.
No que se refere à Dense Surface Modeling (DSM), a produção de modelos
geométricos a partir de nuvem de pontos ainda requer processamento não trivial e
grande interação do usuário. Ferramentas computacionais mais recentes, com
aumento do processamento automatizado fornecem subsídios para que essa
tecnologia venha a ser mais utilizada na documentação arquitetônica nos próximos
anos, uma vez que captura também a cor do objeto, permitindo a geração de modelos
realísticos e ortofotos com a textura, sendo uma vantagem em relação à varredura a
laser.
Por outro lado, na varredura a laser, a velocidade de aquisição dos dados é muito
maior e com precisão equivalente, além de não sofrer interferência das condições de
iluminação. O principal problema dessa tecnologia é o custo elevado do equipamento
e programas, que aliados à rápida obsolescência da tecnologia, tornam a tecnologia
pouco empregada no Brasil para aplicações em Arquitetura. Outro aspecto a ser
observado, é a grande quantidade de dados a serem processados e os problemas da
reflexão do laser em certos tipos de materiais.
De acordo com Fangi (2013), a Fotogrametria Esférica é uma solução quando não se
pode utilizar o laser scanner, sendo de baixo custo por empregar "recursos mais
simples". O fator complicador no uso dessa tecnologia são os processos de orientação
e restituição, feitos manualmente, demandando um tempo longo no processamento
dos dados.
Existe uma ampla gama de tecnologias que apresentam aspectos positivos e
negativos, além da grande variação de custo, sendo a escolha dependente do
contexto da aplicação. Deve-se, também, levar em consideração a
possibilidade de integração entre elas, visto que em determinadas situações
sempre existirão limitações.
4 Referências
AMORIM, A. L. Fotogrametria: uma introdução. In: PRATINI, E. F., SILVA, E. A. Criação, representação e visualização digitais. Brasília, DF: Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília, 2012. p. 63-89.
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