Fotogrametría

Guía

Diseño Industrial

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

Ph. D. Galo Naranjo López Rector Dra. Mary Cruz Vicerrectora Académica Ing. Edison Viera Vicerrector Administrativo Dra. Elsa Hernández Directora de Investigación Arq. Víctor Hugo Molina Decano Facultad de Diseño y Arquitectura

Guía de Aplicación de Fotogrametría

Autores:

Jean Pierre Manjarréz García Carlos Ramiro Pacha Pilco Ph.D. Ana Angélica López Ulloa

1.ª Edición:

Jean P. Manjarréz García jpmanjarrez01@gmail.com Carlos R. Pacha Pilco carlospacha47@gmail.com Ana A. López Ulloa ana.lopez@uta.edu.ec

Diagramación:

Jean Pierre Manjarréz García Carlos Ramiro Pacha Pilco

Fotografía:

Con excepción de las fotografías de equipos fotográficos y logos de marca Metashape, todas las demás pertenecen a los autores del libro.

Colaboración:

Ph. D. Ana Angélica López Ulloa

Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de este material, por cualquier medio mecánico o electrónico, sin la debida autorización por escrito de los autores.

Ambato - Ecuador Septiembre 2023

TABLA DE CONTENIDO

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TABLA DE CONTENIDO............................................................. 02 INTRODUCCIÓN ..........................................................................03 Definición ..............................................................................03 ¿Para qué sirve? ................................................................. 04 Clasificación.................................................................. 05 Aplicación...................................................................... 05

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CONOCIMIENTO PREVIO..........................................................06 Material..................................................................................06 Técnica................................................................................... 07 Mapas ¨HDRI Map enviroments¨............................ 07 Malla poligonal.............................................................08 Conocimiento de luz ambiente............................... 08

04

REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO........................................... 09

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EQUIPO NECESARIO Y PROCESO.......................................... 11

CPU, GPU Y RAM................................................................. 09 Tiempo................................................................................... 10

Equipo .................................................................................... 11 Proceso.................................................................................. 12 Preparación del entorno fotográfico..................... 12 Toma de imágenes..................................................... 13 Añadir imágenes......................................................... 14 Creación del modelo 3D............................................ 15 Post-procesamiento.................................................. 16 Exportación de archivo.............................................. 17

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SUGERENCIAS..............................................................................18 Cuando usar fotogrametría y cuando no..................... 18 Pros, contras y consejos................................................... 18 Ejemplos................................................................................ 19

INTRODUCCIÓN Este guía proporciona una visión general de la fotogrametría y el escaneado 3d, su teoría, sus principios generales de funcionamiento, etapas necesarias de post-procesamiento y ejemplos realizados, haciendo hincapié en los conceptos más que en los conocimientos operativos detallados.

FOTOGRAMETRÍA La fotogrametría es una herramienta que permite obtener información cuantitativa, tomando como base la medición de fotografías, siendo la misma una parte de la geodesia y la teledetección. Cuando se quiere determinar distancias es necesario saber la posición de los puntos sobre la superficie a través de coordenadas (latitud, longitud, altura). Una imagen no posee esta información al ser una imagen bidimensional. Pero se puede usar el principio de la visión estereoscópica del ser humano.

Las personas tienen la capacidad de procesar un conjunto de múltiples imágenes, las mismas que poseen diferencias por la información que llega de cada ojo respectivamente, así una vez

que se procesa las imágenes en el cerebro, son capaces de reconstruir un objeto tridimensional a partir de imágenes planas.

Se toma este mismo principio para la fotogrametría, se utilizan un conjunto de imágenes en diferentes posiciones, las cuales después de su procesamiento es posible recomponer de manera tridimensional la información que se encontraba en ellas. En otras palabras, se calcula las coordenadas tridimensionales a través de los puntos de referencia que se encuentra en un número indefinido de imágenes.

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A Í R T E M A R G TO FO Imagen 1: Procesos de fotogrametría en Meshroom.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

¿PARA QUÉ SIRVE? La reconstrucción de elementos tridimensionales a partir de imágenes planas ha experimentado un aumento en los últimos años. La tecnología que permite la visualización por ordenador de un objeto es un proceso que recolecta datos numéricos y posicionales que proveen la información necesaria para reconstruir el objeto 3D de manera detallada. Las técnicas empleadas por lo general son mecanismos que utilizan la coincidencia entre imágenes, las mismas que extraen características del objeto, siendo estos los datos necesarios para lograr la mayor cantidad de detalle, luego serán transformados en nubes de puntos que serán la base de la malla del objeto a representar.

Existen muchas posibilidades de aplicación de este proceso entre las cuales podemos distinguir principalmente la reconstrucción de objetos con un alto nivel de detalle, a pesar de ello no siempre se obtiene el mismo resultado, pues tiende a variar según el entorno y las características que posee cada objeto que se vaya a escanear. Por otro lado, el rendimiento de este proceso es bastante prometedor, pues los modelos obtenidos están probando hasta cierto punto alcanzar resultados que se obtendrían con algunos láseres de escaneo 3D que podemos encontrar fácilmente en el mercado.

De ese modo, a través de la fotogrametría podemos encontrar una gran capacidad para preservar y recrear elementos históricos que por su antigüedad o condiciones no podrían ser mostrados al público en general y al mismo tiempo aprovechar la potencia de la computación en la nube para realizar un procesamiento semi consciente de los datos, además de ello, a través de internet dichos objetos digitalizados pueden llegar a un público más amplio, debido a que cualquier persona en cualquier lugar tendría la capacidad de observarlo de forma tridimensional a través de un dispositivo inteligente.

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APLICACIÓN

CLASIFICACIÓN

Según los métodos utilizados:

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Analógica: Se considera la primera parte de la fotogrametría en desarrollarse (se emplean modelos matemáticos).

Analítica: Se encarga de aplicar los modelos matemáticos a objetos físicos.

Digital: Se sustituye la imagen analógica por la imagen digital, se empiezan a utilizar programas informáticos.

Según la medición utilizada: Fotogrametría espacial: Las estaciones se encuentran en el espacio exterior.

Fotogrametría aérea: Las estaciones se encuentran en el aire.

Fotogrametría terrestre: Las estaciones se encuentran a nivel del suelo.

Fotogrametría de objeto cercano: Las estaciones se encuentran a muy corta distancia.

Ingeniería: Se ocupa en ingeniería inversa para un objeto existente, personalízarlo y crear nuevas piezas para el

Imagen 2: Desarrollo de partes automotrices (CIAUTO).

Fuente: Elaboración propia, 2022.

mismo.

Diseño: Establecer colecciones virtuales para atraer al público.

Imagen 3: Componentes electrónicos de un producto.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Museo: Reconstrucción de piezas y monumentos, se pueden preservar para siempre y prácticamente renovar.

Imagen 4: Objetos expuestos en el museo de Pasa.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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CONOCIMIENTO PREVIO

Imagen 5: Vasijas expuestas en el museo de Pasa.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

MATERIAL

Para iniciar a realizar el proceso de la fotogrametría se deben tener en consideración ciertos aspectos de cada objeto, como por ejemplo de qué material está conformado el objeto a escanear, pues cualquier herramienta utilizada para desarrollar este proceso ocupa la nube de puntos, para crear un sistema de referencia que permite entender el posicionamiento de las dimensiones y volumen de cada objeto.

Por este motivo, los objetos con cierto nivel de reflectancia y áreas transparentes, así mismo como las superficies brillantes, no son muy aptos para este proceso, debido a que en muchas ocasiones este tipo programas interpreta las imágenes de dichos objetos como áreas huecas y por ende tiende a surgir errores en la malla poligonal, la luz atraviesa las superficies transparentes, mientras que se refleja sobre aquellas brillantes, que actúan como espejo y de esa manera no se puede conseguir una nube de puntos precisa.

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CONOCIMIENTO PREVIO

Imagen 6: Procesos de fotogrametría en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

TÉCNICA Mapas ¨HDRI Map enviroments¨ .

"HDRI es la abreviatura de High Dynamic Range Image (imagen de alto rango dinámico). Es un tipo especial de imagen que contiene mucha más información de color que las imágenes normales (imágenes de bajo rango dinámico). Se crean combinando varias imágenes de la misma escena, con diferentes exposiciones. Con un equipo especial, se pueden crear panorámicas HDR de 360" (HDRI,Aversis 2022).

Imagen 7: HDRI creado en KeyShot.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Estas son especialmente útiles para la visualización en 3D, ya que capturan realmente la iluminación del mundo real de todo el entorno.

Estas imágenes panorámicas HDR pueden utilizarse en programas 3D para actuar como fuente de luz para iluminar la escena, creando efectos de iluminación muy naturales.

"Proporcionan reflejos mucho más realistas en comparación con las imágenes LDR utilizadas como mapas de reflexión. " (Bloch, 2013).

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Renderizado.

La renderización es el proceso de creación de una imagen 2D o 3D a partir de un modelo mediante software. La renderización se utiliza principalmente en diseño arquitectónico, videojuegos, películas de

animación, simulaciones, efectos especiales de televisión y visualización de diseños. Los métodos y características utilizadas varían según el proyecto.

La visualización ayuda a aumentar la eficiencia y reducir los costes de diseño.

Imagen 8: 3D de una Botella Tribal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Malla poligonal.

Una malla poligonal es un conjunto de aristas, caras y puntos conectados que se utilizan para proporcionar un modelo poligonal que se utilizará en el modelado 3D. "Su composición geométrica se podrá almacenar para facilitar varios tipos de simulación, el modelo geométrico computacional describe las componentes esenciales de los objetos a ser visualizados con sus propiedades geométricas inherentes."(Fernandez & Guerrero, n.d).

Imagen 9: Malla Poligonal de una Botella Tribal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Conocimiento de luz ambiente.

El término luz ambiental suele referirse a la luz natural disponible o a la iluminación no directa del entorno.

"Los ejemplos más claros de luz ambiente pueden

ser la luz solar o una bombilla que, colgando de un cable, ilumina el espacio total de una habitación."

(Fotonostra,2022).

Imagen 10: Iluminación ambiental de habitación.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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REQUERIMIENTOS DEL

EQUIPO

CPU

GPU

Imagen 11: Logo de Metashape Fuente: Metashape, 2022.

CPU multinúcleo de alta velocidad (más de 6 núcleos, más de 3 ghz).

Se CPU admite la aceleración de GPU para la mayoría de los pasos de procesamiento que consumen muchos recursos.

Es posible acelerar el procesamiento utilizando tarjetas gráficas compatibles con opencl o CUDA de gama alta.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL EQUIPO CON EL QUE SE

RAM

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Los algoritmos de reconstrucción de geometría compleja del software fotogramétrico requieren una cantidad significativa de recursos computacionales para un procesamiento de datos óptimo.

TRABAJÓ.

Ram: 16 - 32 gb.

GPU: GPU NVIDIA o AMD con más de 700 núcleos.

CUDA/unidades de

procesador shader (por

ejemplo: geforce GTX 1080 o radeon RX 5700).

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TIEMPO Imagen 12: Reloj de arena.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Teniendo en cuenta las consideraciones previas, el tiempo estimado del proceso total de fotogrametría es de 350 min por elemento replicado, aunque este tiempo puede variar dependiendo de distintas variables como el número de personas involucradas, el tipo de objeto y el material con el que este hecho.

Para esta estimación de tiempo en particular se realizó a partir de los siguientes aspectos.

0 min

Visualización Online

Exportación

Post-procesamiento

Correcciones

Procesamiento

Filtrado

Fotografía

Preparación

Un solo operador.

Piedra como material base del objeto.

Dimensiones 40 cm de largo, 40 cm de ancho y 15 cm de alto.

Cámara de celular de 48 Megapixeles con una resolución de 3840 x 2160 píxeles.

Base circular recubierta de tela.

Luz de día en espacio abierto.

90 fotografías como base para procesarse.

Ordenador de gama alta.

Agisoft Metashape como programa base de fotogrametría.

Cinema 4D - Maxon como programado preprocesamiento.

V-Ray como programa de renderizado.

My mini factory como plataforma de visualización Online.

350 min Imagen 13: Tiempo que transcurre entre el desarrollo y el uso operativo de método.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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EQUIPO NECESARIO Y PROCESO

FOTOGRAMETRÍA

Imagen 14: Luces de estudio.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Cámara de fotos

Para lograr el mejor equilibrio entre tiempo invertido y detalles capturados, cuanta más resolución y nitidez más preciso va a ser el resultado del escaneo.

Lente En este sentido es recomendable contar con una lente lo más nítida posible, en nuestro caso contamos con varias lentes prime de alta calidad de 35mm, 50mm y macro para cuando es necesario escanear objetos muy pequeños.

Trípode

Imagen 15: Implementos de cámara.

Fuente: Fotonostra, 2022.

Pieza esencial del equipamiento que necesitaremos para hacer fotogrametría, ya que nos va a permitir estabilidad y consistencia en los resultados.

Luces de estudio

Para lograr unas condiciones que no dependan del clima, es recomendable tener un set de luces de estudio que nos permitan escanear siempre igual en cualquier situación.

Otros

También es importante contar con una plataforma giratoria que nos permita estandarizar los grados que rotaremos antes de cada disparo (existen opciones automáticas), cinta métrica para tomar medidas y garantizar consistencia si movemos la cámara, gaffer tape, etc.

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Imagen 16: Implementos de estudio.

Fuente: Fotonostra, 2022.

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PROCESO Planeación de la trayectoria de fotografía Imagen 17: Nube de Puntos de una Botella Tribal en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Preparación del entorno fotográfico.

El entorno debe ser preparado en un espacio donde no haya

obstáculos que puedan interrumpir la trayectoria, planeada

previamente, en función al programa (METASHAPE).

Imagen 18: Botella Tribal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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PROCESO Toma de imágenes

Imagen 18: Banco de imágenes de una Botella Tribal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Una cámara de teléfono inteligente de 8 megapíxeles ya producirá resultados aceptables para aplicaciones sin requisitos de alta precisión.

Una cámara gran angular es la mejor, ya que presenta la menor distorsión de lente.

Es mejor tomar secuencialmente en alrededor del objeto.

las fotos un círculo Imagen 19: Cajas de teléfonos celulares.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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PROCESO Añadir imágenes

Imagen 20: Smartphone.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Importamos las fotos directamente a la biblioteca del proyecto.

Para algunos programas, es importante verificar la compatibilidad de la cámara con una base de datos interna para optimizar resultados en función de aspectos como la distancia focal, el punto principal y el formato del sensor de imagen.

La nitidez de las fotos también puede mejorar los resultados, ya que el software traduce mejor las características coincidentes entre las fotos si son más iguales en nitidez.

Imagen 21: Fotografía cargada en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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PROCESO Creación del modelo 3D a partir de imágenes en software de fotogrametría Imagen 22: Cálculo de imágenes en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Gran

parte

del

desarrollo

computacional de la fotogrametría se realiza automáticamente en segundo

plano

mediante

el

software de fotogrametría, pero las

características

avanzadas

pueden ayudar a mejorar los resultados.

Características avanzadas: Coincidencia de imágenes.

Extracción de características.

Imagen 23: Interfaz de Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Triangulación.

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PROCESO Post-procesamiento

Imagen 24: Malla poligonal de una vasija en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Una vez insertadas las imágenes se procede con la creación de una nube

de puntos y posteriormente se crea la malla de objeto escaneado, sin embargo, el trabajo real comienza

cuando se ha generado el modelo 3D.

En ningún caso la fotogrametría

Imagen 25: Limpieza de malla poligonal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

ofrece un modelo de malla estanco listo para imprimir en 3D. Por

lo

general,

hay

artefactos

flotantes, ruido de fondo, agujeros e irregularidades para eliminar.

Imagen 26: Corrección de malla poligonal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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PROCESO Exportación de archivo

Imagen 27: Nube de puntos en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

El objeto analizado deberá ser reorientado y reescalado, el software de fotogrametría lo hace de manera bastante arbitraria por defecto.

Cuando se realiza este paso, el archivo se puede guardar en formato OBJ, FBX o STL, el objeto estará listo para imprimir en 3D o importar en un entorno CAD.

Imagen 28: Malla Poligonal con textura aplicada.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

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SUGERENCIAS CUANDO USAR FOTOGRAMETRÍA Y CUANDO NO

Imagen 29: Análisis topográfico en Metashape.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

Aunque la fotogrametría es un método de

PROS:

importante conocer sus limitaciones antes de

Relativamente fácil y económico Obtenemos la geometría y la textura.

Muy buena calidad (con el equipo adecuado).

escaneo excelente, no es perfecto y es empezar para evitar problemas en el proceso.

Dado que esta tecnología utiliza software de fotografía y reconocimiento de imágenes para

reconstruir la geometría, si nuestro objeto o superficie no tiene detalles o tienen patrones

demasiado uniformes, el software no podrá establecer la perspectiva y, por tanto, reconstruir el modelo se volverá complicado

"Un ejemplo sería un objeto de un metal pulido o una tela con un patrón muy uniforme.

Una posible solución a este problema es usar

pegatinas sobre nuestro modelo o pintarlo con lacas antirreflejo o pinturas neutras para

poder escanear la superficie, pero al hacerlo, afectamos el escaneo de la textura. Por esta

razón es importante planificar antes de

realizar cualquier escaneo." (3dcollective, 2017).

18

CONTRAS: No funciona bien en superficies sin detalle variable.

Es difícil escanear metales o cristal.

Requiere mucho tiempo y planificación.

CONSEJOS Determinar y planear el momento para realizar las fotografías.

Determinar de manera clara el nivel de detalle que se desea conseguir.

Jugar con la nube de puntos y la malla poligonal.

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01

Imagen 30: Rénder de una vasija.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

URL: https://www.myminifactory.com/object/3d-print-tribal-vessel-227639

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Imagen 31: Rénder de un mortero de piedra.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

URL: https://www.myminifactory.com/object/3d-print-stone-mortar-227385

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03

Imagen 32: Rénder de una botella tribal.

Fuente: Elaboración propia, 2022.

URL: https://www.myminifactory.com/object/3d-print-obojeto-234787

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REFERENCIAS

RECURSOS GRÁFICOS Imagen 1. (2022). Procesos de fotogrametría en Meshroom. Elaboración propia.

Imagen 2. (2022). Desarrollo de partes automotrices (CIAUTO). Elaboración propia.

Imagen 3. (2022). Componentes electrónicos de un producto. Elaboración propia.

Imagen 4. (2022). Objetos expuestos en el museo de Pasa. Elaboración propia.

Imagen 5. (2022). Vasijas expuestas en el museo de Pasa. Elaboración propia.

Imagen 6. (2022). Procesos de fotogrametría en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 7. (2022). HDRI creado en KeyShot. Elaboración propia.

Imagen 8. (2022). 3D de una Botella Tribal. Elaboración propia.

Imagen 9. (2022). Malla Poligonal de una Botella Tribal. Elaboración propia.

Imagen 10. (2022). Iluminación ambiental de habitación. Elaboración propia.

Imagen 11. (2022). Logo de Metashape. Metashape, 2022, from https://www.agisoft.com Imagen 12. (2022). Reloj de arena. Elaboración propia.

Imagen 13. (2022). Tiempo que transcurre entre el desarrollo y el uso operativo de método. Elaboración propia.

Imagen 14. (2022). Luces de estudio. Elaboración propia.

Imagen 15. (2022). Implementos de cámara. Fotonostra.Fotografía analógica y digital. (n.d.). Fotonostra.com. Retrieved July 21, 2022, from https://www.fotonostra.com/fotografia/ Imagen 16. (2022). Implementos de estudio. Fotonostra. Fotografía analógica y digital. (n.d.). Fotonostra.com. Retrieved July 21, 2022, from https://www.fotonostra.com/fotografia/ Imagen 17. (2022). Nube de Puntos de una Botella Tribal en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 18. (2022). Botella Tribal. Elaboración propia.

Imagen 19. (2022). Cajas de teléfonos celulares. Elaboración propia.

Imagen 20. (2022). Smartphone. Elaboración propia.

Imagen 21. (2022). Fotografía cargada en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 22. (2022). Cálculo de imágenes en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 23. (2022). Interfaz de Metashape. Elaboración propia.

Imagen 24. (2022). Malla poligonal de una vasija en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 25. (2022). Limpieza de malla poligonal. Elaboración propia.

Imagen 26. (2022). Corrección de malla poligonal. Elaboración propia.

Imagen 27. (2022). Nube de puntos en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 28. (2022). Malla Poligonal con textura aplicada. Elaboración propia.

Imagen 29. (2022). Análisis topográfico en Metashape. Elaboración propia.

Imagen 30. (2022). Rénder de una vasija. Elaboración propia.

Imagen 31. (2022). Rénder de un mortero de piedra. Elaboración propia.

Imagen 32. (2022). Rénder de una botella tribal. Elaboración propia.

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REFERENCIAS

FOTOGRAMETRÍA Mikhail, E. M., Bethel, J. S., & McGlone, J. C. (2001). Introduction to Modern Photogrammetry. John Wiley & Sons.

Linder, W. (2009). Digital Photogrammetry. Springer Berlin Heidelberg. https://scihub.se/https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-540-92725-9?noAccess=true Daneshmand, M., Helmi, A., Avots, E., Noroozi, F., Alisinanoglu, F., Arslan, H. S., Gorbova, J., Haamer, R. E., Ozcinar, C., & Anbarjafari, G. (2018). 3D scanning: A comprehensive survey.

In arXiv [cs.CV]. http://arxiv.org/abs/1801.08863 HDRI - frequently asked questions. (n.d.). Aversis.Be. Retrieved July 12, 2022, from http://www.aversis.be/hdri/hdri-faq.htm Luz ambiental en fotografía. (n.d.). Fotonostra.com. Retrieved July 12, 2022, from https://www.fotonostra.com/fotografia/luzambiental.htm Fernandez, J., & Guerrero, R. (n.d.). Modelos Topográficos y Mallas Poligonales. Retrieved from http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/21568/Documento_completo.pdf? sequence=1&isAllowed=y Rendering. (2014, October 2). Techopedia.com; Techopedia. https://www.techopedia.com/definition/9163/rendering Bloch, C. (2013). The HDRI Handbook 2.0: High dynamic range imaging for photographers and CG artists. Rocky Nook.

Thompson, H. (n.d.). Review of the third edition of THE MANUAL OF PHOTOGRAMMETRY. Asprs.org. Retrieved July 26, 2022, from http://www.asprs.org/wpcontent/uploads/pers/1966journal/jul/1966_jul_595-602.pdf

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Guía

AUTORES: Jean Pierre Manjarrez Garcia 0992903961 jpmanjarrez01@gmail.com Carlos Ramiro Pacha Pilco.

0987344542 carlospacha47@gmail.com

REVISOR: Dr. Ana López.

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Abril - Septiembre 2023