Neste artigo, discutimos uma nova abordagem para a fotogrametria subaquática. O mapeamento de imagens subaquáticas é extremamente difícil devido às condições de iluminação inconsistentes e à mudança do índice de refração, além da perda de cor devido à distância de penetração limitada de certos comprimentos de onda.
Aplicações subaquáticas
Nos últimos anos, a fotogrametria se estendeu do aéreo para o terrestre e agora se estendeu debaixo d’água.
O uso da fotogrametria subaquática ainda está em fase exploratória, mas já existe a necessidade de mapas e modelos subaquáticos precisos e atualizados para determinados setores, como monitoramento ambiental, arqueologia, forense e inspeção de infraestrutura.
Com um modelo 3D mensurável ou mapa 2D de uma grande área, os destroços de navios ou aviões podem ser documentados para reconstrução da cena; os pilares da ponte podem ser inspecionados para manutenção e reparo; artefatos culturais antigos podem ser mapeados e arquivados para pesquisas posteriores; regiões podem ser monitoradas repetidamente para detectar mudanças ambientais e muito mais.
Um novo processo: aquisição de imagens à distância
Uma prática comum em muitos projetos subaquáticos é acionar imagens por lapso de tempo de uma câmera movendo-se acima ou ao redor do objeto de interesse. No entanto, isso cria muitos problemas no pós-processamento, pois, ao contrário da superfície, a velocidade de movimento debaixo d’água não pode ser estimada com precisão. Se as imagens forem baseadas em tempo, os mergulhadores tirarão muitas imagens enquanto nadam contra a corrente e não imagens suficientes quando se movem com ela.
Essa sobreposição de imagem inconsistente requer muito trabalho manual para remover imagens desnecessárias ou corre o risco de atrapalhar a calibração devido a linhas de base curtas ou desconexão de imagens adjacentes.
O novo método de aquisição, desenvolvido pela Geolab , exige uma equipe de mergulhadores profissionais. Para seus projetos offshore havia pelo menos quatro mergulhadores profissionais (incluindo um operador de barco e um ou dois fotógrafos) junto com um coordenador de projeto. Cada um dos membros da equipe desempenha um papel importante no processo de aquisição da imagem.
O processo permite que os mergulhadores saibam a posição exata em que cada imagem deve ser tirada, em vez de tirar imagens aleatoriamente com base no lapso de tempo. Os mergulhadores acionam manualmente a câmera em pontos específicos com base na distância do objeto e das imagens anteriores. Isso resulta em planos de aquisição de imagens muito mais regulares, reconstrução 3D mais fácil e precisa, otimizando o precioso tempo gasto debaixo d’água.
No entanto, mapear debaixo d’água ainda é muito mais complicado do que fazer o mesmo em terra. A luz não viaja através da água da mesma forma que através do ar, devido às diferentes taxas de refração da luz. Além disso, pequenas partículas suspensas na água podem afetar drasticamente a visibilidade debaixo d’água. Os mergulhadores precisam conhecer os fundamentos da fotogrametria e adaptar o procedimento de aquisição subaquática dependendo das condições de visibilidade que presenciam no local.
Melhor precisão no mapeamento subaquático
Para profissionais de mapeamento e topógrafos, a precisão é essencial.
No momento em que escrevo, a maioria dos projetos de mapeamento subaquático ainda são experimentos. Embora as imagens possam ser adquiridas, pode ser difícil reconstruir com precisão uma cena 3D ou um mapa 2D preciso. Uma vez que uma maneira ideal de capturar imagens para mapeamento foi desenvolvida, o próximo passo é garantir que a reconstrução 3D seja precisa e ser capaz de geolocalizar seus projetos em referência a um sistema de coordenadas global.
Veja como a equipe da Geolab abordou o problema:
Medições precisas para mapas precisos
Tendo garantido que o Pix4Dmapper possa calibrar corretamente a câmera, é importante dimensionar os projetos para suas dimensões reais. Com base em um método de dimensionamento comum usado no rayCloud do Pix4Dmapper, réguas ou barras de escala personalizadas foram colocadas na área de mapeamento e sua medição foi atribuída no Pix4Dmapper para dimensionar todo o projeto.
Essas ferramentas de dimensionamento devem ser tão longas quanto possível e colocadas perpendicularmente uma à outra para diminuir o erro de comprimento relativo e o possível erro em uma direção. Para verificar se a reconstrução 3D é precisa, barras de escala extras podem ser colocadas no local. Eles podem ser usados para avaliar as medições computadas por software após a etapa de dimensionamento, para corresponder às suas dimensões reais. Essa verificação pode garantir a precisão de qualquer medição 2D ou 3D no projeto, o que é essencial para qualquer trabalho de mapeamento. Pode-se entender facilmente a necessidade de tamanho preciso de naufrágio, área de cobertura de recife de coral, comprimento de rachaduras em um píer de ponte e assim por diante.
Pontos de controle subaquáticos
Semelhante às práticas de mapeamento aéreo, algumas etiquetas metálicas também foram colocadas no local, bem distribuídas pela área pesquisada. Embora não sejam obrigatórios, eles ajudam o software a encontrar e combinar pontos idênticos em imagens diferentes e podem ser usados como Pontos de Controle de Solo (GCPs) para georreferenciar o projeto com um procedimento específico subaquático e a bordo do barco, não detalhado aqui.
Em águas profundas: limitações visuais
Em águas rasas, digamos, com menos de três metros de profundidade, um problema comum é a mudança dos padrões de luz que iluminam a área mapeada entre as imagens. Isso pode acontecer quando os raios diretos da luz solar atingem a superfície da água. As ondas de superfície criam inúmeras lentes côncavas e convexas que refletem e refratam a luz de uma maneira muito complexa e imprevisível. O conteúdo das imagens que representam o mesmo objeto pode ser muito diferente de uma imagem para outra, resultando em difícil processamento de fotogrametria.
Isso explica por que para projetos de mapeamento subaquático, aqueles em regiões de águas rasas podem ser extremamente difíceis.
No entanto, ir mais fundo não significa necessariamente fugir dos problemas leves. Quando a luz viaja na água, ela é absorvida, refratada ou refletida, e cada comprimento de onda se comporta de maneira diferente, levando a diferentes distâncias de viagem debaixo d’água.
O gráfico a seguir demonstra a distância teórica que a luz penetra debaixo d’água de acordo com seu comprimento de onda e a perda de cor associada. Podemos ver que o ambiente subaquático fica mais escuro em proporção à distância da superfície. Mesmo que os comprimentos de onda curtos possuam maior energia e penetrem mais, eles ainda são refratados e absorvidos. Após uma profundidade de 40 metros, apenas a luz azul é visível e a perda de luz é rápida.
Cor ou qualidade?
Para projetos realizados em profundidades entre 5 e 25 metros debaixo d’água, imagens com luz suficiente poderiam ser capturadas definindo valores ISO mais altos e aumentando o tempo de exposição: no entanto, isso sacrificava a qualidade da imagem. Infelizmente, isso é muito comum para mapeamento subaquático e mais amplamente para fotografia subaquática. Para mitigar isso ou se os projetos ultrapassarem 30 a 40 metros, seria necessária iluminação artificial – mas garantir uma iluminação uniforme sobre a área mapeada seria outro desafio a ser enfrentado.
Como todos os comprimentos de onda da luz não penetram igualmente na água, o impacto visual nas imagens capturadas é forte. Em profundidade média, os filtros podem ser colocados na frente da câmera para ajudar a capturar mais comprimentos de onda específicos, mas em profundidades mais baixas algumas cores não estão mais presentes e a única maneira de trazê-las de volta é introduzindo luz artificial. As imagens capturadas podem, no entanto, ser corrigidas em cores em um software de edição de imagens antes do processo de fotogrametria. Até certo ponto, isso pode ajudar a restaurar cores mais naturais, mantendo a continuidade da intensidade da cor. Este não é um passo obrigatório, uma vez que as imagens originais também podem fornecer resultados precisos usando o software Pix4D, no entanto, oferece um resultado visualmente mais agradável, o que pode ser muito útil para algumas aplicações, como monitoramento de recifes de corais.
Indo mais fundo
Graças ao software de fotogrametria da Pix4D e às técnicas de aquisição de dados da Geolab, o mapeamento subaquático preciso agora é possível, embora ambas as empresas ainda estejam avançando na tecnologia. Em um futuro próximo, a Geolab planeja atualizar sua configuração de câmera e, finalmente, adaptar seu método de aquisição para veículos operados remotamente (ROVs), enquanto a Pix4D melhorará seu fluxo de trabalho atual para processamento de imagens subaquáticas.
Com o banco de dados de câmeras Pix4D pré-calibrado, o Pix4Dmapper é capaz de reconstruir 3D a partir de imagens com um tempo de processamento muito curto. Outra técnica que também produz ótimos resultados é a videogrametria subaquática .
No entanto, como a distância focal do interior da câmera principal muda significativamente sob a água, o que quebra as suposições para casos gerais de mapeamento aéreo e terrestre, serão necessárias opções de processamento mais adaptáveis. A Pix4D e a Geolab colaborarão em projetos futuros e ajudarão no progresso um do outro, estendendo o avanço abaixo da superfície da água.
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