Fotogrammetria

La fotogrammetria è una tecnica che consente di determinare metricamente forma e posizione di oggetti, partendo da almeno due fotogrammi distinti che riprendono lo stesso oggetto (Coppia Stereoscopica).  Questa tecnica viene utilizzata in cartografia, topografia e in architettura.

La fotogrammetria, dunque, permette di identificare la posizione spaziale di tutti i punti d'interesse dell'oggetto considerato. Questa tecnica, per quanto originariamente nata per essere utilizzata nel rilievo architettonico, è attualmente utilizzata in massima parte per il rilevamento topografico del territorio, sviluppandosi principalmente nella forma della  fotogrammetria aerea.

Lo sviluppo di calcolatori in grado di gestire una grande quantità di dati e della grafica computerizzata ne hanno permesso un utilizzo più semplice e rapido e con costi minori. L'avvento di queste tecnologie, infatti, ha reso obsolete le vecchie apparecchiature ottiche. In seguito a questi cambiamenti, la fotogrammetria è ora utilizzata anche in ambiti dove raramente era utilizzata in passato.

Attualmente la fotogrammetria rappresenta una delle tecniche di acquisizione dei dati del territorio tra le più affidabili, economiche e precise. Essa è molto utile nell'analisi dei cambiamenti del territorio.

Il primo risultato del rilievo fotogrammetrico è una nuvola di punti, la quale può essere integrata con altre nuvole 3D generate da diverse tecnologie di rilievo come ad esempio il laser scanner e georeferenziata con stazione totale o GPS. Il video seguente mostra, infatti, come queste varie tecniche possono confluire in un unico progetto.

 

 Fotogrammetria bidimensionale


 

 
Nei metodi di rilievo a carattere speditivo assume una certa rilevanza la restituzione metrico-dimensionale di facciate di edifici uniplanari, o con aggetti trascurabili, effettuata da singoli o più fotogrammi. Tale processo è composto di quattro fasi distinte:

 

  1. acquisizione dell’immagine fotografica
  2. trasformazione numerica di ogni singolo punto, dalla sua collocazione nello spazio proiettato sulla foto, ad una collocazione bidimensionale in proiezione ortogonale, definito come raddrizzamento dell’immagine;
  3. fase di elaborazione grafica sovrimposta alla immagine raddrizzata (overmapping), che produce una restituzione indiretta delle misure e delle caratteristiche formali della facciata fotografata.
  4. fase di ricollocamento nello spazio bidimensionale di ogni fotogramma raddrizzato.
 


 

 SFM – Structure From Motion

Per “Structure from Motion” si intende 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, desume i parametri fotografici e incrocia i punti riconoscibili su più foto, trovando le coordinate nello spazio dei punti stessi. Questa prima fase viene denominata Image Alignment: essa permette l'orientamento automatico delle immagini nello spazio e l'estrazione dei "key points" (punti chiave) che saranno utili in fase di elaborazione della nuvola di punti e della mesh. Viene così creata una nuvola di punti "rada", con il colore originario, formando una sorta di modello spaziale di foto “solida” degli oggetti ripresi. 


Allineamento camere

Creazione nuvola densa

Nella fase successiva, SfM riesce ad “infittire” la nuvola di punti iniziale e riesce altresì a “coprire” i punti con una rete di triangoli per formare una superficie mesh detta TIN, ovvero “Triangulated Irregular Network”. Ogni punto è dotato di una coordinata Z e i segmenti di connessione fra questi formano facce triangolari contigue.

Utilizzando il software di fotogrammetria 3DF Zephyr Aerial è possibile esportare la nuvola di punti nei formati più comuni; oppure integrare, all'interno del software, tale nuvola con una esterna proveniente, ad esempio, da un rilievo laser scanner. È poi possibile unire queste due nuvole e procedere all'elaborazione della mesh con texture.

Su questa superficie a triangoli, la SfM riesce infine a sovrapporre una UV texture map, estratta dalle foto di partenza, creando così un vero e proprio modello tridimensionale fotorealistico.

Questo è il processo finale della SfM ed è anche l'ultimo step dei più comuni software di fotogrammetria. Con 3DF Zephyr Aerial è possibile, in aggiunta, estrarre ortofoto e sezioni del modello stesso.

Creazione mesh con texture

UV texture map

La mappatura UV consiste nell'assegnazione dei pixel della texture prodotta alla mesh sul poligono, eseguita solitamente copiando "fisicamente" una porzione triangolare dell'immagine e incollandola su un triangolo sulla superficie dell'oggetto.

Con le coordinate UV, diversamente dalle coordinate XY, la mappatura avviene esclusivamente nello spazio bidimensionale della texture piuttosto che nello spazio tridimensionale dell'oggetto.

Per la renderizzazione vengono poi utilizzate le coordinate della texture UV per determinare il modo in cui ricoprire la superficie tridimensionale.

 

 

Ortofoto

Con il software SFM 3DF Zephyr Aerial combinato ad una fotogrammetria aerea è possibile generare un’ortofoto. Questa è una fotografia aerea che è stata geometricamente corretta (cioè che ha subito procedimento di ortorettifica) e georeferenziata in modo tale che la scala di rappresentazione della fotografia sia uniforme,  cioè la foto è perfettamente allineata ad un sistema di riferimento globale dato.

A differenza di una semplice foto aerea, un'ortofoto può essere usata per misurare distanze reali; infatti è stata aggiustata in base ai rilievi topografici, alla distorsione della lente e all'orientamento della macchina fotografica (roll, pitch, heading).

La stessa tecnica di rappresentazione è sempre più diffusa anche nella fotogrammetria del vicino. L'ortofotoproiezione è spesso utilizzata per rappresentare in prospetti bidimensionali elementi architettonici molto complessi come volte, cupole, chiese barocche ecc.

 Come effettuare un rilievo fotogrammetrico

Per effettuare un rilievo fotogrammetrico occorre valutare attentamente il soggetto in esame. 

Se si tratta di un piccolo oggetto, come ad esempio un capitello o una statuetta, occorre eseguire foto attorno ad esso cambiando di volta in volta l'inclinazione ed il punto di vista.

È fondamentale non spostare il soggetto in esame durante l'acquisizione, dato che il software riconosce anche l'ambiente circostante.

Per quanto riguarda una facciata architettonica o soggetti simili è necessario seguire un andamento a "S" cercando di rimanere il più possibile ortogonali al piano che stiamo rilevando.

Questo diventa problematico se il soggetto si sviluppa molto in altezza. Infatti, per rimanere ortogonali al piano, occorrerebbe alzare la camera anche di molti metri. Il sistema fotogrammetrico telescopico 3DEYE permette, tramite la gimbal e l'asta su cui viene montata, di aumentare l'altezza di acquisizione rimanendo perpendicolare al soggetto.

 

 Software di fotogrammetria

I software di fotogrammetria presentano gli stessi step della SfM: 

1) Importazione delle fotografie ed estrazione dei dati EXIF

2) Adesso è necessario comunicare al software se si tratta di foto aeree (da drone), se abbiamo fotografato un oggetto vicino (ad esempio una statuetta) o se siamo stati in un ambiente urbano (facciate di edifici, ecc...). Dopodichè è possibile avviare il processo di estrazione dei keypoints dalle foto e generare la nuvola di punti "rada".

3) Se siamo soddisfatti del risultato possiamo procedere alla densificazione della nostra nuvola. In questo step è possibile anche scalare il nostro progetto con punti di controllo estratti dalle immagini.

4) Dalla nuvola densa viene generata la mesh in due fasi: in un primo momento avremo la cosiddetta TIN (mesh triangolata) su cui poi verrà apposta la texture generata dalle fotografie.

3DF Zephyr Aerial

Il software  3DF Zephyr Aerial ha le stesse caratteristiche degli altri software di fotogrammetria ma possiede, inoltre, molti altri strumenti per elaborazioni di postprocessing.

È possibile generare ortofoto, sezioni e curve di livello ed esportare i vari file in ambiente CAD.

Un'altra sua caratteristica unica è l'importazione di dati da video: il software è capace di estrarre i singoli frame, escludendo quelli troppo simili tra loro, per poi generare il modello 3D.

Curve di livello

Ortofoto