Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Estructura a partir del movimiento

La reconstrucción 3D a partir de imágenes ( SfM ) [ 1 ] es una técnica fotogramétrica de obtención de imágenes de rango para estimar estructuras tridimensionales a partir de sec...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

La reconstrucción 3D a partir de imágenes ( SfM ) [ 1 ] es una técnica fotogramétrica de obtención de imágenes de rango para estimar estructuras tridimensionales a partir de secuencias de imágenes bidimensionales que pueden combinarse con señales de movimiento local . Es un problema clásico estudiado en los campos de la visión por computadora y la percepción visual . En visión por computadora, el problema de SfM consiste en diseñar un algoritmo para realizar esta tarea. En percepción visual, el problema de SfM consiste en encontrar un algoritmo mediante el cual los seres biológicos realicen esta tarea .

Principio

Modelo digital de la superficie del sitio de construcción del intercambiador de autopistas
Foto real x SfM con color de textura x SfM con sombreador simple. Realizado con la interfaz gráfica de usuario de Python Photogrammetry Toolbox y renderizado en Blender con Cycles.
Modelo digital 3D de la superficie del aeródromo de Bezmiechowa, extraído de los datos recopilados durante un vuelo de 30 minutos del UAV Pteryx.

Los seres humanos perciben gran cantidad de información sobre la estructura tridimensional de su entorno al moverse por él. Cuando el observador se mueve, los objetos a su alrededor se mueven en diferentes cantidades según su distancia al observador. Esto se conoce como paralaje de movimiento , y esta información de profundidad se puede utilizar para generar una representación 3D precisa del mundo que los rodea. [ 2 ]

Encontrar la estructura a partir del movimiento presenta un problema similar al de encontrar la estructura a partir de la visión estereoscópica . En ambos casos, es necesario encontrar la correspondencia entre las imágenes y la reconstrucción del objeto 3D.

Para encontrar correspondencia entre imágenes, se rastrean características como puntos de esquina (bordes con gradientes en múltiples direcciones) de una imagen a la siguiente. Uno de los detectores de características más utilizados es la transformación de características invariante a la escala (SIFT). Utiliza los máximos de una pirámide de diferencia de gaussianas (DOG) como características. El primer paso en SIFT es encontrar una dirección de gradiente dominante. Para que sea invariante a la rotación, el descriptor se rota para ajustarse a esta orientación. [ 3 ] Otro detector de características común es SURF ( características robustas aceleradas ). [ 4 ] En SURF, la DOG se reemplaza con un detector de blob basado en la matriz hessiana . Además, en lugar de evaluar los histogramas de gradiente, SURF calcula las sumas de los componentes del gradiente y las sumas de sus valores absolutos. [ 5 ] Su uso de imágenes integrales permite que las características se detecten extremadamente rápido con una alta tasa de detección. [ 6 ] Por lo tanto, en comparación con SIFT, SURF es un detector de características más rápido, pero con la desventaja de una menor precisión en las posiciones de las características. [ 5 ] Otro tipo de característica que recientemente se ha vuelto práctica para la estructura a partir del movimiento son las curvas generales (por ejemplo, localmente un borde con gradientes en una dirección), parte de una tecnología conocida como SfM sin puntos , [ 7 ] [ 8 ] útil cuando las características puntuales son insuficientes, común en entornos hechos por el hombre. [ 9 ]

Las características detectadas en todas las imágenes se compararán posteriormente. Uno de los algoritmos de comparación que rastrea las características de una imagen a otra es el rastreador de Lucas-Kanade . [ 10 ]

En ocasiones, algunas de las características coincidentes se asocian incorrectamente. Por ello, es necesario filtrar las coincidencias. RANSAC (consenso de muestra aleatoria) es el algoritmo que se suele utilizar para eliminar las correspondencias atípicas. En el artículo de Fischler y Bolles, RANSAC se utiliza para resolver el problema de determinación de la ubicación (LDP), cuyo objetivo es determinar los puntos en el espacio que se proyectan sobre una imagen en un conjunto de puntos de referencia con ubicaciones conocidas. [ 11 ]

Las trayectorias de las características a lo largo del tiempo se utilizan para reconstruir sus posiciones 3D y el movimiento de la cámara. [ 12 ] Una alternativa la proporcionan los llamados enfoques directos, donde la información geométrica (estructura 3D y movimiento de la cámara) se estima directamente a partir de las imágenes, sin abstracción intermedia a características o esquinas. [ 13 ]

Existen varios enfoques para la reconstrucción 3D a partir de imágenes. En la reconstrucción 3D incremental, [ 14 ] las poses de las cámaras se calculan y se añaden una a una a la colección. En la reconstrucción 3D global, [ 15 ] [ 16 ] las poses de todas las cámaras se calculan simultáneamente. Un enfoque intermedio es la reconstrucción 3D fuera de la memoria principal, donde se calculan varias reconstrucciones parciales que luego se integran en una solución global.

Aplicaciones

Geociencias

La fotogrametría de estructura a partir del movimiento con estéreo multivista proporciona modelos de relieve hiperescalables utilizando imágenes adquiridas de una variedad de cámaras digitales y, opcionalmente, una red de puntos de control terrestre. La técnica no está limitada en frecuencia temporal y puede proporcionar datos de nube de puntos comparables en densidad y precisión a los generados por escaneo láser terrestre y aéreo a una fracción del costo. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] La estructura a partir del movimiento también es útil en entornos remotos o accidentados donde el escaneo láser terrestre está limitado por la portabilidad del equipo y el escaneo láser aéreo está limitado por la rugosidad del terreno que causa pérdida de datos y acortamiento de la imagen. La técnica se ha aplicado en muchos entornos tales como ríos, [ 20 ] tierras baldías, [ 21 ] costas arenosas, [ 22 ] [ 23 ] zonas de falla, [ 24 ] deslizamientos de tierra, [ 25 ] [ 26 ] y entornos de arrecifes de coral. [ 27 ] SfM también se ha aplicado con éxito para la evaluación de cambios [ 28 ] y gran volumen de acumulación de madera [ 29 ] y porosidad [ 30 ] en sistemas fluviales, la caracterización de macizos rocosos a través de la determinación de algunas propiedades como la orientación, persistencia, etc. de discontinuidades. [ 31 ] [ 32 ] así como para la evaluación de la estabilidad de taludes de corte de roca. [ 33 ] Se puede utilizar una gama completa de cámaras digitales, incluidas SLR digitales, cámaras digitales compactas e incluso teléfonos inteligentes. Sin embargo, generalmente se obtendrán datos de mayor precisión con cámaras más caras, que incluyen lentes de mayor calidad óptica. Por lo tanto, la técnica ofrece oportunidades interesantes para caracterizar la topografía de la superficie con un detalle sin precedentes y, con datos multitemporales, para detectar cambios de elevación, posición y volumen que son sintomáticos de procesos de la superficie terrestre. Structure from motion puede ubicarse en el contexto de otros métodos de topografía digital.

Herencia cultural

El patrimonio cultural está presente en todas partes. Su control estructural, documentación y conservación es uno de los principales deberes de la humanidad ( UNESCO ). Desde este punto de vista, la SfM se utiliza para estimar adecuadamente las situaciones, así como los esfuerzos y costos de planificación y mantenimiento, control y restauración. Debido a que a menudo existen serias limitaciones relacionadas con la accesibilidad del sitio y la imposibilidad de instalar pilares de topografía invasivos que no permiten el uso de rutinas de topografía tradicionales (como estaciones totales), la SfM proporciona un enfoque no invasivo para la estructura, sin la interacción directa entre la estructura y ningún operador. Su uso es preciso, ya que solo se necesitan consideraciones cualitativas. Es lo suficientemente rápido para responder a las necesidades inmediatas de gestión del monumento. [ 34 ] La primera fase operativa es una preparación precisa del levantamiento fotogramétrico donde se establece la relación entre la mejor distancia al objeto, la distancia focal, la distancia de muestreo del terreno (GSD) y la resolución del sensor. Con esta información, las adquisiciones fotográficas programadas deben realizarse utilizando una superposición vertical de al menos el 60%. [ 35 ]

Además, la fotogrametría de estructura a partir del movimiento representa una metodología no invasiva, altamente flexible y de bajo costo para digitalizar documentos históricos. [ 36 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ S. Ullman (1979). "La interpretación de la estructura a partir del movimiento" (PDF) . Actas de la Royal Society de Londres . 203 (1153): 405– 426. Bibcode : 1979RSPSB.203..405U . doi : 10.1098/rspb.1979.0006 . hdl : 1721.1 /6298 . PMID 34162. S2CID 11995230 .  
  2. ↑ Linda G. Shapiro ; George C. Stockman (2001). Visión por computadora . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-030796-5.
  3. ↑ DG Lowe (2004). "Características distintivas de imágenes a partir de puntos clave invariantes a la escala". International Journal of Computer Vision . 60 (2): 91– 110. CiteSeerX 10.1.1.73.2924 . doi : 10.1023/b:visi.0000029664.99615.94 . S2CID 221242327 .  
  4. ↑ H. Bay; T. Tuytelaars y L. Van Gool (2006). "Surf: Características robustas aceleradas". 9.ª Conferencia Europea sobre Visión por Computadora .
  5. 1 2 K. Häming y G. Peters (2010). "El proceso de reconstrucción de estructura a partir del movimiento: una revisión centrada en secuencias cortas de imágenes" . Kybernetika . 46 (5): 926–937 .
  6. ↑ Viola, P.; Jones, M. (2001). "Detección rápida de objetos mediante una cascada potenciada de características simples". Actas de la Conferencia de la Sociedad de Computación IEEE de 2001 sobre Visión por Computadora y Reconocimiento de Patrones. CVPR 2001. Vol. 1. Kauai, HI, EE. UU.: IEEE Comput. Soc. pp. I–511–I-518. doi : 10.1109/CVPR.2001.990517 . ISBN   978-0-7695-1272-3. S2CID 2715202 . 
  7. ↑ Nurutdinova, Andrew; Fitzgibbon, Andrew (2015). "Hacia la reconstrucción 3D a partir de movimiento sin sentido: reconstrucción 3D y parámetros de cámara a partir de curvas 3D generales" (PDF) . Conferencia Internacional IEEE de Visión por Computadora (ICCV) de 2015. págs. 2363–2371 . doi : 10.1109/ICCV.2015.272 . ISBN  978-1-4673-8391-2. S2CID 9120123 . 
  8. ↑ Fabbri, Ricardo; Giblin, Peter; Kimia, Benjamin (2012). "Estimación de la pose de la cámara mediante geometría diferencial de curvas de primer orden". Visión por computadora – ECCV 2012 (PDF) . Notas de clase en ciencias de la computación. Vol. 7575. pp. 231–244 . doi : 10.1007/978-3-642-33765-9_17 . ISBN   978-3-642-33764-2. S2CID 15402824 . 
  9. ↑ Apple, equipo ARKIT (2018). "Comprendiendo el seguimiento y la detección de ARKit" . WWDC .
  10. ↑ BD Lucas y T. Kanade. "Una técnica iterativa de registro de imágenes con una aplicación a la visión estéreo". Ijcai81 .
  11. ↑ MA Fischler y RC Bolles (1981). "Consenso de muestra aleatoria: un paradigma para el ajuste de modelos con aplicaciones al análisis de imágenes y cartografía automatizada" . Commun. ACM . 24 (6): 381– 395. doi : 10.1145/358669.358692 . S2CID 972888 . 
  12. ↑ F. Dellaert; S. Seitz; C. Thorpe y S. Thrun (2000). "Estructura a partir del movimiento sin correspondencia" (PDF) . Conferencia de la IEEE Computer Society sobre visión por computadora y reconocimiento de patrones .
  13. ↑ Engel, Jakob; Schöps, Thomas; Cremers, Daniel (2014). "LSD-SLAM: SLAM monocular directo a gran escala". Conferencia Europea sobre Visión por Computadora (ECCV) 2014 (PDF) .
  14. ↑ JL Schönberger y JM Frahm (2016). "Structure-from-Motion Revisited" (PDF) . Conferencia de la IEEE Computer Society sobre visión por computadora y reconocimiento de patrones .
  15. ↑ C. Tomasi y T. Kanade (1992). "Forma y movimiento a partir de secuencias de imágenes bajo ortografía: un método de factorización". International Journal of Computer Vision . 9 (2): 137– 154. CiteSeerX 10.1.1.131.9807 . doi : 10.1007/BF00129684 . S2CID 2931825 .  
  16. ↑ VM Govindu (2001). "Combinación de restricciones de dos vistas para la estimación de movimiento". Actas de la Conferencia de la Sociedad de Computación IEEE de 2001 sobre Visión por Computadora y Reconocimiento de Patrones. CVPR 2001. Vol. 2. pp. II-218 – II-225 . doi : 10.1109/CVPR.2001.990963 . ISBN   0-7695-1272-0. S2CID 8252027 . 
  17. ↑ Westoby, MJ; Brasington, J.; Glasser, NF; Hambrey, MJ; Reynolds, JM (15 de diciembre de 2012) .Fotogrametría 'Structure-from-Motion': una herramienta eficaz y de bajo coste para aplicaciones en geociencias" . Geomorphology . 179 : 300–314 . Bibcode : 2012Geomo.179..300W . doi : 10.1016/j.geomorph.2012.08.021 . hdl : 2160/11389 . S2CID 33695861 . 
  18. ↑ James, MR; Robson, S. (2012-09-01). "Reconstrucción directa de superficies y topografía 3D con una cámara: precisión y aplicación en geociencias" (PDF) . Journal of Geophysical Research: Earth Surface . 117 (F3): F03017. Bibcode : 2012JGRF..117.3017J . doi : 10.1029/2011jf002289 . ISSN 2156-2202 . 
  19. ↑ Fonstad, Mark A.; Dietrich, James T.; Courville, Brittany C.; Jensen, Jennifer L.; Carbonneau, Patrice E. (2013-03-30). "Estructura topográfica a partir del movimiento: un nuevo desarrollo en la medición fotogramétrica" ​​(PDF) . Earth Surface Processes and Landforms . 38 (4): 421– 430. Bibcode : 2013ESPL...38..421F . doi : 10.1002/esp.3366 . ISSN 1096-9837 . S2CID 15601931 .  
  20. ↑ Javernick, L.; Brasington, J.; Caruso, B. (2014). "Modelado de la topografía de ríos trenzados poco profundos mediante fotogrametría Structure-from-Motion". Geomorphology . 213 : 166–182 . Bibcode : 2014Geomo.213..166J . doi : 10.1016/j.geomorph.2014.01.006 .
  21. ↑ Smith, Mark William; Vericat, Damià (30-09-2015). "De parcelas experimentales a paisajes experimentales: topografía, erosión y deposición en tierras baldías subhúmedas a partir de fotogrametría Structure-from-Motion" (PDF) . Earth Surface Processes and Landforms . 40 (12): 1656– 1671. Bibcode : 2015ESPL...40.1656S . doi : 10.1002/esp.3747 . ISSN 1096-9837 . S2CID 128402144 .  
  22. ↑ Goldstein, Evan B; Oliver, Amber R; deVries, Elsemarie; Moore, Laura J; Jass, Theo (22 de octubre de 2015). "Requisitos de puntos de control terrestre para la topografía derivada de la reconstrucción 3D a partir de imágenes en entornos costeros de baja pendiente" . PeerJ PrePrints . doi : 10.7287/peerj.preprints.1444v1 . ISSN 2167-9843 . 
  23. ↑ Mancini, Francesco; Dubbini, Marco; Gattelli, Mario; Stecchi, Francesco; Fabbri, Stefano; Gabbianelli, Giovanni (2013-12-09). "Uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV) para la reconstrucción topográfica de alta resolución: el enfoque de estructura a partir del movimiento en entornos costeros" . Remote Sensing . 5 (12): 6880– 6898. Bibcode : 2013RemS....5.6880M . doi : 10.3390/rs5126880 . hdl : 11380/1055514 .
  24. ↑ Johnson, Kendra; Nissen, Edwin; Saripalli, Srikanth; Arrowsmith, J. Ramón; McGarey, Patrick; Scharer, Katherine; Williams, Patrick; Blisniuk, Kimberly (2014-10-01). "Mapeo rápido de la topografía de zonas de falla ultrafinas con estructura a partir del movimiento" . Geosphere . 10 (5): 969– 986. Bibcode : 2014Geosp..10..969J . doi : 10.1130/GES01017.1 .
  25. ↑ Del Soldato, M.; Riquelme, A.; Bianchini, S.; Tomás, R.; Di Mártire, D.; De Vita, P.; Moretti, S.; Calcaterra, D. (6 de junio de 2018). "Integración de datos de múltiples fuentes para investigar un siglo de evolución del deslizamiento de tierra de Agnone (Molise, sur de Italia)" . Deslizamientos de tierra . 15 (11): 2113– 2128. Bibcode : 2018Tierras..15.2113D . doi : 10.1007/s10346-018-1015-z . hdl : 2158/1131012 . ISSN 1612-510X . 
  26. ↑ Tomás, Roberto; Pinheiro, Marisa; Pinto, Pedro; Pereira, Eduardo; Miranda, Tiago (agosto 2023). "Análisis preliminar de los mecanismos, características y causas de un reciente deslizamiento plano de roca catastrófico estructuralmente controlado en Esposende (norte de Portugal)" . Deslizamientos de tierra . 20 (8): 1657–1665 . Bibcode : 2023Tierras...20.1657T . doi : 10.1007/s10346-023-02082-y . hdl : 1822/88576 . ISSN 1612-510X . 
  27. ↑ Bryson, Mitch; Duce, Stephanie; Harris, Dan; Webster, Jody M.; Thompson, Alisha; Vila-Concejo, Ana; Williams, Stefan B. (2016). "Cambios geomorfológicos de un cayo de guijarros de coral medidos mediante fotografía aérea con cometa". Geomorphology . 270 : 1–8 . Bibcode : 2016Geomo.270....1B . doi : 10.1016/j.geomorph.2016.06.018 .
  28. ↑ Conesa-García, Carmelo; Puig-Mengual, Carlos; Riquelme, Adrián; Tomás, Roberto; Martínez-Capel, Francisco; García-Lorenzo, Rafael; Pastor, José L.; Pérez-Cutillas, Pedro; Martínez-Salvador, Alberto; Cano-González, Miguel (01-02-2022). "Cambios en la potencia de la corriente y ajustes morfológicos a escala de evento y alta resolución espacial a lo largo de un canal efímero de lecho de grava" . Geomorfología . 398 108053. Código Bib : 2022Geomo.39808053C . doi : 10.1016/j.geomorph.2021.108053 . hdl : 10251/190056 . ISSN 0169-555X . 
  29. ↑ Spreitzer, Gabriel; Tunnicliffe, Jon; Friedrich, Heide (2019-12-01). "Uso de la fotogrametría Structure from Motion para evaluar grandes acumulaciones de madera (LW) en el campo". Geomorphology . 346 106851. Bibcode : 2019Geomo.34606851S . doi : 10.1016/j.geomorph.2019.106851 . S2CID 202908775 . 
  30. ↑ Spreitzer, Gabriel; Tunnicliffe, Jon; Friedrich, Heide (2020). "Mapeo y evaluación de la acumulación 3D de madera grande (LW) mediante fotogrametría de estructura a partir del movimiento en el laboratorio". Journal of Hydrology . 581 124430. Bibcode : 2020JHyd..58124430S . doi : 10.1016/j.jhydrol.2019.124430 . S2CID 209465940 . 
  31. ↑ Riquelme, A.; Cano, M.; Tomás, R.; Abellán, A. (2017-01-01). "Identificación de conjuntos de discontinuidades de taludes rocosos a partir de nubes de puntos de escáner láser y fotogramétrico: un análisis comparativo" . Procedia Engineering . 191 : 838–845 . doi : 10.1016/j.proeng.2017.05.251 . hdl : 10045/67538 . ISSN 1877-7058 . 
  32. ↑ Jordá Bordehore, Luis; Riquelme, Adrian; Cano, Miguel; Tomás, Roberto (2017-09-01). "Comparación de la recopilación manual y por teledetección de discontinuidades de campo utilizadas en la evaluación de la estabilidad cinemática de taludes rocosos fallidos" (PDF) . Revista Internacional de Mecánica de Rocas y Ciencias Mineras . 97 : 24–32 . Bibcode : 2017IJRMM..97...24J . doi : 10.1016/j.ijrmms.2017.06.004 . hdl : 10045/67528 . ISSN 1365-1609 . 
  33. ↑ Tomás, R.; Riquelme, A.; Canó, M.; Pastor, JL; Pagán, JI; Asensio, JL; Ruffo, M. (23 de junio de 2020). "Evaluación de la estabilidad de taludes rocosos a partir de nubes de puntos 3D obtenidas con un vehículo aéreo no tripulado" . Revista de Teledetección (55): 1. doi : 10.4995/raet.2020.13168 . hdl : 10045/107612 . ISSN 1988-8740 . 
  34. ↑ Guidi, G.; Beraldin, J.A.; Atzeni, C. Modelado 3D de alta precisión del patrimonio cultural: La digitalización de Donatello. IEEE Trans. Image Process. 2004, 13, 370–380
  35. ↑ Kraus, K., 2007. Fotogrametría: Geometría a partir de imágenes y escaneos láser. Walter de Gruyter, 459 pp. ISBN 978-3-11-019007-6
  36. ↑ Brandolini, Filippo; Patrucco, Giacomo (septiembre de 2019). "Fotogrametría de estructura a partir del movimiento (SFM) como metodología no invasiva para digitalizar documentos históricos: ¿un enfoque altamente flexible y de bajo costo?" . Heritage . 2 (3): 2124– 2136. doi : 10.3390/heritage2030128 . hdl : 2434/666172 .

Lecturas adicionales

  • Jonathan L. Carrivick, Mark W. Smith, Duncan J. Quincey (2016). Estructura a partir del movimiento en las geociencias . Wiley-Blackwell. 208 páginas. ISBN 978-1-118-89584-9
  • Richard Hartley y Andrew Zisserman (2003). Geometría de múltiples vistas en visión por computadora . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-54051-3.
  • Olivier Faugeras , Quang-Tuan Luong y Theodore Papadopoulo (2001). La geometría de las imágenes múltiples . MIT Press. ISBN 978-0-262-06220-6.
  • Yi Ma; S. Shankar Sastry ; Jana Kosecka ; Stefano Soatto (noviembre de 2003). Una invitación a la visión 3D: De las imágenes a los modelos geométricos . Serie de Matemáticas Aplicadas Interdisciplinarias, n.° 26. Springer-Verlag New York, LLC. ISBN 978-0-387-00893-6.