Posizione dei punti di ripresa fotografica nella modellazione 3D di rilievo aerofotogrammetrico - vista generale

In questo articolo si parla di fotogrammetria moderna e di Photoscan.

Questo è il primo di una serie di articoli sulla fotogrammetria moderna e sul software Agisoft Photoscan.
Per questa mini-rubrica lascio penna, tastiera e parola a Paolo Rossi del laboratorio di Geomatica della facoltà di Ingegneria dell’Università di Modena e Reggio Emilia.

Io e Paolo ci siamo conosciuti quando via email mi ha inviato una sua revisione del foglio di calcolo per il G.S.D. (Ground Sampling Distance) che avevo pubblicato a questo link.
Il suo contributo è andato ben oltre a quello che avevo fatto io, aggiungendo grande valore al foglio Excel, che è scaricabile dalle pagine di questo blog.

Da qui è iniziato uno scambio di email, telefonate, dati di campo ed esperienze professionali nell’ambito dei rilievi topografici mediante tecniche aerofotogrammetriche.

E’ stato davvero naturale chiedere a Paolo se volesse contribuire ai contenuti di questo blog con la sua grande ed approfondita esperienza, pratica ed accademica, sull’uso dei software che si impiegano in questo campo.
Con grande gioia ha accettato!

Per non fare un articolo troppo lungo abbiamo concordato di dividere i contenuti in “puntate“.
Pensiamo che siano meglio digeribili e che si prestino ad approfondimenti specifici.

Questa è la prima puntata: introduzione e principi generali.

Prima di lasciarti alla lettura ci tengo a dire che né io né Paolo Rossi prendiamo alcun contributo economico o sponsorizzazione da Agisoft.
Parliamo di Photoscan perchè in questo modo condividiamo la nostra esperienza specifica.
Come scrive Paolo qui sotto, ci sono in commercio altri validissimi software per fare lo stesso lavoro.
Sono tutti validissimi e nessuno è inferiore ma abbiamo scelto di parlare di quello che consociamo meglio…

Ecco l’articolo di Paolo Rossi.

LA FOTOGRAMMETRIA MODERNA

La fotogrammetria moderna è una tecnica che permette di costruire modelli tridimensionali a partire da fotografie.
Gli algoritmi che si usano ed i software che li implementano sono estremamente automatizzati ed “user friendly” e fanno davvero venire voglia di cimentarsi nella ricostruzione di modelli 3D.

Da alcune foto di un oggetto si può ottenere un modello tridimensionale con contenuto fotorealistico.
Sono sufficienti un computer, un software ed alcune ore di tempo.
Anch’io ho iniziato così!
Era la prima volta che usavo PhotoScan, e dopo un’oretta avevo già il mio bel modello 3D!
E con bello intendo dire che era proprio identico all’originale!

Credo che un aspetto fondamentale sia proprio questo.
Un modello 3D bello, ossia con un ottimo contenuto fotorealistico, è ciò che vogliamo ottenere?
O siamo interessanti anche al contenuto metrico?

A mio avviso dobbiamo ricercare entrambi, e quindi (per fortuna!) non si può improvvisare un rilievo finalizzato ad una ricostruzione 3D.
Bisogna conoscere la teoria che sta dietro queste applicazioni e comprendere il funzionamento dei software.

PhotoScan non ci aiuta in questo senso: non ci sono informazioni sugli algoritmi che usa.
E’ definito una “scatola chiusa”, ma qualche nozione sul suo funzionamento la possiamo intuire.

PHOTOSCAN E GLI ALGORITMI STRUCTURE FROM MOTION

PhotoScan è un software che fa fotogrammetria moderna ed implementa le Structure from Motion.
Non è l’unico, anche se è tra i più diffusi.
Ci sono anche 3DF Zephyr, Bundler, Photomod, Pix4D, MicMac, Visual SfM, …

Gli algoritmi di Structure from Motion (SfM) nascono dalla fotogrammetria tradizionale e si sono evoluti grazie all’implementazione di quelli della Computer Vision.
Ai principi teorici di collinearità, intersezione di raggi proiettivi, calibrazione della fotocamera, si affiancano gli algoritmi tipici della visione robotica che permettono di analizzare e correlare immagini digitali in modo veloce ed automatico.
Il nome Structure from Motion ci dà un’idea delle potenzialità di questa tecnica: “struttura dal movimento”.
Ciò significa che muovendoci, quindi acquisendo immagini di un oggetto da diverse prospettive, ne riusciamo a ricostruire la tridimensionalità, la struttura.
E PhotoScan, come gli altri software sopra citati, fa questo.

Non entriamo nel merito di quale fra questi abbia le migliori prestazioni, perché è difficile essere utenti esperti per ciascuno di essi.
Limitiamoci a dire che PhotoScan è molto utilizzato, funziona bene e che le sue performances sono state a lungo testate dalla comunità scientifica.

LE FASI DELLA RICOSTRUZIONE 3D

Ma la ricostruzione 3D non si limita ai soli algoritmi SfM.
E’ necessario progettare il rilievo e gestire le nuvole di punti generate, in modo da fornire al committente un prodotto adeguato alle sue esigenze.

Come vedete dalla flow chart qui sotto, si riconoscono tre step principali:
• La fase sul campo (fieldwork), con progettazione ed esecuzione dei rilievi;
• Il processing con algoritmi di Structure from Motion;
• Il post processing e la creazione di prodotti adeguati.

Immagine di flusso di lavoro della ricostruzione 3D con Photoscan

FIELDWORK

La fase sul campo è quella della progettazione: scelta della fotocamera, della quota di volo, posizionamento dei target a terra, …
Questo è lo step più importante ai fini della ricostruzione ed è propedeutico alle fasi successive.

Dalla qualità delle immagini dipenderà la risoluzione del modello.
La geometria di acquisizione influenzerà la ridondanza del dato e la completezza nella ricostruzione.
Dal posizionamento e dal rilievo dei vincoli dipenderà l’accuratezza metrica dei prodotti.

(Tra le pagine di questo blog ci sono alcuni articoli che danno un’idea delle attività che si fanno in questa fase: qui, qui e qui)

PROCESSING

Nella seconda fase intervengono in modo preponderante i software che, come PhotoScan, implementano gli algoritmi di SfM.
Qui si eseguono l’allineamento delle immagini e la ricostruzione delle nuvole sparsa e densa.

POST PROCESSING

Dalle nuvole di punti può essere generata una grande varietà di prodotti: tridimensionali, mappe, vettoriali o cartografici.
Di solito il committente non vuole nuvole di punti o superfici, perché non sono banali da gestire.
Il modello 3D serve per il confezionamento di mappe, DEM (modelli digitali di superficie), per mappare le pendenze della superficie, vettorializzare, mappare le fratture di una parete rocciosa, controllare i volumi cavati, fare monitoraggio nel tempo.

I software di SfM implementano moduli per alcune delle analisi descritte ed in alternativa si può ricorrere a software esterni di gestione nuvole di punti (CAD, GIS) facendo attenzione ai formati di scambio.

Avremo modo di approfondire i dettagli di queste fasi nei prossimi episodi!

Paolo Rossi

Bene, è tutto per questo primo articolo sulla fotogrammetria, le tecniche Structure from Motion ed il software Photoscan.
Se ti va di seguirci troverai presto nuovi articoli, sempre a cura di Paolo, che approfondiranno un po’ di più gli step della ricostruzione tridimensionale da fotografie.

Qui ci sono gli articoli di questa serie pubblicati sino ad ora:

A presto!

Paolo Corradeghini

fotografia dell'Ing. Paolo Rossi Paolo Rossi, ingegnere e PhD in Ingegneria Industriale e del Territorio presso l’Ateneo di Modena e Reggio Emilia, attualmente lavora presso il Laboratorio di Geomatica del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”, dove si occupa di ricostruzione 3D da immagini.

Laboratorio di Geomatica
Dipartimento di ingegneria Enzo Ferrari, Università degli studi di Modena e Reggio Emilia
Via Pietro Vivarelli 10, Modena
Tel: 059 2056297
Cell: 3457054511
Email: paolo.rossi at unimore.it
Profilo Linkedin

Ho pubblicato un video sul Canale You Tube dove parlo delle preferenze e delle impostazioni di Metashape (ex Photoscan):