La Fotogrammetria: Dalla Teoria all'Applicazione nel Rilievo 3D

La fotogrammetria è una tecnica avanzata che permette di determinare metricamente la forma e la posizione di oggetti partendo da almeno due fotogrammi distinti che riprendono lo stesso soggetto, noti come coppia stereoscopica. Si tratta di un insieme di tecniche e tecnologie che rientrano nel campo di ricerca della computer vision e che derivano, come evoluzione, dalla fotogrammetria tradizionale, la scienza che si occupa di estrarre informazioni metriche dalle fotografie. Il termine fotogrammetria automatica è stato sdoganato di recente nella letteratura specialistica: fino a poco tempo fa si cercava di mantenere ben separata la fotogrammetria tradizionale dalle tecniche di elaborazione automatica, per le quali si parlava di fotomodellazione. Nella letteratura scientifica in lingua inglese è comunemente diffuso il termine Image-Based Modeling and Rendering, al quale si è affiancato il termine automatic (talvolta automated) photogrammetry.

Questa metodologia, originariamente sviluppata per il rilievo architettonico, ha trovato nel tempo applicazioni sempre più vaste, diventando uno strumento indispensabile in settori come la cartografia, la topografia e l’architettura. L’avvento dei moderni calcolatori, capaci di gestire enormi quantità di dati, e lo sviluppo della grafica computerizzata hanno rivoluzionato il settore. Le vecchie apparecchiature ottiche sono state sostituite da sistemi digitali all’avanguardia, rendendo il processo più semplice, rapido e accessibile.

Caratteristiche Fondamentali dei Modelli 3D

La caratteristica fondamentale che il modello 3D digitale deve possedere è di essere metricamente corretto: ciò significa che il modello deve essere nella giusta scala e deve essere possibile effettuare misure precise su di esso. Una seconda importante caratteristica, seppur non fondamentale, è che il colore deve essere realistico: tale condizione non è sempre necessaria e dipende dallo scopo per il quale viene realizzato il modello 3D.

Il Rilievo Fotogrammetrico: Dalle Fotografie 2D al Modello 3D

I passaggi attraverso cui i software di fotogrammetria automatica elaborano immagini bidimensionali per estrarre modelli tridimensionali sono sempre gli stessi. Questo significa che una volta che si è ben compreso cosa c’è alla base dell’elaborazione, si è in grado di utilizzare qualsiasi software.

La fotogrammetria si basa su un principio geometrico molto semplice ma estremamente potente: la triangolazione. Acquisendo immagini dello stesso oggetto da punti di vista differenti, è possibile calcolare le coordinate spaziali dei punti che lo compongono.

Leggi anche: Caratteristiche listelli decorativi

Fase di Acquisizione delle Immagini

La riuscita di un rilievo fotogrammetrico dipende in gran parte dalla corretta pianificazione e dall’esecuzione accurata della fase di acquisizione. Per oggetti di piccole dimensioni, come reperti archeologici o elementi decorativi, è necessario scattare fotografie ruotando attorno al soggetto, variando l’inclinazione e il punto di vista. Quando si affrontano rilievi di facciate architettoniche o strutture di grandi dimensioni, la tecnica di acquisizione cambia. È consigliabile seguire un percorso a “S”, mantenendo la fotocamera il più possibile ortogonale alla superficie da rilevare.

Se vuoi rilevare un oggetto o una costruzione con una macchina fotografica è importante studiare bene l’oggetto da rilevare:

• se hai a che fare con un oggetto di piccole dimensioni, come una statua ad esempio, è opportuno eseguire una serie di foto ruotando intorno ad esso, cambiando via via inclinazione e punto di vista;
• se si tratta di un prospetto occorre mantenersi sempre ortogonali al piano seguendo un andamento ad “S”.

Elaborazione del Modello 3D

Il processo per ottenere un modello 3D da un rilievo fotogrammetrico si articola in diverse fasi:

1. Structure-from-motion (SfM) e Multiview Stereo Reconstruction (MVS): Questa è la fase fondamentale, il momento più delicato e lungo da un punto di vista di tempo di elaborazione software. Per poter ricostruire la tridimensionalità di una scena è necessario ricostruire la posizione di scatto delle singole fotografie, la cosiddetta geometria di presa, in modo tale da poter in seguito dedurre per triangolazione la posizione degli oggetti presenti in esse. Il processo inizia con l’Image Alignment, fase in cui il software estrae i “key points” dalle singole foto e ne calcola le coordinate spaziali, orientando automaticamente le immagini.
2. Generazione della Nuvola di Punti Densa: Nel passaggio successivo la nuvola di punti a bassa densità viene infittita aumentando il numero di punti (dense reconstruction): i dati relativi alla posizione x,y,z dei punti chiave vengono utilizzati come punti di partenza per estendere l’analisi delle immagini alle zone prossimali ai punti chiave e riconoscere ed estrarre la posizione x,y,z degli elementi circostanti. Il dato grezzo ottenuto da un qualsiasi sistema di rilievo 3D è sempre una nuvola di punti: ciò significa che la superficie che stiamo rilevando è descritta da un insieme di punti tridimensionali.
3. Creazione della Mesh: Nelle fasi successive di elaborazione questo dato grezzo viene utilizzato per realizzare una superficie poligonale continua, detta mesh, quindi un modello 3D solido. Partendo dai punti della dense point cloud (ma sarebbe in realtà possibile anche partendo dalla sparse point cloud), viene generata una mesh composta da un insieme di poligoni triangolari, i cui vertici corrispondono ai punti della nuvola di punti. Successivamente, la nuvola di punti viene infittita e trasformata in una superficie mesh (TIN - Triangulated Irregular Network).
4. Applicazione delle Texture: La mesh in origine non ha colore, questo deve quindi essere assegnato ai poligoni. Poiché i vertici di ciascun poligono corrispondono ai punti della nuvola di punti, il colore di questi ultimi può essere trasferito ai poligoni corrispondenti (ovviamente ogni poligono avrà un colore mediato tra quello dei tre vertici). Questo metodo è comunemente indicato come color-per-vertex. Il secondo metodo prevede l’utilizzo delle immagini di partenza. Poiché queste sono già orientate rispetto al modello (fase 1 e ricostruzione della geometria di presa), esse possono essere proiettate sul modello e applicate ai poligoni della mesh. Le immagini vengono così riunite in una nuova immagine quadrata detta texture (una sorta di puzzle di tutte le immagini) che va a ricoprire, come un lenzuolo, la mesh. La mappatura UV è un passaggio cruciale per ottenere modelli 3D realistici. Questa tecnica consiste nell’assegnare i pixel di un’immagine bidimensionale (texture) ai poligoni che compongono la mesh tridimensionale.
5. Messa in Scala del Modello: Al termine delle precedenti fasi di elaborazione, il modello è geometricamente corretto ma non è nella giusta scala, questo perché il software non ha modo di calcolare le dimensioni degli elementi presenti nelle immagini. Mettere in scala un modello è piuttosto semplice e può essere fatto conoscendo almeno una distanza di riferimento all’interno della scena 3D ricostruita. Indicando infatti al software la misura reale di un elemento che compare nel modello, esso è in grado di riportare tutti gli elementi ricostruiti alla giusta scala.

Per comprendere meglio questi passaggi, è utile considerare le domande comuni: Ad esempio, se il nostro modello 3D ha dei buchi o è incompleto, cosa possiamo fare? Quale può essere il problema? Se il software non elabora tutte le nostre fotografie, come possiamo intervenire?

Tipi di Fotogrammetria

La fotogrammetria viene classificata in base al tipo di presa e al tipo di elaborazione.

Leggi anche: Ancoraggio listelli: guida completa

• Fotogrammetria terrestre: le riprese avvengono da terra, a distanze spesso inferiori a 200 m, come nel caso dei rilievi di edifici. In passato le operazioni di presa erano effettuate con fototeodoliti, oggi con camere fotografiche.
• Fotogrammetria aerea (o aerofotogrammetria): le riprese avvengono dal cielo, spesso tramite un drone o un aeroplano. In questa si impiegano camere fotografiche di tipo rigido, generalmente fissate sull’aeromobile con interposizione di adatti organi ammortizzatori. Si possono avere tre specie fondamentali di riprese: nadirali (o più precisamente ‘quasi nadirali’), panoramiche e oblique; si utilizzano anche fotografie da satellite.
• Fotogrammetria a distanza ravvicinata (Close Range Photogrammetry): è utilizzata per il rilevamento su distanze da 1 m a 30 m, oppure per oggetti più piccoli o dettagli di edifici, spesso con una fotocamera o uno smartphone.
• Microfotogrammetria: trova spazio nella medicina, della chirurgia, nelle scienze naturali e nelle scienze fisiche.
• Fotogrammetria marina: usa serie di foto sovrapposte per ricostruire modelli 3D di fondali, coralli, reperti e habitat, utili al monitoraggio ambientale. Per ottenere risultati affidabili servono acquisizioni corrette e un software che crea nuvole di punti, mesh e rifinitura finale.

In base al tipo di elaborazione si ha:

• Fotogrammetria analogica: gli oggetti rilevati vengono ricostruiti mediante l’ausilio di dispositivi fisici, come bacchette metalliche, necessari a riprodurre l’inverso del fenomeno della presa.
• Fotogrammetria analitica: gli oggetti rilevati vengono ricostruiti mediante strumenti di calcolo, le misure effettuate direttamente sui fotogrammi vengono elaborate numericamente.

Fra i tipi fondamentali di restituzione fotogrammetrica, quella attualmente più utilizzata è l’analitica, capace di fornire con estrema precisione una cartografia tridimensionale, e di prestarsi direttamente a ogni tipo di elaborazione informatica.

Hardware e Qualità delle Immagini

PUNTO CHIAVE: Poiché la fotogrammetria si basa sulla qualità delle immagini utilizzate nel processo, è fondamentale per ottenere i giusti concetti di fotografia. I risultati dipendono interamente dalle immagini utilizzate. Fattori come la risoluzione, l'illuminazione e la profondità di campo svolgono tutti un ruolo cruciale nell'accuratezza e nell'affidabilità delle misurazioni dal modello risultante. Immagini dettagliate e chiare sono di vitale importanza.

Sensori

Un sensore è per una telecamera ciò che la retina è per l'occhio umano. Registra l'immagine che passa attraverso l'obiettivo e determinerà quanti dettagli sei effettivamente in grado di catturare. Più grande è il sensore, più punti acquisisci, il che si traduce in un livello di dettaglio più elevato. Il sensore all'interno di una fotocamera registra l'immagine che passa attraverso l'obiettivo e determina il numero di pixel delle immagini. Quindi, mentre una piccola fotocamera point-and-shoot potrebbe svolgere un lavoro passabile nelle giuste condizioni di illuminazione, una reflex digitale di fascia alta con un sensore full-frame (a volte fino a 30 volte la dimensione del point-and-shoot) fornirebbe molti più pixel e quindi una risoluzione molto migliore per il modello 3D. La dimensione del sensore influenza anche quello che è noto come il fattore di crop.

Obiettivi

Gli obiettivi sono il prossimo pezzo cruciale del puzzle. Si tratta di ciò che piega la luce e la focalizza sul sensore della fotocamera. Determina cosa è a fuoco, l'esposizione, l'ingrandimento e quanto è ampio o stretto l'angolo di visione nell'immagine. L'obiettivo è ciò che piega la luce e la focalizza sul sensore della fotocamera. Ha un effetto diretto sulla qualità delle immagini. L'obiettivo ha un pezzo di vetro curvo a un'estremità e la sua apertura (il foro ridimensionabile attraverso il quale la luce fluisce nella fotocamera) all'altra. L'immagine viene catturata quando l'otturatore della fotocamera si apre e si chiude, consentendo brevemente alla luce sul sensore di attraversare l'apertura dell'obiettivo. Tutti questi pezzi si combinano per determinare le caratteristiche dell'immagine e sono quindi importanti considerazioni in fotogrammetria.

Leggi anche: Guida ai listelli decorativi da parete

Lunghezza Focale

La lunghezza focale si riferisce alla distanza ottica in millimetri tra il sensore della fotocamera e il punto dell'obiettivo in cui convergono i raggi luminosi. La lunghezza focale determina l'angolo di visione e l'ingrandimento. Un numero minore (una lunghezza focale più corta) significa un campo visivo più ampio e un ingrandimento inferiore, in modo che la fotocamera possa catturare più scene. In fotogrammetria, di solito si avrà una lunghezza focale fissa. La lunghezza focale dell'obiettivo determina l'ingrandimento e il campo di visione, ovvero quanta parte della scena può essere catturata.

Apertura

Questo è un numero, espresso in f-stop, che descrive l'ampiezza dell'apertura del diaframma dell'obiettivo per far entrare la luce nella fotocamera. Ogni f-stop raddoppia la quantità di luce che entra nella fotocamera. Per quanto possa confondere, un numero grande, come f-32, significa una piccola apertura, e un numero piccolo significa un'apertura più ampia. L'apertura determina direttamente la profondità di campo, ossia quanta parte della scena è a fuoco. Un'ampia apertura manterrà un sottile strato dell'immagine a fuoco e sfocherà il resto. Per la fotogrammetria, si vuole tenere a fuoco il più possibile la scena. Le immagini sfocate rendono più difficile unire le immagini.

Velocità dell'Otturatore e Mosso

La velocità dell'otturatore indica per quanto tempo l'otturatore della fotocamera rimane aperto e consente alla luce di cadere sul sensore. Di solito è espresso in frazioni di secondo. Oltre a influenzare la quantità di luce che cade sul sensore, la velocità dell'otturatore si riferisce anche direttamente alla sfocatura del mosso. Se il soggetto, o la fotocamera, si muove mentre l'otturatore è aperto, l'immagine risultante risulterà sfocata. Se si stanno scattando foto a mano, si consiglia di utilizzare una velocità di scatto sufficientemente elevata per contrastare i leggeri movimenti delle mani mentre si tiene la fotocamera. In alternativa, è possibile utilizzare un treppiede per garantire che la fotocamera rimanga completamente ferma. La velocità dell'otturatore determina la sfocatura del mosso. Una maggiore velocità dell'otturatore blocca l'azione mentre una più lenta la sfoca.

Alla fine, tutti questi fattori devono essere attentamente considerati per garantire che si ottengano i migliori risultati possibili con la fotogrammetria.

Output di un Rilievo Fotogrammetrico

I dati rilevati mediante rilievo fotogrammetrico permettono di ottenere i seguenti output:

• Nuvola di punti (o point cloud): un insieme di punti identificati attraverso la propria posizione su un sistema di coordinate (xyz). Il risultato primario di un rilievo fotogrammetrico è la generazione di una nuvola di punti. Se apriamo una nuvola di punti con un editor di testo vedremo un codice numerico: a ogni riga corrisponde un punto e le prime tre colonne sono le coordinate tridimensionali x, y e z di quel punto; le successive tre colonne riguardano le informazioni del colore: la prima colonna corrisponde all’intensità di colore nel rosso, la seconda nel verde, la terza nel blu; si tratta della codifica di colore RGB, la codifica standard utilizzata in ambito digitale.
• Carte topografiche: ossia rappresentazione di un territorio estremamente dettagliata.
• Fotografie elaborate: come le immagini raddrizzate o gli ortofotopiani. Un altro prodotto fondamentale della fotogrammetria è l’ortofoto. Generata combinando software SfM come 3DF Zephyr con rilievi aerei, l’ortofoto è un’immagine geometricamente corretta e georeferenziata, in cui le distorsioni dovute alla prospettiva e al rilievo del terreno sono state eliminate.

La nuvola di punti può essere trasformata in un modello BIM attraverso l’utilizzo di un point cloud to BIM software e dal modello realistico dell’oggetto rilevato è possibile ottenere facilmente sezioni, prospetti, curve di livello, rendering, video.

Vantaggi della Fotogrammetria

Effettuare un rilievo fotogrammetrico comporta numerosi benefici rispetto ad un rilievo tradizionale; in particolare si presentano una serie di vantaggi, quali:

• acquisizione dei dati in maniera più veloce e precisa, rilevando interi edifici nella metà del tempo;
• confronto rapido tra i diversi dati;
• possibilità di esplorazione della nuvola in qualsiasi momento da qualsiasi dispositivo digitale tramite un point cloud viewer;
• visualizzazione tridimensionale del rilievo stesso;
• isolamento di porzioni di punti acquisiti per analisi e ricerche;
• maggiore precisione dei dati rilevati;
• possibilità di creare un modello BIM in maniera facile.

La fotogrammetria offre una precisione molto elevata, fino a pochi millimetri, a seconda della qualità della foto e del software. Di solito è completamente sufficiente per le misurazioni di tetti e facciate. Attraverso una valutazione professionale, è possibile registrare in modo affidabile le dimensioni, le aree e le strutture esatte.

Nonostante il crescente utilizzo delle tecnologie 3D, la fotogrammetria bidimensionale mantiene un ruolo di primo piano in numerosi ambiti, in particolare nel rilievo architettonico di facciate e superfici piane.

Costi e Accuratezza della Fotogrammetria

I costi per un rilievo fotogrammetrico partono da circa 350 euro per semplici foto del tetto. I progetti più grandi con una facciata o un profilo del terreno costano tra 500 e 1.000 euro. Il prezzo dipende dall'oggetto, dal livello di dettaglio desiderato e dall'ulteriore elaborazione dei dati.

Una fotogrammetria affidabile richiede in genere da 30 a 100 foto sovrapposte, a seconda delle dimensioni e della complessità dell'oggetto. È importante che tutte le aree siano registrate da più prospettive in modo che il software possa calcolare un modello 3D senza interruzioni.

Applicazioni della Fotogrammetria

La versatilità della fotogrammetria la rende uno strumento prezioso in una vasta gamma di applicazioni speciali.

• Architettura e conservazione dei monumenti: per registrare edifici storici. Nel settore dei beni culturali, la fotogrammetria gioca un ruolo fondamentale per la documentazione, la conservazione e la valorizzazione del patrimonio storico-artistico.
• Industria delle costruzioni: per la documentazione sui progressi della costruzione.
• Agricoltura: per l'analisi del terreno o la pianificazione dell'irrigazione.
• Geografia e cartografia: per creare modelli e mappe altimetriche.
• Analisi forensi e degli incidenti: per ricostruire le scene.
• Gestione del territorio, pianificazione urbanistica e territoriale, censimento forestale e agricolo.
• Rilievi di opere d’arte.
• Pianificazione di impianti fotovoltaici e pompe di calore.
• Digitalizzazione degli edifici per il calcolo del carico termico o i concetti di ristrutturazione.
• Documentazione degli edifici esistenti prima e dopo le ristrutturazioni.

Tecnologie Complementari e Future Tendenze

Il settore della fotogrammetria è in continua evoluzione, spinto dall’innovazione tecnologica e dalla crescente domanda di dati spaziali accurati.

Integrazione con Laser Scanner

Una delle tendenze più interessanti nel campo del rilievo 3D è l’integrazione tra i dati fotogrammetrici e quelli acquisiti tramite laser scanner. Il laser scanner eccelle nella rapida acquisizione di nuvole di punti dense e precise, specialmente in ambienti con scarsa illuminazione o in presenza di superfici omogenee. Microgeo promuove attivamente l’integrazione di queste tecnologie, fornendo soluzioni software in grado di gestire e fondere i dati provenienti da diverse fonti.

Droni nella Fotogrammetria Aerea

Negli ultimi anni, l’impiego dei droni ha rivoluzionato il settore della fotogrammetria aerea, rendendo i rilievi topografici più rapidi, sicuri ed economici. Gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR), meglio conosciuti come droni, consentono di rilevare porzioni di terreno molto ampie in poco tempo e di accedere a zone dissestate, difficili da rilevare con la strumentazione tradizionale. L’utilizzo dei droni non solo ottimizza i tempi di rilievo, ma riduce significativamente i rischi per gli operatori, specialmente in contesti operativi complessi o pericolosi.

Intelligenza Artificiale e Cloud Computing

L’intelligenza artificiale sta già rivoluzionando alcune fasi del processo fotogrammetrico, come il riconoscimento automatico di elementi specifici all’interno delle immagini o la classificazione delle nuvole di punti. Il cloud computing, d’altra parte, offre risorse di calcolo scalabili e illimitate, permettendo di elaborare enormi dataset fotogrammetrici in tempi record.

Software e Formazione

Il successo di un progetto fotogrammetrico è strettamente legato alla qualità degli strumenti hardware e software utilizzati. Tra i software di punta proposti da Microgeo spicca 3DF Zephyr, una soluzione completa e versatile che permette di gestire l’intero flusso di lavoro fotogrammetrico, dall’elaborazione delle immagini alla generazione di modelli 3D, ortofoto e sezioni. Nonostante l’evoluzione dei software abbia semplificato notevolmente il processo fotogrammetrico, la competenza dell’operatore rimane un fattore determinante per la qualità del risultato finale. Microgeo attribuisce grande importanza alla formazione, organizzando regolarmente corsi, webinar e workshop dedicati alla fotogrammetria e alle tecnologie di rilievo 3D. Investire nella formazione significa garantire la massima efficienza operativa e la capacità di affrontare con successo le sfide di un mercato in continua evoluzione.

tags: #listello #quotato #fotogrammetria