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MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CARTOGRÁFICA
Flávio Vieira Scofano
Utilização do Photomodeler para a criação de um modelo 3D do barbeiro
Rio de Janeiro 2002
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
FLÁVIO VIEIRA SCOFANO
Utilização do Photomodeler para a criação de um modelo 3D do barbeiro
Relatório final das atividades desenvolvidas no Projeto Institucional de Iniciação Científica (PIBIC) apresentado no curso de Graduação em Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia. Orientador: Luiz Felipe Ferreira Coutinho da Silva – D.C. Co-orientador: Walter da Silva Prado – M.C.
Rio de Janeiro 2002
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SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES......................................................................................5 RESUMO...................................................................................................................6 ABSTRACT...............................................................................................................7 1- INTRODUÇÃO.....................................................................................................8 1.1 - Contextualização...............................................................................................8 1.2 - A interdisciplinaridade......................................................................................9 1.3 - A modelagem....................................................................................................9 1.4 - Transformação 2D em 3D...............................................................................10 1.5 - Objetivos.........................................................................................................10 1.6 - Justificativa.....................................................................................................11 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA......................................................................11 2.1 - O inseto e a doença..........................................................................................11 2.2 - O cientista........................................................................................................12 2.3 - A contaminação e os estágios..........................................................................13 2.4 – A fotogrametria...............................................................................................14 3 – MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................................15 3.1 - Descrição do software......................................................................................15 3.2 - Fotografias de objetos pequenos......................................................................17 3.3 - As plataformas computacionais utilizadas.......................................................18 3.4 - O projeto..........................................................................................................19 3.4.1 - A aquisição das imagens..............................................................................19 3.4.1.1 - Primeira aquisição.....................................................................................19 3.4.1.2 - Segunda aquisição.....................................................................................21 3.4.1.3 - Terceira aquisição......................................................................................22 3.4.2 - A escolha da câmara.....................................................................................24 3.4.2.1 - Tipo de câmara...........................................................................................24 3.4.2.2 - Estimativa da distância focal.....................................................................25 3.4.3 - As imagens....................................................................................................25 3.4.3.1 - A resolução das imagens............................................................................26 3.4.3.2 - Importação das imagens.............................................................................26 3.4.4 - A marcação das feições.................................................................................27 3.4.4.1 - A marcação dos pontos..............................................................................27 3.4.4.2 - O referenciamento......................................................................................28 3.4.4.3 - A marcação das linhas...............................................................................29 3.4.4.4 - A marcação de curvas................................................................................29 3.4.5 – A modelagem propriamente dita..................................................................30 4 - RESULTADOS OBTIDOS................................................................................30
3
4.1 - Primeira modelagem........................................................................................31 4.2 - Segunda modelagem........................................................................................32 4.3 - Terceira modelagem........................................................................................33 4.3.1 - Tabela de pontos...........................................................................................34 4.3.2 - Tabela de fotos..............................................................................................34 4.3.3 - Estatística de modelagem..............................................................................35 4.3.4 – O modelo 3D................................................................................................36 5 – CONCLUSÃO...................................................................................................37 6 – SUGESTÃO.......................................................................................................37 7 – BIBLIOGRAFIA................................................................................................37
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Lista de Ilustrações Figura 1 – O protozoário trypanossoma cruzi...............................................................................12
Figura 2 – Carlos Chagas...............................................................................................................13
Figura 3 – O inseto alimentado......................................................................................................13
Figura 4 – O botão “process”.........................................................................................................17
Figura 5 – Câmara Kodak DC-265 utilizada no projeto.................................................................20
Figura 6 – Vista superior do experimento 1...................................................................................20
Figura 7 – Exemplo da primeira aquisição.....................................................................................21
Figura 8 – Câmera Nikon FM-2.....................................................................................................22
Figura 9 – Imagem da segunda aquisição.......................................................................................22
Figura 10 – Esquema do terceiro experimento...............................................................................23
Figura 11 – Imagem da terceira aquisição......................................................................................23
Figura 12 – Escolha da opção da câmara.......................................................................................24
Figura 13 – Janela da distância focal.............................................................................................25
Figura 14 – Menu onde são escolhidas as fotos.............................................................................26
Figura 15 – Imagens utilizadas como referências..........................................................................27
Figura 16 – Ferramenta de marcação de pontos.............................................................................28
Figura 17 – A marcação de pontos.................................................................................................28
Figura 18 – Visão geral do processo de referenciamento...............................................................29
Figura 19 – Ferramenta de marcação de curvas.............................................................................30
Figura 20 – Exemplo de foto pouco nítida.....................................................................................31
Figura 21 – Imagem onde mostra o dorso sem pontos...................................................................32
Figura 22 – Janela de Audit da segunda modelagem.....................................................................33
Figura 23 – Tabela de pontos da terceira modelagem....................................................................34
Figura 24 – Tabela de fotos da terceira modelagem.......................................................................35
Figura 25 – Informação sobre a acurácia........................................................................................36
Figura 26 – Exemplo de modelagem..............................................................................................36
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Resumo O presente trabalho tem como objetivo a modelagem em terceira dimensão do Triatoma
brasiliensis, inseto vetor da doença de Chagas, com criação de uma metodologia para
modelagens similares de objetos de tamanho reduzido, a partir de imagens bidimensionais. Para
tal, foi utilizado o software Photomodeler 4.0 Pro, que é empregado em campos da Cartografia
como a fotogrametria e imageamento. Um ponto importante da pesquisa é evidenciar o uso de
processos cartográficos em outras áreas da ciência, no caso a biologia, reforçando tendências das
pesquisas atuais privilegiar a interdisciplinaridade. O modelo do barbeiro assim construído
poderá ser utilizado em softwares educacionais. O procedimento experimental foi iniciado com a
obtenção do inseto, seguido da tomada de fotografias e o estudo do software. Posteriormente foi
feito o trabalho de modelagem propriamente dito. É importante ressaltar que o trabalho tem duas
propriedades incomuns às pesquisas cartográficas: deseja-se transformar as imagens do inseto
(2D) em um modelo em escala do mesmo objeto (3D), o que é diferente do procedimento comum
na cartografia, onde se transforma o mundo real (3D) em um mapa (2D) e o fato de lidar com
modelos ampliados e não reduzidos.
6
Abstract
7
1 – Introdução 1.1 – Contextualização
A cartografia é uma ciência que estuda a aquisição, transformação e representação de dados.
Ela estuda meios para a otimização dos processos inerentes a cada etapa, com o objetivo final de
melhor representar os dados que um determinado usuário deseja. Segundo (Taylor, 1991), a
Cartografia consiste em organizar, apresentar, utilizar e comunicar qualquer tipo de informação
espacial seja ela de forma gráfica, digital ou tátil. Na grande maioria dos casos esses dados estão
ligados a superfície terrestre (dados georreferenciados).
O engenheiro cartógrafo para confeccionar os produtos cartográficos utiliza ciências como a
fotogrametria, o sensoriamento remoto e a geodésia. Atualmente existe uma grande quantidade
desses chamados produtos cartográficos, entre eles pode-se citar:
• foto-índices,
• mapa ou carta,
• mosaicos,
• ortofotocartas,
• cartas-imagens,
• modelos numéricos do terreno e
• bancos de dados geográficos.
A Doença de Chagas foi descoberta no Brasil no século passado pelo cientista Carlos Chagas
e atualmente atinge cerca de 5 milhões de brasileiros. É um problema de saúde pública bastante
expressivo e de difícil combate, pois seus sintomas demoram a aparecer. O principal combate é
feito através da melhoria das habitações em regiões onde há o aparecimento do inseto e também
pelo acesso à informação que a população necessita. Essa informação pode estar contida em
diversos tipos de propagação seja ela convencional (livro, revistas, etc.) ou digital (home pages,
cd rooms, etc.).
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1.2 – A interdisciplinaridade
A interdisciplinaridade é um conceito importante para um projeto de pesquisa atualmente,
pois com ela pode-se solucionar problemas simples utilizando ferramentas de outras áreas de
pesquisa e com isso conectar diferentes áreas do conhecimento. Esse conceito estimula no
estudante uma busca do conhecimento, pois geralmente pesquisas que seguem essa linha são
inovadoras e desafiantes. Tal tema tem sido amplamente discutido nos meios educacionais de
todos os níveis, onde os professores procuram estimular em seus alunos a busca do conhecimento
em outras áreas.
Essa visão holística do mundo foi enfatizada por Amarante (1998) ao ressaltar que essa
característica deve estar presente em todos os engenheiros do novo milênio, sendo dever de todas
as escolas incentivar tal conceito.
1.3 – A modelagem
O processo de modelagem 3D está intimamente ligado ao princípio de realidade virtual. Esse
termo surgiu em uma pesquisa feita por Jaron Lanier na década de 80, pois ele sentiu a
necessidade de se interpretar as simulações feitas nos computadores e em mundos digitais que ele
pretendia criar (Machado, 1995). Ele é empregado em diversos casos, e dessa maneira cada
pesquisador procura definir realidade virtual baseados em sua área de pesquisa.
O modelo 3D atua diretamente no sentido humano que mais afeta a percepção das pessoas: a
visão. Diane Ackerman afirma em seu livro A Natural History of the Senses, que 70% dos
receptores do sentido humano encontram-se nos olhos, o que o torna o mais “monopolista dos
sentidos” (Jacobson, 1994 apud Machado, 1995). Em conseqüência desse fato, a modelagem 3D
é uma importante ferramenta para se interpretar dados espaciais, onde a informação é passada ao
usuário em grande velocidade.
Outro fator que impulsionou o estudo e a criação de softwares que propiciam a construção de
um objeto virtual em 3 dimensões foi o avanço das plataformas computacionais, pois os cálculos
exigidos e a quantidade de dados gerados são em grandes quantidades. Somente na década de 80,
pode-se contar com um computador capaz de realizar a modelagem (Machado, 1995).
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1.4 – Transformação 2D em 3D
Na pesquisa notou-se duas características interessantes que não são comuns aos engenheiros
cartógrafos.
Na modelagem do barbeiro, parte-se como dados originais as fotografias (2D). Essas são
inseridas no computador e então o programa tem condição de efetuar os cálculos para obter o
modelo 3D do barbeiro. Esse processo é oposto ao que normalmente é feito em cartografia, onde
deseja-se colocar o mundo (3D) na forma de um mapa (2D).
Além disso, quando o cartógrafo efetua os processos para a obtenção do mapa ele trabalha
com redução de escala, pois deseja-se colocar dimensões quilométricas nas dimensões da folha
de papel onde o mapa será impresso. No experimento do barbeiro, o que se faz é justamente o
oposto. Pretende-se visualizar o barbeiro em uma escala maior, com objetivo de se criar uma
perfeita idéia das partes do inseto.
1.5 - Objetivos
O presente trabalho tem como principal objetivo a modelagem através do software
Photomodeler do inseto barbeiro (Triatoma brasiliensis). Porém, existem outros objetivos
secundários a serem alcançados como conseqüência deste objetivo principal, entre eles:
Criar uma metodologia para a modelagem de insetos no Photomodeler
Analisar a inclusão do modelo em um software educacional
Permitir a criação de uma banco de dados biológicos
Evidenciar o uso da Cartografia em outras áreas de pesquisas.
Além disso, a pesquisa tem um caráter inovador, pois na pesquisa bibliográfica não foi
encontrado nenhum tópico relativo a esse procedimento de modelagem. É nesse contexto que o
tópico da criação de uma metodologia própria está inserido, pois normalmente o Photomodeler é
utilizado para modelar objetos de dimensões maiores e com uma geometria mais regular.
Portanto, esse projeto será inovador em suas diversas fases, desde a aquisição das imagens até a
elaboração do produto final.
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1.6 – Justificativa
A geração do modelo 3D do babeiro será útil em um software educacional pois torna a
visualização do inseto mais interativa e didática. Esse modelo auxiliará a biologia na divulgação
dos conhecimentos inerentes a doença de Chagas, bem como possibilitará estudos futuros de
áreas semelhantes.
2 – Fundamentação teórica
2.1 - O inseto e a doença
Segundo Carcavallo (1998), o barbeiro possui diversos nomes populares como chupões,
chupanças, bicudo, fincões ou procótos. Comparativamente com outros insetos, ele possui um
tamanho grande, geralmente pretos ou acinzentados, com manchas ao redor do seu abdômen. Na
sua fase adulta, possui dois pares de asas, sendo que a asa superior mais rígida e a inferior mais
fina. Por isso são chamados hemépteros, ou seja, sua asa é metade dura e metade flexível. O
nome científico do barbeiro é Reduviidae. No Brasil, os gêneros Triatoma brasiliensis e
Panstrongilus megistus são os principais transmissores da doença de Chagas.
A doença de Chagas estava primitivamente restrita aos pequenos mamíferos das matas e
campos da América, desde o começo da Patagônia até o sul dos Estados Unidos. Esses animais
convivem com “barbeiros” silvestres, e através de um mecanismo biológico (interação), entre
eles circula o trypanosoma cruzi (Figura 1), o micróbio descoberto por Carlos Chagas. Como no
começo da colonização, essas áreas foram sendo devastadas gradativamente, deixando os
barbeiros sem o seu habitat natural, estes começaram a invadir habitações rústicas dos lavradores
e colonos, e portanto infectando homens e animais domésticos. Atualmente são 12 milhões de
pessoas infectadas no mundo, sendo que no Brasil existem de 5 a 6 milhões (aproximadamente
50% do índice mundial).
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Figura (1)- O protozoário trypanosoma cruzi, Fonte: Fiocruz
2.2 – O cientista
Carlos Ribeiro Justiniano Chagas (Figura 2) cientista brasileiro nascido em Oliveira, Minas
Gerais, doutorou-se pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro em 1903 e foi diretor do
Instituto Bacteriológico Osvaldo Cruz (1917-1934). Comandou a campanha profilática na cidade
de Santos, onde erradicou a malária. Elaborou a teoria domiciliar da transmissão da malária e
com ela projetou seu nome nos meios científicos do país. Em 1909 concluiu a pesquisa sobre a
tripanossomíase, posteriormente conhecida como doença de Chagas. O intuito desta pesquisa era
também de debelar esse mal, graças a sua experiência na campanha em Santos. Identificou o
agente causador dessa doença, ao qual deu o nome de trypanosoma cruzi, em homenagem a
Osvaldo Cruz. Um ano depois, Carlos Chagas conseguiu o reconhecimento dos meios científicos
internacionais. Nos anos seguintes, ele passou em viagem pelo vale amazônico, pesquisando e
concluindo a primeira carta epidemiológica da região. Ganhou vários prêmios entre eles: prêmio
Schaudinn (1912), Kümmel (Universidade de Hamburgo, 1925) e mestre honoris causa pelas
universidades de Paris e Harvard.
12
Figura 2 - Carlos Chagas, Fonte: Fiocruz
2.3 – A contaminação e os estágios
A contaminação é feita quando o inseto, que é hematófago, pica o homem e ao mesmo tempo
defeca ao redor da ferida (Figura 3). Em suas fezes está o trypanossoma cruzi que se desenvolveu
no estômago do barbeiro e ao coçar a pessoa se infecta. A partir desse momento a doença começa
a se manifestar, primeiramente de uma forma mais branda, depois de forma mais
Figura 3 - O inseto se alimentando, Fonte: Fiocruz
aguda. O protozoário uma vez introduzido no tecido determina uma inflamação que assemelha-se
a um furúnculo ou uma mancha avermelhada dolorosa. Por essa razão, a doença de Chagas é
conhecida popularmente como “olho inchado”, pois muitas vezes o inseto infecta a pessoa perto
dos olhos.
Na fase mais branda, o principal sintoma é a febre baixa e constante, podendo-se perdurar
por semanas. O “mal estar”, a falta de apetite, o aceleramento dos batimentos do coração, o
13
aumento do fígado e do baço, inchações da face e do corpo inteiro, vão aparecendo com a
evolução do protozoário dentro do organismo, caracterizando assim a fase aguda da doença.
A fase aguda da infecção dura, geralmente, algumas semanas, tendendo a febre e os demais
sintomas ao desaparecimento espontâneo. Em casos graves, sobretudo em crianças, pode causar a
morte em face de um ataque intensivo dos germens aos órgãos e tecidos mais nobres do corpo,
como o coração e o sistema nervoso central.
Passada a fase aguda, o destino do doente vai depender de diversos fatores, sendo
preponderante a capacidade de defesa de seu organismo e a intensidade agressora da doença.
Existem casos onde o paciente fica um longo período, ou mesmo toda a vida, sem apresentar
nenhuma manifestação da doença, embora sejam portadores (forma “latente” da moléstia).
O coração é o órgão mais lesado, dado a fatal preferência do trypanossoma por suas fibras
musculares. Enfraquecendo-se aos poucos, o órgão vai se dilatando e crescendo, atingindo
dimensões enormes, razão pela qual a doença é conhecida como “coração de boi”.
Existem mais de 100 espécies de barbeiro. Algumas vivem ainda, e somente, na mata. Outros
se adaptaram totalmente à casa do homem, procurando sobreviver ao fim de suas florestas. Um
terceiro grupo encontram-se em transição, habitando ao redor das casas e sendo capazes de viver
tanto nessas como nas florestas. Todos são capazes de transmitir a Doença de Chagas, desde que
contaminados pelo micróbio causador, mas os mais perigosos são realmente os barbeiros
domésticos, por estarem mais próximos do homem.
2.4 – A Fotogrametria
Segundo Andrade (1997), a fotogrametria pode ser definida como:
“Fotogrametria é a ciência que se propõe a estudar e definir com precisão a forma, natureza,
dimensões e posição no espaço tridimensional de um objeto qualquer, utilizando essencialmente
medidas e observações feitas sobre uma ou várias fotografias”.
Para realizar tais procedimentos, ela utiliza princípios físicos de propagação de onda, de ótica
geométrica, estereoscopia e matemática. Essa matemática visa principalmente reconstruir os raios
perspectivos e determinar a inclinação da fotografia na época da tomada delas. Para tal, é
14
fundamental a determinação do sistema de coordenada, onde todas as medidas estarão
referenciadas.
Atualmente, a fotogrametria auxilia diversas áreas da ciência como a Cartografia, Geodésia,
Medicina, Construção Civil, entre outras.
3 – Materiais e métodos 3.1 - Descrição do software
O Photomodeler é um software capaz de calcular dimensões e construir um modelo 3D de
fotografias. Ele foi produzido pela Eos Sytens Inc, companhia que tem a sua sede na cidade de
Vancouver, Canadá. Essa companhia desenvolve e comercializa tecnologias de modelagem 3D,
utilizando-se da fotogrametria e da interface Windows para uma aplicação prática na indústria e
no cotidiano.
Esse software possui algumas características e funções principais, entre elas:
• Fácil de se aprender e usar: inclui uma interface Windows e mais de 500MB de
tutoriais multimídia.
• Ferramentas de Modelagem: cria-se modelos utilizando ferramentas de marcações
de ponto, linha, curva, borda ou cilindro.
• Ferramentas de Superfície: adiciona-se superfícies às feições definidas pelos
pontos, linhas, curvas ou borda. A essas superfícies pode ser adicionada a textura da
foto e cores.
• Visualizador 3D: pode-se ver, medir e rodar de forma interativa todos os modelos
3D criados, mesmo ele estando com todas as suas texturas.
• Ferramentas para medição: pode-se medir distâncias, comprimentos e áreas com
boa precisão.
• Controle de Imagem: o uso das ferramentas de zoom refina a marcação dos
pontos, bem como a rotação do modelo. Também é possível melhorar a foto,
alterando o seu contraste e brilho.
15
• Câmeras suportadas: o programa captura imagens de câmeras digitais ou de
vídeo. A função Automatic Camera Orientation determina a posição da câmera
quando as imagens foram feitas.
• Formatos Exportados: pode-se exportar os modelos como DXF (2D e 3D), 3DS,
Wavefront OBJ, VRML (1 & 2), IGES, RAW e Microsoft DirectX.
• Calibrador de Câmera: medição precisa da distância focal, ponto principal e
distorções da lente.
Como o objetivo do trabalho é criar um modelo 3D, é necessário descrever como o software
realiza esse processo. Existem passos a serem seguidos e alguns dados são necessários para a
criação de um modelo preciso. A seguir, essas etapas são relatadas individualmente.
Obtenção das imagens - No momento em que se deve tirar as fotografias, tem que se ter atenção
para que duas ou mais delas tenham uma superposição para que o software tenha a visão do
mesmo ponto de dois ângulos diferentes, semelhante ao processo de fotogrametria.
Posteriormente, deve-se colocar essas fotografias na forma digital (se não estiver usando uma
câmera digital) e colocá-las no computador e importá-las para o Photomodeler para a criação de
um novo projeto. No momento em que se cria um novo projeto, no decorrer do processo, o
software necessita do diretório das fotos.
Marcação e Referenciamento das fotografias - No software, faz-se uso das ferramentas para
marcar ponto, linha ou bordas nas feições desejadas no modelo 3D final. Para melhorar a precisão
do modelo, usa-se a função Zoon do software. Também é necessário usar as funções de
referenciamento para descriminar quais pontos em diferentes fotografias representam o mesmo
local do objeto.
Processamento das informações - Selecionando o botão “process” (Figura 4), o PhotoModeler
começará a processar os dados informados pelo usuário, tanto os dados da câmera quanto os
dados do referenciamento. Todos esses dados serão relatados no decorrer do trabalho. O software
leva 15 segundos e findado o processo, um modelo 3D terá sido construído, com a precisão
determinada pela confiabilidade dos dados da câmera e com a acurácia com que o
16
referenciamento foi feito. O modelo é criado através de um algoritmo para ajustar os dados de
entrada, minimizando os erros.
Figura 4 - O botão "process" (em destaque)
Visualização e exportação do modelo 3D - O objeto criado é visto no Visualizador (Viewer),
podendo ser rotacionado da maneira que o usuário entender. Como as coordenadas são
determinadas com precisão, distâncias e áreas podem ser medidas facilmente. É importante
ressaltar que o software permite que sejam adicionados novos pontos e novas fotografias, caso o
usuário deseje fazer um aprimoramento do modelo. Finalizado o projeto tem-se a possibilidade
de exportar o modelo para um programa CAD, ou outro programa de animação, como 3D Studio,
que aceite os formatos OBJ, VRML, e Microsoft DirectX.
A precisão final do projeto e das medições feitas no modelo depende diversos fatores: a
resolução e o número de fotografias, os ângulos entre as fotografias, o número de pontos
referenciados e a qualidade da descrição da câmera.
3.2 – Fotografias de objetos pequenos
O programa Photomodeler exige uma imagem que tenha pontos bem definidos para sua
identificação. Como o barbeiro é um objeto pequeno, para se obter uma imagem com boa
resolução, faz-se uso das técnicas da macrofotografia. Essas técnicas consistem no emprego de
certos acessórios que resultarão na ampliação da imagem no filme fotográfico. Esses acessórios
estão apresentados na tabela 1.
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Tabela 1- Acessórios da macrofotografia
Equipamento Descrição
Lente Auxiliares
Chamadas também de close-up. São de baixo custo e dependendo da situação pode-se obter
um bom resultado. É colocada na frente da objetiva
Anel inversor É colocado na parte do filtro da objetiva, possibilitando a sua inversão
Anéis Extensores É colocado atrás da objetiva. Sua vantagem é de não interferir no sistema ótico da lente.
Objetivas Macro Proporciona um bom aumento, podendo
facilmente chegar a microfotografia, utilizando-se outros acessórios
Existem problemas que devem ser observado quando se empregam as técnicas da
macrofotografia. O primeiro problema é a da iluminação, pois ao conseguir um bom aumento do
objeto, diminui-se a quantidade de luz que sensibiliza a película. Assim sendo, usam-se flashes,
superfícies espelhadas para rebater a luz e opta-se por locais mais claros. Pode-se também
aumentar o tempo de exposição, mas causa problema de trepidação.
Nota-se então que o uso da macrofotografia deve ser feito por um fotógrafo experiente, para
saber mesclar as possibilidades e eleger a melhor delas para cada ocasião.
3.3 – As plataformas computacionais utilizadas
O fabricante do Photomodeler informa que o sistema mínimo requerido para a utilização do
programa é:
• Processador Pentium 166 MHz
• 64 MB de memória RAM
• 50 MB de espaço livre no disco rígido
• Sistema operacional Windows 95, 98, 2000, NT ou XP
No projeto foram utilizados dois computadores: um computador do Laboratório de
Cartografia do Departamento de Engenharia Cartográfica (DE/6) do Instituto Militar de
Engenharia e um outro computador pessoal.
Esse computador pessoal possui a seguinte configuração:
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• Processador AMD Duron 1.0 GHz
• 196 MB de memória RAM
• Windows 2000
O computador do departamento que foi utilizado tem a seguinte configuração:
• Processador Pentium III 800 MHz
• 256 MB de memória RAM
• Windows 2000
3.4 – O Projeto
3.4.1 – Aquisição das imagens
No momento da aquisição das imagens, o manual do Photomodeler enumera algumas
sugestões para um melhor processamento quando essas imagens forem importadas. Como a
imagem é a matéria prima, um processamento é bastante influenciado pela qualidade das imagens
e também da natureza da mesma. Entre as sugestões pode-se citar:
• os ângulos entre as tomadas de fotos sucessivas sejam menor que 90o
• todos os pontos importantes apareçam em pelo menos 3 imagens
• tentar a maior sobreposição possível
• tentar imagens de uma posição superior e de posição inferior, se possível
• medir a distância entre dois pontos que são nitidamente visíveis.
Algumas dessas dicas não foram colocadas em prática, pois não houve possibilidade de
implementá-las por limitações técnicas ou práticas.
3.4.1.1 – Primeira aquisição
Material Utilizado:
• Câmara Kodak DC-265 (Figura 5)
• Régua
• Trena
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• Folha de papel do tamanho A4
• Tripé
• Fita Adesiva
• Barbeiro (Triatoma infestans)
Procedimento Experimental
O primeiro experimento foi feito no Laboratório de Cartografia do departamento, onde foi
montado um dispositivo onde o inseto ficava na ponta de uma caneta, que por sua vez estava
fixada no tripé padrão da câmara por meio de fita adesiva (Figura 6). O inseto era girado de
forma a se fotografar todos os seus lados e em ângulos onde a se obter um recobrimento nas
fotos, processo igual ao da fotogrametria. As fotos foram obtidas com iluminação natural e
exportadas diretamente para o computador.
Figura 5 - Camara Kodak DC-265 utilizada no projeto
Para efeito de calibração do software, tirou-se uma fo
a distância horizontal foi medida com o auxílio de um
parâmetros técnicos da câmara (distância focal, tipo de c
faça o processo de modelagem com mais precisão e com m
O processo de calibração da câmara consiste em:
• Colar uma folha de papel na parede
• Tirar uma foto do papel perpendicularmente
• Medir a distância do papel a câmara
• E finalizando, informa-se ao software os dados a
20
Figura 6 - Vista superior do experimento 1
to de uma folha A4 colada na parede e
a trena. Esses dados unidos com os
âmera, etc.) fazem com que o software
enos pontos de apoio.
cima medidos.
Conclusões e observações
Ao analisar as fotos (Figura 7) no computador, percebeu-se que a imagem tinha dimensões
reduzidas. Isso se deve ao fato, de acordo com o manual do usuário, de que o campo focal dessa
câmara seja de 0,3m até o infinito. Na tomada das fotos, a câmara foi posicionada na menor
distância possível (0,3 m) e o inseto era rotacionado de forma a se cobrir todos os lados, tanto na
parte superior como na parte inferior. A imagem ficou com pouca definição, o que ocasiona um
difícil processo de referenciamento das fotos. Por esse motivo, as fotos não foram usadas em uma
possível modelagem.
Figura 7- Exemplo da primeira aquisição
3.4.1.2 – Segunda aquisição
Material Utilizado
• Câmara Nikon FM-2 (Figura 8)
• Lente Zoom 70 – 240 mm
• Filtro Close-up
• Barbeiro (objeto)
• Folha de papel branca
Procedimento Experimental
O local onde se realizou o experimento foi em um ambiente residencial, local não preparado
profissionalmente. As imagens foram obtidas utilizando o mesmo processo anterior, com a
diferença de que o objeto não foi colocado em um tripé. Ele foi apoiado diretamente numa mesa
21
onde foram tiradas as fotografias com a folha de papel branca no fundo. As fotografias foram
reveladas em laboratório comercial e posteriormente “scanneadas”. A função do filtro close-up é
de conseguir uma ampliação da imagem, porém perde-se em definição. Essa perda de definição
seria solucionada caso se utilizasse uma lente de macro, cujo preço é elevado.
Figura 8 - Câmara Nikon FM-2 utilizada no segundo experimento
Conclusões e observações
As imagens (Figura 9) desse experimento não obtiveram qualidade superior às do primeiro
experimento. O objeto ficou distante e não é possível fazer a modelagem utilizando essas
imagens, pois há muita dificuldade na marcação dos pontos homólogos. A lente close-up não
resultou na ampliação desejada.
Figura 9 - Imagem do segunda aquisição
3.4.1.3 – Terceira Aquisição
Material Utilizado
• Câmara fotográfica Nikon FM-10
• Mesa para fotografia, com vidro anti-reflexivo
• Barbeiro (sem alfinete)
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Procedimento Experimental
O inseto foi posto em cima da placa de vidro anti-reflexivo e as fotos foram obtidas
rotacionando o objeto, pois as dimensões do laboratório são pequenas e não permitia a
movimentação do fotógrafo. Nesse experimento foi utilizado o Laboratório de Interpretação de
Imagens da Fiocruz. As imagens da parte inferior do inseto foram obtidas virando-o de lado, com
o dorso para cima. No momento do processamento do modelo, tal fato pode ser uma fonte de
erro, visto que a posição original do inseto não está sendo preservada. Como conseqüência desse
fato, o software necessitará de mais pontos determinados para a modelagem. A iluminação foi
feita por duas luminárias laterais (Figura 10)
Figura 10 - Esquema do terceiro experimento
Conclusões
A qualidade das imagens (Figura 11) nesse terceiro experimento foi aceitável e o processo no
Photomodeler pode ser iniciado. As imagens estão com uma excelente resolução, porém em
algumas fotos o barbeiro não pode ser focalizado inteiramente, devido à proximidade que foi feita
as fotografias.
Figura 11 – Imagem da terceira aquisição (em escala reduzida)
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3.4.2 – A escolha da câmara
3.4.2.1 – Tipo de Câmara
Como seqüência do início do projeto é necessária a introdução de dados de entrada relativos
a câmara. Como no terceiro experimento não foram anotados os dados da câmara e também não
foi feita uma calibração, foi escolhido a opção “unknow camera” (Figura 12). Esse fato ocorreu
devido a falta de experiência nos conceitos do software, por limitação técnica e também por falta
de espaço físico no Laboratório de Interpretação de Imagens da Fiocruz.
A câmara Nikon FM-10 foi escolhida, pois utiliza filmes padrões de 35mm e também era o
equipamento que possuía uma maior quantidade de periféricos que poderiam ser utilizados na
tomada das fotografias. Porém, por falta de experiência, a distância focal da lente não foi anotada.
O programa prevê o uso de fotografias obtidas através de câmaras desconhecidas, importante
recurso para pesquisadores de arquivos históricos, arquivos judiciais e policiais que muitas vezes
recuperam imagens obtidas em tempos anteriores.
Na tabela 2 tem-se passos importantes para se observar na utilização dessas ferramentas.
Tabela 2 – Passos na escolha da ferramenta de câmara desconhecida
Passo Projeto Checar se o objeto é totalmente coberto pelas
fotografias OK
Checar os ângulos entre as tomadas das imagens, que não deve ser maior de 90° OK
Rever os pontos e as bordas que serão importantes no decorrer do projeto, geralmente aqueles que estão em uma quantidade maior de
fotos
OK
Figura 12 - Escolha da opção de câmara
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3.4.2.2 – Estimativa da distância focal
Um dado que é determinante para o cruzamento dos raios perspectivos é o da distância focal.
Esse valor é utilizado no algoritmo matemático do software e é determinante para acurácia do
projeto e também para a quantidade de pontos que deverão ser referenciados para que o processo
de modelagem seja feito.
No próprio programa, na janela (Figura 13) onde deve-se colocar o valor da distância focal é
informado que caso esteja sendo utilizado a opção “unkown câmera”, colocar o valor de 50,0
mm. Tal procedimento foi adotado.
Figura 13 - Janela da distância focal
3.4.3 – As imagens 3.4.3.1 – A resolução das imagens
As imagens foram “scanneadas” no Laboratório de Imageamento Digital da Fiocruz, a uma
resolução de 600 dpi. O programa, em uma janela própria, informa que é necessário o
conhecimento sobre o tamanho da imagem em pixels, e caso o usuário não saiba, existe a opção
de se procurar uma imagem que será utilizada na modelagem e ele mesmo define o tamanho da
imagem. Não é necessário que as imagens tenham o mesmo tamanho, porém é aconselhável pois
cada vez que se abrir o projeto será emitido uma mensagem dizendo que determinada imagem
não tem a mesma quantidade de pixel informada na criação do projeto.
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Com o objetivo de colocar todas as imagens com o mesmo tamanho, as mesmas foram
importadas para o programa Adobe Photoshop 6.0 e recortadas com uma máscara de 1300 x 800
pixels.
3.4.3.2 – Importação das imagens
A aquisição de fotos gerou uma gama de 27 imagens do inseto, em diversos ângulos, e no
menu de importação (Figura 14) das fotos foram escolhidas as fotos para uma possível
modelagem. Essa escolha seguiu o seguinte critério:
• Luminosidade – algumas fotos ficaram com uma baixa luminosidade, prejudicando
a observação dos pontos comuns da fotografia. Tais imagens, não foram utilizadas
na modelagem.
• Imagens em um ângulo próximo – certas fotos, apesar de estarem com boa
luminosidade, ficaram com um ângulo muito próximo entre as estações da câmara,
representando os mesmos detalhes. Visando evitar a redundância de dados, tais
fotos foram retiradas.
Figura 14 - Menu onde são escolhidas as fotos
Além disso, é importante relatar que a qualquer momento o usuário pode adicionar novas
fotos ao projeto, sendo esse um procedimento comum quando não é possível fazer a modelagem
com uma certa quantidade de fotos que depende da complexidade do objeto modelado.
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3.4.4 – A marcação das feições
Com as imagens escolhidas, deve-se começar o procedimento de marcação das feições
homólogas em cada imagem. Para facilitar esse processo, foram escolhidas duas imagens de
referência (Figura 15). A primeira é uma imagem tomada da parte superior do inseto,
perpendicular ao plano formado pelo seu corpo. A segunda, da mesma forma que a primeira, com
a diferença que a imagem foi tomada da parte inferior. Essas imagens foram escolhidas pelo fato
que as partes onde são marcadas as feições aparecem com boa nitidez.
Figura 15 - Imagens utilizadas como referência
A marcação é feita com as ferramentas existentes no programa. Cada ferramenta tem sua
utilidade e o projeto define qual será utilizada. Existem ferramentas para marcar pontos, bordas,
linhas, cilindro e curvas como foi relatado na seção 3.1 .
3.4.4.1 – A marcação dos pontos
Os pontos são marcados nas imagens marcando pontos nítidos. Para tal é utilizado a
ferramenta localizada no menu principal do programa (Figura 16). Como o Photomodeler
geralmente é utilizado para modelar objeto de grande dimensão (maiores que 1 m), é normal
marcar esses pontos com alvos colados. Como isso não é viável no barbeiro, deve-se distinguir
tais pontos usando as diferenças na coloração ou nas extremidades de patas, articulações e
antenas.
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Figura 16 - Ferramenta de marcação de pontos
As principais dificuldades encontradas na marcação de pontos foram:
• Falta de pontos nítidos no dorso do inseto, pois ele é escuro e sem variação de cores
perceptíveis
• Geometria irregular, mais acentuada na cabeça
• Em algumas imagens, o corpo do inseto não está completamente em foco
O processo de marcação (Figura 17) foi feito com um aumento de 3 vezes na escala da foto.
Esse aumento é feito com a ferramenta de zoom, com o objetivo de dar uma maior precisão na
marcação do ponto. Primeiramente, foram marcados os pontos nas imagens de referência e depois
os mesmos pontos foram marcados nas imagens restantes. Posteriormente a essa etapa, foi feita
uma análise com o objetivo de se encontrar pontos que não foram definidos nas imagens de
referência, mas que são passíveis de marcação em outras.
Figura 17 - A marcação dos pontos
3.4.4.2 – O referenciamento
A fase do referenciamento se destina a informar ao software quais pontos marcados em cada
imagem são homólogos (mesmos pontos no inseto). Para tal, foi aberto uma das fotos de
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referência (source photo) e também uma foto onde seria o ponto homólogo (destination photo)
(Figura 18), marcou-se o ponto com o mouse na referência e em seguida marcou-se o ponto na
foto de destino. Automaticamente, o ponto será identificado com o mesmo número.
Figura 18 - Visão geral do processo de referenciamento
3.4.4.3 – A marcação de linhas
No inseto, as únicas feições que apresentam uma linearidade são as patas e a tromba
(mecanismo utilizado pelo inseto para se alimentar). Essas feições foram marcadas partindo-se
dos pontos marcados nas articulações e nas extremidades das patas. Esse processo é importante
pois proporciona uma modelagem mais acurada, de acordo com o fabricante.
3.4.4.4 – Marcação de curvas
As curvas são marcadas usando-se sua ferramenta própria (Figura 19). As feições
apropriadas no inseto para utilização da ferramenta encontram-se principalmente nas laterais,
pois o contraste com o fundo da cena torna a borda mais visível. Percorre-se a curva com o mouse
marcando pontos intermediários. Esses pontos não devem ter um espaçamento grande entre eles,
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para que a curva seja mais bem ajustada pelo software e represente com maior confiabilidade a
realidade.
Figura 19 - Ferramenta de marcação de curvas
3.4.5 – A modelagem propriamente dita
A modelagem é feita quando o botão process é acionado (seção 3.1). Caso os pontos sejam
definidos no espaço pelas suas coordenadas (x, y, z), o programa gerará o modelo em 3D. Caso
não seja possível a geração do modelo, o próprio programa sugere alternativas que pode vir a
viabilizar a construção do modelo.
Existe também a janela de estatística do projeto, onde várias informações poderão ser
encontradas sobre as fotos, os pontos e do projeto em geral. O usuário através dessa janela poderá
identificar um fator que dificulte o processamento das informações adquiridas nas fotos.
No projeto foram feitas três modelagens, porém apenas uma conseguiu o processamento
completo das informações.
4 – Resultados obtidos
Como resultado do projeto tem-se o modelo 3D. Para uma boa compreensão do resultado é
necessário especificar detalhadamente os passos seguidos em cada modelagem e as correções
feitas entre elas.
Todo o processo de modelagem do inseto consistiu em três fases, todas utilizando as imagens
obtidas na terceira aquisição de imagens.
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4.1 – Primeira modelagem
Para a primeira modelagem foram utilizados os seguintes parâmetros:
13 imagens do inseto
47 pontos marcados e referenciados
2 linhas
Nenhuma curva foi marcada
A escolha das 13 imagens constantes nessa modelagem foi feita obedecendo ao critério de
nitidez e cobertura total do objeto. Na terceira aquisição algumas imagens ficaram com o plano
focal definido fora do objeto, o que resultou em uma perda de nitidez em algumas partes do
inseto (Figura 20). Havia também imagens que cobria apenas parte do objeto, fato que prejudica
o algoritmo do programa.
Figura 20 - Exemplo de foto pouco nítida
Além disso, o manual informa que se for utilizada a opção “unkonw camera”, que é o caso,
deve ser obtida uma maior quantidade de pontos no objeto. Nessa base, foram marcados e
referenciados 47 pontos, utilizando os critérios relatados na seção 4.4.1.
A quantidade de linhas marcadas foi definida seguindo o critério também da nitidez, pois
havia patas que só estavam nítidas em duas fotos. Como adotou-se o critério de que cada feição
tem que estar nítida em pelo menos três fotos, só foi possível determinar 2 linhas (patas
posteriores).
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Finalmente, foi feita a tentativa de modelagem e não se obteve sucesso.
O programa informou que não era possível a locação dos pontos para a criação do modelo
3D e sugeria uma leitura do tópico do manual “use and adjust”. Após a leitura desse tópico
verificou-se que existe uma parte do inseto que não era coberto por pontos (Figura 21), localizada
no dorso. A seção do manual relatava essa possibilidade e, portanto notou-se a necessidade de
cobrir a região com alguns pontos.
Figura 21 - Imagem onde mostra o dorso sem pontos
4.2 – Segunda modelagem
A segunda modelagem foi feita com os seguintes parâmetros:
11 imagens
57 pontos marcados e referenciados
4 linhas
1 curva
Nesse momento, foi observada a necessidade da retirada de algumas fotos redundantes, pois
estavam com um ângulo muito pequeno entre as estações de tomada das imagens.
Na marcação dos pontos, houve uma densificação. Na região do dorso foi marcado 3 pontos
para tentativa de corrigir a modelagem anterior. Na janela de estatística o programa informou que
existiam 2 pontos que não tinham qualidade posicional (Figura 22).
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Figura 22 - Janela de audit da segunda modelagem
Para fazer a marcação de novas linhas e da curva, não se utilizou o critério de que cada ponto
deveria estar em pelo menos três imagens.
Não se obteve sucesso nessa modelagem. O menu do programa sugeriu que fosse
adicionadas mais curvas e linhas.
4.3 – Terceira modelagem
Os parâmetros utilizados na terceira modelagem foram:
8 imagens
34 pontos marcados e referenciados
6 linhas
2 curvas
Ao se visitar o site do fabricante, verificou-se que haviam modelos de exemplo construídos
de poucas fotografias, apesar de não serem objetos totalmente regulares. Como exemplo foi
observada a modelagem de um crânio humano. Então foi feita uma diminuição da quantidade de
fotos, retirando-se as imagens de ângulos próximos.
Da mesma maneira, foi observado que esses exemplos eram gerados partindo-se de poucos
pontos marcados. Dessa forma, foram diminuídas as quantidades de pontos, sendo que esses só
eram determinados em zonas perfeitamente nítidas. As linhas foram marcadas em cinco patas e
na tromba. Uma pata não foi modelada, pois estava encoberta em uma das fotos de referência. As
curvas foram localizadas na parte mais externa do inseto (bordas).
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Ao acionar o botão process, o programa começou a realizar os cálculos. A modelagem foi
bem sucedida.Após a modelagem é possível acessar as tabelas relativas aos pontos e as curvas.
4.3.1 – Tabela de pontos
A tabela de pontos (Figura 23) informa a quantidade de pontos, o seu número identificador,
em quais fotos determinado ponto foi marcado e a posição espacial do ponto.
Figura 23 - Tabela de pontos da terceira modelagem
4.3.2 – Tabela de fotos
A tabela de fotos (Figura 24) mostra todas as fotos utilizadas no processo, a câmara que foi
utilizada em cada foto (o programa prevê que um modelo seja obtido a partir de fotografias
tomadas com câmaras diferentes), o estado da orientação da foto, o tamanho de cada imagem, o
processamento e a quantidade de marcas constantes em cada imagem.
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Nessa parte do programa é importante o usuário consultar para correção de erros relativos
aos dados informados pelo usuário.
Figura 24 - Tabela de fotos da terceira modelagem
4.3.3 – Estatística da modelagem
Na opção Audit o programa informa alguns dados estatísticos sobre a modelagem. Esses
dados são apresentados na Tabela 2.
Mínimo Máximo Média Aceitabilidade
Pontos por foto 9 29 21 Talvez
Área de Cobertura
dos pontos 23 62 48 Sim
Raios por pontos 3D 3 7 5 Sim
Ângulo de interseção 49 89 78 Sim
Tabela 2 – Estatística da modelagem
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Na linha “pontos por foto” pode-se observar que o programa informou que com os dados
referenciados talvez não fosse possível fazer a modelagem. Isso se deve pelo fato que a foto 2
está com pouca nitidez e portanto só foi possível a marcação de 9 pontos. Ela não foi retirada da
modelagem, pois havia uma carência de imagens naquela posição.
Como se pode observar todos os demais dados foram satisfatórios. Esse fato creditou para a
modelagem uma acurácia grau 4 , em uma escala de 1 à 5. Tal fato pode ser observado na figura
25.
Figura 25 - Informação sobre a acurácia
4.3.4 – O modelo 3D
A modelagem (Figura 26) resultou em um modelo parcial, onde houve problemas no
momento de colocar a textura das fotos nos planos criados a partir dos pontos conhecidos, pois
feições que não estavam situadas no mesmo plano estavam sendo modeladas como se fossem
planares. Posteriormente houve uma densificação dos pontos o que tornou o modelo mais real.
Figura 26 – Exemplo da modelagem
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5 – Conclusão
A aquisição das imagens se mostrou trabalhosa, pois exigiram diversas tentativas para que se
encontrasse um resultado satisfatório. Esse fato se deve pela dificuldade de se tirar fotografias de
objetos pequenos, pois exige um equipamento especializado e um fotógrafo experiente.
De acordo com os procedimentos do programa, a parte que consome muito tempo é a fase de
marcação de pontos e de referenciamento. Elas devem ser feitas de forma precisa, pois definirá a
qualidade do modelo.
A geometria irregular do objeto também foi um obstáculo para o andamento do projeto. A
carência de pontos nítidos, a dificuldade de modelagem das patas e as ondulações da cabeça
foram os principais motivos para uma demora na criação do modelo.
O modelo gerado atendeu o propósito, pois se conseguiu uma geometria condizente com a
realidade. O Photomodeler mostrou-se capaz de modelar objetos pequenos e com uma excelente
precisão.
6 – Sugestão
Para a continuação do trabalho pode-se aperfeiçoar o modelo adicionando novas fotos ao
projeto e também a criação de uma animação feita em um programa específico para determinado
fim. Essa animação pode ser feita de um modelo exportado do próprio Photomodeler.
7 – Bibliografia
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Ciência e Tecnologia. Rio de Janeiro.Vol XVI. p 5-13. 30 quadrimestre de 1999
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Carcavallo R, Gallindez Girón I, Jurberg J, Lent H. Atlas dos Vectores da Doença de Chagas
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37
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descoberta, Departamento de Ciências Biológicas e Ambientais, Universidade Santa Úrsula, Rio
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Machado, Liliane dos Santos. Conceitos básicos da realidade virtual. INPE, São José dos
Campos, Novembro, 1995
http://www.netium.com.br/lcpa/Bio.htm http://www.drwebsa.com.ar/alcha/enfer.htm http://www.miocardnet.com.br/chagas.htm http://www.dbbm.fiocruz.br/www-mem/94sup1/21.html http://www.unorpnet.com.br/leiaja/materias/folha_7.htm http://www.kodak.com/global/en/service/products/ekn006593.jhtml http://www.photomodeler.com http://www.nib.unicamp.br/svol/chagas.htm http://www.vertentes.com.br/chagas/fotos.htm http://www.arose.net/triatoma/pics.htm http://w3.impa.br/~pcezar/3dp/original/scan-fausto.html http://www.drwebsa.com.ar/alcha/enfer.htm http://www.netium.com.br/lcpa/Bio.htm http://www.d-vw.com
8 – Agradecimentos O autor Flávio Vieira Scofano agradece ao CNPQ pela bolsa e iniciação à pesquisa.
O autor também agradece aos integrantes da Fiocruz e a fotógrafa Vanessa Tanure.
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