ESTAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DIGITAL

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1 MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CARTOGRÁFICA 1 o Ten LUIZ CARLOS TEIXEIRA COELHO FILHO ESTAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DIGITAL Rio de Janeiro

2 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 1 o Ten LUIZ CARLOS TEIXEIRA COELHO FILHO ESTAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DIGITAL Projeto Final de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica como requisito parcial para a obtenção do Grau de Engenheiro Cartógrafo. Orientador: Cel R/1 Jorge Luís Nunes e Silva Brito - Ph.D. Rio de Janeiro

3 c2002 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 Praia Vermelha Rio de Janeiro - RJ CEP: Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. orientador. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e do Coelho F., Luiz C. T. Estação Fotogramétrica Digital / Luiz Carlos Teixeira Coelho Filho. - Rio de Janeiro : Instituto Militar de Engenharia, f. : il., graf., tab. : - cm. Projeto Final de Curso - Instituto Militar de Engenharia,

4 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 1 o Ten LUIZ CARLOS TEIXEIRA COELHO FILHO ESTAÇÃO FOTOGRAMÉTRICA DIGITAL Projeto Final de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Cartográfica como requisito parcial para a obtenção do Grau de Engenheiro Cartógrafo. Orientador: Cel R/1 Jorge Luís Nunes e Silva Brito - Ph.D. Aprovado em 28 de outubro de 2002 pela seguinte Banca Examinadora: Cel R/1 Jorge Luís Nunes e Silva Brito Ph.D. (OSU) Presidente Prof. Oscar Ricardo Vergara D. Eng. (USP) Prof. Walter da Silva Prado M. C. (INPE) Rio de Janeiro

5 DEDICATÓRIA Dedico esta obra a todos aqueles que me ajudaram a chegar neste ponto através de seu valioso incentivo, esperando que, com este trabalho, tenha podido acrescentar mais um pequeno tijolo na imensa parede do conhecimento e que as gerações futuras de engenheiros cartógrafos possam se beneficiar do projeto E-FOTO, perdendo seus traumas em enveredar-se pelos caminhos da fotogrametria digital. 5

6 AGRADECIMENTOS Ao meu orientador, Cel NUNES, que, desde 1998 tem me guiado pelo caminho da pesquisa científica e a quem, hoje em dia, já posso considerar em vários aspectos muito mais que um mero tutor. Somente através da sua confiança em minha motivação e meu potencial, pude conseguir propor este trabalho, aparentemente superdimensionado, mas que felizmente chegou a atender a todos os objetivos propostos. Aos professores e pessoal de nível técnico do Departamento de Engenharia Cartográfica, os quais puderam me proporcionar um ambiente de tranqüilidade para que pudesse desenvolver com segurança meu projeto de pesquisa. Aos meus colegas da DSG (Tenentes BARRETO, MORAIS e FELIPE), do 4 o Ano de Engenharia Cartográfica e do 5 o Ano, de inúmeras especialidades (em especial os Tenentes DE ARAÚJO, GIOVANA e RAFAEL CORRÊA), sem a motivação dos quais seguramente não teria chegado tão longe. Além destes, cabe ressaltar o papel fundamental do também colega de turma Aspirante-a-Oficial HANS, que convenceu-me a usar o binômio C++/Qt, e que, eventualmente, teve de dar-me suporte quanto ao desenvolvimento de software através destas ferramentas. Ao IME e ao Exército Brasileiro, organização e instituição que, com suas peculiaridades e idiossincrasias aprendi a respeitar e amar. À minha família, um agradecimento em especial, pois, mesmo muitas vezes não tendo quase nenhuma noção do que eu estava a desenvolver, sempre deu seu suporte material e espiritual. E, sobretudo, ao Senhor Deus, que é o grande responsável por tudo o que foi citado nos parágrafos acima e, principalmente pelo que será descrito nas páginas a seguir. 6

7 EPÍGRAFE meu rosto agora sobrevoa sem barulho essa fotografia aérea Aqui está num papel a cidade que houve (e não me ouve) com suas águas e seus mangues aqui está (no papel) uma tarde que houve com suas ruas e casas uma tarde com seus espelhos e vozes (voadas na poeira) uma tarde que houve numa cidade aqui está no papel que (se quisermos) podemos rasgar Ferreira Gullar Uma Fotografia Aérea 7

8 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS LISTA DE SIGLAS RESUMO ABSTRACT INTRODUÇÃO A Fotogrametria ao Longo da História Enquadramento do Projeto Fotogrametria Digital no IME Motivação METODOLOGIA O Projeto E-FOTO Objetivos do PROFIC Métodos e Técnicas de Elaboração dos Componentes RESULTADOS Desempenho dos Programas Utilização do Material Didático Sugestões para Trabalhos Futuros CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO: VERSÃO IMPRESSA DO E-BOOK SOBRE FOTOGRAMETRIA DIGITAL 8

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1.1 Enquadramento do PROFIC Figura 1.2 Componentes do Projeto Figura 2.1 Fluxograma do Projeto E-FOTO Figura 2.2 Tutorial de Fotogrametria Digital Figura 2.3 Homepage da Área de Atuação Fotogrametria Digital Figura 2.4 Screenshots do Programa de Configuração do Projeto Figura 2.5 Arquivo de Configuração de Projeto Figura 2.6 Ajuda para o Programa de Configuração de Projeto Figura 2.7 Sobre E-Foto Figura 2.8 E-Book em Fotogrametria Digital Figura 2.9 Módulo de Parâmetros de Câmara Figura 2.10 Ajuda do Módulo de Parâmetros de Câmara Figura 2.11 Orientação Interior Figura 2.12 Questionamento ao Usuário Figura 2.13 Janela Marcas Fiduciais Figura 2.14 Janela Arquivo Figura 2.15 Exemplos de Resultados Obtidos com as Duas Transformações Figura 2.16 Programa de Medição Digital Figura 3.1 Algoritmo de Teste em Planilha MathCAD

10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Cronograma

11 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ABREVIATURAS La Matriz das Observações Ajustadas Xa Matriz dos Parâmetros Ajustados MVC Matriz Variância-Covariância 11

12 LISTA DE SIGLAS CAD PROFIC IME DE/6 GNU GPL FDL GUI DVP SSK Computer Aided Design Projeto Final de Curso Instituto Militar de Engenharia Departamento de Engenharia Cartográfica GNU's Not Unix General Public License Free Documentation License Graphic User Interface Digital Video Plotter Stereo Softcopy Kit 12

13 RESUMO Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de uma estação fotogramétrica digital educacional no âmbito do Departamento de Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia. O conceito de estação fotogramétrica digital educacional envolve dois pilares básicos: a gratuidade dos programas componentes e o princípio de auto-aprendizagem, permitindo a utilização da mesma sem nenhum ônus por qualquer pessoa que esteja disposta a fazê-lo. A partir desse conceito, são desenvolvidas várias obras de apoio além dos programas propriamente ditos, tais como: a ajuda dos componentes, o tutorial online em fotogrametria digital e a home-page de suporte da área de atuação Fotogrametria Digital. O presente texto possui, além disso, a finalidade de prover o suporte necessário para seu aproveitamento por outros pesquisadores interessados em realizar etapas futuras deste projeto. 13

14 ABSTRACT This work aims to develop an educational digital photogrammetric workstation at the Department of Cartographic Engineering of the Military Institute of Engineering. The concept of an educational digital photogrammetric workstation deals with two main pillars: the freedom of its many components and the self-teaching approach, allowing its use with no cost by any person who is interested to do it. From this concept, some support work is developed, like the software help, the online tutorial on digital photogrammetry and the support homepage of the Digital Photogrammetry Area of the Terrain Imagery Workgroup. Also, the current text has the intention to provide the necessary support for its use by other researchers interested in working on future steps of this project. 14

15 1. Introdução 1.1. A Fotogrametria ao Longo da História Entende-se por fotogrametria o estudo da reconstrução do espaço tridimensional (espaço-objeto) através de imagens bidimensionais (espaço-imagem). Tal ciência encontrou especial utilidade na Engenharia Cartográfica, uma vez que pode ser usada para reconstruir a superfície terrestre, bem como as inúmeras feições que se encontram sobre a mesma. Pode-se dizer que, durante muitos anos, esta ciência foi considerada a fonte mais prática para a obtenção de dados cartográficos. Como conseqüência, muitos equipamentos opto-mecânicos foram criados, levando aos conhecidos restituidores analógicos e analíticos. No final dos anos oitenta, um pequeno grupo de empresas mantinha o monopólio do setor, enquanto outras, menores, também tentavam dividir tal mercado, oferecendo suas próprias soluções. Todas as soluções disponíveis, porém, requeriam um certo nível de componentes ópticos e/ou mecânicos, acarretando em preços muito altos para a aquisição de tais máquinas, tornando-as, assim, disponíveis apenas para grandes empresas e instituições que fossem usá-las efetivamente na produção intensiva de cartas e produtos afins. Nenhuma informação adicional sobre os métodos de fabricação destes aparelhos era fornecida e muitas universidades e centros de pesquisa (em especial aqueles situados em países em desenvolvimento) não tinham condições de ter o equipamento mais avançado para conduzir seus projetos de ensino e pesquisa. Desse modo, o ensino de fotogrametria, muitas vezes era restrito aos princípios teóricos e à utilização de restituidores de segunda-mão. Durante os anos noventa, entretanto, uma grande revolução no mundo da fotogrametria foi vista. Os primeiros instrumentos totalmente digitais foram criados, devido aos avanços da tecnologia computacional, que permitiram a manipulação em tempo real de grandes arquivos matriciais de imagens. O estado-da-arte da fotogrametria é representado hoje em dia pelas inúmeras técnicas de fotogrametria digital, que pode ser descrita como a reconstrução automática do espaço-objeto através de imagens, utilizando-se, para isso, de imagens digitais ou digitalizadas e de métodos e processos computacionais. O aparelho capaz de executar todas estas tarefas em conjunto chama-se estação fotogramétrica digital, que nada mais é que uma estação de trabalho voltada para a execução de tarefas fotogramétricas. Entre essas tarefas, pode-se destacar as seguintes: 15

16 módulo de definição de projeto, pré-processamento das imagens obtidas, orientação interior com delimitação de parâmetros do certificado de calibração da câmara, orientação exterior, aerotriangulação analítica (por feixes perspectivos), retificação e normalização de imagens, extração semi-automática de um modelo de elevações do terreno, ortorretificação e restituição em ambiente CAD. Tal tecnologia começou a ser utilizada em larga escala a partir de 1995, tendo chegado ao Brasil principalmente a partir de Hoje em dia, pode-se dizer que a maior parte das instituições produtoras de dados cartográficos a emprega largamente, ou pretende fazê-lo no mais curto período de tempo possível. A utilização e domínio da mesma torna-se, então, essencial nos órgãos formadores de profissionais habilitados a trabalhar junto à produção cartográfica atual Enquadramento do Projeto Este trabalho insere-se no contexto do Grupo de Pesquisa de Imageamento do Terreno (que segue a Linha de Pesquisa de Imageamento Digital) do Departamento de Engenharia Cartográfica (DE/6). Convém ressaltar que o projeto E-FOTO (que será delineado nos tópicos seguintes) não se restringe a este trabalho apenas (Figura 1.1). Pelo contrário, pretende-se que este venha a se tornar uma linha de pesquisa constante, permitindo a futura adesão de trabalhos em nível graduação e pós-graduação ao mesmo. Figura 1.1 Enquadramento do PROFIC 1.3. Fotogrametria Digital no IME Nesta área em especial, destaca-se o IME, na figura do Departamento de Engenharia Cartográfica, pelo pioneirismo na aquisição e transmissão do funcionamento dos inúmeros métodos utilizados na fotogrametria digital. Após o ano de 1998, o DE/6 16

17 vem propagando sistematicamente tais conhecimentos na disciplina de mesmo nome para o curso de graduação e para o programa de mestrado, além de estágios especiais para engenheiros já formados e alunos de outras universidades que não possuem ainda tal formação em seus currículos. Convém ressaltar que a disciplina não se restringe ao conhecimento teórico do assunto ela também consiste de inúmeros laboratórios onde os alunos podem visualizar os procedimentos fotogramétricos sendo realizados em estação comercial e, após isso, implementá-los de acordo com os conhecimentos adquiridos em classe, permitindo a todos o entendimento do funcionamento e não apenas do modo de utilização dos inúmeros programas que são utilizados hoje em dia na produção cartográfica. Tais experiências vieram a se concretizar na realização de diversos trabalhos de iniciação à pesquisa, projetos de fim de curso e dissertações de mestrado, sempre na linha de desenvolvimento e implementação (em software matemático ou linguagem de programação de alto nível) de procedimentos fotogramétricos Motivação Tendo em vista os fatores anteriormente descritos, pode-se compor um pano de fundo para a situação da fotogrametria digital no Brasil. Em geral, os cursos que oferecem disciplinas relacionadas a fotogrametria apresentam uma escassez de equipamentos modernos, decorrente de uma falta de recursos generalizada. Conseqüentemente, a maioria dos engenheiros é formada sem qualquer treinamento formal em fotogrametria digital. No IME, a Estação DVP encontra-se defasada de sete anos, e o Kit SSK é alugado apenas por determinado período. Em revanche, houve um domínio da tecnologia adquirido nos últimos cinco anos, uma vez que os algoritmos de fotogrametria digital são, em geral, descritos nos manuais do gênero. Por fim, um projeto como este necessita de quatro componentes principais: pessoal, equipamento (computadores) e uma linguagem de programação que seja capaz de processar tais processos, além, é claro, do conhecimento, que atua como peça integradora dos três primeiros (Figura 1.2). Examinando esse diagrama, percebe-se que já se dispõe, no próprio IME, dos pré-requisitos necessários para a elaboração de um projeto deste porte, podendo o mesmo ser dividido em etapas, a curto e médio prazos, e estando o presente PROFIC enquadrado no primeiro caso. 17

18 Figura 1.2 Componentes do Projeto 18

19 2. Metodologia 2.1. O Projeto E-FOTO O conceito básico do Projeto E-FOTO envolve o desenvolvimento e o gerenciamento de uma Estação Fotogramétrica educacional. A configuração de uma estação fotogramétrica digital envolve vários módulos, que executam diferentes tarefas do fluxo de trabalho fotogramétrico (figura 2.1). Figura 2.1 Fluxograma do Projeto E-Foto Na escolha dos componentes, foi priorizada a abordagem monoscópica (ou seja, sem exibição estereoscópica) na maior parte dos casos, de modo a não limitar o projeto a 19

20 componentes específicos de hardware. O método de aerotriangulação escolhido foi o analítico, usando os princípios baseados na equação de colinearidade (resseção espacial e interseção espacial), que permitem a realização da orientação exterior em conjunto com a própria aerotriangulação, sem a necessidade de execução das etapas relativa e absoluta em separado, que demandavam um ajustamento baseado na eliminação da paralaxe e dos componentes de base by e bz. A abordagem educacional é expressa, principalmente, por dois pilares básicos: a gratuidade dos componentes e o auto-aprendizado Todos os componentes, sejam os programas, seja a literatura de apoio são distribuídos livremente, podendo ser acessados por qualquer usuário. O software, em especial, segue os princípios da Free Software Foundation, que podem ser enunciados como: A liberdade de executar o programa, para qualquer propósito (liberdade no. 0) A liberdade de estudar como o programa funciona, e adaptá-lo para as suas necessidades (liberdade no. 1). Acesso ao código-fonte é um pré-requisito para esta liberdade. A liberdade de redistribuir cópias de modo que um usuário possa ajudar ao seu próximo (liberdade no. 2). A liberdade de aperfeiçoar o programa, e liberar os seus aperfeiçoamentos, de modo que toda a comunidade se beneficie (liberdade no. 3). Acesso ao código-fonte é um prérequisito para esta liberdade. Fonte: [ 1 ] Entre as várias licenças que se enquadram na categoria software livre, foi escolhida a GNU GPL (GNU General Public License) para os programas e a GNU FDL (GNU Free Documentation License) para os textos elaborados. Para desenvolver os algoritmos fotogramétricos, foi escolhida a linguagem C++, dada a maior popularidade da sintaxe C, aliada à capacidade de orientação a objeto, o que facilita bastante o trabalho de programação. Aliado a isso, é utilizada a ferramenta Qt, que é, ao mesmo tempo, uma classe de biblioteca C++ e uma caixa de ferramentas GUI (Graphic User Interface). A escolha do Qt deu-se devido à sua gratuidade (livre para Unix e disponível em versão não-comercial para Windows) e por ser multiplataforma. Desse modo, todos os componentes podem ser compilados nos ambientes Unix, Windows e Macintosh livremente, obviamente, possuindo-se a versão do Qt para cada sistema operacional e um compilador C++ de qualidade (recomenda-se o G++ para Unix 20

21 e o Visual C++ para Windows). A filosofia de auto-aprendizado pressupõe a existência de três níveis que delimitam diferentes esferas de interação entre o usuário e o sistema. No nível 1, enquadram-se os usuários que desejam apenas realizar alguma tarefa fotogramétrica, utilizando, para isso, os executáveis. Para isso, há uma ajuda online de cada um dos módulos, que abrange sua utilização e conceitos básicos de fotogrametria. O usuário do nível 2, além de meramente aprender como utilizar os programas, quer entender o funcionamento dos mesmos. Para isso, conta com o e-book em fotogrametria digital (figura 2.2), que cobre todos os temas principais da fotogrametria. Neste tutorial, é dado o enfoque auto-explicativo, ensinando-se não apenas os princípios teóricos, mas também a montagem das equações e algoritmos. São atmbém apresentadas comparações entre diferentes métodos e resultados. Na confecção do tutorial, é priorizada a abordagem da auto-aprendizagem. Assim, a disciplina é apresentada de tal modo que não é necessário qualquer conhecimento prévio em fotogrametria. Figura 2.2 Tutorial de Fotogrametria Digital O tutorial foi projetado para ser composto por dez capítulos, a saber: 1. Introdução 2. Princípios Básicos 3. Orientação Interior 4. Correlação de Imagens 5. Orientação Exterior 6. Aerotriangulação Analítica 7. Retificação/Normalização 8. Extração de MDT 21

22 9. Ortorretificação 10. Restituição Digital Estes compõem o núcleo básico de assuntos em fotogrametria digital. Outros tópicos menos essenciais, porém, merecedores de destaque especial, estão planejados para futuras versões ao longo do desenvolvimento do projeto: I. Projeto de Vôo Fotogramétrico II. Fotogrametria Digital com Imagens de Satélite III. Fotogrametria Digital a Curtas Distâncias IV. Novas Tecnologias e Tendências Futuras Por fim, o usuário pode consultar o código-fonte. Este código está comentado, de modo a facilitar seu entendimento), verificando a aplicação dos métodos aprendidos. Além disso, para aqueles que têm acesso à Internet, a homepage da Área de Atuação Fotogrametria Digital (figura 2.3) apresenta toda a bibliografia nesta área desenvolvida no DE/6, bem como o estado de desenvolvimento do projeto E-FOTO. Figura 2.3 Homepage da Área de Atuação Fotogrametria Digital No nível 3, com o entendimento adquirido nos níveis 1 e 2, os usuários interessados podem participar ativamente do projeto, melhorando o código, enviando sugestões e desenvolvendo novos módulos e textos. Como conseqüência, o usuário, ao final do terceiro nível, estará preparado para o entendimento do processo de produção em um ambiente totalmente digital. A fotogrametria digital não será mais um mistério para ele, e o abismo que separa os 22

23 conceitos ensinados nas universidades e a realidade da prática das empresas será bastante reduzido. Mais importante que isso será a habilidade de criar e de desenvolver senso crítico, pois o usuário/estudante não será um mero executante ao contrário, terá aprendido os conceitos do funcionamento de uma estação fotogramétrica digital Objetivos do PROFIC Considerando as informações apresentadas no tópico anterior, os seguintes objetivos foram delimitados para este Projeto de Fim de Curso: Delineamento do arcabouço do Projeto E-FOTO; Com a finalidade de, através da presente documentação, assegurar uma base sólida para que outros trabalhos possam juntar-se ao projeto como um todo. Realização de todos os capítulos do e-book, ficando pendentes apenas os apêndices; Confecção da homepage da Área de Atuação Fotogrametria Digital, contendo o site do Projeto E-FOTO; Elaboração dos módulos: Definição de Projeto, Calibração de Câmara, Orientação Interior e Medição Digital; Efetiva utilização do material desenvolvido no DE/6 já no ano de 2002; Visa criar, no departamento, uma filosofia de utilização de sua própria solução em fotogrametria digital. Divulgação em nível nacional e internacional, angariando estudantes e pesquisadores, assim como fundos para um possível financiamento do projeto. Realizado através da apresentação do trabalho em dois simpósios: O Mid Term Symposium on New Approaches for Education and Communication, da Comissão 6 da ISPRS e o III Simpósio de Iniciação Científica do IME. Um cronograma para estas etapas é descrito na Tabela 2.1: Tabela 2.1 Cronograma 23

24 2.3. Métodos e Técnicas de Elaboração dos Componentes O primeiro dos componentes elaborados foi o programa de configuração de dados do projeto (Figura 2.4). Ele funciona da seguinte forma: são inseridos os respectivos valores nos campos correspondentes a cada um dos dados necessários para o projeto. Estes campos vão sendo armazenados na memória e, quando o usuário clica no botão salvar, os dados são, por sua vez, escritos em um arquivo.txt. Além destes dados, o programa computa o coeficiente de refração do ar de acordo com a fórmula descrita em [2]. Figura 2.4 Screenshots do Programa de Configuração do Projeto Os arquivos texto gerados (Figura 2.5) podem ser usados como relatórios de cada uma das etapas do projeto. Figura 2.5 Arquivo de Configuração de Projeto Os arquivos gerados em cada uma das versões podem ser lidos pelo outro programa, uma vez que os dados que importam ao software são apenas aqueles localizados em determinadas linhas do arquivo. O restante é apenas uma série de textos 24

25 que visam complementar o arquivo digital, de modo a utilizá-lo como um relatório. Figura 2.6 Ajuda para o Programa de Configuração de Projeto Figura 2.7 E-Book sobre Fotogrametria Digital Figura 2.8 Sobre o Projeto E-Foto Outros botões complementares do arquivo são: Novo arquivo (apaga todos os 25

26 campos), Abrir arquivo (abre arquivo de configuração de projeto já existente), Salvar arquivo (salva os dados em um arquivo tipo texto), Ajuda (exibe a ajuda online para o programa) Figura 2.6, Tutorial (leva à página de onde podem ser lidos os capítulos do e-book sobre Fotogrametria Digital) Figura 2.7, Sobre E-Foto (mostra dados do projeto) e Sair (fecha o aplicativo) Figura 2.8. O segundo dos componentes elaborados foi o programa de configuração de parâmetros de câmara (Figura 2.9). Ele contem uma série de campos que devem ser preenchidos com os dados constantes do respectivo certificado de calibração de câmara. Segue uma interface bem semelhante à do programa de configuração de projeto, com os mesmos botões. Os arquivos gerados (Figura 2.10) também são semelhantes, apenas havendo neles os dados relativos à câmara, e não ao projeto. Figura 2.9 Módulo de Parâmetros de Câmara Figura 2.10 Ajuda do Módulo de Parâmetros de Câmara 26

27 Com estes dados devidamente salvos em arquivos de configuração, pode-se realizar a primeira das operações fotogramétricas propriamente ditas: a Orientação Interior. Esta se dá através do programa de mesmo nome, cuja interface está representada na figura Figura 2.11 Orientação Interior O programa é composto de quatro janelas: a primeira, à esquerda, contém os comandos do programa. Abaixo desta, encontra-se a janela de visualização das marcas fiduciais, que contém todas as marcas exibidas em detalhe. A mais abaixo, à esquerda, exibe uma cópia do texto que será salvo em arquivo como parâmetros da orientação interior. Os botões da janela principal são semelhantes aos já apresentados nos dois módulos anteriores, à exceção de três: os dois primeiros, que servem para abrir os arquivos de configuração de projeto e de câmara e o quarto, que realiza a orientação interior e exibe os resultados em uma janela a parte. A seqüência operacional é a seguinte: O primeiro botão abre a caixa de seleção de arquivo de configurações de projeto. O segundo botão exibe a janela de abertura de arquivo de configuração de câmara. No momento em que o arquivo de câmara é aberto, o painel "Tipo de marcas fiduciais", situado imediatamente abaixo dos botões da janela principal, torna visível o tipo de marcas especificado no arquivo. O terceiro botão (abrir) exibe uma janela para seleção da imagem com a qual será realizada a orientação interior. São aceitos os seguintes formatos: bmp, xbm, xpm, pnm, png. São também suportados alguns tipos de jpeg. Dependendo do tamanho da imagem, será necessário algum tempo para a exibição da mesma. Em ambientes Windows, pode haver limitações no tamanho da imagem para sua exibição. 27

28 Aberta a imagem, o usuário a percorre com o mouse, e, instantaneamente, na janela "Marcas fiduciais", é exibido ampliado o trecho sob o mouse. Quando a cruzeta vermelha estiver sobre o centro da marca, deve-se clicar com o botão esquerdo do mouse. Surge uma janela a perguntar se as outras marcas devem ser localizadas automaticamente ou não. Se o processo escolhido for o manual, o programa automaticamente posicionará a imagem próxima à segunda marca fiducial, uma vez que o posicionamento das marcas foi definido no arquivo de configuração de câmera. O processo deve ser repetido até que se chegue à última marca. Caso a opção automática seja escolhida, o programa apenas exibibe as marcas selecionadas automaticamente para conhecimento do operador. Esse processo é mais demorado e não é totalmente garantido. Na dúvida, deve-se usar a opção manual. Em todo caso, ao se chegar ao final por qualquer um dos métodos, o programa pergunta se o usuário está de acordo com as marcas medidas (Figura 2.12). Se não estiver, pode-se refazer o processo. Figura 2.12 Questionamento ao Usuário A janela "marcas fiduciais" (Figura 2.13) exibe todas as marcas selecionadas. Figura 2.13 Janela Marcas Fiduciais Com as marcas selecionadas, pode-se executar a orientação interior clicando-se neste botão. Há dois métodos: afim e similaridade. Eles são selecionados na janela principal, abaixo dos botões. Surgirá uma janela com as estatísticas do processo, bem como uma informação sobre a qualidade do ajustamento. 28

29 A janela chamada "arquivo" (Figura 2.14) exibe as informações que serão salvas, através do quinto botão, em um arquivo.txt, que será o arquivo de configuração da orientação interior para aquela imagem. Figura 2.14 Janela Arquivo Como já descrito, os modelos matemáticos empregados para realizar a orientação interior são as transformações afim e de similaridade, que podem ser utilizados, por sua vez, como ferramentas computacionais para o aprendizado de modelos matemáticos, como La (observações ajustadas), Xa (parâmetros ajustados), MVC (matriz variância covariância), etc (Figura 2.15). As operações matemáticas de adição, multiplicação e inversão de matrizes foram implementadas como funções do próprio programa, não exigindo, assim, a necessidade de bibliotecas matemáticas. Figura 2.15 Exemplos de Resultados Obtidos com as Transformações Afim e de Similaridade 29

30 O último dos módulos elaborados como objetivo para este trabalho é o módulo de medição digital (Figura 2.16). Este realiza a medição de coordenadas no sistema imagem de pontos de campo e fotogramétricos, a serem salvos em um arquivo para posterior processamento em um programa de aerotriangulação. Figura 2.16 Programa de Medição Digital 30

31 3. Resultados 3.1. Desempenho dos Programas Os módulos elaborados foram exaustivamente testados quanto à correção dos algoritmos utilizados. Para isso, protótipos de aplicativos elaborados utilizando-se o programa matemático MathCAD foram empregados (figura 3.1). Figura 3.1 Algoritmo de Teste em Planilha MathCAD Outros testes foram realizados quanto à funcionalidade dos programas utilizados. Foi verificado que, em programas compilados utilizando as bibliotecas Qt Non- Commercial for Windows, imagens maiores que cerca de 2000 X 2000 pixels não eram exibidas (as barras de rolagem se deslocavam para compensar o tamanho da imagem, porém esta era representada como um grande retângulo cinza). As funções de zoom, entretanto, continuavam normalmente (ao se passar o mouse sobre ela, o trecho correspondente surgia ampliado na janela lateral). Consultando o manual online das bibliotecas, descobriu-se que este problema era corriqueiro em ambiente Windows, utilizando-se a versão não-comercial. Com a biblioteca livre para Linux, isto não ocorreria. Em testes realizados em uma compilação sob o ambiente Linux Red Hat 7.2, imagens de 5000 X 5000 pixels foram exibidas normalmente. Não se determinou o tamanho máximo passível de ser aberto, porém, o tamanho dado acima é aceitável para o uso educacional da fotogrametria. 31

32 3.2. Utilização do Material Didático De modo a se testar o uso efetivo dos textos do e-book sobre Fotogrametria Digital, uma pesquisa de opinião foi encaminhada aos alunos da disciplina Fotogrametria Digital, do 4 o Ano de Graduação em Engenharia Cartográfica do Instituto Militar de Engenharia durante o ano de Os textos foram entregues impressos em tons de cinza, para serem copiados. A versão dos mesmos é a que acompanha este trabalho, como anexo. Antes de se distribuir o questionário, o projeto E-FOTO foi apresentado à turma em um tempo de aula. Público-Alvo: 2 Primeiros-Tenentes do Curso de Graduação 1 Tenente Peruano do Curso de Graduação 5 Alunos (Praças Especiais) do Curso de Formação e Graduação / Ativa Sexo: 8 Homens / 0 Mulheres Nível de Conhecimento de Fotogrametria: 6 cursaram regularmente as disciplinas Fotogrametria Básica, Fotogrametria Analítica e Fotogrametria Digital; 1 cursou regularmente as disciplinas Fotogrametria Básica, Fotogrametria Analógica (hoje extinta), Fotogrametria Analítica e Fotogrametria Digital, além de realizar Iniciação à Pesquisa em Fotogrametria; 1 cursou regularmente as disciplinas Fotogrametria Básica, Fotogrametria Analítica e Fotogrametria Digital, além de realizar Iniciação à Pesquisa em Fotogrametria e ser bolsista do CNPq em Iniciação Científica também na área de Fotogrametria. Apesar de ter sido aplicado a uma turma de oito alunos, amostra que não permite realizar inferências estatísticas sobre a aceitação ou rejeição do trabalho, ressaltam-se os resultados constantes abaixo: Questionário Proposto: 1) Como o Sr. / a Sra. avalia o material didático? ( )Excelente ( )Bom ( )Regular ( )Ruim ( )Péssimo 2) Na sua opinião, qual é o grau de importância deste material? ( )Altíssimo ( )Alto ( )Médio ( )Baixo ( )Baixíssimo 3) Qual foi o seu grau de compreensão dos modelos e exemplos apresentados? ( )Altíssimo ( )Alto ( )Médio ( )Baixo ( )Baixíssimo 4) O texto apresentou-se claro, de fácil entendimento? ( )Totalmente ( )Parcialmente ( )Não está claro 32

33 5) A leitura suscitou alguma mudança de interesse pela fotogrametria? ( )Totalmente ( )Parcialmente ( )Não houve mudança 6) Acrescente, caso seja de seu interesse, alguns comentários sobre o assunto. Dentre as respostas coletadas, pôde-se traçar um perfil médio das opiniões emitidas. Cabe lembrar que, devido ao pequeno número de componentes da amostra, é impossível elaborar qualquer tipo de análise estatística. A maioria dos entrevistados considerou o material excelente, tendo este grau de importância alto. O grau de compreensão dos modelos e exemplos apresentados foi médio para a maior parte dos envolvidos na pesquisa. Eles também consideram o texto totalmente claro, porém não consideram que a leitura tenha suscitado algum tipo de mudança de interesse pela fotogrametria Sugestões para Trabalhos Futuros Como sugestões naturais para trabalhos futuros, pode-se citar: o desenvolvimento do módulo de aerotriangulação e dos quatro apêndices do e-book. Outro fator essencial que ainda encontra-se pendente é um módulo para visualização estereoscópica que se incorpore às fases posteriores do projeto. Convém ressaltar que estes são objetivos de necessidade imediata, ficando os subseqüentes condicionados ao fluxograma que se encontra na figura

34 4. Conclusões O trabalho realizado permitiu a identificação de algumas necessidades básicas do público que estuda, ensina ou trabalha com fotogrametria. A partir das soluções adotadas, algumas observações puderam ser traçadas. Primeiramente, pode-se verificar a necessidade que os países em desenvolvimento, em especial o Brasil, têm de diminuir o abismo tecnológico na área de fotogrametria digital. Conseqüentemente, insere-se o conceito de um conjunto de programas aliado a ferramentas educacionais como uma solução viável para que se consiga a redução deste abismo. Além disso, a experiência de produção de literatura no âmbito do IME coroa o pioneirismo conquistado nesta área do conhecimento. O projeto E-FOTO em si surge, naturalmente, como decorrência natural de todo esse esforço. Como uma palavra final, espera-se ter pavimentado o caminho para a diminuição do abismo tecnológico acima referido. 34

35 5. Referências Bibliográficas [1] O que é o Software Livre? O Projeto GNU e a Fundação para o Software Livre. em 05/06/2002. [2] Schenk, Toni. Digital Photogrammetry Volume I. TerraScience. 1a Ed. Estados Unidos: