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DSOLFDo}HV�D�FXUWD�GLVWkQFLD��

Antonio Maria Garcia TOMMASELLI* João Fernando Custódio da SILVA

Júlio Kyioshi HASEGAWA Maurício GALO

Aluir Porfírio DAL POZ O termo fotogrametria deriva das palavras gregas SKRWRV��que significa luz, JUDPPD, que significa algo desenhado ou escrito e PHWURQ, que significa "medir". Portanto, Fotogrametria, de acordo com suas origens, significaria "medir graficamente usando luz".

A definição de Fotogrametria até a década de 60 era: "FLrQFLD�H�DUWH�GH�REWHU� PHGLGDV� FRQILiYHLV� SRU� PHLR� GH� IRWRJUDILDV�� (American Society of Photogrammetry)��Com o advento de novos tipos de sensores uma definição mais abrangente de Fotogrametria foi proposta também pela $PHULFDQ�6RFLHW\�RI�3KRWRJUDPPHWU\ em 1979, como sendo: ")RWRJUDPHWULD�p�D�DUWH��FLrQFLD�H�WHFQRORJLD�GH�REWHQomR�GH�LQIRUPDomR�FRQILiYHO�VREUH�REMHWRV�ItVLFRV�H�R�PHLR�DPELHQWH� DWUDYpV� GH� SURFHVVRV� GH� JUDYDomR�� PHGLomR� H� LQWHUSUHWDomR� GH�LPDJHQV� IRWRJUiILFDV� H� SDGU}HV�GH� HQHUJLD� HOHWURPDJQpWLFD� UDGLDQWH� H�RXWUDV�IRQWHV��� A Fotogrametria aérea (ou $HURIRWRJUDPHWULD) é uma subdivisão da Fotogrametria, na qual as fotografias do terreno são tomadas por uma câmara de precisão montada em uma aeronave. O termo )RWRJUDPHWULD� 7HUUHVWUH é utilizado quando as fotografias são tomadas de uma posição fixa no terreno (normalmente conhecida). A )RWRJUDPHWULD� (VSDFLDO compreende todos os casos de fotografias ou imagens extraterrestes e as medições subsequentes, onde a câmara estiver fixada na terra, na lua, em um planeta ou num satélite artificial. A )RWRJUDPHWULD� D� FXUWD� GLVWkQFLD é utilizada na Arquitetura, Medicina, Indústria, Engenharia, e pressupõe a proximidade entre a câmara e o objeto a ser fotografado.

Além destes termos, o advento da tecnologia de imageamento de vídeo, de dispositivos de digitalização e de câmaras digitais, têm permitido a coleta de * Profs. do Depto. De Cartografia. E-mail: tomaselli@prudente.unesp.br; jfcsilva@prudente.unesp.br; hasegawa@prudente.unesp.br; galo@prudente.unesp.br; aluir@prudente.unesp.br.

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dados para fotogrametria de modo semelhante à coleta de imagens de satélite, mas com finalidades bem diferentes, por exemplo, aplicações industriais. Este novo ramo da fotogrametria têm recebido várias denominações: YLGHRJUDPHWULD��YLGHRPHWULD�� IRWRJUDPHWULD�HOHWU{QLFD, IRWRJUDPHWULD�GLJLWDO�� IRWRJUDPHWULD�HP�WHPSR� UHDO�� entre outros. Entretanto, estes termos podem perfeitamente ser abrangidos pela definição geral de fotogrametria; apenas considerando que os dados são coletados eletronicamente e convertidos em uma representação digital, a imagem.

A Fotogrametria a curta distância começou a ser desenvolvida na Unesp-Presidente Prudente, a partir de 1982, quando foram adquiridos instrumentos apropriados para esta finalidade, quais sejam: duas estereocâmaras, um fototeodolito e um restituidor para fotogramas terrestres, todos da Zeiss Jena. Mais recentemente foi adquirida uma câmara fotogramétrica UMK-1318 Zeiss Jena, com acessórios para tomadas aéreas e terrestres. Com o aporte destes recursos vários projetos e experimentos foram levados a efeito. Um dos primeiros projetos foi o levantamento de monumentos históricos de Presidente Prudente, desenvolvido em 1983, como resultado de um convênio entre a Fundação Museu Histórico Municipal e a Unesp, campus de Presidente Prudente. Neste projeto 7 monumentos de interesse histórico foram fotografados usando as estereocâmaras e o fototeodolito. Alguns destes monumentos, como o prédio sede do Museu e o Hotel Municipal tiveram suas fachadas restituidas. Todo este trabalho subsidiou tecnicamente o início de um processo de tombamento destes monumentos pelo Patrimônio Histórico Municipal. Em 1986 iniciou-se uma linha de trabalho voltada para o emprego de câmaras não métricas (de pequeno formato) em Fotogrametria (Tommaselli, 1986). Inicialmente buscaram-se aplicações cartográficas (Amorim e Tommaselli, 1989), particularmente para o cadastro urbano e rural. Posteriormente, foram desenvolvidos procedimentos visando a aplicação das câmaras não métricas em bioestereometria (Oliveira e Hasegawa, 1992). Esta aplicação foi escolhida porque o câmpus conta com um curso de Fisioterapia e as demandas por diagnósticos de uma série de patologias apontavam para a fotogrametria como uma das técnicas alternativas. Atualmente, alguns projetos em andamento procuram investigar as aplicações das imagens digitais em fotogrametria a curta distância. Entretanto, a metodologia convencional não foi abandonada. Com a aquisição da câmara Zeiss UMK, foi possível desenvolver vários projetos. Como exemplo, pode-se

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citar o levantamento de estruturas da Petrobrás, através de um convênio de cooperação técnico-científico com a empresa ESTEIO S/A. O advento das câmaras digitais trouxe novo impulso à área de Fotogrametria a curta distância, devido ao potencial de automação nos processos e à possibilidade de obter respostas em tempo real. Em 1994 foi adquirida uma câmara Kodak DC40 (Tommaselli, 1994), para a implementação de um sistema com luz estruturada, projeto financiado pelo CNPq. Posteriormente, com um novo financiamento da Fundunesp e da CESP, para diferentes projetos, foram adquiridas 3 câmaras de média resolução Kodak DC210 (Tommaselli, 1996). Entre estes projetos estava o de salvamento arqueológico no Rio Paraná. Em 1998 foram adquiridas câmaras de vídeo digital para o desenvolvimento de um sistema de mapeamento móvel (Silva, 1997). Além dos problemas mencionados, vários projetos de pesquisa tem abordado problemas de curta distância, buscando soluções inovadoras. Entre as aplicações estudadas estão a Visão Robótica (Tommaselli, 1993), a calibração de câmaras (Galo, 1993; Dal Poz, 1989), a identificação cranio-facial (Palhares et al, 1993), a reconstrução de superfícies com técnicas de sombreamento (Hasegawa, 1997; Galo e Tozzi, 1996) e técnicas de orientação relativa automáticas (Galo e Tozzi, 1999). Atualmente, encontram-se em fase final de desenvolvimento um sistema fotogramétrico para reconstrução de superfícies em tempo real (Tommaselli, 1998) Em 1999, com recursos da Fapesp, foram adquiridos dois sistemas fotogramétricos digitais Socet Set da empresa Leica-Systems, para apoiar o desenvolvimento de vários projetos de pesquisa. Nas seções seguintes serão descritos resumidamente alguns projetos de pesquisa já concluídos e outros em andamento.

%LRHVWHUHRPHWULD� A Bioestereometria, ou Fotogrametria Médica, trata das aplicações da Fotogrametria à Curta Distância no campo da medicina, normalmente para extrair medidas da forma e dimensões do corpo humano. Esta aplicação da Fotogrametria é conhecida e empregada há vários anos (Atkinsons, 1980), apresentando resultados altamente confiáveis. Entretanto, dada a alta especificidade dos equipamentos empregados e do pessoal técnico necessário, esta aplicação sempre manteve-se em um nível experimental, sem passar para um processo de produção em larga escala. Uma série de vantagens podem ser enumeradas, como a ausência de contato com o

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paciente e o uso de luz visível, evitando radiação, quando se utilizam os processos convencionais. Para evitar o uso de câmaras fotogramétricas convencionais, devido ao seu alto custo, Oliveira e Hasegawa (1992) desenvolveram uma metodologia para o emprego de câmaras não métricas em bioestereometria. A metodologia baseava-se no modelo matemático da Transformação Linear Direta (DLT) desenvolvida por Abdel-Aziz e Karara (1970) e utilizava como plataforma de coleta de dados um par de câmaras de amador (35mm). Os resultados obtidos estimularam a continuidade dos experimentos. Foram desenvolvidos, posteriormente, dois trabalhos científicos de final de curso envolvendo alunos de Fisioterapia e de Engenharia Cartográfica e docentes dos Departamentos de Cartografia e Fisioterapia. Ferreira et al (1993) empregaram uma metodologia fotogramétrica para avaliar a alteração postural de mulheres submetidas à mastectomia radical unilateral. Observou-se que as mulheres mastectomizadas, tratadas no ambulatório de Fisioterapia da FCT-Unesp, apresentavam algum tipo de alteração de postura. Para quantificar esta alteração, 15 pacientes foram avaliadas através dos processos convencionais de fisioterapia e da bioestereometria. Os pacientes foram fotografados nas posições antero-posterior e póstero-anterior, usando um par de câmaras não-métricas 35mm. Foi utilizada uma estrutura metálica, contendo 12 pontos de apoio, que permitiram o cálculo dos parâmetros da Transformação Linear Direta (12 parâmetros por câmara). Para facilitar a pontaria no estereocomparador, foi projetado um grid sobre o corpo das pacientes, usando um retroprojetor. Os pares foram, então, medidos no estereocomparador Stecometer C Zeiss Jena, com uma precisão de 0.002mm. Uma vez tomados e medidos todos os estereopares, foram calculadas as coordenadas dos pontos no corpo de cada paciente a partir dos parâmetros da DLT. Para visualizar o perfil e a "planta" do paciente, considerando as coordenadas dos pontos da malha projetada, obtida por Fotogrametria, foi elaborado um programa em linguagem C. Com estes gráficos e a lista de coordenadas foi possível quantificar as alterações posturais de cada paciente. Verificou-se que, em todos os casos estudados, a avaliação fotogramétrica foi compatível com a avaliação convencional, com a vantagem da quantificação numérica. Os níveis de precisão obtidos, entretanto, não foram aqueles esperados, devido aos problemas na iluminação, na identificação dos alvos e na coleta das fotos. Outra aplicação bastante mencionada na literatura é a avaliação de escoliose usando Fotogrametria. Parisotto et al (1994) aplicaram os procedimentos de bioestereometria desenvolvidos na FCT-Unesp, para avaliar a

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escoliose idiopática em crianças em idade escolar. Uma amostra de 10 crianças, com escoliose idiopática, na faixa etária de 10 a 13 anos de idade, foi analisada no ambulatório de Fisioterapia usando o processo desenvolvido pelo Departamento de Cartografia. Este processo, descrito anteriormente, é baseado no modelo da DLT, e processa fotos obtidas com câmaras não métricas. As crianças foram analisadas tanto pelo processo fotogramétrico quanto pelos processos convencionais. Um dos maiores problemas na bioestereometria é a medição estereoscópica, pois a pele humana possui uma tonalidade aproximadamente homogênea, com baixo contraste. No exemplo anterior, para facilitar a pontaria, foi projetado um grid nos pacientes, definindo um padrão para a pontaria. No caso de avaliação da escoliose foram colados alvos nos processos espinhosos, da sétima cervical à quinta lombar, além das escápulas. O objetivo do procedimento fotogramétrico era o de determinar as coordenadas 3D destes pontos. Para permitir uma análise quantitativa foi desenvolvido um programa em C que gera um gráfico mostrando o alinhamento dos processos espinhosos, e a assimetria de escápulas. Da análise dos gráficos gerados em comparação com as listas de coordenadas, foi possível quantificar, em todos os casos, o grau de escoliose. Todas a crianças foram radiografadas e foram determinados os ângulos de Ferguson e Cobb. Estes mesmos ângulos foram calculados a partir das coordenados dos processos espinhosos, obtidas pelo processo fotogramétrico. A comparação dos resultados revelou que os ângulos de Ferguson obtidos pelo processo fotogramétrico, foram semelhantes em todos os casos. Já os ângulos de Cobb apresentaram algumas discrepâncias, particularmente naqueles pacientes, com um alto grau de assimetria. Isto demonstrou a necessidade de estudar mais profundamente as causas destas discrepâncias, embora tenha se verificado que o método fotogramétrico permite a correta avaliação da escoliose com a vantagem de dispensar o uso de Raios X. /HYDQWDPHQWRV�DUTXHROyJLFRV� A Fotogrametria Terrestre têm sido usada com freqüência para apoiar os trabalhos de arqueologia. A Unesp, campus de Presidente Prudente, têm uma larga experiência na recuperação de sítios arqueológicos na região de Presidente Prudente. Mais recentemente, entretanto, algumas áreas a serem inundadas com o fechamento da represa da hidroelétrica de Porto Primavera, passaram a exigir um trabalho sistemático, para o salvamento dos sítios existentes nestas áreas.

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a)

b)

Figura 1 - a) Suporte para fixação das câmaras digitais para tomadas fotográficas verticais. b) Sistema Fotogramétrico Digital - Restituição dos achados arqueológicos.

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Utimura et al (1994) estudaram a aplicação da Fotogrametria no levantamento de sítios arqueológicos, com a finalidade de registrar as várias etapas e os vários níveis em que os artefatos arqueológicos foram encontrados. Entre as várias possibilidades, optaram por investigar a utilização de fotos oblíquas obtidas a partir de câmaras não métricas e de imagens de vídeo. As tomadas seriam feitas a partir de andaimes posicionados nas proximidades do sítio, de modo a permitir a tomada fotográfica de todo o sítio. As coordenadas de alguns pontos de apoio foram utilizadas para calcular os parâmetros da DLT para cada foto do estereopar oblíquo. Com estes parâmetros foram, então, calculadas as coordenadas dos pontos de interesse no sítio arqueológico. Os autores estudaram, ainda, a exatidão desta metodologia, a partir de uma área teste no câmpus e compararam os resultados com os requisitos da Arqueologia. Hasegawa et al (1999) desenvolveram uma metodologia utilizando a Fotogrametria Digital na determinação das coordenadas dos achados arqueológicos, com a finalidade de agilizar as atividades de campo, devido ao curto espaço de tempo disponível para explorar vários sítios arqueológicos ao longo da margem Rio Paraná. Para tanto, foi desenvolvida uma metodologia para tomadas fotográficas conforme as características da câmara digital (DC 210 – Kodak), resultando numa estrutura mostrada na figura 1-a. O modelo matemático básico de reconstrução (Orientação Exterior) são as equações de colinearidade, cuja aplicação pressupõe o pré-refinamento das coordenadas. Para tanto, foi realizada uma pré-calibração da câmara digital, usando como campo de teste uma estrutura conhecida como alvo. A restituição das peças foi realizada utilizando-se o mesmo modelo adotado na aerofotogrametria, sendo que somente as dimensões espaciais envolvidas são alteradas. Assim, foi implementado um protótipo (ilustrado na figura 1-b) que permita a visualização de duas imagens digitais propiciando medidas nos pontos de interesse. 6LVWHPD�IRWRJUDPpWULFR�FRP�OX]�HVWUXWXUDGD�� Vários problemas que demandam a geração do modelo numérico de uma cena tem sido resolvidos por Fotogrametria à curta distância convencional, empregando métodos estereofotogramétricos. Entretanto, a necessidade de resposta em tempo real, requisito de algumas aplicações, propiciou a criação de sistemas de aquisição de imagens tridimensionais, conhecidas na literatura como imagens "range". Os equipamentos que geram estas imagens são denominados "range finders" ou, mais recentemente, "scanners 3D".

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Várias soluções tem sido empregadas para evitar a tradicional configuração estereo (duas câmaras), devido ao alto custo computacional da etapa de determinação de correspondência, nesta abordagem. Neste projeto adotou-se uma abordagem alternativa, com um protótipo de baixa complexidade de hardware. Este sistema baseia-se em um projetor de padrões, em uma câmara digital e em software de processamento de imagens que, integrados permitem a captura e a reconstrução de imagens. Vários processos foram desenvolvidos, destacando-se a calibração do sistema câmara projetor (Tommaselli, 1998) e o reconhecimento automático dos alvos projetados (Scalco e Tommaselli, 1999).

8QLGDGH�PyYHO�GH�PDSHDPHQWR�GLJLWDO�

O rápido desenvolvimento da tecnologia e a disseminação de métodos cartográficos de análise de problemas espaciais e ambientais estão demandando rapidez, eficiência e economia nos métodos de obtenção de informações geográficas. Um dos novos métodos de levantamento são os 6LVWHPDV�0yYHLV�GH�0DSHDPHQWR�'LJLWDO (SMMD), cuja configuração básica é composta de um par de câmaras digitais, um receptor GPS e um sistema de armazenamento e de acesso às imagens. MovMap é a sigla do sistema em

A3B�C3D�E�F G H�I DKJ"LNMOPD�MRQ3M

S�T3D�E"U�B3E�M,Q3M,VXWRLNMRE�M

Y MRQ3E�ZRD�[ Y E�\"]"D�U�M^Q3\R[

Figura 2 - Protótipo do sistema fotogramétrico com luz estruturada em funcionamento

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desenvolvimento, desde 1998, no câmpus da Unesp - Presidente Prudente, constituído por um veículo (VW kombi), um par de vídeo-câmaras digitais, um receptor GPS e uma estação computacional de processamento de imagens. As aplicações em foco são de apoio às atividades de planejamento e engenharia urbanas, tais como: água e esgoto; força e luz; telecomunicações em geral; correios; sinalização de trânsito (horizontal e vertical); circulação de veículos e pedestres; pavimentação (situação do leito carroçável); prédios e edificações de interesse histórico e cultural; parques, jardins e arborização; estética urbana; mercado imobiliário; etc.

Figura 3 - Unidade Móvel de Mapeamento Digital

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Figura 4 - Estereopar obtido com as câmaras do Unidade Móvel de Mapeamento Digital. CDOLEUDomR�GH�FkPHUDV�GLJLWDLV�

O uso de câmaras de vídeo em atividades métricas tem crescido consideravelmente nos últimos anos. Este crescimento se deve à rapidez na obtenção de imagens, o que facilita sobremaneira o processo de aquisição, uma vez que não é necessário controlar os disparos, o tempo de exposição, etc. Obtida a seqüência de imagens pode-se selecionar, no gabinete, as cenas que se deseja utilizar no processamento. No entanto a qualidade geométrica de imagens obtidas com este sensor é inferior a de imagens adquiridas com câmaras digitais matriciais e câmaras métricas. Galo et al (1999) avaliaram a qualidade geométrica da câmara de vídeo Panasonic (modelo NV-S5). Para esta análise foi coletada uma seqüência de imagens sobre um campo de testes tridimensional. Desta seqüência foram selecionadas algumas imagens e digitalizadas em um IUDPPH�JUDEEHU. Foram realizados vários experimentos

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de calibração e verificados os resultados de reconstrução de pontos no espaço objeto. Foi empregado o método de auto-calibração por feixes de raios com parâmetros adicionais, no qual pode-se fazer a opção de seleção dos parâmetros de distorção radial simétrica e descentrada, dos parâmetros de afinidade e posição dos centros perspectivos, tanto para processamento no modo bloco-variante quanto foto-variante. O software empregado foi o de autocalibração por feixes de raios, desenvolvido por M. Galo (Galo, 1998).

Figura 5 - Exemplo de uma das imagens da placa de calibração. &RQFOXVmR� O objetivo principal deste trabalho foi o de apresentar sucintamente alguns dos projetos desenvolvidos e em desenvolvimento no Departamento de Cartografia, na área de Fotogrametria a Curta Distância. Vários outros projetos desenvolvidos não puderam ser mencionados, por não estarem suficientemente documentados. É importante ressaltar que além das aplicações de curta distância, são desenvolvidos estudos e projetos em Aerofotogrametria e em áreas afins, particularmente Sensoriamento Remoto e SIG, mas a descrição destes projetos foge ao escopo deste trabalho. Espera-se, para os próximos anos, o desenvolvimento de técnicas fortemente baseadas em Fotogrametria Digital. As aplicações de curta distância merecerão atenção redobrada, especialmente porque a Fotogrametria Digital permitirá a eliminação da maior parte dos empecilhos à disseminação da Fotogrametria. Os custos dos equipamentos estão em declínio e a possibilidade de automatização dos sistemas reduz a necessidade de pessoal altamente

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especializado. Deste modo, sistemas de Fotogrametria poderiam ser empregados e operados em hospitais, clínicas, empresas de engenharia, indústria, etc... %LEOLRJUDILD� ABDEL-AZIZ, Y.I.; KARARA, H.M. Photogrammetric potential of non-metric

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