DESARROLLO DE UN SISTEMA DE VISIÓN ESTEREOSCÓPICA APLICADO A LOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS

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1 XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA GRÁFICA DESARROLLO DE UN SISTEMA DE VISIÓN ESTEREOSCÓPICA APLICADO A LOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS SUÁREZ QUIRÓS, Javier (1); MARTÍN GONZÁLEZ, Santiago; RUBIO GARCÍA, Ramón; GALLEGO SANTOS, Ramón (1) Universidad de Oviedo, España Escuela de Ingenieros Técnicos Industriales de Gijón, Departamento de Construcción e Ingeniería de Fabricación, Área de Expresión Gráfica en la Ingeniería Correo electrónico:quiros@uniovi.es RESUMEN Se presentan los resultados de los trabajos realizados hasta el momento en el Área de Expresión Gráfica en la Ingeniería de la Escuela de Ingenieros Técnicos Industriales de la Universidad de Oviedo en colaboración con la delegación de Oviedo del Instituto Tecnológico Geominero de España, ITGE. Los estudios geológicos utilizan como herramienta de apoyo fotografías aéreas estereoscópicas. Hasta el presente, se utilizan fotografías en papel y visores manuales, lo que ocasiona problemas de cansancio visual e ignora las posibles sinergias del trabajo sobre ordenador personal. Se analiza la viabilidad de un procedimiento alternativo. Para ello se definen los equipos y programas necesarios para trabajar directamente sobre ordenador personal. De las distintas soluciones tecnológicas, se profundiza en las llamadas gafas obturadoras (shutter glasses). Se estudia también la problemática de generación del par estereoscópico en formato digital. Finalmente, se discuten las necesidades de desarrollo de software para la señalización de los elementos estructurales identificados en el terreno. Palabras clave: Visión estereoscópica, gafas obturadoras, realidad virtual, fotogeología. ABSTRACT This communication summarizes the results of the works carried out by the Area of Graphic Expression in the Engineering of the School of Industrial Technical Engineers of the University of Oviedo, in collaboration with the Oviedo office of the Mining Technical

2 Institute. The geologic studies use as tool of support stereoscopic air pictures. Until now, pictures are seen using manual viewers. It causes problems of visual fatigue and it ignores the possible synergies of the work with personal computers. The viability of an alternative procedure is analyzed. The hardware and the software needed to work directly on personal computer is defined. Of the different technological solutions, there are selected the shutter glasses. It is also studied the problem of the generation of the stereoscopic pair in digital format. Finally, the necessities of software development for the drawing of the identified structural elements in the land are discussed. Key words: Stereoscopic vision, shutter glasses, virtual reality, photogeology. 1. Introducción La fotogeología es la rama de la fotointerpretación encargada de estudiar los sucesos geológicos a través de las fotografías aéreas [2, 3]. Mediante la composición de pares estereoscópicos, el experto identifica diferentes rasgos geológicos en el terreno. Este proceso se realiza habitualmente sobre fotografías aéreas de gran calidad, utilizando visores estáticos como los mostrados en la Figura 1. El trazado de los elementos estructurales identificados se realiza sobre las propias fotografías. Evidentemente, este sistema tradicional de trabajo presenta diversos inconvenientes. En primer lugar, es un procedimiento que provoca cansancio visual por diversos motivos. Las imágenes deben ser ajustadas sobre la mesa de trabajo manualmente, desplazando el visor sobre ellas para estudiar las distintas áreas. Además, la anotación de los elementos estructurales identificados exige retirar la vista del visor y reacomodarla directamente sobre la fotografía. En una segunda categoría de inconvenientes se incluiría la baja utilidad del documento finalizado, pues las anotaciones se realizan sobre la fotografía manualmente, dificultando la integración de esta información en una oficina técnica. Conscientes de estas limitaciones, el Área de Expresión Gráfica en la Ingeniería de la Escuela de Ingenieros Técnicos Industriales de Gijón ha iniciado una colaboración con la delegación de Oviedo del Instituto Tecnológico Geominero de España, ITGE. Se analiza la viabilidad de un procedimiento alternativo. Para ello se definen los equipos y programas necesarios para trabajar directamente sobre ordenador personal. De las distintas soluciones tecnológicas, se profundiza en las llamadas gafas obturadoras (shutter glasses). Se estudia también la problemática de generación del par estereoscópico en formato digital. Finalmente, se discuten las necesidades de desarrollo de software para la señalización de los elementos estructurales identificados en el terreno.

3 Figura 1. Modelos de estereoscopios: de espejos (izquierda) y de lentes (derecha). 2. Fundamentos y tecnologías de visión estereoscópica Visión estereográfica y señales de profundidad La visión del Hombre es binocular, esto quiere decir que el cerebro humano interpreta la realidad a partir de dos imágenes con pequeñas diferencias entre ellas, debidas a la separación entre los ojos, que varía alrededor de los 65 mm de media. La disparidad o paralaje entre estas imágenes es uno de los elementos utilizados por el cerebro para percibir la profundidad de una imagen. Evolutivamente, todas las especies que precisan de una percepción muy exacta de la profundidad, particularmente los depredadores, poseen visión binocular estereoscópica, pues el ángulo de visión de ambos ojos se solapa en un alto porcentaje. Aquellas especies que, por el contrario, precisan únicamente de un control de su entorno, como es el caso de los herbívoros, no poseen visión estereoscópica, pues cada ojo percibe imágenes de un área diferente. Realmente no es la disparidad retinal la única señal de profundidad utilizada por el cerebro para percibir la tridimensionalidad del entorno. De hecho, estas otras señales permiten interpretar adecuadamente la profundidad de una imagen plana. También permiten desenvolverse con soltura en el espacio a individuos con dificultades severas de visión en uno de los ojos. De forma resumida, otras señales de profundidad son: - Perspectiva cónica. Que los objetos disminuyan aparentemente de tamaño al alejarse o que las líneas paralelas converjan constituyen señales de profundidad básicas. - Interposición o solapamiento. Los objetos próximos tapan a los objetos más alejados. El perfil de un objeto relativamente próximo puede obtenerse cambiando de punto de vista. - Iluminación y sombreado. La tridimensionalidad de los objetos se ve realzada por medio de la iluminación lateral, pues se intensifican los efectos de luz y sombra.

4 - Atenuación y desplazamiento cromático al azul. Los objetos lejanos, por efecto de la difracción de la luz en la atmósfera aparecen más difuminados. Por el mismo motivo, se observa un desplazamiento cromático hacia los tonos azules en los objetos más alejados. - Enfoque. Para percibir nítidamente el objeto observado, tanto el ojo humano como el objetivo de una cámara fotográfica deben adaptarse, teniendo en cuenta la distancia a que se encuentre. Creación y visualización de imágenes estereoscópicas Históricamente, se atribuye al físico Charles Wheatstone ( ) la interpretación de los fundamentos de la visión estereoscópica, en el siglo XIX, si bien existen antecedentes que se remontan al siglo XVI e incluso antes. El desarrollo de la fotografía durante ese siglo conduce a la aparición de las primeras cámaras estereoscópica y de los primeros visores estereoscópicos. En estos visores, las fotos que constituyen el par estereográfico son montadas una junto a otra (en un cartón si son positivos o en un cristal si se trata de diapositivas), reduciéndose el visor a unas lentes que facilitan la acomodación de la vista (enfoque) y que garantizan que cada ojo perciba únicamente la imagen que le corresponde. Este es, en última instancia el fundamento de los sistemas de creación y visualización de imágenes estereoscópica: captar dos imágenes de un mismo entorno a partir de dos puntos de vista diferentes, para luego conseguir, mediante distintos sistemas, que cada ojo perciba únicamente la imagen que le sea asignada. Los sistemas de visualización estereoscópica más significativos se describen brevemente a continuación: - Visión paralela. Es el primer y más primitivo sistema de visualización. El observador debe centrar su atención en un punto en el infinito, manteniendo los ejes de visión paralelos. Las imágenes no pueden tener un tamaño superior a 65 mm entre sus centros. Para facilitar la visión paralela, se utilizan lentes para acomodar la vista y evitar que cada ojo perciba lateralmente la imagen correspondiente al otro ojo. - Visión cruzada. En este caso, las líneas de visión de ambos ojo se cruzan, fijándose en un punto medio más cercano. De esta forma el ojo derecho observa la imagen izquierda y viceversa. Es posible emplear imágenes con formatos mayores de 65 mm. - Anaglifos. Las imágenes que forman el par estereográfico son representadas superpuestas, previamente coloreadas utilizando tonos complementarios (rojo azul, rojo verde, ámbar azul). El observador debe utilizar unas gafas con los filtros de color correspondientes. El resultado puede ser una imagen en color o en tonos de escala de gris.

5 - Polarización. Las dos imágenes son proyectadas mediante sendos dispositivos dotados de filtros polarizadores, girados 90º uno respecto del otro. La pantalla debe conservar la polarización de la luz reflejada. El observador debe utilizar unas gafas con lentes polarizadas de forma congruente con los proyectores. - Obturación (shutter glasses). En este caso, las dos imágenes son mostradas por un monitor de forma alternativa, con una frecuencia de refresco suficiente. El observador debe utilizar unas gafas dotadas de dos lentes de cristal líquido (LCD) que se oscurezcan alternativamente de forma sincronizada con el monitor. - Monitores individuales (Head Mounted Display, HMD). En este caso, el observador dispone de un casco especial con dos monitores miniaturizados, donde se proyectan las imágenes del par estereoscópico. - Monitor lenticular o auto - estéreo. El monitor proyecta una imagen tridimensional sin necesidad de que el observador utilice ningún otro dispositivo. Para ello, sobre la pantalla se adhiere una superficie lenticular que desvía las imágenes representadas en ella para que sean percibidas independientemente por cada ojo. 3. Selección de un sistema de visualización y definición del hardware Elección del sistema de visualización No todos los sistemas de visualización descritos anteriormente son aplicables en fotogeología. Así, se descartan en una primera aproximación los siguientes sistemas: - Visión cruzada, por el cansancio visual que provoca. - Polarización, pues se persigue un sistema de trabajo individual en oficina, no de proyección. En una segunda aproximación, se descartan también los sistemas de monitores individuales y de monitor lenticular, pues en ambos casos la inversión necesaria está por encima de la utilidad que se pretende. Por ello, los sistemas objeto de estudio son la visión paralela, los anaglifos y la obturación. El primero de ellos, la visión paralela, es el utilizado actualmente en este tipo de trabajos, con los problemas ya comentados. El sistema de anaglifos es indudablemente muy económico, pero su uso prolongado también provoca cansancio visual al usuario, debido a la coloración de las lentes. Además, la calidad de la imagen es baja. Por ello, se descarta esta solución como alternativa válida en fotogeología. El sistema de gafas obturadoras, sin embargo, reduce los problemas de cansancio visual, con una alta calidad de imagen y a un coste razonable. La selección del modelo

6 de gafas obturadoras debe ser objeto de un estudio detallado, basado en un conocimiento más profundo de la forma en que funcionan. Funcionamiento de las gafas obturadoras Este sistema se basa en mostrar en el monitor, de forma alternativa, las dos imágenes que definen el par estereoscópico. El observador debe utilizar unas gafas dotadas de dos lentes de cristal líquido que se oscurezcan alternativamente, de forma sincronizada con el monitor, para que cada ojo perciba únicamente la imagen deseada. Cada ojo recibirá alternativamente esa imagen seguida de un fotograma en negro. Para que no se produzca la sensación de parpadeo (flicker), es necesario que esta alternancia sea suficientemente rápida, de unos 90 fotogramas por segundo, 45 válidos y 45 en negro [4]. La figura 2 muestra esquemáticamente la generación de imágenes según este sistema. Efecto ghosting MONITOR Izquierda GAFA OBTURADORA Derecha I 2 I 4 D 1 D 3 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 1/90 s tiempo Figura 2.Generación de imágenes estereoscópicas por el sistema de gafas obturadoras. La sincronización entre el monitor y las gafas obturadoras se consigue mediante un dispositivo de sincronización acoplado a la tarjeta gráfica, cuya complejidad varía según las características de esta. La señal generada por el dispositivo de sincronización se envía a las gafas a través de un cable o mediante un emisor de infrarrojos. Evidentemente esta segunda opción es más deseable, no sólo por la movilidad que permite al usuario, sino también porque hace más sencillo el trabajo de varias personas sobre un mismo monitor. Formatos para la representación de las imágenes estereoscópicas en el monitor Existen distintas soluciones informáticas para asignar, en un PC, a las imágenes izquierda y derecha del par estereoscópico los pixels que van a ser enviados a la pantalla, de forma que se pueda sincronizar el monitor y las gafas obturadoras [5]. La figura 3 trata de ilustrar los conceptos que se desarrollan a continuación. En el caso de tarjetas de video de gama alta, compatibles con dispositivos estéreo, se utiliza una técnica de doble buffer. Cada imagen del par es almacenada con la misma resolución que tendrá en pantalla. Estas tarjetas de video trabajan a frecuencias

7 superiores de 120 imágenes por segundo, valor suficiente para evitar problemas de parpadeo. La sincronización se realiza directamente con el pulso de envío de imágenes al monitor. Muchas de estas tarjetas gráficas disponen de un conector estándar para conectar el dispositivo de sincronización. En tarjetas de video inferiores, no compatibles con dispositivos estéreo, no se dispone de doble buffer. Una alternativa es reducir a la mitad la resolución vertical de las imágenes que forman el par y almacenarlas conjuntamente en el buffer destinado originalmente a una única imagen (above-and-below format). El PC descomprimirá las imágenes al enviarlas al monitor, pero se habrá perdido resolución vertical. Además, es necesario añadir un pulso de sincronización entre las dos imágenes comprimidas, generado por un dispositivo externo, que se combinará con el pulso de final de buffer. Si la tarjeta tiene una velocidad de lectura estándar de 60 imágenes por segundo, al trabajar sólo con la mitad del buffer se alcanzará una frecuencia de 120 imágenes por segundo. Si esta es la frecuencia del monitor, no habrá problemas de parpadeo. Finalmente, existe una última solución, desarrollada como estándar flexible y general para proveedores, programadores y usuarios. Esta solución se basa en añadir al final de la última fila del fotograma una línea de código que indique si se trata de la imagen derecha o izquierda del par estereoscópico (White Line Code). Esta línea es utilizada por el dispositivo de sincronización para ajustar el parpadeo de las gafas obturadoras. En este caso no se tiene en cuenta la velocidad de refresco del monitor ni el tipo de tarjeta gráfica. DOBLE BUFFER BUFFER 1 BUFFER 2 I 4 ABOVE-AND-BELOW BUFFER I 4 MONITOR t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 tiempo 1/120 s WHITE-LINE-CODE BUFFER MONITOR t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 tiempo Variable Figura 3. Representación gráfica de los tres sistemas de representación de imágenes estereoscópicas en monitores CRT.

8 Requisitos generales del sistema para el trabajo con gafas obturadoras De acuerdo con las consideraciones anteriores, son dos las características técnicas del PC que deben tenerse en cuenta para garantizar su compatibilidad con las gafas obturadoras: el monitor y la tarjeta de video. En primer lugar, es necesario un monitor CRT, de tubo de rayos catódicos, con frecuencia de refresco vertical de 100Hz y resolución de 1024x768. Los nuevos monitores LCD presentan actualmente inconvenientes que los hacen inadecuados para el sistema de gafas obturadoras. Presentan una velocidad de refresco demasiado lenta, inferior a los 90 fotogramas por segundo, por lo que el observador percibe un parpadeo en la imagen. Además, en el monitor LCD la imagen proyectada no desaparece completamente al cambiar de fotograma, por lo que el ojo derecho puede ver la estela de la imagen izquierda y viceversa. Este es el llamado efecto ghosting [1]. Un segundo aspecto a considerar es, como se ha comentado, el tipo de tarjeta gráfica del PC. El proveedor de las gafas debe asesorarnos sobre si nuestra tarjeta gráfica soporta el estéreo y de qué forma se llevará a cabo la sincronización entre las gafas y el monitor. Dependiendo de ello, puede ser necesario un dispositivo de sincronización exterior. Otra aproximación al problema sería identificar, en función de nuestro sistema operativo, qué tarjetas gráficas soportan estéreo. 4. Definición del procedimiento de trabajo Una vez definidos los elementos físicos del equipo informático, se describen a continuación las líneas generales del procedimiento de trabajo. Obtención del par estereoscópico Si bien diversas empresas comercializan en la actualidad fotografía aérea en formato digital, en ocasiones será necesario digitalizar imágenes de vuelos antiguos mediante escáner. La calidad de la imagen obtenida es de suma importancia: sólo con formatos de alta calidad será posible observar con detalle determinados aspectos del relieve. Dos fotografías aéreas, para formar un par estereoscópico válido, deben cumplir los siguientes requisitos: - Haber sido tomadas a la misma altitud. - Solaparse en al menos las 2/3 partes. - La desviación de la cámara respecto de la vertical debe ser menor de 2º. - El rumbo del avión debe ser constante para evitar el giro entre dos imágenes consecutivas.

9 Mediante el software adecuado se genera el par estereoscópico a partir de las dos fotografías [6, 7]. En este proceso es posible corregir algunos errores menores: - Giro. Eventualmente, una fotografía puede estar girada respecto de la otra. Definiendo en ambas dos pares de puntos se corrige esta desviación. - Escala. Una fotografía puede estar ampliada respecto de la otra. Mediante dos pares de puntos se ajustan ambas al mismo tamaño. - Posición. También es necesario corregir la desviación vertical entre las dos imágenes. En este caso, es suficiente con un par de puntos coincidentes en ambas imágenes. - Profundidad. Es necesario determinar en ambas imágenes al menos un par de puntos coincidentes que estén a la misma profundidad. Podemos hacer que esos puntos correspondan con la pantalla, de forma que los objetos más alejados se visualizarán dentro del monitor y los más cercanos entre el monitor y el observador. Visualización del par estereoscópico Existen distintos programas comerciales orientados a la visualización de pares estereográficos [8]. Si bien permiten la visualización de pares en distintos formatos, las utilidades de ampliación/reducción de imagen y desplazamiento en pantalla están poco desarrolladas. Representación gráfica de rasgos geológicos No se han identificado programas comerciales para esta tarea, por lo que se asume la necesidad de programar esta utilidad. Para ello se utilizarán librerías gráficas sobre OpenGL, pues permiten el manejo de imágenes utilizando la técnica de doble buffer en la tarjeta gráfica. Desde el punto de vista gráfico, la representación de los rasgos geológicos es sencilla. Es necesario disponer de las herramientas línea y arco, con selección de tipo y color. También es necesaria una herramienta para insertar anotaciones. En algunas ocasiones es interesante resaltar, mediante tramas, áreas del dibujo. Programas comerciales sencillos, con salida en formato raster o vectorial, serían adecuados para estas tareas. Para la implantación de esta utilidad se plantean dos alternativas. La primera, trabajar con dos ventanas en pantalla: una en 3D dotada de herramientas de visualización y otra en 2D dotada de herramientas de visualización y dibujo. Esta alternativa es sencilla desde el punto de vista de la programación. La segunda alternativa es desarrollar las herramientas de dibujo directamente en 3D. Evidentemente complica las necesidades de programación. También exige un aprendizaje por parte del usuario.

10 5. Conclusiones o Consideraciones Finales El sistema tradicional de trabajo sobre fotografías aérea, empleando visores manuales, puede ser mejorado empleando las llamadas gafas obturadoras (shutter glasses). De esta forma se reducen los problemas de cansancio visual y se generan nuevas sinergias, al desarrollarse todas las tareas sobre ordenador personal. La implementación de este sistema exige conocer las bases de su funcionamiento, de forma que los equipos informáticos sean compatibles entre sí. Existen distintos programas comerciales para generar el par estereoscópico a partir de las fotografías aéreas. Es necesario desarrollar un software específico para la representación gráfica de los rasgos geológicos. Esta solución presenta ventajas suficientes para reemplazar definitivamente a los visores manuales. Agradecimientos Deseamos agradecer la colaboración en la realización de estos trabajos de D. César Nuño y Dña. Mónica Meléndez, técnicos de la delegación en Asturias del Instituto Tecnológico Geominero de España, ITGE. Referencias LIPTON, Lenny. Factors affecting "ghosting" in time-multiplexed planostereoscopic CRT display systems, SPIE Proceedings, Vol.761, VERGARA, M.L. Manual de Fotogeología, CIEMAT, GUTIÉRREZ CLAVEROL, M. Compendio de Teledetección Geológica. Serv. Publicaciones de la Universidad de Oviedo, LIPTON, Lenny. Stereographics Developer's Handbook, StereoGraphics Corporation, LIPTON, Lenny. Stereo-vision formats for video and computers graphics, StereoGraphics Corporation, SPENCER, Andy. 3D PIX Stereoscopic Image Editor v3.4, NuVision Technologies, Inc., SCULLION, Richard P. 3D Combine v3.2.0, DepthCharge Viewer v.2.5, VRex Inc., 2001.