Summary
Forniamo un protocollo dettagliato per condurre rilievi fotogrammetrici subacquei struttura-da-movimento per generare modelli 3D e ortomosaici.
Abstract
La fotogrammetria struttura-da-movimento (SfM) è una tecnica utilizzata per generare ricostruzioni tridimensionali (3D) da una sequenza di immagini bidimensionali (2D). I metodi SfM stanno diventando sempre più popolari come un modo non invasivo per monitorare molti sistemi, compresi i paesaggi antropogenici e naturali, le strutture geologiche e gli ecosistemi terrestri e acquatici. Qui viene fornito un protocollo dettagliato per la raccolta di immagini SfM per generare modelli 3D di habitat bentonici. Inoltre, sono stati confrontati i costi, l'efficienza in termini di tempo e la qualità di output dell'impiego di una fotocamera DSLR (Digital Single Lens Reflex) rispetto a una action cam meno costosa. È stato osservato un compromesso tra tempo computazionale e risoluzione, con la fotocamera DSLR che produce modelli con più del doppio della risoluzione, ma impiegando circa 1,4 volte più tempo per produrre rispetto alla action camera. Questo primer mira a fornire una descrizione approfondita dei passaggi necessari per raccogliere dati SfM in habitat bentonici per coloro che non hanno familiarità con la tecnica e per coloro che già utilizzano metodi simili.
Introduction
I processi ecosistemici sono naturalmente dinamici e possono essere difficili da quantificare. L'ultimo decennio ha visto un'impennata di nuove tecnologie per catturare gli ecosistemi e le loro dinamiche in una gamma di scale dalla scansione laser 3D delle singole caratteristiche dell'ecosistema al telerilevamento satellitare di vaste aree 1,2,3. Negli habitat bentonici, la struttura è intimamente connessa con la funzione dell'ecosistema8, rendendo gli strumenti che consentono contemporaneamente il monitoraggio della geometria e della struttura della comunità particolarmente preziosi per comprendere le dinamiche ecologiche. Tuttavia, molti approcci moderni non possono essere utilizzati nei sistemi acquatici a causa delle proprietà fisiche dell'acqua (ad esempio, rifrazione, distorsione, torbidità). Tecniche, come LiDAR (Light Detection and Ranging) e alcuni metodi di rilevamento aereo, possono essere appropriate su grandi scale spaziali, ma non possono acquisire la risoluzione necessaria per valutare i cambiamenti su scala fine negli habitat bentonici. I metodi di fotogrammetria Structure-from-Motion (SfM) sono stati recentemente adattati per produrre ortomosaici su larga scala e ad alta risoluzione e modelli di superficie 3D di habitat sottomarini 4,5,6,7.
La fotogrammetria SfM è un metodo relativamente economico, semplice, non invasivo e ripetibile che consente la generazione di registrazioni su larga scala e ad alta risoluzione dell'ambiente bentonico negli ecosistemi acquatici9. SfM utilizza una sequenza di immagini 2D per generare ricostruzioni di modelli 3D. I modelli generati da SfM possono essere utilizzati per raccogliere dati sulla complessità strutturale (ad esempio, rugosità, dimensionalità)4,5,10,11,12 e sulla struttura della comunità (ad esempio, composizione delle specie, demografia della popolazione)13,14,15 degli ecosistemi bentonici. Inoltre, poiché questo metodo è relativamente economico, rapido e ripetibile, può essere utilizzato sia da scienziati che da non scienziati per raccogliere informazioni preziose e obiettive su questi ecosistemi. Pertanto, questo metodo è una tecnica praticabile per l'uso in progetti di citizen science in cui la standardizzazione dello sforzo di campionamento, la minimizzazione dei pregiudizi, il coinvolgimento dei partecipanti e la facilità di formazione sono vitali per la qualità dei dati e il successo complessivo16,17.
Questo articolo fornisce un protocollo dettagliato per condurre indagini subacquee SfM. Allo stesso tempo, l'uso di una fotocamera DSLR è stato confrontato con quello di una "action camera" più economica e sono delineati i relativi vantaggi e svantaggi di ciascuno. L'obiettivo generale è quello di familiarizzare scienziati e non scienziati con i metodi di indagine bentonica SfM il più rapidamente possibile fornendo un protocollo semplice e comunemente usato, a sua volta, promuovendo l'uso di questo metodo più ampiamente. Per esempi di studi che hanno applicato variazioni di questo metodo per studiare le comunità ecologiche sottomarine, vedi Burns et al. (2015)4, Storlazzi et al. (2016)18, Ventura et al (2016 e 2018)19,20, Edwards et al. (2017)14, George et al. (2018)21, Anelli et al. (2019)22 e Torres-Pulliza et al. (2020)10.
Il metodo qui descritto richiede un team di snorkeling o SCUBA di due persone. Dopo aver selezionato il sito di rilevamento, una bobina di linea (Figura 1A) viene posizionata al centro del sito e le tessere di calibrazione (Figura 1B) sono distribuite ~ 2 m dal centro. Una persona (il nuotatore) nuota con la fotocamera e cattura le immagini del sito, mentre la seconda persona (l'assistente) cura il rocchetto al centro della trama (Figura 1C). In primo luogo, il nuotatore collega la fotocamera alla bobina attraverso la linea e poi inizia a scattare foto continue del benthos mentre nuota a faccia in giù e in avanti per srotolare la lenza dalla bobina. Il nuotatore deve mantenere una distanza verticale di ~ 1 m sopra il substrato in ogni momento, regolando la propria posizione per adattarsi a quella della topografia mentre nuota. È importante sottolineare che la linea che collega la bobina e la telecamera dovrebbe rimanere tesa in ogni momento per creare una spaziatura uniforme nella spirale mentre il nuotatore esamina la trama. L'assistente mantiene la bobina in una posizione stabile e verticale e garantisce che la bobina non ruoti e che la linea non si aggroviglia.
Una volta che la linea è stata completamente srotolata, il nuotatore si ferma, gira e nuota nella direzione opposta per rinculare la linea attorno alla bobina. Quando il nuotatore cambia direzione, l'assistente ruota la bobina per avvolgere la linea, esattamente di 180° per evitare l'esatta sovrapposizione del percorso in uscita. Una volta che il nuotatore è il più vicino possibile al centro, la telecamera viene staccata dalla linea e l'assistente prende la bobina e la linea e nuota lontano dalla parte centrale del sito. Il nuotatore termina quindi di immaginare il centro della trama spostando la fotocamera in una piccola spirale al centro. Mentre ci sono diversi modi per visualizzare un'area in modo efficace, il metodo spool-and-line qui descritto è robusto anche in condizioni ambientali non ideali in cui acque superficiali mosse, onde o scarsa visibilità potrebbero altrimenti impedire la raccolta dei dati. In questi scenari, questo metodo mantiene attaccati gli amanti dello snorkeling / subacquei e garantisce un'elevata sovrapposizione di immagini mantenendo il nuotatore su un percorso controllato.
Protocol
1. Materiali
- Macchina fotografica
- Garantire specifiche minime di durata e natura impermeabile (o un alloggiamento impermeabile) e un frame rate minimo di 2 fotogrammi/s (fps).
NOTA: in questo esempio è stata utilizzata una frequenza fotogrammi minima di ~4 fps. - Fotocamera digitale DSLR (Digital Single Lens Reflex)
- Impostare la fotocamera per scattare continuamente a una velocità di acquisizione foto compresa tra 2 fps e 5 fps.
- Per riprodurre il protocollo descritto in questo esempio, utilizzare una fotocamera in un alloggiamento subacqueo (vedere Tabella dei materiali) con le seguenti impostazioni: Modalità manuale (M); f10, 18 mm; velocità dell'otturatore = 1/320; compensazione dell'esposizione = -1/3; qualità dell'immagine = massima, senza RAW; modalità di guida = continua; autofocus = AI SERVO; ISO = Auto, max3200; numerazione dei file = Ripristino automatico; rotazione automatica dell'immagine = Off; ora/data = UTC.
- Telecamera d'azione
- Imposta la modalità video o la modalità di scatto continuo alla massima risoluzione e frame rate possibili.
NOTA: la action cam può essere utilizzata anche in modalità continua purché la frequenza dei fotogrammi sia pari o superiore a 2 immagini al secondo. - Per riprodurre il protocollo in questo esempio (vedere Tabella dei materiali), utilizzare una action cam impermeabile con le seguenti impostazioni: Risoluzione video = 4K (proporzioni 4:3); Frequenza fotogrammi = 30 fps.
NOTA: per le action cam, potrebbe essere più semplice collegare la linea dalla bobina al nuotatore piuttosto che alla telecamera. In questo esempio, la linea era attaccata al polso del nuotatore tramite un piccolo cordino.
- Imposta la modalità video o la modalità di scatto continuo alla massima risoluzione e frame rate possibili.
- Garantire specifiche minime di durata e natura impermeabile (o un alloggiamento impermeabile) e un frame rate minimo di 2 fotogrammi/s (fps).
- Piattaforma di bobina (Figura 1A)
- Assicurarsi che la bobina abbia le dimensioni appropriate per contenere la lunghezza della linea necessaria per il raggio del sito di rilevamento.
NOTA: la circonferenza della bobina controlla la spaziatura delle linee di nuoto a spirale e la lunghezza della linea determina l'area del campione. In questo esempio, è stata utilizzata una bobina di diametro ~ 8 pollici (~ 20 cm) per la spaziatura di ~ 50 pollici (~ 1,3 m) delle linee di nuoto. Vedi 9 per i dettagli. - Selezionare un rig di bobina con un bordo flangiato (per guidare agevolmente la linea dentro e fuori dalla bobina) e punti di attacco per una maniglia e un palo (per controllare l'altezza dal substrato). Assicurarsi che il carro di bobina sia intrinsecamente galleggiante negativamente o reso tale con l'aggiunta di pesi.
NOTA: In questo esempio, sono stati utilizzati tubi in cloruro di polivinile (PVC) per la maniglia e il palo e la bobina è stata stampata in 3D in plastica di acido polilattico. Tuttavia, la bobina può essere semplice come un grande tubo in PVC o qualsiasi altro oggetto rotondo con il diametro desiderato.- Per un uso frequente e/o condizioni di campo difficili, selezionare una bobina realizzata con un materiale più resistente come l'alluminio.
- Assicurarsi che la bobina non ruoti sul palo o giri quando è in uso.
- Fissare la linea alla bobina a un'estremità e a una clip rimovibile all'altra per il collegamento alla fotocamera.
NOTA: la lunghezza della linea definisce il raggio del sito. Qui, 6 m di linea sono stati utilizzati per siti di 12 m di diametro.
- Assicurarsi che la bobina abbia le dimensioni appropriate per contenere la lunghezza della linea necessaria per il raggio del sito di rilevamento.
- Piastrelle di calibrazione
- Sebbene non siano necessarie piastrelle di calibrazione specializzate, assicurarsi che oggetti riconoscibili e negativamente galleggianti di dimensioni note siano inclusi nel modello per la scala. Considerare le sovratensioni e le condizioni attuali per garantire che vengano utilizzati materiali adatti, in modo che le piastrelle rimangano ferme durante la raccolta delle foto.
NOTA: Qui, i modelli di marcatori in scala disponibili come parte di alcuni programmi software sono stati stampati su carta impermeabile, che è stata attaccata a piastrelle in PVC spesse 1 pollice. - I subacquei avranno bisogno di un mezzo per misurare la profondità della piastrella. Nel nostro esempio, utilizziamo un profondimetro elettronico (vedi Tabella dei materiali).
- Sebbene non siano necessarie piastrelle di calibrazione specializzate, assicurarsi che oggetti riconoscibili e negativamente galleggianti di dimensioni note siano inclusi nel modello per la scala. Considerare le sovratensioni e le condizioni attuali per garantire che vengano utilizzati materiali adatti, in modo che le piastrelle rimangano ferme durante la raccolta delle foto.
- Correzione del colore
- Impostare il bilanciamento del bianco sulla fotocamera su personalizzato. Scatta una foto di una carta grigia al 18% o di una lavagna bianca sott'acqua prima dell'inizio di ogni sondaggio SfM. Eseguire questa operazione ogni volta che viene avviato un nuovo sito.
NOTA: La foto consentirà la correzione del colore e aiuterà anche a separare le immagini scaricate da siti diversi quando si conducono più sondaggi nello stesso giorno.
- Impostare il bilanciamento del bianco sulla fotocamera su personalizzato. Scatta una foto di una carta grigia al 18% o di una lavagna bianca sott'acqua prima dell'inizio di ogni sondaggio SfM. Eseguire questa operazione ogni volta che viene avviato un nuovo sito.
2. Metodi dettagliati
- Selezione del sito
- Selezionare un sito che abbia spazio sufficiente per nuotare nell'intero modello a spirale (~ 113 m2 in questo esempio). Oltre all'area oggetto di indagine, incorporare una piccola area cuscinetto per garantire che l'intera area di rilevamento sia sufficientemente fotografata per produrre dati di alta qualità.
- Considera l'abilità e l'equipaggiamento del team di due persone. I siti poco profondi (< ~ 2 m) possono essere esaminati con il boccaglio, mentre i siti più profondi possono richiedere IMMERSIONI.
- Se si prevede di ispezionare ripetutamente il sito regolarmente, contrassegnare il punto centrale, dove verrà posizionato il carro di bobina, con un tag o una struttura permanente (ad esempio, tondo per cemento armato o blocco di calcestruzzo). Per lo meno, prendi una coordinata del sistema di posizionamento globale in modo che il sito possa essere spostato con l'assistenza di una stampa dell'ortomosaico.
NOTA: Le strutture subacquee permanenti richiedono in genere un permesso. - Preparare il sito.
- Imposta la bobina al centro del sito.
- Disporre le tessere di calibrazione e registrarne le profondità. Posizionare le piastrelle di calibrazione a faccia in su, a ~ 2 m di distanza dal centro.
NOTA: in questo esempio, 3 tessere di calibrazione sono state posizionate in un triangolo attorno al centro del sito. Le tessere di calibrazione devono essere opportunamente pesate e posizionate per garantire un movimento minimo durante la raccolta delle foto.
- Istruire il nuotatore a nuotare con la fotocamera mentre l'assistente cura la bobina.
- L'assistente posiziona il palo e la bobina collegata in posizione verticale al centro del sito selezionato e mantiene il carro di bobina in posizione verticale e fissa.
- Assicurarsi che il nuotatore colleghi il lato della fotocamera più vicino alla bobina alla linea e tenga la fotocamera rivolta verso il basso ~ 1 m dal benthos.
NOTA: se il nuotatore deve inclinare la fotocamera, assicurarsi che sia leggermente inclinata in avanti anziché all'indietro per evitare di raccogliere immagini all'ombra del nuotatore. Inclinando leggermente la fotocamera in avanti sia per la spirale verso l'esterno che per la spirale di ritorno, è possibile acquisire angoli migliori del benthos e produrre modelli migliori, specialmente quando ci sono sporgenze e fori. - Una volta posizionata correttamente la fotocamera, il nuotatore inizia a scattare immagini continue del benthos mentre nuota in avanti e mantiene la tensione sulla linea.
- Assicurarsi che il nuotatore continui a nuotare a spirale a una velocità costante mentre scatta fotografie fino a quando la linea non è completamente srotolata dalla bobina.
NOTA: Il nuotatore dovrebbe cercare di rimanere a una distanza costante di ~ 1 m sopra il benthos e nuotare la spirale ad un ritmo moderato per garantire una sufficiente sovrapposizione tra le immagini. In caso di dubbio, più lento è meglio. - In ambienti altamente difficili (ad esempio, barriere coralline), includere un terzo lavoratore (secondo assistente) che può prevenire l'impigliamento della linea librandosi sopra il centro della linea e sollevandola delicatamente oltre gli ostacoli.
- Quando la linea è completamente sbobina, il nuotatore inverte le direzioni, riattaccando la fotocamera se necessario, e nuota nella direzione opposta per iniziare a riavvolgere la linea sulla bobina mentre scatta foto. NOTA: Nuotare la spirale inversa non è assolutamente necessario, ma in genere produrrà modelli migliori.
- Se un metodo a spirale singola è desiderabile per risparmiare tempo, il nuotatore staccherebbe la linea dalla telecamera e salterà al passaggio 2.4.12 mentre l'assistente avvolge la linea e rimuove il rig della bobina dal sito.
- Non appena il nuotatore inizia a nuotare nella direzione opposta, l'assistente ruota la bobina per avvolgere la linea in 1/2 giro (180°) contro la nuova direzione di nuoto. Questo giro di 1/2 assicura che il percorso di ritorno del nuotatore sia sfalsato dal percorso originale per ottenere una maggiore copertura fotografica del sito.
- Assicurati che il nuotatore continui a scattare foto e nuoti nella spirale inversa fino a quando la linea non viene quasi completamente riavvolta attorno alla bobina.
- Quando la spaziatura del nuotatore e dell'assistente impedisce ulteriori progressi, il nuotatore smetterà di scattare foto per staccare la fotocamera dalla linea e consentire all'assistente di rimuovere il rig di bobina dal centro del sito.
- Una volta rimossa la bobina dal sito, il nuotatore fotografa il centro del sito tenendo la telecamera rivolta verso il basso e spostando la telecamera in un piccolo motivo a spirale sul centro del sito.
3. Ripulisci il sito.
- Raccogliere le tessere di calibrazione e qualsiasi altra attrezzatura prima di lasciare il sito.
NOTA: non lasciare mai rifiuti o attrezzature in un sito. Lascia sempre un sito più pulito di come l'hai trovato.
Representative Results
In questo esempio, è stato ripreso il Reef Site 2_7 situato su Patch Reef 13 nella baia di Kāneʻohe, Oʻahu, Hawaii, e 3.125 foto JPEG dalla DSLR e 3.125 fotogrammi JPEG catturati dal video della action camera (Tabella 1) sono stati utilizzati come input per creare gli ortomosaici e i modelli 3D. Il flusso di lavoro generale consisteva in 5 fasi: 1) allineamento delle foto per generare la nuvola di punti sparsa, 2) ridimensionamento della nuvola di punti sparsa e ottimizzazione delle telecamere, 3) costruzione della nuvola di punti densa (durante questa fase sono state generate anche mappe di profondità), 4) costruzione del modello digitale di elevazione (DEM) e ortomosaico e 5) generazione del modello 3D e della trama. Si noti che le fasi 4 e 5 non devono necessariamente essere eseguite in questo ordine, ma devono essere eseguite dopo aver elaborato la nuvola di punti densa e le mappe di profondità. La georeferenziazione dei modelli dovrebbe avvenire prima di generare l'ortomosaico e la DEM. Le impostazioni utilizzate per queste fasi e i dettagli di elaborazione sono descritti rispettivamente nella Tabella 2 e nella Tabella dei materiali.
Per metodi più dettagliati su come generare modelli 3D e ortomosaici vedere il materiale supplementare e Suka et al.23. Il tempo di elaborazione è stato più breve per il modello derivato dalla action cam per ogni passaggio, inclusa la generazione di nuvole di punti sparse, la generazione di nuvole di punti dense, il rendering del modello mesh e il rendering del modello con texture. Ciò ha portato a un tempo di elaborazione complessivo significativamente più veloce per il modello di action cam (6 h 39 min) rispetto al modello DSLR (9 h 14 min). Il tempo esatto per l'elaborazione del modello varia in base alla potenza di calcolo e alle configurazioni hardware specifiche.
Il modello generato utilizzando le immagini della fotocamera DSLR conteneva 2.848.358 punti di nuvole sparse e 787.450.347 punti di nuvole dense mentre il modello generato dalle immagini della action cam conteneva solo 2.630.543 punti di nuvole sparse e 225.835.648 punti di nuvole dense. Ciò ha portato i modelli DSLR ad avere una risoluzione più di 2 volte superiore rispetto ai modelli di action cam con risoluzioni ortomosaiche di 0,442 e 0,208 mm / pixel per i modelli DSLR e action camera, rispettivamente (Tabella 1). Nonostante la migliore risoluzione del modello DSLR rispetto al modello di action camera, entrambi i metodi sono stati in grado di produrre modelli di alta qualità con poca differenza nella rappresentazione visiva quando l'area della barriera corallina ~ 113 m 2 è stata rappresentata come un modello di elevazione digitale di 20 cm 2 (pannelli superiori Figura 2) o proiezione ortomosaico 2D (pannelli centrali Figura 2).
Figura 1: Fotogrammetria struttura-da-movimento. (A) Esempio di una piattaforma a bobina per il controllo della distanza del nuotatore con una maniglia e un palo collegati per un posizionamento e una movimentazione precisi. (B) Piastrelle di calibrazione. (C) Uno schema del percorso di nuoto con le relative posizioni del nuotatore (verde) e dell'assistente (arancione). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Confronto visivo di modelli digitali di elevazione e ortomosaici. Modelli digitali di elevazione (in alto) e ortomosaici (al centro) costruiti con immagini DSLR (a sinistra) e action cam (a destra). Il pannello inferiore è uno zoom delle aree nelle caselle bianche negli ortomosaici. Le scale della mappa di calore nel pannello superiore rappresentano la distanza dalla superficie dell'acqua in metri (m). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Canon EOS Rebel SL3 | GoPro Hero 7 | |
| Costo | ||
| Macchina fotografica | ~$600.00 | ~$220.00 |
| Alloggiamento subacqueo | ~$1.700,00 | NA |
| Costo totale | ~$2.300,00 | ~$220.00 |
| Foto | ||
| Formato del file fotografico | .jpeg | .jpeg |
| Risoluzione foto | 24 megapixel | 12 Megapixel (da video 4K) |
| Foto allineate / foto totali | 3125 / 3125 | 3125 / 3125 |
| Metriche fotogrammetriche | ||
| Punti nuvolosi sparsi | 2,848,358 | 2,630,543 |
| Punti di nuvole dense | 787,450,347 | 225,835,648 |
| Volti (modello 3D) | 11,919,451 | 3,834,651 |
| Risoluzione del modello DEM (Digital Elevation Model) | 0,831 mm/pixel | 1,77 mm/pixel |
| Risoluzione ortomosaico | 0,208 mm/pixel | 0,442 mm/pixel |
| Tempi di lavorazione | ||
| Generazione di cloud sparsi | 1 h 23 min | 1 h 27 min |
| Generazione di cloud densi | 4 ore | 3 h 11 min |
| Rendering del modello mesh | 3 h 32 min | 1 h 49 min |
| Rendering delle texture | 19 minuti | 12 minuti |
| Tempo totale di elaborazione del computer | 9 h 14 min | 6 h 39 min |
Tabella 1: informazioni dettagliate sui costi di configurazione, le foto utilizzate per costruire i modelli, le metriche della fotogrammetria e il tempo di elaborazione. L'elaborazione è stata eseguita utilizzando le stesse impostazioni per entrambi i modelli. Si noti che il tempo di elaborazione non include il tempo per vari passaggi come il fotoritocco, l'estrazione di immagini dal video, il riallineamento delle foto e la modifica e il ridimensionamento dei modelli.
| Canon EOS Rebel SL3 | GoPro Hero 7 | |
| Immagini | ||
| Dimensione media del file | ~ 8,3 MB | ~ 4,7 MB |
| Acquisizione foto | Modalità continua | Estratto da video 4K |
| Correzione del colore | Manuale | Manuale |
| Correzione dell'obiettivo | No | Sì |
| Impostazioni del processo di fotogrammetria | ||
| Generazione di cloud sparsi | Precisione: Alta | Precisione: Alta |
| Punto chiave: 40.000 | Punto chiave: 40.000 | |
| Punto di collegamento: 4.000 | Punto di collegamento: 4.000 | |
| Preselezione generica: Sì | Preselezione generica: Sì | |
| Generazione di cloud densi | Qualità media | Qualità media |
| Generazione di modelli mesh 3D | ||
| Dati di origine: | Mappe di profondità | Mappe di profondità |
| Qualità: | Medio | Medio |
| Numero di volti: | Basso | Basso |
| Interpolazione: | Abilitato | Abilitato |
| Calcola i colori dei vertici: | Sì | Sì |
| Generazione di texture 3D | ||
| Tipo di texture: | Mappa diffusa | Mappa diffusa |
| Dati di origine: | Immagini | Immagini |
| Modalità di mappatura: | Generico | Generico |
| Fusione: | Mosaico | Mosaico |
| Dimensione/conteggio texture: | 4096 / 1 | 4096 / 1 |
| Modello digitale di elevazione (DEM) | Da Nuvola densa | Da Nuvola densa |
| Ortomosaico | Da DEM | Da DEM |
Tabella 2: Informazioni dettagliate sulle immagini raccolte e sull'elaborazione fotogrammetrica. L'elaborazione è stata eseguita utilizzando le stesse impostazioni per entrambi i modelli.
Materiale supplementare. Clicca qui per scaricare questo file.
Discussion
Questo studio dimostra che sia la fotocamera DSLR che la action cam producono modelli con una risoluzione migliore di 0,5 mm / pixel in meno di 10 ore di tempo di elaborazione su un computer desktop standard. Il principale compromesso tra la DSLR e la action camera, a parte il costo, è rispettivamente una risoluzione più fine rispetto a tempi di elaborazione più rapidi. Tuttavia, i tempi di elaborazione riportati includono solo l'elaborazione computazionale. Pertanto, sebbene il tempo computazionale sia inferiore per la action camera, c'è una notevole quantità di tempo (10-20 minuti) investita nell'estrazione delle immagini dai video che non è richiesta con la DSLR. Un'alternativa consiste nell'utilizzare la action cam in modalità di scatto continuo per evitare l'estrazione delle immagini. La modalità di scatto continuo non è stata utilizzata in questo esempio, poiché la action cam può scattare solo a 2 fps, il che richiede una velocità di nuoto significativamente più lenta per raccogliere abbastanza immagini per costruire un modello completo. A questo proposito, esiste un compromesso tra un tempo più lungo sul campo utilizzando la modalità di scatto continuo rispetto a un tempo più lungo sul computer, estraendo immagini, quando si utilizza la modalità video.
I vantaggi della action cam includono convenienza e facilità di trasporto e funzionamento sott'acqua. Il vantaggio principale della DSLR è che produce immagini ad alta risoluzione; quindi, le fotocamere DSLR sono consigliate rispetto alle action cam quando la prima non è proibitiva dal punto di vista dei costi. I tipi di domande che uno studio cerca di affrontare saranno anche importanti nel determinare il metodo utilizzato. Ad esempio, una action cam potrebbe essere preferibile in ambienti relativamente omogenei (ad esempio, praterie di fanerogame, habitat di coralli morti / macerie) o dove solo le metriche generali della comunità (come abbondanza, diversità) vengono valutate su grandi scale spaziali. Tuttavia, una fotocamera DSLR potrebbe essere utilizzata nei casi in cui è interessante tracciare cambiamenti su scala fine in singoli organismi o substrati.
Poiché si tratta di un metodo di campo, i risultati del modello dipenderanno da vari fattori ambientali come l'illuminazione, la chiarezza dell'acqua, le condizioni superficiali, la quantità di sovratensione e il movimento di pesci o strutture bentoniche non stazionarie (ad esempio, erba marina). Sebbene non ci siano soglie assolute di quando è appropriato utilizzare questo metodo, le giornate leggermente nuvolose con elevata chiarezza dell'acqua, condizioni superficiali calme e poca sovratensione producono in genere i modelli migliori. Inoltre, esiste un limite alla profondità minima richiesta per questi metodi. Questi metodi non funzionano bene in condizioni in cui c'è meno di 0,5 m di acqua a causa della bassa sovrapposizione tra le foto e meno elementi distintivi per foto. Tuttavia, questo evidenzia un altro vantaggio della action camera, cioè sono più piccoli e quindi sono più facili da usare a profondità inferiori. Inoltre, una bobina di diametro inferiore e una frequenza fotogrammi più elevata (o un obiettivo più grandangolare) possono migliorare la sovrapposizione dell'immagine in condizioni molto superficiali9.
Molti altri tipi di dati possono essere integrati con questo approccio. Ad esempio, gli ortomosaici sono stati utilizzati per mostrare la densità spaziale dei dati molecolari (ad esempio, geni e metaboliti) sui coralli 24 e sugli esseri umani 25 utilizzando il software open source 'ili'26. La stessa piattaforma potrebbe anche essere utilizzata per mappare le densità spaziali di animali, microrganismi, virus e / o sostanze chimiche nell'ambiente. Altri esempi hanno usato SfM per annotare spazialmente specie bentoniche su ortomosaici utilizzando il software del sistema informativo geografico10. Inoltre, i modelli 3D generati da SfM possono essere utilizzati per stimare le caratteristiche dell'habitat come la rugosità e la dimensione frattale. In effetti, i metodi qui delineati sono stati recentemente utilizzati per derivare una nuova teoria geometrica per le superfici dell'habitat10. Infine, gli ortomosaici vengono utilizzati come superfici di input per modelli computazionali spazialmente espliciti, consentendo di sovrapporre simulazioni dinamiche sulla superficie 3D del modello. Essere in grado di generare facilmente immagini di grandi dimensioni e rappresentazioni 3D di habitat bentonici ha permesso agli scienziati marini di affrontare domande finora inimmaginabili3.
Nel complesso, ecco un protocollo dettagliato per condurre la fotogrammetria subacquea SfM con fotocamere DSLR o action cam più economiche. Questi metodi possono essere utilizzati dagli scienziati per una vasta gamma di scopi, dall'estrazione di dati sugli ecosistemi bentonici allo sviluppo di superfici di input 3D per simulazioni in silico . Tuttavia, questi protocolli possono essere utilizzati anche da non scienziati come parte degli sforzi di citizen science per raccogliere informazioni preziose sui modelli di biodiversità, complessità dell'habitat, struttura della comunità e altre metriche ecologiche.
Disclosures
Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse.
Acknowledgments
Ringraziamo la Paul G. Allen Family Foundation per aver finanziato questa ricerca e siamo grati a Ruth Gates per l'ispirazione di utilizzare la tecnologia per aiutare a conservare le barriere coralline. Ringraziamo anche NOAA e altri collaboratori per la discussione ponderata su questi metodi. Infine, ringraziamo Catie Foley e Patrick Nichols per aver fornito il drone e il video subacqueo di questi metodi.
Riconosciamo la National Fish and Wildlife Foundation come partner finanziatore in questo lavoro.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Action camera (GoPro Hero7 Black) | GoPro | Could be any waterproof action camera | |
| Adobe Lightroom | Adobe | Color correction | |
| Calibration tiles ( flat PVC board cut to size for Agisoft targets. Attach a dive weight underneath if expecting waves) | Any negatively buoyant object of known size and color. We recommend using the scale marker templates available from Agisoft Metashape software (v.1.6.0). | ||
| DSLR camera (Canon EOS Rebel SL3 ) | Canon | 3453C002AA | Could be any DSLR camera in a underwater housing |
| Line (plastic clothes line filament) | Any negatively buoyant line that is strong enough to withstand field use | ||
| Micro SDXC memory card (for GoPro) | |||
| Oceanic Veo 2.0 | Oceanic | Digital depth gauge | |
| SDXC memory card (for DSLR) | Any SDXC memory card should work, so long as there is enough space to hold all the pictures necessary to build the model | ||
| Spool (2 inch-long section of 8 inch diameter PVC pipe which was attached to a 3 feet section of 1 inch PVC pipe to form the stem | Any negatively buoyant, round object of the desired diameter | ||
| Underwater camera housing for DSLR (Ikelite 200DLM/C Underwater TTL Housing) | Ikelite | 6970.09 | Should be the specific water housing for the DSLR make and model |
| Windows 10 desktop computer with an Intel i9-9900K 8-core CPU, two Nvidia GeForceRTX 2070 SUPER GPUs, and 128 GB of RAM. | Processing |
References
- Levy, J., Hunter, C., Lukacazyk, T., Franklin, E. C. Assessing the spatial distribution of coral bleaching using small unmanned aerial systems. Coral Reefs. 37 (2), 373-387 (2018).
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