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Tese

High-precision 3D modeling from close-range imagery for laboratory structural testing (2025)

  • Authors:
  • Autor USP: MORAES, FRANCISCO ROZA DE - EESC
  • Unidade: EESC
  • Sigla do Departamento: STT
  • DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-31072025-135640
  • Subjects: FOTOGRAMETRIA; VISÃO COMPUTACIONAL; PROCESSAMENTO DE IMAGENS
  • Keywords: Calibração da câmera.; Captura de curta distância.; Filtragem da nuvem de pontos.; Iluminação auxiliar.; Teste laboratorial.
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: O Structure-from-Motion (SfM) consolidou-se como uma técnica computacional versátil e acessível para modelagem 3D, com aplicações em diversas áreas, como preservação do patrimônio cultural, monitoramento ambiental, design industrial e análise estrutural. No entanto, apesar de sua popularidade, persistem desafios relacionados à qualidade das imagens, condições de iluminação, limitações dos equipamentos e otimização do fluxo de trabalho, especialmente em cenários que exigem alta precisão e detalhamento, como testes estruturais em laboratório. Esta pesquisa aborda essas lacunas ao avaliar sistematicamente os fatores que influenciam a precisão e a confiabilidade dos modelos 3D gerados por SfM, com o objetivo de fornecer uma prática para otimizar seu uso em aplicações que demandam alta precisão e representação detalhada de superfícies, como testes estruturais. O estudo adotou uma metodologia abrangente e sistemática para avaliar os fatores que impactam a precisão e a confiabilidade da modelagem 3D baseada em SfM. Equipamentos de baixo custo, configurações controladas de iluminação, texturas artificiais e diferentes formatos de armazenamento de imagens foram utilizados para simular cenários reais, especialmente aqueles encontrados em testes estruturais. Experimentos foram conduzidos em espécimes de materiais diversos, como madeira, concreto e metal, para avaliar a aplicabilidade da técnica em diferentes características de superfície. Configurações-chave, como captura de imagens verticais e oblíquas com sobreposição de 70-80%, modelos de pré-calibração e a distribuição estratégica de barras de escala (SBs), foram rigorosamente analisadas para determinar seu impacto na precisão da modelagem. Além disso, a performance de câmeras com lentes intercambiáveis foi comparada à de smartphones, revelando que as primeiras alcançaram maior precisão e detalhamento, reforçando sua adequação para aplicações queexigem precisão submilimétrica. Essa análise comparativa destaca os pontos fortes e as limitações de diferentes dispositivos de imageamento, oferecendo insights práticos para a otimização de fluxos de trabalho em SfM em ambientes de alta precisão. Os resultados demonstraram que a combinação de imagens verticais e oblíquas com 80% de sobreposição, aliada ao uso do modelo de Pré-Calibração Automática (PSC) e à distribuição estratégica de SBs, melhorou significativamente a qualidade da modelagem. Essa configuração mostrou-se eficaz para aumentar a precisão geométrica e reduzir erros. Adicionalmente, o uso de iluminação auxiliar e texturas artificiais elevou a precisão da modelagem alcançando melhorias de 40-60% na qualidade geral dos modelos. Em relação aos formatos de armazenamento de imagens, arquivos RAW (armazenados em TIFF) apresentaram resultados ligeiramente superiores aos do JPEG sem perdas. No entanto, para aplicações em que o nível de precisão não é essencial, o formato JPEG sem perdas pode ser uma escolha mais prática devido ao menor tamanho do arquivo. O estudo também evidenciou diferenças de desempenho entre dispositivos de imageamento. Câmeras com lentes intercambiáveis superaram consistentemente os smartphones, produzindo modelos com valores de erro médio quadrático (RMSE) tão baixos quanto 0,1 mm, em comparação com 0,2 mm nos modelos gerados por smartphones. A pesquisa destaca o papel crucial do controle meticuloso dos parâmetros de entrada e da adoção de boas práticas em fluxos de trabalho com SfM, conforme demonstrado por um estudo comparativo entre duas abordagens aplicadas a um teste estrutural: o SfM bruto, sem otimizações, e o SfM com Práticas de Modelagem Aprimoradas (EMP), que incorpora melhorias-chave identificadas neste estudo. A abordagem SfM bruta gerou modelos com imprecisões significativas, incluindo erros de deslocamento de até 1,30 mm, distorções geométricas e detalhessuperficiais pobres, tornando-os inadequados para aplicações de alta precisão. Em contraste, a abordagem EMP SfM, que inclui iluminação otimizada, maior sobreposição de imagens e filtragem da nuvem de pontos, reduziu os erros de deslocamento para apenas 0,12 mm. Esses modelos otimizados também apresentaram menos ruído, maior precisão geométrica e detalhes superficiais mais refinados, tornando-os altamente confiáveis para tarefas que exigem precisão, como testes estruturais. Essa análise comparativa evidencia o impacto significativo da adoção de boas práticas em fluxos de trabalho com SfM. Os resultados validam a eficácia da abordagem EMP SfM e reforçam a importância de um planejamento e execução cuidadosos na modelagem 3D baseada em SfM para alcançar resultados confiáveis e de alta precisão
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 18.06.2025
    • Acesso à fonteAcesso à fonteDOI
    Informações sobre o DOI: 10.11606/T.18.2025.tde-31072025-135640 (Fonte: oaDOI API)
    • Este periódico é de acesso aberto
    • Este artigo é de acesso aberto
    • URL de acesso aberto
    • Cor do Acesso Aberto: gold
    • Licença: cc-by-nc-sa
    How to cite
    A citação é gerada automaticamente e pode não estar totalmente de acordo com as normas

    • ABNT

      MORAES, Francisco Roza de. High-precision 3D modeling from close-range imagery for laboratory structural testing. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18143/tde-31072025-135640/. Acesso em: 03 dez. 2025.

    • APA

      Moraes, F. R. de. (2025). High-precision 3D modeling from close-range imagery for laboratory structural testing (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18143/tde-31072025-135640/

    • NLM

      Moraes FR de. High-precision 3D modeling from close-range imagery for laboratory structural testing [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 03 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18143/tde-31072025-135640/

    • Vancouver

      Moraes FR de. High-precision 3D modeling from close-range imagery for laboratory structural testing [Internet]. 2025 ;[citado 2025 dez. 03 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18143/tde-31072025-135640/

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