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El Blog de Visión por Computador: Llevando la tecnología a la industria

Figura 1

Procesado de color para mejora de la precisión de batimetrías en playas de Euskadi

AZTI-Tecnalia (www.azti.es) , centro tecnológico experto en investigación marina y alimentaria, trabaja en el estudio de las dinámicas del litoral para establecer su relación con su morfología y usos, ya que esta relación es la que domina, por ejemplo, desde los eventos de inundación de los paseos marítimos, a la configuración de las playas, pasando por la idoneidad o no de las condiciones para todos los usos lúdicos que se dan la franja litoral. Es de especial importancia el análisis de estas dinámicas en las playas donde el alto grado de urbanización y de exposición al mar unido a unos importantes valores ambientales y económicos hacen que se encuentre en un frágil equilibrio.

Las escalas espaciales (desde centenares de metros hasta kilómetros) y temporales (horas, días) que caracterizan la dinámica del litoral, hacen que las técnicas de medida clásicas sean limitadas y muy costosas, para estudiar el comportamiento de estos sistemas costeros. La incorporación de  las técnicas de medida mediante imágenes de vídeo (denominado comúnmente vídeo-monitorización costera), permiten hoy en día describir procesos físicos sobre un amplio rango de escalas espaciales y temporales algo impensable hasta hace muy poco tiempo.

Un sistema de vídeo-monitorización costera consiste en cámaras instaladas en la costa que permiten la captación de imágenes. Los productos derivados del tratamiento de las imágenes obtenidas de este sistema dan información directa muy interesante para las distintas actividades que se desarrollan en la zona y que dependen del oleaje, corrientes y marea (condiciones hidrodinámicas) tanto como de la configuración de la playa, dunas, canales y barras (elementos sedimentarios).Pero intentando ir un paso más allá, tomando como base esta herramienta, en los últimos años se ha realizado un importante avance en la capacidad de realizar una previsión fiable de las condiciones del mar en las playas en base a estas imágenes.

Disponer de información actualizada de la morfología, en la zona más somera (zona de rompientes) para la simulación de los procesos y por tanto para la predicción y prevención (calidad de agua, corrientes, efectos de temporales, etc.) es fundamental  ya que esta morfología condiciona totalmente las características del oleaje (altura y rotura) y la ubicación e intensidad de las corrientes.

De forma tradicional la topografía y la batimetría se realiza con distintas técnicas que deben ser transportadas bien a pie o embarcadas. Esto limita mucho la accesibilidad especialmente en una franja tan complicada como la de rotura del oleaje en bajamar en playas abiertas, y hace inviable una monitorización y actualización continua de la morfología de la playa haciendo que los modelos hidrodinámicos no sean de utilidad.

El proyecto LOREA (POCFETA 2009-2012) permitió la puesta en marcha de modelos hidrodinámicos locales en playas y dentro del proyecto en marcha PRE2PLA (POCTEFA 2013-2015) se están desarrollando en dos playas piloto Zarautz y Anglet, herramientas que integren en los modelos existentes, información morfológica actualizada de la playa a partir de imágenes de video-monitorización. Así, se pretende recabar información, tanto de las necesidades desde el punto de vista de la gestión del arenal y su entorno, como desde el punto de vista de los distintos usos lúdicos que se dan en el mismo ( detección y previsión de zonas potencialmente peligrosas para el baño, alarmas de inundación por oleaje o la gestión de emergencias).

AZTI-Tecnalia ha puesto en práctica y validado una metodología para obtener de forma rutinaria la topo-batimetría de la franja más somera de la playa a partir de la combinación de técnicas de vídeo-monitorización con modelos numéricos. El pre-procesamiento y tratamiento de las imágenes es pieza clave en el resultado final para lo cual AZTI-Tecnalia viene colaborando dentro de la propia Corporación Tecnalia con el grupo Computer Vision de Tecnalia Research & Innovation. Este equipo es experto en la mejora y pre-procesado de imagen, así como en su interpretación automática mediante técnicas de aprendizaje automático. Fruto de esta colaboración se desarrolló un proyecto previamente para el conteo automático del porcentaje de ocupación en playas a partir de cámaras estáticas. En el actual proyecto, el grupo de Computer Vision de Tecnalia contribuyó a la normalización de las características de las imágenes para la extracción de la energía disipada por la ola que se usa como entrada al modelo hidrodinámico desarrollado por AZTI-Tecnalia.

Descripción del problema

La metodología de AZTI-Tecnalia para la obtención de mapas batimétricos (relieve del fondo) se basa en una ecuación matemática que relaciona la profundidad del fondo marino con la energía que libera el oleaje al romper en la zona de rotura. Para ello, mediante las cámaras, se captura la información referente a la cantidad de espuma que genera el oleaje al romper con imágenes promediadas (TIMEX). Esto se consigue mediante la captura de un conjunto de imágenes de la playa desde un único punto de vista, como las que vemos abajo:

Figura 1

Figura 1

Tras una ortorectificación de la zona de playa de estas imágenes, se combinan en un único mosaico todas las imágenes capturadas, a partir del cual se puede hacer análisis de las componentes cromáticas en la zona de rotura. El mosaico correspondiente a las anteriores imágenes se puede apreciar abajo.

Figura 2

Figura 2

A partir de este mosaico, se calcula una transformación a un espacio de colores HSV y se normaliza la imagen con el valor de intensidad medio de la zona de no rotura del agua, asumiendo que ésta se encuentra en la parte alta de la imagen.

A continuación con las imágenes obtenidas por las cámaras promediadas durante 20 minutos y ortorrectificadas, y con las condiciones de contorno (oleaje y marea) se obtienen mapas de disipación de energía del oleaje por rotura. Para ello, se establece la hipótesis de que las zonas de rotura son las que en las imágenes promediadas se muestran como zonas de alta intensidad lumínica (espuma blanca).

La energía total de oleaje incidente se calcula en el tramo de playa correspondiente a las imágenes, durante el tiempo de promediado (20 minutos) y se ajusta una función de transformación (Ecuación 1) entre energía de oleaje disipada (total incidente) y la intensidad lumínica por unidad de superficie considerada. De este modo se obtienen mapas de disipación del oleaje (Figura 3).

Figura 3

Figura 3: Ecuación de transformación entre la energía del oleaje y la intensidad lumínica.

Figura 4

Figura 4: Imagen rectificada y mapa de disipación obtenido.

Así pues, es esencial que el rango de intensidades de la zona de rotura sea el más amplio posible, sin que existan discontinuidades artificiales de intensidad en la zona de rotura. Como se puede apreciar en la imagen anterior, en el proceso de combinación de las vistas orto-rectificadas (stitching) se están introduciendo dichas discontinuidades artificiales.

El objetivo de la colaboración de AZTI-Tecnalia con el grupo Computer Vision de Tecnalia Research & Innovation para este proyecto era solucionar dichas características negativas del stitching, dada la experiencia probada que tiene dicho grupo en algoritmia avanzada. Este grupo propuso un método alternativo que consta de dos etapas:

  • Corrección de color de las imágenes de input.
  • Fusionado (blending) iterativo de las imágenes. Que consta de:
    • Detección de las esquinas en la zona de solape entre las imágenes.
    • Construcción de máscaras de blending adaptadas a la zona de solape entre las imágenes.
    • Blending de las imágenes.

Corrección de color

Una vez localizada la zona de solape entre las dos imágenes, se mapean las estadísticas de primer orden de la imagen a corregir a las estadísticas de dicha zona.

Figura 5

Figura 5

El resultado de este mapeado depende de qué imagen se decida tomar como referencia. Dada la necesidad en que existiera un máximo rango dinámico en la zona de rotura, se toma como imagen de referencia aquella para la que la corrección produce una menor cantidad de pixeles saturados en el canal azul de ambas imágenes. Esto significa que se minimiza la información perdida al hacer la conversión de color, algo determinante para el correcto funcionamiento del algoritmo de estimación de la batimetría posterior.

Fusionado (blending)

En una primera etapa, se detectan las esquinas correspondientes a la zona de solape entre ambas imágenes, como se aprecia en la Fig. 5. Estas esquinas son utilizadas para mapear una máscara rectangular que contiene valores linealmente distribuidos entre 0 y 1.

Figura 6

Figura 6

Dicha máscara lineal es transformada al dominio de intersección de las dos imágenes como se muestra abajo.

Figura 7

Figura 7

Esta máscara, junto con su “inversa”, son las que hacen posible una combinación lineal de las dos imágenes de manera que se evitan las discontinuidades de intensidades en la zona de solape. El siguiente paso es una combinación lineal de las dos imágenes, con pesos dados por las máscaras calculadas. Este proceso se puede apreciar en la siguiente imagen.

Figura 8

Figura 8

El resultado de este procedimiento se muestra en la figura 9.

Figura 9

Figura 9

El proceso se completa iterando estos pasos para el resto de las imágenes. Abajo podemos apreciar la mejora respecto del proceso que llevaba a cabo AZTI-Tecnalia y el método propuesto por el grupo Computer Vision de Tecnalia Research & Innovation.

Figura 10

Figura 10

Otros resultados se muestran a continuación:

Figura 11

Figura 11

Figura 12

Figura 12

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