La Representación Tridimensional de Ambientes Acuáticos Mediante Fotogrametría Submarina

El Paseo Montejo es, sin duda, la avenida más bella de Mérida, y quizá también lo sea de todo México, por ello es un placer recorrerla a pie para observar detenidamente las casonas de estilo francés erigidas sobre ambos lados, impronta de un pasado prolífico en el que la riqueza de la región se basaba en la explotación del henequén, el llamado oro verde.

Entre otros beneficios, la caminata contribuye al estímulo del cerebro, y aunque pudiera citar estudios científicos que avalan esta idea, prefiero referir a Nietzsche, quien aseguraba que todas las grandes ideas se concibieron caminando.

Con la intención de disfrutar una mañana veraniega y platicar acerca de su trayectoria y proyectos, el Dr. Jesús Arturo Monroy Anieva, catedrático CONACYT en el Centro de Investigación en Ciencias de Información Geoespacial (CentroGeo), ubicado en el Parque Científico Tecnológico de Yucatán, charló para Quiu sobre robótica, sistemas de geolocalización y generación de imágenes tridimensionales obtenidas mediante nubes de puntos 3D utilizando técnicas de visión por computadora, sonares y el sistema LIDAR.

El Dr. Arturo es ingeniero en electrónica egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM), unidad Azcapotzalco, donde optó por el área de especialización en control e instrumentación. Posteriormente, “por orientación de mis profesores conocí el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del IPN, unidad Zacatenco, en la Ciudad de México, donde realicé la maestría y el doctorado en control automático. “Al cursar la maestría aprendí a estudiar modelos matemáticos y analizar la estabilidad en las variables respectivas. Hablamos de matemáticas teóricas. Posteriormente elegí el tema de tesis relacionado con la robótica submarina”.

Desde la maestría, y posteriormente en el doctorado, que también realizó en el CINVESTAV, el Dr. Monroy se involucró en la robótica, etapa en la que fue crucial la vinculación con el Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI) del estado de Querétaro, donde cuentan con el Laboratorio de Robótica Submarina y fue coasesor de dos estudiantes de la Maestría en Automatización y Control de la Universidad Politécnica de Tulancingo (UPT), con quienes puso en práctica la implementación de algoritmos de control automático que se estudian a nivel teórico en los sistemas electromecánicos.

A partir de entonces, el Dr. Arturo y su equipo comenzaron a experimentar con diferentes componentes electrónicos adaptados al pequeño submarino del CIDESI, como un sonar (Sound Navigation and Ranging, por sus siglas en inglés), dispositivo que emite ondas de frecuencia acústica que viajan por el espacio y al rebotar en la superficie de un objeto regresan al lugar donde se emitieron, y mediante cálculos matemáticos, el sonar obtiene la distancia y puede detectar alguno objetos que se encuentran a su alrededor. Este sistema es similar al que en la naturaleza emplean algunas especies como ballenas, delfines y en particular los murciélagos, quienes debido a lo limitado de su capacidad visual, se orientan mediante el rebote de los chillidos que emiten, con los cuales crean imágenes mentales de lo que los rodea.

Respecto a la dificultad de emplear otros sistemas para la captación de imágenes en ambientes acuáticos, el Dr. Monroy agrega que las señales de luz son fuertemente afectadas en el agua por factores como la turbidez del medio, o simplemente por efecto de la difracción y refracción, lo que hace aún más difícil obtener mediciones precisas.

Actualmente los sistemas LIDAR son comúnmente utilizados para obtención de nubes de puntos 3D en la superficie terrestre. De tal manera que se obtiene ventaja de las técnicas de visión por computadora para la obtención de nubes de puntos 3D en ambientes acuáticos, siempre y cuando se pueda controlar la iluminación del medio, el rango y la distancia de las imágenes obtenidas a través de la fotogrametría.

“Cuando se modela un sistema de control y se pretenden implementar las ecuaciones en el sistema físico experimental, normalmente suelen desconocerse una gran cantidad de variables y difícilmente se puede sistematizar completamente el modelo matemático respectivo mediante la deducción de ecuaciones matemáticas”, refiere el investigador respecto a la diferencia entre los modelos teóricos y la aplicación práctica.

IMÁGENES TRIDIMENSIONALES

El Dr. Arturo Monroy se incorporó recientemente al área de percepción remota del Centro Geo, donde propone la creación de imágenes tridimensionales a través de nubes de puntos 3D obtenidos mediante robots operados a distancia, como drones y submarinos. Para lograr esas imágenes deberá echar mano de sonares, fotogrametría, visión por computadora y el sistema LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), según sea el caso de lo que pretenda digitalizar, “la finalidad es llevar a cabo un proyecto con una aplicación real, funcional, que no se quede en el nivel teórico”, enfatiza.

De manera específica, el Dr. Arturo Monroy desarrolla la propuesta de un proyecto mediante el cual realizará imágenes tridimensionales de arrecifes, aunque también se puede aplicar en otros ambientes acuáticos como cenotes y ríos subterráneos. “Este proyecto es bastante ambicioso. Bien planteado, se puede sacar ventaja de la fotogrametría y el uso de sonar, y agrega que a diferencia de otros sistemas para captar ondas de rebote, el uso de sistemas que operan con señales acústicas favorecen la obtención y fiabilidad de la información a digitalizar, mientras que el sistema LIDAR, el cual emplea un haz de luz proyectado en los objetos y a partir de la ecuación de la onda que viaja por el medio, obtener la distancia. Este sistema trabaja en un espectro de frecuencias más alta que otros similares, por lo que se consigue más información del objeto a reconstruir”, el láser que emitido es afectado por la turbidez o la refracción del medio acuático. Por esta razón el uso de LIDAR ha sido comúnmente utilizado para la reconstrucción 3D en la superficie terrestre.

Una vez obtenidos los datos, el DR. Arturo Monroy pretende llevar esa información a un ambiente digital, con lo cual creará imágenes tridimensionales que podrán tener aplicaciones didácticas, de investigación o conservación, entre otras. Resulta sorprendente saber que a través de algoritmos matemáticos podemos recrear virtualmente un arrecife y navegar por él desde un dispositivo móvil o una computadora, tal como actualmente hacemos cuando a través de google maps ubicamos algún edificio de, por ejemplo, el Palacio Cantón que tenemos frente a nosotros, e incluso a miles de kilómetros de distancia lo recorremos y apreciamos detalles que incluso estando físicamente en ese lugar no apreciaríamos.

“El proyecto lo planteo desde tres vertientes: robótica submarina, que nos permitirá tener control sobre los dispositivos para obtener información, además de incrementar el alcance al llegar a profundidades peligrosas para el hombre; visión por computadora, para lo cual utilizaremos la técnica de reconstrucción 3D SFM (Structure From Motion) movimiento por estructura para generar imágenes de gran calidad; y vinculación con los sistemas socioecológicos, es decir, establecer los nexos con los aspectos sociales, económicos, de conservación y preservación implícitos en el hábitat que analicemos, como sería el caso de los arrecifes.”

En este proyecto transdisciplinario intervienen matemáticos, computólogos, ingenieros, biólogos y sociólogos, y aunque la finalidad específica es obtener imágenes confiables de ambientes acuáticos a los que no es tan fácil acceder, éstas pueden servir a su vez para otros fines como el monitoreo de arrecifes, identificación de especies marinas, educación ambiental, e inclusive para diseño y arquitectura.

Luego de la interesante conversación que se prolongó por cerca de dos horas, regresamos a al Remate de Paseo Montejo. Desde allí, el Dr. Arturo Monroy recalca la necesidad de que los jóvenes se interesen por las matemáticas y reconoce que en Mérida hay mucho talento al respecto, por ello invita a que se acerquen al CentroGeo para conocer lo que allí desarrollan y vincularse a los proyectos o desarrollarse a través de los posgrados que ofrecen.