D5 Fotogrametria e reconstrução cinemática 3D

Tópico

A fotogrametria de alta velocidade é a técnica que reconstrói a forma tridimensional e a cinemática do corpo de um peixe a partir de imagens sincronizadas capturadas por diversas câmeras de alta velocidade capazes de gravar entre 500 e 10.000 quadros por segundo. Diferentemente da técnica de velocimetria por imagem de partículas descrita anteriormente nesta série, que mede o movimento do fluido ao redor do peixe, a fotogrametria de alta velocidade mede o movimento do próprio corpo sólido do peixe.

Para reconstruir a forma tridimensional do corpo do peixe, a fotogrametria de alta velocidade segue uma de duas abordagens: ou detecta pontos de controle no corpo do peixe — marcadores pintados na pele ou pontos de referência anatômicos reconhecíveis — e os triangula estereoscopicamente, da mesma forma que a posição de um peixe inteiro é triangulada no rastreamento de natação 3D descrito anteriormente nesta série, ou reconstrói a silhueta completa do corpo do peixe a partir das silhuetas que o corpo projeta em cada uma das câmeras.

Nessa segunda abordagem, cada câmera define um cone visual: a região do espaço que, quando projetada nessa câmera, se encontra dentro da silhueta do corpo do peixe, conforme vista em sua imagem. A interseção dos cones visuais de todas as câmeras define o volume visual do corpo do peixe — ou seja, o volume máximo possível que seja compatível, simultaneamente, com todas as silhuetas observadas pelas diferentes câmeras.

Para obter a cinemática completa do corpo do peixe, a fotogrametria de alta velocidade repete essa reconstrução da forma em cada quadro subsequente e rastreia a posição de cada ponto ou segmento do corpo ao longo do tempo. A deformação da superfície do corpo do peixe enquanto ele nada, a chamada onda cinemática, é quantificada ajustando-se um modelo de superfície deformável à nuvem de pontos que a reconstrução gera a cada instante.

A partir dessa cinemática corporal tridimensional, calcula-se a amplitude da onda que se propaga ao longo do corpo do peixe em cada ponto e instante, juntamente com a velocidade de propagação dessa onda cinemática, o número de Strouhal e outros parâmetros propulsivos relevantes. Combinada com a dinâmica dos fluidos computacional descrita anteriormente nesta série, a fotogrametria de alta velocidade fornece precisamente as condições de contorno de deformação corporal necessárias para que a simulação calcule as forças hidrodinâmicas resultantes sobre o peixe.

A vantagem de reconstruir essa cinemática corporal em três dimensões, em vez de apenas no plano lateral, é que ela revela movimentos do corpo do peixe fora desse plano que uma análise lateral bidimensional subestima ou simplesmente não detecta — algo particularmente perceptível durante manobras de virada ou quando o peixe nada em uma corrente turbulenta. Assim, a mesma fotogrametria de alta velocidade que, no início deste modelo, foi descrita como uma técnica capaz de medir o movimento do corpo sólido do peixe, e não apenas do fluido que o envolve, acaba revelando uma riqueza de movimentos corporais que as técnicas de rastreamento bidimensionais mais simples não captam.

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