D10 Visão Computacional de Formações

Tópico

Um sistema multicâmeras sincronizado, combinado com algoritmos de visão computacional, permite a reconstrução do movimento tridimensional de um bando inteiro, ave por ave, em vez de simplesmente descrever o comportamento médio do grupo. Essa reconstrução tridimensional do movimento do bando é o método que permite a observação direta dos níveis aerodinâmicos individuais e coletivos de uma formação de voo, bem como das anomalias que surgem quando essa formação se desfaz em resposta a uma perturbação externa.

O principal desafio técnico desse sistema multicâmeras sincronizado é o rastreamento individual de cada ave dentro do bando: uma cena com dezenas ou mesmo centenas de aves em movimento rápido, muitas delas parcialmente escondidas atrás de outras em qualquer dado momento, exige que os algoritmos de visão computacional sejam capazes de rastrear a identidade de cada ave de um quadro para o seguinte, sem confundi-la com suas vizinhas.

Os sistemas atuais já resolvem esse desafio técnico em uma escala considerável: o sistema desenvolvido por Cavagna e seus colaboradores, que combina dez câmeras sincronizadas capturando 170 quadros por segundo, consegue resolver as trajetórias individuais de cada ave em bandos de até 2.000 estorninhos. Com base nessas trajetórias de voo individuais de cada ave, o método calcula todas as variáveis ​​coletivas de que o simulador precisa. A primeira é a distância entre vizinhos, a separação que cada ave mantém das aves mais próximas no bando em qualquer dado momento. Essa medição permite a validação direta de como cada ave ajusta sua posição em relação às suas vizinhas dentro da formação de voo coletiva.

A segunda variável coletiva é o próprio parâmetro de ordem de Vicsek, a mesma grandeza que resume o quão alinhadas estão as direções de voo de todas as aves no bando em um dado instante. Calculado diretamente a partir das trajetórias de voo individuais fornecidas por esse método, o parâmetro de ordem de Vicsek descreve o estado geral da formação de voo coletiva em qualquer momento, sem a necessidade de inferi-lo indiretamente.

A terceira variável coletiva é a geometria da formação em V formada por certos bandos, como os de gansos: ao medir diretamente a posição relativa de cada ave dentro desse V, o método permite validar se cada ave realmente ocupa a posição ideal em relação à ave à sua frente — a posição a partir da qual ela se beneficia do campo de vorticidade gerado por essa ave durante o voo.

A quarta variável coletiva é a velocidade com que as perturbações se propagam pelo bando: ao medir quanto tempo leva para uma perturbação que afeta uma ave atingir seus vizinhos e, em seguida, os vizinhos desses vizinhos, o método calcula essa velocidade de propagação diretamente a partir das trajetórias de voo individuais. Em estorninhos, essa velocidade de propagação excede a velocidade de voo individual de cada ave. Essa velocidade de propagação é precisamente o indicador diagnóstico da robustez do sistema coletivo a uma perturbação da formação: quanto mais rápido uma perturbação se propaga pelo bando, mais rápido o bando consegue se reorganizar para recuperar sua ordem.

Ao combinar a distância entre vizinhos, o parâmetro de ordem de Vicsek, a geometria V e a velocidade de propagação da perturbação, esta reconstrução tridimensional do movimento do bando, obtida inteiramente a partir do rastreamento individual de aves por visão computacional, permite a validação direta e inequívoca de todas as variáveis ​​coletivas que descrevem tanto uma formação de voo intacta quanto uma que está se recuperando de uma perturbação.

ID:4230