D5 Fotogrametría y Reconstrucción cinemática 3D

Tópico

La fotogrametría de alta velocidad es la técnica que reconstruye la forma tridimensional y la cinemática del cuerpo del pez a partir de imágenes sincronizadas capturadas por varias cámaras de alta velocidad, capaces de grabar entre quinientos y diez mil fotogramas por segundo. A diferencia de la técnica de velocimetría por imágenes de partículas descrita antes en esta serie, que mide el movimiento del fluido alrededor del pez, la fotogrametría de alta velocidad mide el movimiento del propio cuerpo sólido del pez.

Para reconstruir la forma tridimensional del cuerpo del pez, la fotogrametría de alta velocidad sigue uno de dos caminos: o bien detecta puntos de control sobre el cuerpo del pez —marcadores pintados sobre la piel, o puntos anatómicos reconocibles— y los triangula estereoscópicamente del mismo modo que se triangula la posición de un pez completo en el tracking 3D de nado descrito antes en esta serie, o bien reconstruye la silueta completa del cuerpo del pez a partir de las siluetas que ese mismo cuerpo proyecta en cada una de las cámaras.

En este segundo camino, cada cámara define un cono visual: la región del espacio que, al proyectarse sobre esa cámara, cae dentro de la silueta del cuerpo del pez observada en su imagen. La intersección de los conos visuales de todas las cámaras define el volumen visual del cuerpo del pez, es decir, el volumen máximo posible que resulta compatible, al mismo tiempo, con todas las siluetas observadas desde las distintas cámaras.

Para obtener la cinemática completa del cuerpo del pez, la fotogrametría de alta velocidad repite esta reconstrucción de la forma en cada fotograma sucesivo, y rastrea la posición de cada punto o segmento corporal a lo largo del tiempo. La deformación de la superficie del cuerpo del pez a medida que nada, la llamada onda cinemática, se cuantifica ajustando un modelo de superficie deformable a la nube de puntos que la reconstrucción entrega en cada instante.

A partir de esta cinemática corporal tridimensional se calculan la amplitud de la onda que recorre el cuerpo del pez en cada punto y en cada instante, la velocidad con la que esa onda cinemática viaja a lo largo del cuerpo, el número de Strouhal y el resto de los parámetros propulsivos relevantes. Cuando se combina con la dinámica de fluidos computacional descrita antes en esta serie, la fotogrametría de alta velocidad aporta precisamente las condiciones de contorno de deformación del cuerpo que esa simulación necesita imponer para calcular las fuerzas hidrodinámicas resultantes sobre el pez.

La ventaja de reconstruir esta cinemática corporal en tres dimensiones, en vez de solo en el plano lateral, es que revela movimientos del cuerpo del pez fuera de ese plano que un análisis bidimensional lateral subestima o directamente no detecta, algo especialmente marcado en maniobras de giro o cuando el pez nada dentro de una corriente perturbada. Así, la misma fotogrametría de alta velocidad que al comienzo de este modelo se describió como una técnica capaz de medir el movimiento del cuerpo sólido del pez, y no solo del fluido que lo rodea, termina revelando una riqueza de movimiento corporal que las técnicas más simples de seguimiento en dos dimensiones dejan fuera.

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