domingo, 21 de septiembre de 2014

Cámaras de altos vuelos

Hace unos meses tuve que elegir una cámara que iría instalada en un UAV o drone de gran tamaño. Nunca había trabajado con este tipo de sistemas por lo que intenté buscar información sobre el tema, pero me di cuenta de que no hay mucha abierta al público, ya que la mayoría son sistemas militares. Así que he decidido hacer un post sobre este tipo de cámaras ya que es algo curioso y que puede ayudar a alguien que se vea en la misma tesitura que yo.

Generalmente las cámaras de este tipo se venden ya encapsuladas, y además de la cámara RGB, suelen contener una cámara infrarroja o térmica y un puntero láser para marcar objetivos (aquí sale a relucir el tema militar). Suelen ser del tipo PTZ (pan, tilt y zoom), lo que quiere decir que se pueden mover en horizontal y vertical y además hacer zoom. Normalmente los rangos tanto de movimiento como los del zoom suelen ser muy grandes, pudiendo llegar a girar en torno a 360º en ambas direcciones y tener un zoom de hasta 200x.

Cámara UAV UAS Drone
Ejemplo de cámara para Drones (Cámara STAR SAFIRE 380 HD)

A la hora de elegir un sistema, lo primero que hay que tener en cuenta es la altura a la que volará el drone y la resolución con la que se quiere ver los objetos, ya que ésto determinará la óptica. Generalmente se trabaja con unidades del tipo GRD, NIRS o IFOV, que relacionan el tamaño de un objeto en píxeles con el tamaño real del objeto, es decir, es la relación entre el tamaño de la imagen y el tamaño real de lo que se ve en esa imagen. Lógicamente estas unidades dependen de la altura a la que se encuentra la cámara y del zoom empleado, ya que al acercarse la cámara al suelo o al aumentar el zoom, los objetos en la imagen se ven más grandes, es decir ocupan más píxeles, y viceversa, por lo que cambia la relación entre tamaño en píxeles y tamaño real.

Ejemplo de cómo se ve una misma imagen al variar la relación entre tamaño real y tamaño en píxeles. Las relaciones son de 10cm 25cm 50cm y 100cm por píxel.
Por lo tanto para poder reconocer objetos muy pequeños a gran altura, parece que lo mejor es tener una óptica con mucho zoom e imágenes con mucha resolución. Sin embargo, una gran óptica significa más peso y volumen, que son variables muy críticas en este mundo de los drones. Por lo que nos queda aumentar el tamaño de la imágen (resolución en píxeles), pero teniendo en cuenta que las imágenes tomadas por la cámara generalmente se suelen mandar vía radio a una estación de tierra, hay que tener cuidado en este aspecto. Las imágenes suelen ocupar mucho espacio, y los anchos de banda destinados a este fin suelen ser limitados, por lo que generalmente se opta por imágenes pequeñas y muy comprimidas para poder enviarlas. Así que la elección de una cámara para un drone es un compromiso entre la calidad de las imágenes, las capacidades técnicas del drone (peso y volumen que puede llevar) y los sistemas de comunicación que emplea.

Además de la óptica, un factor a tener en cuenta para obtener una imagen de calidad es la de la estabilización. Hay que tener en cuenta que un UAV se mueve mucho por lo que para que las imágenes no se vean borrosas o movidas hace falta un sistema que minimice ese movimiento. Los sistemas de estabilización de imagen de estos equipos suelen estar compuestos por una parte mecánica que corrige los movimientos más grandes o bruscos, y otra software que hace la corrección más fina.

Otro aspecto que puede marcar la diferencia en este tipo de sistemas es el de los modos de funcionamiento. Además de sacar fotos y vídeo como casi cualquier cámara, estos sistemas pueden tener otros modos de funcionamiento, que aunque son más típicos en los SAR (synthetic aperture radar), también  pueden estar incluidos en estas cámaras y permiten hacer cosas como seguimiento de objetivos, barrido de áreas grandes para crear una gran imagen o panorámica, seguimiento de trazas de calor... etc. En estos modos, las cámaras incluso pueden llegar a comunicarse directamente con el drone para indicarle un rumbo que permita no perder un objetivo marcado o para darle instrucciones que permitan realizar el barrido de un área extensa.

Además de las funcionalidades que la cámara realiza en el aire, hay otras que pueden ampliar su valor y que se realizan en la estación de tierra mediante software especializado (algoritmos de visión artificial), como reconocimiento de vehículos y personas, lectura de una matrícula de coche o identificación de un objetivo.

En general elegir una cámara para un drone es una tarea complicada, ya que no hay mucha información al respecto y hay que tener muchas variables en cuenta a la hora de elegir un sistema. Las claves para decidirse por uno u otro, además de las especificaciones propias de las cámaras, son el objetivo final del drone, sus especificaciones, sobre todo en cuanto a peso y volumen que puede transportar y los sistemas de comunicación empleados.