BRPI0901912A2 - sistema e método para análise de superfìcie de objetos - Google Patents

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Inventor
Guilherme Holsbach Costa
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Fundacao Universidade De Caxias Do Sul Ucs
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Sistema e Método para Análise de Superfície de Objetos A presente invenção está direcionada a um sistema e um método para a análise da superfície de objetos, em especial containeres e veículos, para verificação da integridade do mesmo e presença de avarias, pequenas e/ougrandes.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Sistema e Método para Análise de Superfície de Objetos
Campo da Invenção
A presente invenção está direcionada a um sistema e um método para aanálise da superfície de objetos, em especial containeres e veículos, paraverificação da integridade do mesmo e presença de avarias, pequenas e/ougrandes.
Antecedentes da Invenção
Cargas são geralmente acondicionadas em containeres ou baús, aserem transportados por um prestador de serviços terceirizado. No decorrer dotransporte, avarias nos containeres são bastante comuns. Por questõeslogísticas, a ocorrência dessas avarias é de difícil rastreabilidade,impossibilitando a identificação do responsável pelo sinistro. Este tipo deproblema acarreta prejuízos consideráveis a produtores e distribuidores dediversos ramos de atuação. Sendo assim, um sistema que execute averificação automática da integridade de containeres ou similares é de grandeaplicação prática no ramo de transporte de cargas. O mesmo sistema pode serestendido à vistoria de veículos automotores, com finalidade semelhante.
O estado da técnica aponta diversas soluções distintas para a resoluçãodeste problema. Dentre os documentos buscados, apenas um foi consideradocomo similar ao Sistema Proposto: "Automatic system for processing inspectiondata", WO 2007/122221 tratado adiante por Sistema Existente.
O relatório descritivo desse documento estabelece que o SistemaExistente caracteriza-se como um "sistema para inspeção de containeres defrete". Mais especificamente, descreve-se como "um sistema e um métodopara processamento, armazenamento, recuperação e representação de dadosde inspeção usados para gravar a condição de um container, incluindoqualquer dano".As motivações do Sistema Existente são: dificuldade em manter umregistro de danos visíveis, especialmente considerando o grande número decontaineres manipulados; dificuldade no armazenamento de imagens decontaineres sem o uso de grandes sistemas de armazenamento, assim comorecuperar estas informações armazenadas em um curto espaço de tempo;dificuldade em estimar a extensão dos danos através de imagens estáticas;dificuldade no armazenamento de vídeos, que normalmente requer grandesquantidades de recursos do sistema de armazenamento e de recuperação.
O sistema existente é capaz de recuperar imagens antigas decontaineres e compará-las com imagens mais recentes do mesmo container.Imagens passadas e atuais do container são analisadas por um processocomputacional para determinar se existem áreas do container que estejamsignificativamente diferentes "em cores ou em intensidade de cores".
O resultado final é uma imagem 3-D do container com a localização dequalquer dano visível mostrada em 3-D. Áreas danificadas que se estendampor mais de um lado ou em arestas do container permitem que uma estimativada profundidade do amassado seja calculada. O documento descrevevariações e modificações do sistema descrito. Dentre elas, destacam-se:
1) Um método que processe as imagens dos containeres e determinepontos, linhas ou áreas em uma vista do container que possa compreender umdano visível (página 16, linha 6);
2) Um método que compreenda em processamento de imagens decontaineres para determinar um valor numérico absoluto ou relativo quedescreva danos em excesso relativos a um pré-determinado valor (página 17,linha 30);
3) O uso de uma interface gráfica para um sistema de inspeção baseadoem processamento de imagens destinado à investigação, exame ou mediçãode danos de containeres de frete.
Os problemas principais que envolvem a estimação de danos emimagens bi-dimensionais, considerando a aplicação em questão, podem serdivididos em dois tipos:- O objeto a ser inspecionado tem uma área superficial que pode atingirvárias ordens de grandeza maior do que a área do dano. Esta diferença dedimensões implica na necessidade da aquisição de imagens com altaresolução e, por conseqüência da maioria das abordagens de processamentode imagens, na necessidade de sensores com alto custo de produção.
Entretanto, técnicas de aquisição (obtenção) de imagens de alta resolução apartir de sensores com baixa resolução podem ser largamente encontradas naliteratura científica.
- A estimação da profundidade dos danos (extensão dos danos nas trêsdimensões espaciais) não pode ser obtida com precisão através de uma únicaimagem (bidimensional) do objeto. Entretanto, técnicas chamadas visãoestereoscópica são amplamente difundidas, com o objetivo de estimar dadostridimensionais a partir de imagens bidimensionais. Tais técnicas podem serencontradas na literatura clássica, e não configuram um problema de pesquisanovo.
O sistema existente relata que as imagens são comparadas pordiferenças de cores e de intensidade luminosa. Os objetos filmados sãopercebidos por diferenças de intensidades luminosas (de diferentes cores)espacialmente distribuídas que, por sua vez, compõem as imagens. Entretanto,o Sistema Proposto baseia-se na utilização de laser. O objeto em análise,neste caso, não é a imagem dos containeres, mas sim o comportamento dofeixe de laser projetado sobre a superfície. A comparação das imagens doscontaineres feita no Sistema Existente é substituída, no Sistema Proposto, pelacomparação do comportamento do laser adquirido durante diferentesinspeções (momentos).
No Sistema Existente, é possível estimar características tridimensionais(apenas) de danos que se estendam por duas vistas do container (porexemplo, vista lateral e superior). No Sistema Proposto, baseado em laser,todo tipo de avaria pode ter suas características tridimensionais verificadas,independente de sua localização sobre a superfície do objeto inspecionado.No Sistema Proposto o objeto de análise não é a imagem do container,mas sim a "imagem" do laser.
Dessa forma, não foi encontrada nenhuma anterioridade quecomprometa a patenteabilidade da presente invenção, sendo a mesma nova einventiva.
Sumário da Invenção
Em um primeiro aspecto, a presente invenção propõe um sistema paraaquisição de imagens e análise da superfície de objetos a partir da incidênciade um laser sobre o objeto e captura da imagem do laser. A principal vantagemda presente invenção é o desenvolvimento de um sistema com alta resolução(o que implica em sensibilidade para detectar pequenas avarias) a um baixocusto.
É um objeto da presente invenção um sistema de análise de superfíciede objetos compreendendo:
a) uma unidade de iluminação;
b) uma unidade de aquisição de imagens;
c) uma unidade de processamento.
Em uma realização preferencial, a aquisição das imagens é feita poruma câmera de vídeo.
Em um segundo aspecto, a presente invenção propõe um método paraaquisição e identificação de irregularidades na superfície de objetoscompreendendo as etapas de:
a) varredura da superfície do objeto com um laser,
b) aquisição das imagens do laser sobre o objeto; e
c) comparação das imagens adquiridas com imagens diferentes, deforma que as diferenças fiquem em evidência.
Em uma realização preferencial, a comparação é realizada com imagensanteriores do mesmo objeto, ou ainda de um objeto padrão. Preferencialmenteo objeto é um contêiner de carga ou automóveis.Estes e outros objetos da presente invenção serão melhor definidos peladescrição detalhada a seguir.
Descrição das Figuras
A figura 1 descreve o sistema da presente invenção adaptado para ainspeção de containeres em caminhões, onde a seta indica o sentido dodeslocamento do caminhão.
A figura 2 descreve o efeito da projeção de um feixe de laser sobre umaimperfeição em uma superfície plana. Quando a forma do laser não for umalinha, mas um único ponto deslocando-se em uma única direção e sentido, emrelação ao sensor de imagens, esse ponto percorrerá uma trajetória similar adescrita pelo feixe representado na figura 2; A: Iluminador LASER; B:Imperfeição em uma superfície plana; C: Sistema de aquisição de imagens; D:Sensor de Imagem; E: Formação da projeção do feixe de LASER sobre osensor.
A figura 3 descreve e exemplifica o princípio básico do processo deaquisição de imagens e de detecção de avarias. Na figura 3(a) é ilustrado umexemplo de superfície (no caso um container) com uma avaria na posiçãomarcada com um "X". Na figura 3(b) é ilustrado um padrão de iluminação porlaser, na forma de uma matriz de pontos com distribuição espacial uniforme. Nafigura 3(c) são ilustrados diversos quadros (seqüências de imagens) adquiridosenquanto o container é deslocado defronte ao sistema de aquisição eiluminação. Nesses quadros, aparecem apenas os pontos de laser que sãorefletidos na superfície a ser analisada. Cada quadro corresponde a umsegmento da superfície. O conteúdo de cada quadro depende do movimentodo container, que geralmente move-se com velocidade não uniforme e em maisde uma direção. Dado a características físicas do laser, a projeção da matriz depontos é distorcida em regiões da superfície que contenham imperfeições(variações no relevo). Nessas regiões, a projeção dos pontos de laser épercebida com uma distribuição espacial não-uniforme. A figura 3(d) ilustra opré-processamento a ser realizado pelo sistema, de forma que ocomportamento do laser possa ser interpretado e que a posição da avariapossa ser identificada. As imagens são alinhadas de acordo com um únicosistema coordenado de referência, gerando uma imagem (chamada mosaico)com resolução mais alta do que a de cada quadro.
Descrição Detalhada da Invenção
Os exemplos a seguir são apenas ilustrativos, não devendo serencarados de forma restritiva.
Para efeitos da presente invenção, entendem-se como objetos a seremanalisados quaisquer objetos que possam ser suscetíveis a avarias, comocontêineres de carga e veículos. Preferencialmente, o objeto é um contêiner.
O sistema da presente invenção compreende os seguintes itens:
a) uma unidade de iluminação;
b) uma unidade de aquisição de imagens;
c) uma unidade de processamento.
A unidade de iluminação consiste em um dispositivo de iluminação laser(light amplification by simulated emission) e um dispositivo de iluminação nafaixa do infra-vermelho (este último pode ser desnecessário quando o sistemafor instalado em ambientes controlados). O feixe de laser utilizado pode possuiro formato linear ou de matriz (ou vetor) de pontos.
A unidade de aquisição de imagens: utiliza câmeras de vídeo(analógicas ou digitais, baseadas em sensores do tipo CMOS ou CCDs) eopcionalmente filtros ópticos destinados à seleção de ondas com comprimentode onda na faixa de freqüência dos iluminadores utilizados (laser e infra-vermelho). Apenas uma câmera e opcionalmente um filtro (na faixa defreqüência do laser) podem ser utilizados no caso de instalação do sistema emambiente controlado.
A unidade de processamento: consiste de processadores e periféricosde entrada e saída e memórias. Pode ser baseado em plataforma dedicada(processadores digitais de sinais) ou em plataforma PC (personal computer).O método para aquisição e identificação de irregularidades na superfíciede objetos é um método que compreende as etapas de:
a) varredura da superfície do objeto com uma unidade de iluminação;
b) aquisição das imagens do laser sobre o objeto; e
c) comparação das imagens adquiridas com imagens diferentes, deforma que as diferenças fiquem em evidência.
Deve ser implementado um deslocamento relativo entre o objeto a servistoriado, como por exemplo um contêiner de um caminhão, e o sistema deaquisição de imagens (câmera e iluminadores). Por exemplo, o objeto a serinspecionado pode ser deslocado na frente do feixe de Iasere da câmera (quepodem permanecer estáticos), de forma a que se execute uma varredura dasuperfície submetida à análise (ver Figura 1). A unidade de processamentoanalisa (processa) o comportamento do feixe de laser refletido nessasuperfície, digitalizado pela unidade de aquisição de imagens, realizando averificação e o registro das condições físicas dessa superfície.
O comportamento do laser refletido sobre a superfície é analisado paraverificar a presença de padrões (de comportamento) indesejáveis (avarias).Entretanto, considerando-se que geralmente busca-se verificar uma alteraçãono estado físico da superfície, para que avarias pré-existentes possam serignoradas, uma vez localizada uma avaria, é necessário que a posição(coordenadas) da superfície em que se encontra essa avaria seja identificada.
Assim, torna-se possível verificar a pré-existência ou não de avarias em taiscoordenadas. Portanto, dois processos distintos podem ser definidos: (i)análise do comportamento do laser para identificar a existência de uma avaria;(ii) identificação da posição da superfície em que se encontra a avaria.
A análise do comportamento do laser pode ser feita através de diversastécnicas bem estabelecidas na área de processamento de sinais, como, porexemplo, casamento de padrões, correlação, ou outras técnicas dereconhecimento de padrões. Um feixe de laser linear, quando projetado emuma superfície irregular, é percebido por um sensor de imagens de uma formabastante característica, conforme ilustrado na Figura 2. Através da projeção dolaser é possível estimarem-se características tridimensionais da superfície emanálise, mesmo através da utilização de uma única câmera. Sendo assim, apresença de avarias pode ser verificada, assim como suas dimensõestridimensionais podem ser estimadas.
O estabelecimento de um sistema único de coordenadas pode ser feitodefinindo-se a posição relativa entre todas as imagens adquiridas da superfície.As imagens são então organizadas obedecendo a esse sistema decoordendas, formando uma única imagem, com resolução mais alta, chamadamosaico (ver Figura 3).
Uma relação pode ser estabelecida entre o sistema de coordenadas(mosaico) e o instante de tempo em que cada imagem do laser é adquirida.Assim, a posição no espaço referente a uma avaria detectada pode serdeterminada.
As imagens adquiridas são originalmente compostas por diferentesníveis de iluminação (tons de cinza ou cores, dependendo do tipo de câmerautilizado), contendo cenas que podem apresentar diversos objetos (deinteresse ou não); dentre eles, detalhes da superfície dos containeres, aprojeção do laser sobre a superfície inspecionada, reflexos, e outros objetoscomo paredes, árvores, pessoas, etc, dependendo do ambiente em que osistema é instalado. Ambientes controlados podem garantir que apenas asuperfície de interesse esteja presente na cena e que as condições deiluminação sejam constantes. Neste caso, a identificação e a análise do feixede laser nas imagens capturadas pode ser bastante simples, e apenas umacâmera de vídeo pode ser utilizada para ambos os processos — (i) e (ii) —definidos anteriormente.
Ambientes que possuam variações de iluminação consideráveis podemrequerer o uso filtros ópticos que permitam que a câmera capture apenasimagens na faixa de freqüência do laser. Neste caso, uma segunda câmerapode ser empregada de forma que seja possível a construção do sistema decoordenadas (mosaico). Nesta segunda câmera, da mesma forma, podem serutilizados filtros ópticos e iluminadores adequados, como, por exemplo, na faixade freqüências do infra-vermelho (IR). Iluminadores e filtros IR são comumenteutilizados visando minimizar interferências causadas por outras fontesluminosas (luz solar, faróis, iluminação pública, sombras, etc.).
O sistema aqui descrito deve ser implementado no ponto de origem dacarga e replicado em cada ponto no qual se deseja verificar a integridade docontainer. Sempre que repetido o processo de varredura, verificação e registro,as condições da superfície podem ser comparadas, contatando-se a alteraçãonas condições do container. Para tal, a unidade de iluminação e a unidade deaquisição de imagens devem possuir como alvo a superfície a ser vistoriada.
A largura da projeção do feixe de laser sobre essa superfície dependede como o sistema é configurado (ângulo de dispersão do laser e distânciaentre o emissor e o objeto a ser vistoriado, assim como das dimensões damatriz de pontos, quando se aplicar). A altura da projeção desse feixe deveabranger toda a altura da superfície submetida à análise.
Os algoritmos aplicados permitem a aquisição de imagens comresolução diversas vezes maior do que os limites do sistema físico de aquisiçãoutilizado. Com isto, é possível o desenvolvimento de um sistema com altaresolução (o que implica em sensibilidade para detectar pequenas avarias) aum baixo custo.

Claims (13)

Sistema e Método para Análise de Superfície de Objetos
1. Sistema para análise de superfície de objetos caracterizado por5 compreender:a) uma unidade de iluminação LASER;b) uma unidade de aquisição de imagens; ec) uma unidade de processamento.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela unidadede iluminação compreender adicionalmente um dispositivo de iluminação nafaixa do infra-vermelho.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela unidadede aquisição de imagens ser câmeras de vídeo e/ou fotográficas.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela unidadede aquisição de imagens compreender filtros ópticos destinados à seleção deondas com comprimento de onda na faixa de freqüência dos iluminadoresutilizados.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela unidadede processamento ser um computador ou uma plataforma dedicada.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo objetoser um contêiner.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelocontêiner estar acoplado a um caminhão.
8. Método para análise da superfície de objetos, caracterizado porcompreender as etapas de:a) varredura da superfície do objeto com uma unidade de iluminação;b) aquisição das imagens do laser sobre o objeto; ec) comparação das imagens adquiridas com imagens diferentes, deforma que as diferenças fiquem em evidência.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelavarredura ser feita pelo deslocamento relativo entre o objeto e a unidade deiluminação.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo objetose deslocar e a unidade de iluminação permanecer parada.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo objetopermanecer parado e a unidade de iluminação se deslocar.
12. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelacomparação ser realizada entre a imagem capturada e uma imagem do mesmoobjeto capturada em um momento anterior.
13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelacomparação ser realizada por meio de técnicas de casamento de padrões,correlação, e técnicas de reconhecimento de padrões.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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