Resumen de Medida y análisis de movimientos y vibraciones mediante sistemas de bajo coste basados en visión artificial
1.Introducción/Motivación La principal motivación a la hora de realizar esta tesis, ha sido el interés en la medida de pequeñas vibraciones y desplazamientos, ya que se ha convertido en un aspecto importante en diversos campos. La medida de estas vibraciones o desplazamientos nos permite conocer el comportamiento de diferentes objetos y como se ven afectados por factores propios o externos a ellos. Dos de los campos donde resulta interesante la medida de estas vibraciones o desplazamientos en los que centraremos nuestra atención son la ingeniería civil y la biomedicina.
Existen diferentes tipos de dispositivos que nos permiten medir las vibraciones o desplazamientos de diferentes estructuras. El inconveniente de algunos de estos dispositivos es que necesitan estar en contacto con la superficie que se va a medir, como ocurre con los acelerómetros. En muchas ocasiones debido a restricciones del terreno que impiden el acceso a la estructura resulta imposible realizar la medida. También existen dispositivos de no contacto como los vibrómetros láser que a pesar de proporcionar resultados muy precisos su coste es muy elevado. Estos son algunos de los motivos por los que se prefieren métodos no invasivos en concreto métodos ópticos basados en imágenes. El uso de métodos ópticos basados en imágenes para la monitorización de micromovimientos no es exclusivo de la ingeniería civil. También se pueden utilizar en el estudio de la dinámica ocular evitando el contacto con la superficie ocular, como ocurría en técnicas invasivas como la técnica ¿search-coil¿ o la electro-oculografía.
Estos métodos, se basan en el reconocimiento y seguimiento de un objeto y para ello suelen utilizar cámaras que registran secuencias a alta velocidad, pero requieren alta resolución espacial para detectar pequeños cambios en la escena. Además, su uso está limitado por el hardware ya que la resolución del sensor va ligada a la velocidad de procesado. En ocasiones es posible utilizar cámaras de gama baja pero siempre teniendo en cuenta que además de tener las resoluciones espacial y temporal reducidas presentan otra serie de inconvenientes como el uso de algoritmos de compresión.
Los métodos ópticos basados en imágenes, utilizan técnicas de seguimiento que incluyen dos pasos básicos. El primero de ellos consiste en el reconocimiento del objeto que requiere un análisis y una segmentación correctos de la imagen. El segundo paso, es la localización del objeto, es decir, la extracción del mismo del resto de la imagen. De todos los objetos posibles que podemos utilizar los que presentan forma elíptica son los más apropiados, ya que mantienen su topología en todos los movimientos posibles y su forma es fácilmente reconocible. Para aumentar la precisión de estas técnicas, se pueden utilizar las llamadas técnicas sub-pixel, que disminuyen la incertidumbre en la posición del objeto por debajo del píxel. Estas técnicas las podemos llevar a cabo, mediante el cálculo del centroide del objeto a partir de su geometría. Del uso de una diana cuyo contorno se ajuste a una figura geométrica analítica o teniendo en cuenta la respuesta de un único sensor (píxel) en presencia de un borde.
Por tanto, el objetivo principal de esta tesis, es el desarrollo de técnicas sub-píxel para la medida de vibraciones y desplazamientos. Para ello, diseñaremos dispositivos de medida de no contacto y dos algoritmos diferentes, uno basado en la detección y seguimiento de un objeto con forma elíptica que se aplicará tanto en ingeniería civil como en biomedicina, y otro basado en la variación de la intensidad luminosa de una región de la imagen, que únicamente se aplicará en ingeniería civil.
2.Desarrollo teórico En este trabajo se desarrollan dos tipos de técnicas para la medida de vibraciones y desplazamientos.
En primer lugar se desarrolla una técnica de detección y seguimiento de un objeto, la cual consta de dos pasos básicos, el reconocimiento del objeto y la localización del mismo, de manera que si conocemos sus características principales, podremos conocer el desplazamiento que realiza. En este caso, vamos a considerar el seguimiento de un objeto con forma elíptica ya que es el objeto más adecuado debido a que su forma es fácilmente reconocible. Así, si ajustamos su contorno a la ecuación general de la elipse, podremos obtener sus parámetros geométricos, es decir, las coordenadas del centro, la longitud de los ejes, su excentricidad y su orientación. Mediante el análisis del seguimiento de las coordenadas del centro podemos conocer los movimientos laterales que se producen.
Para determinar la precisión de esta técnica se realizan varias simulaciones, que consisten en el seguimiento de dianas circulares de diferente tamaño, que realizan un desplazamiento total de 1px. Tras ajustar su contorno a una elipse, obtenemos sus coordenadas del centro, y compararemos las posiciones teóricas con las calculadas. Con estas simulaciones se ha comprobado que podemos obtener resolución sub-pixel en la determinación de la posición de un objeto en movimiento con estas técnicas.
Esta técnica se ha aplicado tanto en biomedicina como en ingeniería civil. Entre las aplicaciones dentro del campo de la biomedicina, se ha evaluado la dinámica ocular, por medio de la detección de los movimientos oculares de fijación, el análisis del reflejo pupilar, o la caracterización de un topógrafo corneal. Tanto en el caso de la detección de movimientos de fijación como en el análisis del reflejo pupilar, se ha tomado como objeto de referencia o diana la pupila humana, ya que ésta presenta forma elíptica. Por tanto el objetivo, es detectar su contorno y ajustarlo a la ecuación de una elipse para obtener sus parámetros característicos. En cuanto a la caracterización del topógrafo, se tomará como referencia los anillos de Plácidos reflejados sobre una superficie.
En cuanto al campo de ingeniería civil, se han aplicado en la detección de las vibraciones de una columna de acero. En el caso de la medida de estructuras externas, se debe adherir a la misma una diana que será el objeto que se utilizará para realizar el seguimiento.
En segundo lugar, se lleva a cabo el desarrollo de la técnica multiumbral, que es una técnica que nos permite conocer las vibraciones de un objeto sin el uso de dianas u objeto de referencia, únicamente realizando una umbralización multinivel de las imágenes de la estructura que se quiere analizar.
Si tenemos una imagen compleja, cualquier movimiento que se produzca, conllevará cambios en los píxeles que forman su perfil, aunque este movimiento sea más pequeño que el tamaño del sensor. De esta manera, si conocemos los píxeles que cambian podremos conocer el movimiento que se produce a escala sub-píxel.
En el caso de que un objeto vibre, se produce una variación periódica que afecta a varios niveles de luminosidad. Por tanto, para conocer la vibración principal debemos aplicar una umbralización multinivel. Para ello, lo que se hace es umbralizar cada fotograma en diferentes niveles de gris, igualmente espaciados entre el mínimo y el máximo. A continuación, se obtiene la variación de píxeles en cada uno de esos niveles y se comparan con la variación de píxeles para los mimos niveles del primer fotograma. Esta variación contiene información de la frecuencia de vibración principal, que se puede obtener por medio del análisis de la transformada de Fourier de la señal de cada uno de los niveles.
Con esta técnica se han obtenido buenos resultados aplicándola, tanto en medidas en espacios controlados, como en el caso de la obtención de la vibración en un diapasón y en un altavoz. Así como, realizando medidas de estructuras exteriores, como la vibración de una pasarela peatonal que conecta dos partes de un edificio.
3.Conclusión En esta tesis, se han desarrollado dos técnicas que nos han permitido medir y analizar desplazamientos y vibraciones que se producen en diferentes tipos de estructuras, tanto civiles como biológicas. Una de estas técnicas está basada en la detección y seguimiento de un objeto con forma elíptica y la otra es una técnica multiumbral. Con ambas técnicas se han obtenido buenos resultados, al aplicarlas a dos campos específicos como son la ingeniería civil y la biomedicina, en concreto el estudio de la dinámica ocular.
Por una parte, la técnica de detección y seguimiento, nos ha proporcionado buenos resultados tras su aplicación tanto en ingeniería civil como en biomedicina. Es una técnica que necesita un objeto de referencia para poder realizar el seguimiento y determinar así el desplazamiento y las vibraciones que se producen. No requieren estar en contacto con la estructura que se va a analizar y presentan menos coste que algunos dispositivos del mercado.
Por otra parte, la técnica multiumbral, que se ha aplicado en el campo de la ingeniería civil, es una técnica multipuntual que al contrario que la técnica de seguimiento no requiere el uso de ningún objeto de referencia para realizar las medidas, nos basta con obtener imágenes de la estructura que queremos analizar. Es una técnica dependiente tanto del contraste de la imagen como de la región de la misma que tomemos para ser analizada. Además también presenta un coste inferior al de otros dispositivos.
Otra aportación de este trabajo, ha sido el uso de cámaras de gama baja, con las que se ha demostrado que es posible su utilización para la realización de este tipo de medidas. Estas cámaras permiten obtener secuencias de imágenes a alta velocidad, y no necesitan dispositivos externos para almacenarlas, ya que lo pueden hacer en su memoria interna. Nos permiten realizar medidas a distancias cortas a modo de sistema microscópico o a distancias largas acopladas a un sistema telescópico, siempre con un coste inferior.
Por tanto, con la aplicación de estas técnicas y con el uso de cámaras de gama baja, se pueden obtener de manera sencilla las frecuencias de vibración de diferentes estructuras, en ocasiones a distancias relativamente largas. Estas medidas se pueden realizar sin el contacto con la estructura y con un coste relativamente bajo.
