Medição óptica de formas 3D em meio subaquático através de interfaces planas de refração utilizando triangulação inversa

Abstract

A medição geométrica em meio subaquático abrange desde a verificação da profundidade por embarcações a medições 3D de complexas estruturas submersas, como tubulações, portos e plataformas. É uma ferramenta de suma importância para indústrias como a de óleo & gás e naval. Todavia, seu uso também pode ser citado em diferentes áreas e aplicações, como na medição de artefatos antigos, naufrágios e no mapeamento geológico e de corais. Tipicamente, a medição subaquática de distâncias, e mais recentemente de formas 3D, é realizada por sonares, uma vez que a água é um excelente acoplante acústico. No entanto, a medição óptica de formas 3D apresenta vantagens em relação aos sonares e à medição manual, como maior densidade de pontos e menor incerteza. A principal limitação técnica é a redução da qualidade do sinal da luz devido a efeitos degradantes intrínsecos a sua propagação pela água, sendo os principais a absorção e o espalhamento (scattering). Por essa razão, sistemas ópticos são geralmente adequados para aplicações subaquáticas de curtas distâncias (alguns metros). Outro importante efeito que deve ser considerado é a refração na interface de visão da câmera (janela) que separa o sistema óptico da água. As janelas de visão típicas são do tipo domo ou plana. O uso de janelas domo geralmente resulta em menores distorções devido à refração, mas são de difícil alinhamento. Em contraste, janelas planas são simples de serem fabricadas, baratas e mais resistentes a impactos. O sistema formado por uma câmera com visão através de interfaces plano-paralelas de refração não possui um centro único de projeção ou single-view-point (SVP), e sim um eixo onde todos os feixes de luz cruzam, sendo, portanto, denominada de câmera axial. A modelagem fisicamente correta deste tipo de sistema de visão é um tema de crescente interesse e algumas propostas de solução existem. A presente tese consiste na realização de medição 3D com um sistema de visão estéreo ativo (projeção de franjas) através de interfaces plano-paralelas de refração utilizando a medição orientada ao objeto ou triangulação inversa (InvT). Este tipo de triangulação consiste na procura por pontos 3D válidos contidos em um volume de medição com resolução e dimensão pré-definidos, resultando em uma nuvem de pontos regular. O trabalho contempla o desenvolvimento de uma calibração estéreo dos parâmetros que modelam fisicamente a refração, o que inclui a distância e o eixo de inclinação das câmeras em relação às superfícies de refração; o desenvolvimento de método de raytracing através das interfaces planas de refração para a projeção de pontos 3D, requerida pela InvT; e métodos para redução do número de pontos a serem testados pela InvT. Além do desenvolvimento teórico, uma avaliação metrológica foi realizada através de experimentos controlados para avaliar as técnicas propostas. Medições subaquáticas foram realizadas utilizando o modelo de refração e também com compensação por ajuste focal e correção de distorções 2D. Os resultados foram comparados com o desempenho do sistema no ar.

Abstract : Underwater geometrical measurement ranges from depth check by ships to 3D measurement of complex structures, as pipes, harbors and platforms. It is a tool of utmost importance for industries such as oil & gas and naval. Although, its applications may also include other areas as measurement and documentation of ancient artifacts, shipwrecks, geological and reefs mapping. Usually length and more recently 3D shape measurements are performed by sonars, since water is an excellent acoustic coupler. When high resolution is needed for short range measurements, optical principle becomes an attractive solution, which can delivery much higher point density and lower uncertainty. The major technical limitation is the reduction of the light signal quality due to detrimental effects during its propagation through water, which are mainly: attenuation and scattering. For these reason, optical systems are more suitable for short range applications (up to few meters). Another important effect that must be considered is the refraction that occurs on the camera?s vision interface (port) which separates the optical system to the water. Typical types of ports are: dome and flat. Dome ports reduces the refraction effect but are usually hard to align. In contrast, flat ports are very simple, inexpensive, and more robust to impacts. The vision system resultant from a camera and a set of flat and parallel refractive interfaces does not have a unique projection center, or single-view-point (SVP) but an axis were all light rays intersects and for this reason it is named an axial camera. It has been shown that the resultant distortion for this type of configuration is 3D, or distant dependent. Physically correct modeling of this type of vision system has been a topic of growing interest and some solutions exists. The present thesis consists of the 3D measurement using an active (fringe projection) stereo system and object oriented measurement or inverse triangulation (InvT) through flat refractive interfaces. This type of triangulation contrasts with the usual technic, since it is object-oriented instead of sensor oriented, allowing a pre-defined measurement volume and resolution, resulting in a regularly spaced point cloud. The work contemplates the development of a stereo calibration technic of a physically correct refraction model, with includes the interfaces distances and camera lens axis orientation in relation to the interface; development of a raytracing algorithm to direct project 3D points though flat refractive interfaces, which is needed in InvT; and methods to reduce the processing time and number of points tested during the InvT. Aside from the theoretical development, a metrological evaluation was executed through controlled experiments to validate the proposed techniques. Underwater measurements were conducted using the refraction model and refraction compensation by focal length and 2D lens distortion adjustment. The results were compared which in-air performance.