Fusão da visão estéreo passiva e ativa para inspeção 3D de risers

Abstract

Na indústria do petróleo e gás, em especial no ambiente offshore, utilizam-se tubulações para extração e transporte de petróleo. Os dutos que interligam o trecho próximo ao leito marinho à plataforma são denominados de risers, que podem ser do tipo rígidos ou flexíveis. Os risers flexíveis contêm estrutura complexa formada por várias camadas metálicas e não metálicas e operam em condições dinâmicas sujeito a apresentar falhas, exigindo uma inspeção periódica. A escalada industrial é tipicamente uma atividade que realiza inspeção da camada externa do riser em região emersa, acima da linha d?água, contudo, empregam-se alto risco, custo e tempo elevado de operação. A fim de substituí-la, sistemas de aeronaves remotamente pilotadas (RPAS) são utilizadas para realizar inspeção visual dessa camada por meio da aquisição de imagens. Visando transformar essa inspeção visual para uma medição, estudos recentes apresentam a possibilidade de integrar em RPAS soluções ópticas de medição 3D, como por exemplo, a fotogrametria e o sistema de visão estéreo. A fotogrametria necessita da preparação da cena por meio da inserção de alvos e barras calibradas para realizar medição com baixa incerteza e sua preparação no ambiente offshore pode elevar os custos, riscos e tempo de operação. Outra forma de inserir escala é por meio das posturas das câmeras advindas do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), porém os resultados de medição se apresentam com maiores incertezas. O sistema de visão estéreo apresenta uma vantagem em relação à clássica fotogrametria, pois carrega uma escala física incumbida no próprio sistema de medição conhecida previamente em um procedimento de calibração de câmeras, o que permite inserir característica dimensional na cena indiretamente. Ambas as técnicas utilizam a triangulação passiva para a reconstrução da nuvem de pontos, necessitando para isso, que a cena contenha uma textura heterogênea (pontos notáveis) para viabilizar a identificação de pontos correspondentes entre imagens. Algumas regiões dos risers podem não apresentar textura adequada para reconstrução por triangulação passiva, sendo uma limitação dessa técnica. Visando superá-la, sistemas que utilizam princípio ativo podem ser integrados para reconstruir a nuvem de pontos. Esta dissertação de mestrado descreve o desenvolvimento de um sistema de visão estéreo com a utilização de projeção laser, o qual realiza a medição 3D por intermédio da fusão das técnicas de triangulação passiva e ativa com base na concatenação das nuvens de pontos referenciadas a um sistema de coordenada global (SCG). Ao longo do trabalho, metodologias distintas de calibração de câmeras e a comparação entre as malhas da superfície medida e de padrões calibrados foram avaliados, permitindo conhecer os erros e dispersões tangíveis do sistema proposto, bem como validar os algoritmos desenvolvidos. Ao final, pôde-se constatar a possibilidade da reconstrução das nuvens passiva e ativa ao longo de uma única medição com movimentação solidária do sistema estéreo e do dispositivo laser.

Abstract: In the oil and gas industry, especially in the offshore environment, pipelines provides a means for extracting and transporting oil. The pipelines are a connection between the seabed to the platform and there are two main types, flexible risers and rigid risers. A typical flexible riser system contains a complex structure comprised of multiple layers, combining metallic and non-metallic layers, and works in dynamic conditions subject to failure, so the necessity of preserving the structural integrity requires periodic inspection. Industrial climbing is typically an activity that performs inspection of the outer layer of the riser in an emerging region, above the waterline, however, it provides high risk, cost and operating time. Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) have been recently used for visual inspection of risers in a much cheaper, safer and quicker way. In order to replace industrial climbing, recent studies present the integration of 3D optical measurement in RPAS, e.g., photogrammetry and the stereo vision system. Photogrammetry requires scene preparation with the insertion of calibrated targets and bars to perform measurement with low uncertainty, theses preparation in the offshore environment leads to increase cost, risks and operating time. It is possible to place the scale onto the scene with camera postures, obtaining this information from the Global Navigation Satellite System (GNSS), but the procedure involves highly uncertainty measurement. On the other hand, stereo vision system has an advantage over classical photogrammetry, because it has a physical scale in the measurement system itself. That scale is previously known with a camera calibration procedure that allows to insert dimensional characteristics in the scene indirectly. Both techniques are based passive triangulation for point cloud reconstruction, requiring into a scene heterogeneous texture (notable points) to enable the corresponding points between images. Some riser regions may lack adequate texture for passive triangulation reconstruction, which is a technical limitation. In order to overcome it, systems based on the active principle can be integrated to reconstruct the point cloud. This dissertation describes the development of a stereo vision system using laser projection, which performs 3D measurement with passive and active triangulation, registration point clouds referenced to global coordinate a system (GCS). Different camera calibration methodologies and the comparison of the meshes of the measured surface and calibrated standards were evaluated, so it is possible to know the proposed system's accuracy as well as the validation of the developed algorithms. Finally, the stereo system and laser device were used to test rigid movement as well as the feasibility of passive and active point cloud reconstruction over a single measurement.