BR102014031964A2 - sistema móvel e método para a análise da textura da superfície dos revestimentos dos pavimentos - Google Patents

Abstract

sistema móvel e método para a análise da textura da superfície dos revestimentos dos pavimentos a presente invenção descreve um sistema móvel e um método para a análise da textura da superfície dos revestimentos de pavimentos por meio da técnica de estéreo fotometria. o sistema móvel é composto por um dispositivo capaz de adquirir os dados da superfície do revestimento e uma ferramenta computacional para a análise dos dados.

Description

SISTEMA MÕVEL E MÉTODO PARA A ANALISE DA TEXTURA DA SUPERFÍCIE DOS REVESTIMENTOS DOS PAVIMENTOS

Campo da invenção »· [001] Esta invenção se insere no campo da engenharia de pavimentação e descreve um sistema móvel e um método para a análise da textura da superfície dos revestimentos de pavimentos pela técnica de estéreo fotometria.

[002] O sistema descrito ê composto por um. dispositivo, capaz de adquirir os dados da superfície do revestimento em movimento, em campo e em laboratório., e uma ferramenta computacional para a análise dos dados.

Fundamentos da invenção: [003] A superfície do revestimento de pavimentos desempenha um papel extremamente importante, uma vez que ê responsável por garantir conforto e segurança aos usuários, aspectos esses resultantes da interação do veiculo com a superfície.

[004] O conforto ao rolamento, associado ao conforto dos ocupantes dos veículos, também influencia em custos operacionais, uma vez que dificuldades impostas ao rolamento causam desgastes nos veículos.

[005] Outra questão referente ao conforto é o ruído pneu-pavimento. Este ruído é fruto da interação existente entre o pneu e a camada de revestimento do pavimento, sendo extremamente dependente da textura superficial do pavimento, em especial a macrotextura.

[006] Assim como qualquer poluição sonora, o ruído da interação pneu-pavimento provoca danos à saúde das pessoas a ele expostas, principalmente aos ocupantes dos veículos e as pessoas que realizam suas atividades diárias próximas às vias de velocidade elevada (acima de 50 km/h).

[007] Dentre os diversos impactos ã saúde humana, provocados pelo ruído, destacam-se; dilatação das pupilas, hipertensão sanguínea, mudanças gastrointestinais, reações musculares e vasoconstríção das veias.

[008] Além de alterações fisiológicas, existem alterações bioquímicas, como mudanças na produção de cortisona, de hormônio da tireoide, de adrenalina e de glicose sanguínea.

[009] A questão da segurança se refere à capacidade da superfície do pavimento em fornecer o atrito necessário para os veículos e aeronaves que nele trafegam., de modo a permitir o estabelecimento de condições seguras para a operação, [010] Assim como o ruído, o atrito é dependente da interação pneu-pavimento, uma vez que os mecanismos de atrito se desenvolvem na área de contato entre os dois corpos.

[011] De acordo com a teoria de Bowden e Tabor, o atrito desenvolvido entre duas superfícies pode ser dividido em (i) adesão e (ii) histerese. A parcela adesiva do atrito está relacionada à formação de ligações químicas entre as superfícies, dependendo da área de contato real entre as asperezas e da afinidade química de ambas. A parcela histerêtíca do atrito, por sua vez, esta relacionada a um intertravamento entre asperezas. Para que as duas superfícies em contato apresentem movimentação relativa entre si, ê necessário romper as ligações adesivas e deformar as asperezas que se íntertravam.

[012] Logo, para atingir melhores níveis de serviço e, desta forma, proporcionar maior segurança e conforto aos usuários das rias, ê necessária uma caz~acterização detalhada da superfície do pavimento, [013] Na engenharia de pavimentação, a superfície do revestimento do pavimento é caracterizada de acordo com quatro classes de textura, as quais são descritas a partir de senoides.

[014 3 Com esta análise, é possível verificar as diferentes texturas sob seu comportamento frente sua variação de altura {amplitude} e comprimento de onda (A) , conforme exemplificadas na Figura 1, em que se considera que; - Irregularidade (a) : λ > 500 ram; - Megatextura <fo): 50 mm < λ < 500 mm; - Macrotextura (c): 0,5 mm < λ < 50 mm; e - Microtextura (d); A < 0,5 mm.

[015] Assim, devido à importância da textura do pavimento, diversos métodos para caracterizá-la foram desenvolvidos e normatizados. Os mesmos estão brevemente explicados na Tabela 1 a seguir.

Tabela 2- Características dos principais métodos de caracterização de textura de pavimentos [016] Um dos métodos de caracterização mais utilizado é o MTD, por ser ura ensaio simples, comum e de menor custo para a determinação da macrotextura de um revestimento asfãltico. |017] No entanto, por ser um. método de medição com contato entre o instrumento e a superfície em estudo, a forma e a granulometria da areia podem influenciar na medição.

[018] O ensaio consiste basicamente no espalhamento de um volume conhecido de areia sobre a superfície do pavimento com o auxílio de um disco de borracha, de modo a distribuir a areia de maneira homogênea.

[019] Ha sequência, mede-se o diâmetro do círculo obtido em quatro direções distintas, defasadas em 45° graus e faz-se a média dos valores obtidos. Com esta média de diâmetro, procede-se à determinação da altura média de mancha de areia, tendo conhecido o volume de areia.

[020] Esse ensaio apresenta diversas desvantagens, como baixa eficiência e baixa repetibilidade. A textura real do pavimento permanece desconhecida, pois o ensaio fornece apenas uma. medida de "altura média" da textura, não sendo possível obter a distribuição de alturas.

[021] Os demais ensaios (MPB e CTM) , apesar de serem medidas sem contato, ou seja, não sofrem a influência de forma ou tamanho do instrumento usado para a medição, acabam por gerar perda de informação sobre a superfície, uma vez que se busca representar uma superfície (tridimensional) por meio de perfis bidimensionais.

[022] Com as limitações encontradas nos atuais métodos de medição, a presente invenção sugere um. sistema e método sem contato, no qual hã uma menor perda de informações sobre a superfície dos pavimentes, fazendo uso da técnica de estéreo fotometria.

[023] A técnica de. estéreo fotometria para representação de superfícies a partir de imagens foi. proposta inicialmente por Woodham, em 1980, e surgiu como alternativa às técnicas já. existentes, uma vez que apresenta uma série de vantagens.

[024] A técnica consiste na tomada de diversas imagens de um objeto a partir de uma direção constante, variando-se somente os ângulos da iluminação incidente (ângulos zenitaís e azirautais) , conforme ilustrado na Figura 2, em conjunto com um modelo de refletância da superfície do objeto em análise, [025] O esquema do sistema de coordenadas e a posição fixa do observador (o qual pode ser uma câmera fotográfica ou qualquer sensor que capte a intensidade radiante do objeto) permitem a representação em três dimensões da superfície a partir de imagens, fotografias ou. mapas de reflectãncia, com o uso do computador.

[026] Pelo uso de ura modelo de reflectãncia do objeto, como o modelo de Lambert ou o modelo de Oren-Nayar, todas as informações descritas são coletadas e processadas em um programa especifico para a geração do modelo em três dimensões no computador.

[027] Tal técnica representa um avanço frente às técnicas tradicionais de modelagem em três dimensões, uma vez que, com a técnica de estéreo fotometria, as imagens são tomadas a partir de um mesmo ponto de captura.

Estado da técnica: [028] Documentos do estado da técnica ensinam diferentes dispos.itivos ou sistemas móveis para verificar as condições de superfícies de revestimento de pavimentes.

[0291 0 documento de anterioridade CN 2739638 Y faz uso de ura sistema a laser para determinação de características superficiais do pavimento. Assim., parâmetros de desempenho do pavimento, tais como a profundidade de deformações ou de superelevâções, podem ser determinados.

[030] O documento FR 2 840 990 tem o objetivo de medir as características fotométricas de um material sem realizar uma análise fisica da superfície em sí, [031] O dispositivo descrito em "Mean Profile Depth of pavement surface macrotexture usirxg photomestric stareo tachníques" faz referência a um equipamento que se mantém posicionado e estático em redação à amostra.

[032] EM RO 122110 BI, foi desenvolvido um equipamento com o objetivo de detectar trincas e fissuras na superfície do pavimento, mas sem o objetivo principal de caracterizá-las. As medições são realizadas por scanner de vídeo com o auxílio de um emissor de fôtons a laser, efetuando a análise do perfil da superfície a partir das seções transversais.

[033] No documento US 661564881, descreve-se um sistema de inspeção e não caracterização da superfície de pavimentes, o qual é instalado -em um veículo com dimensões suficientes e apropriadas para comportar o equipamento em si, o gerador de energia, a cabine de análise e os outros componentes eletrônicos.

[034] Em US 2008/0137101 Al, é descrito um dispositivo para obter informação sobre a. textura de uma superfície, o qual necessita da captura de um número "n" de fotos, as quais devem estar relacionadas a um. número "n" de direções de iluminação. As imagens são capturadas sequencialmente, logo, não é possível realizar as medições com o equipamento em movimento.

[035] No documento US 2013/0076871 Al, descreve-se um scanner estéreo fotométrico de pavimentes o qual promove a captura de imagens sequenciais da superfície de análise e faz uso de um filtro contra raios solares com o intuito de evitar qualquer incerteza na captura das imagens.

[036] Diferentemente, dos dispositivos e sistemas descritos nos documentos citados., a invenção ora proposta realiza uma avaliação mais profunda da superfície do pavimento a partir de sua caracterização por meio de análise estatística das irregularidades, como distribuição, média, desvio padrão, curtose e assimetria. A partir de parâmetros como estes ê possível definir qual a orientação da textura do pavimento, sendo ela positiva ou negativa.

[037] Todos os componentes principais estão localizados internamente ao invólucro de acrílico, sendo este instalado em um dispositivo movei e independente do veículo ao qual ele se acopla, não havendo, portanto, qualquer tipo de restrição quanto ao tipo do veículo e suas dimensões.

[038] Assim, nenhum dos documentos do estado da técnica descreve um sistema móvel e método para a análise da. textura da superfície dos revestimentos dos pavimentes tal como o descrito na presente invenção.

Sumário da invençãot [0.39] A presente invenção descreve um sistema móvel e um método para a análise da textura da superfície dos revestimentos de pavimentos por meio da técnica de estéreo fotometria. O sistema ê composto por um dispositivo capaz de adquirir os dados da superfície do revestimento e uma ferramenta computacional para a análise dos dados.

Breve descrição das figuras.· [0403 Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se faz referências, conforme se segue.

[041] A Figura 1 representa esquematicamente as quatro classes de texturas do pavimento: (a) irregularidade, (b) megatextura, (c) macrotextura e (d) microtextura.

[042] A Figura 2 mostra um esquema do sistema de coordenadas da estéreo fotometria.

[043] A Figura 3 representa um fluxograma que demonstra o funcionamento geral do sistema móvel.

[044] A. Figura 4 representa um. fluxograma que demonstra a primeira etapa global do sistema móvel.

[045] A Figura 5 representa um fluxograma que demonstra a segunda etapa global do sistema móvel.

[.046] A figura 6 mostra uma. imagem de uma peça de madeira retangular, obtida a partir do sistema móvel da presente invenção.

[047] A figura 7 mostra uma imagem, de uma superfície de pavimento, obtida a partir do sistema móvel da presente invenção.

Descrição detalhada da invenção: [04 8.1 O sistema móvel para a análise da textura da superfície dos revestimentos dos pavimentos da presente invenção é composto por um dispositivo para a coleta de dados e uma ferramenta computacional para o processamento de dados e análise dos resultados. 1049] O dispositivo consiste em um invólucro· acrílico, o qual deve ser acoplado a um veiculo ou a um reboque, para permitir que o mesmo percorra a área de interesse do pavimento a ser analisado. Este invólucro também atua como uma estrutura de suporte para. um sistema de iluminação, sensores do tipo CMOS ou CCD e. um perfilômetro a laser, [050] O invólucro deve apresentar estabilidade, rigidez, estanqueidade à luz, opacidade interna e. uma geometria qualquer, desde que a mesma seja conhecida.

[051] A estabilidade e rigidez do invólucro estão ligadas à fixação do sistema de iluminação e do sensor, A posição destes componentes deve ser conhecida e constante durante a coleta de dados.

[052.] A posição da lâmpada, por exemplo, ê um dado de entrada para o· processamento de dados. Logo, a variação do posicionamento de qualquer lâmpada pode comprometer os resultados, [053] Ainda, pedríscos e detritos que eventualmente possam atravessar a área da superfície ora sob análise, comprometem a confiabilidade dos resultados. Assim, uma vassoura ê instalada à frente do invólucro de acrílico, de modo a varrer qualquer corpo estranho que possa prejudicar a captação por parte do sensor.

[054] para garantir que a intensidade luminosa registrada pelo sensor seja resultante apenas do sistema de iluminação do equipam.en.to, é importante que o invólucro seja estanque à luz. Para. isso, uma saía de proteção em lona é implementada, ao redor do sistema móvel.

[055] Caso o sensor registre a iluminação provinda de outra fonte que não seja o sistema de iluminação, os resultados também serão comprometidos, pois a direção e a intensidade destes raios são desconhecidas e interferem nos dados capturados pelo equipamento.

[056] A opacidade interna do invólucro tem a finalidade de maximizar a validade da lei de propagação de luz. Uma superfície interna não opaca pode fazer com que os raios luminosos províndoa de uma lâmpada reflitam no invólucro antes de atingir a superfície ou o sensor, tornando, assim, sua direção de origem desconhecida. A opacidade pode ser obtida pelo .revestimento da superfície do invólucro por uma tinta, opaca, [057] No que diz respeito à geometria do invólucro, a mesma não deve interferir na captura de dados, ou seja, não pode obstruir os raios luminosos e deve permitir que o sistema de iluminação e o sensor fiquem em posições conhecidas.

[058] Além disso, a geometria deve permitir que o sistema de iluminação se situe distante o suficiente da superfície, para que a primeira hipótese da lei de Lambert possa ser aplicada.

[059] O sistema de iluminação citado consiste em pelo menos quatro lâmpadas tipo LED, posicionadas com uma defasagem angular conhecida em seu azimute e um ângulo zenital conhecido, com valor próximo a 30°.

[060] Preferencíalmente, o sistema de iluminação consiste de quatro lâmpadas defasadas de 90% 180°, 270° e 3 6 0° , [061] As lâmpadas utilizadas devem apresentar a mesma intensidade luminosa e devem emitir radiação em bandas de frequência distintas, conhecidas e separadamente detectáveis pelo sensor, [062] Em uma modalidade preferida desta invenção, são utilizadas três lâmpadas nas bandas RGB (red, green, blue) e uma quarta lâmpada de infravermelho. Preferencíalmente, as lâmpadas apresentam 1.2 V, potência de 4 W e uma intensidade luminosa de 750 cd, [063] O cone de abertura das lâmpadas ê de aproximadamente 10°, a. fim de maximizar as hipóteses da lei de Lambert. O halo gerado pela lâmpada deverá ser homogêneo e, quando acionadas simultaneamente, todas as lâmpadas deverão convergir para a mesma região da superfície, formando uma área iluminada aproximadamente circular.

[0643 Ê importante salientar que há apenas um número mínimo de três lâmpadas necessárias. Um número maior de lâmpadas pode ser utilizado para maior precisão dos resultados obtidos, desde que o senso.r permita uma detecção adequada.

[06 5] O sensor deve ser escolhido em função do número de bandas o qual se pretende capturar. Assim, pode-se utilizar um sensor tipo CMOS ou CCD com capacidade de detecção das bandas RGB, além da faixa do infravermelho, O sensor ê fixado de forma perpendicular â superfície do equipamento e paralelo à região de interesse- Ainda, o mesmo deve apresentar uma resolução adequada para captar, com detalhes, as reflexões da superfície de interesse. A altura do sensor em relação ao pavimento ê determinada em função de sua resolução, garantindo um. nível de detalhes adequado.

[066] Câmeras fotográficas comerciais podem ser utilizadas, desde que recursos como flash e autofoco sejam, desativados. Para modelos de baixo custo, são utilizados apenas sensores de silício, os quais registram a intensidade luminosa sem o auxilio de lentes, [067] O sistema de iluminação deve ser posicionado abaixo do sensor, de forma a não interferir no resultado. Caso as lâmpadas ou mesmo os soquetes tenham superfícies muito reflexivas, pode-se utilizar defletores de luz instalados próximos ao sensor, para protegê-lo de reflexões indesejadas. Desta forma, os raios de luz não atingem o sensor quando partem diretamente das lâmpadas ou por meio de reflexões secundárias no equipamento, sem tocar a o.i ^ C* T S# %»*» -Âoi «m Jbr S**· .·» [068] A ferramenta computacional deverá receber os dados do sensor, bem como parâmetros do equipamento (como azimute e zênite de cada uma das lâmpadas) , além da intensidade luminosa média.

[069] As duas etapas .globais são executadas e, por fim, a ferramenta computacional retorna, uma matriz contendo, para cada ponto da superfície, a elevação em relação a um plano arbitrário, representando as irregularidades da superfície, bera como os parâmetros de superfície desejados e os perfis bidimensionais.

[070] O modelo de Lambe rt: acoplado a um método de integração rápida pode ser utilizado em campo para verificar os dados, ou mesmo para análises com um baixo nível de detalhes. Quando for necessária uma análise com um nível de detalhe mais elevado, deverá ser utilizado um processamento da alta precisão.

[071] Nesta versão de elevada precisão, o processamento pode levar um tempo significativamente maior, não sendo, assim, adequado para verificações em campo.

[072] A maior precisão ê atingida substituindo-se o modelo de Lambe rt: de propagação de luz pelo modelo de Oren-Nayar, bem como se substituindo o modelo de integração rápida pelo modelo de integração com a abordagem kernel-gaussiana.

[073] No modo de precisão os dados são capturados em campo e o processamento dos mesmos ocorre posteriormente. - Método pa.ra a análise da textura da superfície dos revestimentos de pavimentas: [0-74] O funcionamento do sistema móvel desta invenção é baseado em duas etapas globais, que, ao serem aplicadas, resultam na geração de um modelo digital tridimensional, o qual representa a superfície do pavimento.

[.075] As duas -etapas globais referidas são: (±) aplicação de uma lei de propagação de luz {modelo de reflectância) e {ii) integração do campo de gradientes.

[076] A partir do modelo tridimensional gerado, é possível analisar as irregularidades da superfície de uma forma mais detalhada do que seria, possível com métodos comumente utilizados na engenharia, de pavimentação.

[077] O sistema mõvel da presente invenção conta com dois modos para o processamento de dados.

[078] G modo de velocidade usa a lei. de Lambert em conjunto com uma. integração global por FFT (fast fourier t rans forra) , gerando resultados rápidos, ideal para verificação em campo.

[079] G modo de precisão, por sua vez, gera resultados mais precisos e requer um maior tempo de processamento, sendo constituído da. lei de Gren-Nayar acoplada à técnica de integração gaussiana.

[080] Um fluxograma representando o funcionamento geral do sistema encontra-se na Figura 3. - Processamento de dados pelo modo de velocidade: Para .gerar o modelo tridimensional, o pavimento deve ser iluminado a partir de posições conhecidas com lâmpadas de intensidade luminosa conhecida, a fim de se obter uma única imagem e abri-la em 4 diferentes imagens a partir da cor e frequência das lâmpadas.

[081] É importante que não haja interferência da radiação luminosa externa.

[08-2] As lâmpadas devem ter frequências diferentes, de modo que possam ser facilmente separadas em, ao menos, três bandas distintas. Ainda, o sensor utilizado deverá ter a capacidade de captar estas três bandas separadamente.

[083] As bandas de frequência emitidas pelas lâmpadas e captadas pelo sensor devem ser bem definidas, de forma que haja pouca sobreposição entre elas. Desta forma, uma banda de frequências pode ser diretemente relacionada com a lâmpada que a emitiu, sendo possível determinar a direção de origem da radiação incidente no pavimento.

[084] A fonte de iluminação interna gerada pelo sistema de iluminação próprio do equipamento emite uma radiação luminosa nas condições descritas.

[085] A primeira etapa consiste em aplicar modelos de propagação e reflexão de luz para prever como um raio luminoso emitido irá ser refletido pela superfície irregular do pavimento' e atingir um sensor, que registrará a intensidade deste raio refletido.

[086] O modelo de reflexão utilizado no modo de velocidade ê o modelo de Lamtoert, escolhido pela sua facilidade de implementação e resultados com qualidade adequada..

[087] G modelo de Lambert tem como hipóteses que: - o objeto iluminado está a uma distância infinita da fonte de iluminação (deste modo, é plausível que os raios de luz incidente são paralelos); e - a superfície reflete a radiação incidente de forma difusa.

[088] h hipótese da Lei de Lambert acarreta no fato da superfície aparentar brilho constante vista em qualquer direção.. Para tanto, a Lei de Lambert assume uma função de reflectãncia homogênea, ignorando os efeitos de sombra ("self and cast shadows"} e inter-reflexão.

[089] Considerando as simplificações acima e uma fonte de luz localizada no infinito, a Lei de Lambert prevê que a intensidade refletida em um ponto da superfície é proporcional ao ângulo entre o vetor normal à superfície no mesmo ponto e a direção de iluminação. 1.0 90] O sistema foi projetado de forma a criar condições para que as hipóteses do modelo lambertiano fossem atendidas do melhor modo possível..

[091] Conhecidos a direção de origem do raio luminoso e seu destino, o sensor pode determinar o ângulo que este raio foi refletido pela superfície e, desta forma, determinar, ponto a ponto, a orientação desta superfície.

[092] A determinação matemática da orientação da superfície só é possível, dentro desta técnica proposta, caso um mínimo de três observações diferentes sejam feitas para um mesmo ponto. Ou seja, cada ponto deverá ser iluminado a partir de, no mínimo, três direções diferentes.

[093] Ά lei de Lambert é então aplicada, em. cada ponto da superfície, para cada uma das observações gerando ura sistema linear com três variáveis.

[094] Um número menor de bandas geraria um. sistema indeterminado, enquanto um número maior de bandas geraria ura sistema sobredeterminado.

[095] A primeira etapa global, recebe como dados de entrada a imagem capturada pelo sensor, a qual ê separada era três ou mais bandas, gerando os mapas de reflectância, [036] No caso de quatro observações, com quatro mapas de reflectância resultantes, aplica-se quatro vezes a lei de Lambert gerando um sistema linear com três variáveis e quatro equações, Obtêra-se então a solução deste sistema, pelo método dos minimos quadrados, finalizando esta primeira etapa, [097] Os dados de saída desta primeira etapa e que serão utilizados na próxima etapa são as derivadas parciais da elevação da superfície em relação a duas direções ortogonais.

[098] Este campo de derivadas parciais pode ser interpretado como a variação da altura da superfície em duas direções ortogonais. Um fluxograma detalhando a primeira, etapa global é mostrado na Figura 4., [039.] A segunda etapa recebe como dados de entrada as derivadas parciais obtidas na etapa anterior e gera, para cada ponto da superfície, uma altura correspondente, em relação a um plano arbitrário de referência. Utilizou-se, nesta etapa, o processo de integração global implementado por Klette e desenvolvido por FranJcot e Chellappa.

[100] O processo de integração global é um método de integração por otimização global, sendo necessário para calcular o mapa de alturas a partir do campo de gradientes, obtido pelas leis de reflectância, aplicadas na primeira etapa global.

[101] A condição de integrabílidade imposta pelo método de Frankot e Chellappa perturba os campos de gradientes e gera imprecisões, porém, a mesma consiste em uma condição necessária no método de velocidade.

[102] Além disso, foi proposto que a superfície pode ser representada por uma expansão de Fourier. Com isso, Frankot e Chellappa provaram um teorema no qual se verifica a possibilidade da reconstrução da função no espaço de Fourier. Uma transformada inversa de Fourier fornece então a superfície procurada.

[103] Este método é implementado utilizando-se do código conceituai proposto pox~ Klette e a matriz obtida no final deste processo representa o mapa de alturas da superfície, sendo possível obter a superfície final através da ínterpolação desses pontos.

[104] Um. fluxograma detalhando a segunda etapa global ê apresentado na. Figura 5. - Processamento de dados pelo modo de precisão: [1053 O modo de precisão tem um funcionamento semelhante ao modo de velocidade, apenas substituindo-se a lei de Lambert pela lei de Oren-Nayar e substituindo-se, na etapa de integração do campo de gradientes, a integração por FFT de Klette, pela integração gaussiana.

[106] A lei de Lambert apresenta uma aproximação precária da realidade quando as superfícies analisadas apresentam, uma. rugosida.de muito elevada.

[107] Como este desvio pode ser muito significativo, a utilização do modelo de reflectãncia de Oren-Nayar faz-se necessária, uma vez que a mesma, é mais precisa, já que leva em consideração muitas das simplificações impostas no modelo de Lambert.

[108] Como a superfície dos pavimentes apresenta elevada rugosidade, este modelo de reflectãncia se adapta, melhor a proposta do invento. CIO9] No entanto, como a lei de Lambert apresenta resultados satisfatórios e celeridade na computação, diferentemente do modelo de Oren-Nayar, o qual possui elevada complexidade e requer um elevado tempo de processamento-, este modelo será utilizado somente no modo de precisão.

[110] O modelo de Oren-Kayar tem a capacidade de lidar com diversas superfícies, podendo ser aplicado a superfícies rugosas isotrôpicas e ani sotrópicas, e tem a capacidade de lidar com direções de visão e fontes de luz arbitrárias.

[111] Este modelo leva em. conta efeitos desprezados pelas simplificações de Lambert, como os efeitos de sombra e inter-reflexões entre pontos da superfícieO modelo desenvolvido por Oren e Nayar é um modelo de reflectãncia abrangente, no sentido de que o modelo de Lambert está contido no modelo de Oren-Nayar como um caso especial.

[112] O modelo de Oren-Nayar é composto por dois submodelos: um de rugosidade da superfície e outro de ref lectãncia, G:s efeitos de sombra e inter-ref lexão entre pontos da superfície citados anteriormente necessitam ser considerados para a obtenção de um modelo de reflectãncia mais preciso.

[113] Assim, este modelo se baseou no modelo de rugosídade de proposto por Torrance e Sparrow, que assume que a .rugosidade da superfície pode ser descrita como um conjunto de cavidades em forma de "V", longas e simétricas. Além disso, assume-se que o comprimento destas cavidades é grande quando comparado às respectivas aberturas das cavidades.

[114] Também, a área "da" da face da cavidade é considerada menor que a área "dA" da superfície captada por um único pixel do sensor utilizado para a imagem, Logo, cada pixel apresenta um grande número de faces, [115] Outra consequência ê o fato de que a ãxea da face é considerada grande em comparação ao comprimento de onda "λ" da luz incidente, o que implica na possibilidade do uso da ótica geométrica na derivação do modelo de reflectância.

[1161 Cada face de cavidade ê caracterizada por 2 variáveis; sua inclinação ou ângulo zenital {©a) e sua orientação ou ângulo azimutal (cpa) , [117] Define-se, então, a distribuição de área-inclinação, que representa a fração da área nãA" que ê ocupada por facetas com uma inclinação ©a e uma orientação cpa .

[118] Com essas definições, parte-se então para caracterizar as posições do sensor e da iluminação, ambas conhecidas, [1.19 3 Com as posições de sensores e lâmpadas devidamente caracterizadas, aplica-se a lei de Oren-Hayar, ponto a ponto, e para cada condição de iluminação, similar ao feito com a lei de Lambert, [120] A solução das equações resulta na obtenção da orientação da superfície, ponto a ponto. Esta orientação, que pode ser convertida no campo de gradientes, ê então o fim da primeira etapa de precisão. Os campos são então repassados para a próxima etapa de precisão, a integração com kernel gaussiano.

[121] O método de integração com kernel gaussiano, utilizado no modo de precisão, é um método mais adequado para tratar superfícies que apresentam irregularidades acentuadas, como é o caso da superfície do pavimento, [122J Díferentemente de outros métodos, neste caso não é necessário, perturbar o campo de gradientes para obter a integração da superfície.

Calibração do sistema, da invenção: [123·] O sistema ainda apresenta um processo de calibração que deverá ser executado periodicamente, de forma a garantir seu correto funcionamento.

[124] Este procedimento de calibração é executado com folhas de papel brancas e opacas, [125] Inicialmente, todas as lâmpadas são acionadas para verificar, visualmente, se os halos estão geometricamente adequados. Deve-se obter uma área circular homogeneamente iluminada. Caso sejam encontrados desvios deste padrão, devem-se verificar os ângulos de fixação das lâmpadas.

[126] : O próximo passo da calibração consiste em, no caso de "i" lâmpadas, fazer " i" observações, de forma semelhante ao que é executado para a obtenção da superfície dos pavimentas, mas voltada para a folha branca, [127] As imagens capturadas no modo de calibração serão então enviadas para a ferramenta computacional, que deverá armazena-las como matrizes de calibração: IMcl, IMc2, . . . , IMci.

[128] Para compensar pequenas variações da intensidade luminosa no halo de uma mesma lâmpada, ou mesmo variações da intensidade luminosa entre lâmpadas, cada observação IMi da superfície do pavimento deverá considerar a respectiva matriz de calibração IMci, tal como mostra a equação a seguir: IM\ = / Μ, + {Β ~~ lMci) Em que; 11%' = imagem jã corrigida; IMi = imagem crua, obtida do sensor; e B - matriz "branca ideal".

[12 9] Por exemplo, no· caso de 25-6 tons possíveis, com 0 representando a intensidade nula, e 255 representando a intensidade máxima captada pelo sensor, a matriz B deverá ser totalmente preenchida por valores 255 em todas as suas células, para a banda de radiação correspondente.

[130] O passo seguinte da calibração consiste, em obter um valor médio da intensidade radiante das lâmpadas. Para tanto, posiciona-se o sensor de um espectrômetro no interior do equipamento.

[131] Finalmente, deverão também ser informados a ferramenta computacional os ângulos azimutais e o ângulo zenital das lâmpadas, finalizando o processo de calibração.

[132] Caso a média das leituras obtidas pelo espectrômetro ou a forma do halo apresentem desvios elevados, uma ou mais lâmpadas devem ser substituídas.

[133] Hã a possibilidade de automatização do processo de captura de dados e calibração. As lâmpadas e o sensor para a captura de dados podem ser controlados diretamente pela ferramenta computacional para possibilitar um levantamento de dados com maior eficiência.

[134] Como o levantamento de dados se dá em movimento, é importante verificar, ainda, se o equipamento não está sujeito a vibrações excessivas, que poderíam comprometer os resultados.

[135] A redução das vibrações pode ser obtida através de formas de fixação entre o dispositivo e o reboque ou veículo, É recomendável, ainda, a instalação de um acelerômetro ou sensor de vibrações para acompanhar as vibrações do equipamento e, próximo a ele, deve-se encontrar um perfilômetro a laser que irá realizar um levantamento do perfil de forma contínua.

[13 6] A velocidade de levantamento de dados será em função da precisão desejada, mantendo o· nível de vibração em valores aceitáveis e deverá ser controlado pelo operador.

[137] O sistema móvel e método ora propostos na presente invenção possibilitam um conhecimento detalhado da textura do pavimento, fornecendo informações que não estariam disponíveis pelos métodos tradicionais.

[13 8.;] Além disso, quando comparada aos métodos tradicionais, a invenção propõem uma caracterização rápida e permite a análise de superfícies sulcadas ou porosas.

[139] O sistema móvel permite o uso dos modelos de superfície obtidos para executar simulações de frenagem, desgaste, emissão de ruído ou mesmo cálculo das pressões de contato ponto a ponto. E, como o levantamento dos dados ê realizado em movimento, reduz-se o impacto no tráfego da via, e consequentemente, os custos associados à obtenção dos dados.

Testes realizados e resultados obtidos;

[140] O desempenho do sistema da. presente invenção foi verificado em superfícies construídas de formas bem delimitadas.

Exemplo 1; teste em madeira [141] Partindo-se de uma peça de madeira retangular, obteve-se uma série de protuberâncias, perfeitamente alinhadas, utilizando 2 brocas diferentes e de diâmetros conhecidos, [1423 Após análise da superfície utilizando o sistema, da invenção, foi possível detectar não apenas a forma geral da peça de madeira, com também as protuberâncias impostas pelas brocas (A) e irregularidades de menor magnitude presentes na superfície (B), conforme pode ser observado na Figura 6.

[143] O processamento foi utilizado como forma de validação do equipamento, jã que foi possível estimar o grau de precisão do processamento.

Exemplo 2: teste em_ superfície de pavimento [144] Outra validação foi realizada pela análise de uma superfície de pavimento produzida em laboratório, a partir da adesão de agregados a uma placa, de madeira.

[145] A superfície contendo poucos agregados possibilitou uma comparação e identificação direta entre os agregados observados na. imagem e os agregados apôs o processamento, conforme mostra a Figura 7, [146] O espaço apontado em (A) corresponde a um espaço onde não se encontram agregados presentes. Esta validação mostrou preliminarmente a capacidade do equipamento em recriar* superfícies de pavimento.

Exemplo 3; superfície de um tratamento superficia 1 fino [147] Por fim, a capacidade do sistema em recriar superfícies mais complexas é demonstrada pela análise da superfície de um tratamento superficial fino.

[148] Conforme pode ser observado na .Figura 8, a imagem obtida, apresenta diferentes padrões de sombras, resultantes da iluminação aplicada.

[14.9] Por se tratar de uma superfície complexa, ê possível fazer apenas uma verificação visual geral, já que não há nenhuma singularidade na superfície, como uma área com poucos agregados, ou marcas e entalhes, tal como presentes nos outros casos expostos.

[150] Embora a versão preferida da invenção tenha sido ilustrada e descrita, deve s.er compreendido que a invenção não é limitada. Diversas modificações, mudanças., variações, substituições e equivalentes poderão ocorrer, sem desviar do escopo da presente, invenção.

REIVINDICAÇÕES

Claims (19)

1. Sistema móvel para a anális.e da textura da superfície dos revestimentos de pavimentas, caracterizado pelo fato de compreender um dispositivo para a coleta de dados e uma ferramenta computacional para o processamento de dados e análise dos resultados.

2. Sistema móvel, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo para a coleta de dados compreen.de um invólucro acrílico , o qual deve ser acoplado a um veículo ou a um reboque, um sistema de iluminação, sensores do tipo CMOS ou CCD e um. perfilômetro a laser.

3. Sistema móvel, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o equipamento para a coleta de dados ainda compreende def.letores de luz instalados próximos ao sensor.

4. Sistema móvel, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o invólucro acrílico apresenta uma geometria conhecida qualquer, ê estável, rígido, estanque à luz e internamente opaco.

5. Sistema móvel, de acordo com a reivindicação 2 ou 4, caracterizado pelo fato de que uma saia de proteção em lona é implementada ao redor do sistema móvel e uma vassoura é instalada à frente do invólucro.

6. Sistema, de acordo com as reivindicações 2 ou 4, caracterizado pelo fato de que o invólucro acrílico atua como uma estrutura de suporte do sistema de iluminação, do sensor e dos defletores, quando estes estão presentes.

7. Sistema, de acordo qualquer uma das reivindicações 2, 3, 4 ou 6, caracterizado pelo fato de que o sistema de iluminação é posicionado abaixo do sensor e os defletores, quando presentes, são instalados próximos ao sensor,

8. Sistema, de acordo qualquer uma das reivindicações 2, 3, 4, 6 ou 7, caracterizado pelo fato· de que o sistema de iluminação consiste em pelo menos quatro lâmpadas tipo LED, posicionadas com uma defasagem angular* conhecida em seu azimute e ângulo zenital conhecido, com valor próximo a 30°, em que a defasagem é em 90c, 180°, 270° e 36.0°.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as lâmpadas apresentam a mesma intensidade luminosa e emitem radiação em bandas de frequência distintas, conhecidas e separadamente detectavais pelo sensor, preferencialmente três lâmpadas nas bandas RGB (red, greea, blue) e uma quarta lâmpada de infravermelho,

10. Sistema, de acordo com as reivindicações 8 e 9, caracterizado pelo fato de que as lâmpadas apresentam 12 V, potência de 4 W e intensidade luminosa de 750 cd, com cone de .abertura de aproximadamente 10°,

11. Sistema, de acordo qualquer uma das reivindicações 2, 3, 4, 6 ou 7, caracterizado pelo- fato de que o sensor é tipo CMOS ou CCD e está fixado de forma, perpendicular ã superfície do equipamento e paralelo à região, de interesse, em altura determinada em função de sua resolução.

12. Sistema, de acordo com. a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o sensor é uma câmera fotográfica comercial com flash e autofoco desativados ou sensores de silício,

13. Sistema, de acordo com. a reivindicação .1, caracterizado pelo fato de que. a ferramenta computacional recebe os dados do sensor e é alimentada com os parâmetros do sistema de iluminação..

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a ferramenta computacional executa o método e retorna uma matriz contendo,, para cada ponto da superfície, a elevação em relação a um plano arbitrário-,

15. Método para a análise da textura da superfície dos revestimentos de pavímentos caracterizado pelo fato de compreender as etapas de; a) Iluminar o pavimento com as lâmpadas do sistema de iluminação, de modo que as lâmpadas sejam acesas individual e simultaneamente; b) Obter uma única imagem e abri-la em 4 diferentes imagens a p-artír da cor e frequência das lâmpadas; e c) Inserir os dados obtidos para. cada ponto iluminado na ferramenta computacional, para determinação matemática da orientação da superfície.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que, pa.ra a determinação matemática, a ferramenta computacional apresenta as etapas globais de: a) aplicação de uma lei de propagação de luz; e b) integração do campo de gradientes.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que as etapas globais variam de acordo com o modo de velocidade e o modo de precisão.

18. Método, de acordo com. a reivindicação 16, caracterizado pelo fato- de que o modo de velocidade usa a lei de Lambert em. conjunto com uma integração global por FFT (fast fourier transform),

19. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o modo de precisão usa a lei de Oren-Nayar acoplada a técnica de integração kernel-gaussiana,