BRPI1000301B1 - dispositivo óptico para medição e identificação de superfícies cilíndricas por deflectometria aplicado para identificação balística - Google Patents

Abstract

dispositivo óptico para medição e identificação de superfícies cilindricas por deflectometria aplicado para identificação balistica, descreve um dispositivo óptico que utiliza uma configuração da técnica conhecida como "deflectometria", dito dispositivo possui em sua configuração construtiva um espelho cônico para identificar e medir a superfície cilíndrica total ou parcialmente reflexiva, e possui configuração especialmente aplicada para identificação balística.

Description

DISPOSITIVO ÓPTICO PARA MEDIÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS POR DEFLECTOMETRIA APLICADO PARA IDENTIFICAÇÃO BALÍSTICA

[001] O método descreve uma solução baseada na técnica de deflectometria para o problema de identificação balística. Compreende um dispositivo óptico que utiliza uma configuração da técnica conhecida como “deflectometria”. Possui um espelho cônico para identificar e medir superfícies não espelhadas. O presente método se caracteriza por extrair a assinatura das microinclinações localizadas na superfície cilíndrica de projétil; são as estrias do projétil balístico.

[002] A deflectometria é uma técnica óptica sensível às variações do relevo e desníveis de uma superfície. Permite identificar e medir a geometria de peças a partir das distorções observadas em uma sequência de imagens refletidas na superfície de interesse. A deflectometria é uma técnica conhecida na literatura internacional como “fringe reflection” ou “deflectometry”, já sendo difundida e utilizada em sistemas comerciais. Recentemente, equipamentos destinados a outras aplicações têm explorado esse mesmo princípio de medição para aplicações industriais de elevada precisão, devido a sua robustez e capacidade superior de revelar detalhes. O produto QUALISURF, da empresa francesa VISUOL, e o produto SURFCHECK, da empresa alemã VIALUX, são exemplos de sistemas comerciais que utilizam a deflectometria em sua concepção. Ambos os sistemas realizam, em ambiente de fábrica, a inspeção de superfícies na área metal-mecânica, em frações de segundo.

[003] A medição por deflectometria é bastante sensível às inclinações e curvaturas locais da superfície medida, sendo estas conseqüências da variação do relevo da superfície. Uma analogia pode ser feita quando se visualiza o reflexo de uma estrutura geométrica regular através da lateral de um carro. Nesse caso, observa-se uma distorção da estrutura, que é causada pela curvatura da lataria do carro. Ao ser aplicado com grande ampliação óptica, tal processo evidencia os defeitos da superfície refletora, que podem ser pensados como coleções de pequenas curvaturas e inclinações localizadas.

[004] A configuração construtiva mais simples de um dispositivo óptico que pode ser utilizado na deflectometria é composta por uma tela de projeção, ou superfície luminosa e uma câmera de vídeo. Um padrão de luz estruturada, normalmente com perfil senoidal, é projetado sobre a tela. A câmera de vídeo adquire a imagem da superfície do mensurando, e observa o padrão estruturado que é refletido por essa superfície. A câmera adquire, não apenas uma imagem, mas uma sequência de imagens que são digitalmente processadas, gerando um mapa com informações que estão relacionadas com as inclinações e curvaturas presentes na superfície da peça. A quantificação da medição é feita de forma relativa a uma referência que, para o caso da medição de formas, geralmente é uma superfície plana.

[005] O processamento digital de imagens é realizado a partir de um “deslocamento de fase”, que consiste em alterar ligeiramente, e de forma controlada, a relação de fase entre as sucessivas imagens projetadas sobre a tela. O incremento de fase entre as imagens deve ser bem definido, normalmente de 90°. Por este método, ao invés de se adquirir apenas uma imagem, são adquiridas múltiplas imagens, geralmente quatro ou cinco, que são combinadas para calcular o mapa de fases. O mapa de diferença de fases resulta da diferença entre as reflexões de duas superfícies, uma primeira de referência e a segunda da peça a medir. O mapa de diferença de fase contém a informação do campo de inclinações e curvaturas.

[006] A superfície interna da maioria dos canos de armas de fogo contém um conjunto de ranhuras helicoidais com dupla finalidade. A primeira é imprimir ao projétil um movimento de rotação em torno do eixo do cano, o que resulta em uma trajetória mais retilínea, estável e bem definida. A segunda finalidade é imprimir uma “assinatura” no projétil. A forma e a disposição das estrias dos canos de cada arma são distintas e isso gera marcas no projétil que são únicas. A comparação entre as micro-estrias (“assinaturas”) presentes na superfície cilíndrica dos projéteis deflagrados e as ranhuras helicoidais do interior do cano da arma de fogo é a base para a identificação balística. Existem alguns sistemas comerciais que realizam esta operação. Os documentos US 2005/0244080 A1, 3D Bullet and Cartridge Case Analysis, de 03/11/2005; US 005390108A, Computer Automated Bullet Analysis Apparatus, de 14/02/1995 são documentos de patentes que mostram o princípio de medição de sistemas já disponíveis comercialmente. Em todos os casos, só é possível medir um trecho da superfície cilíndrica de cada vez. É necessário girar o projétil de incrementos angulares bem definidos e compor as várias vistas laterais obtidas da superfície cilíndrica para que a medição seja realizada em 360°. Além do mais, nenhum desses sistemas utiliza a deflectometria no processo de medição de projéteis.

[007] A publicação de Yan Tang.et al - “3D shape mesurementof the aspheric mirrorby advance phasemeasuring deflectometry” tem como foco principal simplificar o aparato para inspecionar por imagem com alta velocidade superfícies laterais de cilindros. Se aplica em cilindros de pouca altura, principalmente pilhas tipo moeda. Para eliminar a necessidade de posicionamento preciso do eixo do cilindro em relação ao eixo do espelho cônico, o artigo descreve o uso da imagem da parte superior do cilindro para detectar a posição do cilindro e o uso de algoritmo de processamento de imagens para corrigir a distorção da imagem. O objetivo é obter uma imagem de toda a periferia da superfície cilíndrica para fins de inspeção. O objetivo do dispositivo descrito neste relatório é MEDIR, o que é um objetivo muito mais ambicioso que o proposto por Tang. Para isso, exige algo muito mais complexo tanto em termos de hardware quanto de software. Existe diferença de objetivos e de complexidade das tarefas. Com o que o Tang propõe, não dá para medir. Com o dispositivo descrito neste relatório dá para detectar. O dispositivo descrito neste relatório engloba o do Tang, mas o inverso não é verdadeiro.

[008] O presente relatório descreve um dispositivo óptico, que utiliza a técnica conhecida como “deflectometria”, aplicado para identificação balística, e que compreende um espelho cônico para medir a superfície das estrias do projétil balístico. A invenção se caracteriza pelo método de obter uma imagem de toda a superfície lateral de um projétil balístico, com corpo cilíndrico, utilizando um espelho cônico e uma câmera superior. Usa meios ópticos para medir microinclinações localizadas na superfície cilíndrica do projétil e as estrias que são únicas no projétil analisado (similar às impressões digitais) e com elas obter a “assinatura” única do projétil. As assinaturas alimentam uma base de dados e são a base da comparação para identificação balística. Possui um algoritmo para obter a assinatura angular (microinclinações localizadas) das estrias de projéteis balísticos. O dispositivo óptico, utilizado, é compreendido por duas câmeras de baixa resolução para alinhamento da peça cilíndrica a ser medida; duas mesas de translação para alinhamento transversal do projétil; duas mesas de rotação para alinhamento angular do projétil; um espelho cônico para planificação da imagem; uma câmera de vídeo de alta resolução com lente objetiva; um projetor multimídia, um semi-espelho e uma tela de projeção.

[009] O espelho cônico, quando utilizado nessa configuração, tem a função de transformara imagem da superfície cilíndrica da peça numa imagem anular plana. O espelho cônico viabiliza a medição de peças cilíndricas a partir de um único posicionamento, simplifica a configuração óptica, melhora consideravelmente o desempenho e reduz o tempo de medição.

[0010] Essa configuração óptica é muito eficiente quando empregada na identificação balística, onde se deseja medir as micro-estrias presentes na superfície lateral cilíndrica de projéteis, com vistas a reconhecer aqueles que tenham sido deflagrados pela mesma arma.

[0011] A descrição do dispositivo óptico que se segue e as figuras associadas, a título de exemplo, farão compreender melhor o método revelado e reivindicado no presente relatório. a. A Figura 1 mostra uma representação da configuração do dispositivo óptico para medição de peças cilíndricas, já com o projétil(6) dentro do espelho cônico(4), ali representado em corte, pronto para a medição. b. A Figura 2 mostra uma imagem representativa do espelho cônico(4), deixando claro que a superfície refletora é a interna. c. A Figura 3 mostra uma vista em perspectiva e outra em corte do espelho cônico(4) utilizado. d. A Figura 4 mostra a trajetória dos raios refletidos pelo espelho cônico(4) e a formação da imagem planificada de um projétil(6) colocado no seu interior. A superfície cilíndrica do projétil(6) é transformada em um disco plano. e. A Figura 5 é uma imagem representativa de um projétil(6) usado em armas de fogo; mostra as estrias superficiais deixadas pela arma de fogo. f. A Figura 6 mostra a imagem adquirida pela câmera(5) de alta resolução, da vista frontal de um projétil(6) posicionado dentro do espelho cônico(4) e refletido na sua superfície interna. g. A Figura 7 mostra o padrão de franjas concêntricas projetado na tela do sistema para fazer o alinhamento do cilindro padrão. h. A Figura 8 mostra o projétil(6) a ser medido, depois de alinhado com o eixo do espelho, posicionado em frente a uma das câmeras(10) dispostas a 90°. i. A Figura 9 mostra uma vista superior da disposição das duas câmeras(10), perpendiculares entre si, que são utilizadas no alinhamento. j. A Figura 10 mostra as linhas pontilhadas que definem o eixo do espelho cônico(4) em cada uma das imagens adquiridas. k. A Figura 11 mostra as imagens de um projétil(6) adquiridas pelas duas câmeras(10) dispostas à 90°. l. Em referência às figuras apresentadas, o dispositivo óptico para medição da superfície cilíndrica está representado basicamente pela figura 1. É compreendido por um projetor multimídia(l), uma tela(2) de projeção e um semi-espelho(3). De um lado do semi-espelho(3) e alinhado ao eixo óptico do sistema é posicionado um espelho cônico(4) e do lado oposto ao semi-espelho(3) e também alinhado ao eixo óptico, é posicionada uma câmera(5) de alta resolução com uma lente objetiva. O projétil(6) deve ser posicionado no centro do espelho cônico(4) e também deve estar coaxial com o eixo óptico, conforme mostrado na figura 1. O eixo óptico é representado nesta figura pela linha tracejada vertical. O dispositivo compreende ainda uma mesa de translação(7) e uma mesa de rotação(8) onde é apoiado o projétil(6) e é feito o seu alinhamento. A mesa de translação(7) também desloca-se verticalmente por meio de um guia linear(9). O dispositivo ainda compreende duas câmeras(10) posicionadas abaixo do espelho cônico(4), dispostas a 90° uma em relação à outra e, simultaneamente, perpendiculares ao eixo óptico, que contém o centro da mesa de rotação(8). m. As figuras 2 e 3 mostram o espelho cônico(4) que consiste na característica diferencial essencial do dispositivo óptico utilizado, para medição da superfície cilíndricas do projétil. Dito espelho cônico(4), possui geratriz que forma um ângulo de 45° em relação a sua base, conforme mostrado na figura 3. Ainda tal geratriz forma um ângulo de 45° em relação ao eixo do espelho cônico. A função do espelho cônico(4) é de planificar a imagem da superfície cilíndrica lateral do projétil(6). A imagem planificada é observada pela câmera(5) de alta definição, que também é parte do dispositivo óptico, e se assemelha a um disco plano, η. A figura 4 mostra de forma representativa, a trajetória dos raios originalmente paralelos ao eixo óptico quando refletidos pelo espelho cônico(4). Um raio de luz paralelo ao eixo óptico, quando incide no espelho cônico(4), é refletido de 90° e incide perpendicularmente à superfície reflexiva do projétil(6). O raio refletido retorna percorrendo a mesma trajetória no sentido contrário. Afigura 5 mostra, de forma representativa, um projétil(6) e a figura 6 mostra uma imagem planificada do projétil(6), obtida por meio da sua reflexão no espelho cônico(4). o. A seqüência de uma medição realizada pelo dispositivo óptico pode ser acompanhada pela seguinte descrição com o auxílio da figura 1. O projetor multimídia(l) projeta um padrão radial de franjas com perfil senoidal sobre a tela(2). Esse padrão é também conhecido por “franjas radiais”. As “franjas radiais” projetadas na tela(2) são refletidas pelo semi-espelho(3), pelo espelho cônico(4), pela superfície do projétil(6) e novamente pelo espelho cônico(4). A câmera(5) de alta resolução, disposta no lado oposto ao semi-espelho(3) e alinhada com o eixo óptico do sistema, visualiza a imagem do espelho cônico(4) e percebe o padrão de franjas que reflete através da superfície cilíndrica do projétil(6). Uma variação possível deste arranjo óptico consiste em simplesmente permutar a câmera(5) de alta resolução com o projetor multimidia(l).

[0012] Aplicando-se o método do “deslocamento de fase”, um conjunto de imagens com franjas defasadas é projetado sequencialmente sobre a tela(2). A câmera(5) de alta resolução, que observa o projétil(6), através do espelho cônico(4), capta as reflexões dessas imagens na superfície cilíndrica do projétil e as transfere para um computador que realiza o processamento. O resultado é um mapa contendo a informação de fase. A fase calculada está diretamente relacionada às estrias presentes na superfície do projétil(6). As grandes vantagens dos mapas de fase, em relação às imagens diretas da intensidade da superfície, residem na pureza da informação geométrica e no fato desta informação ser muito pouco dependente da coloração e refletividade da superfície.

[0013] Para facilitar a interpretação do mapa de fase resultante, uma medição do mapa de fase de uma superfície de referência é subtraída da medição do mapa de fase do projétil(6) que está sendo analisado. A medição de referência pode ser realizada com um cilindro padrão, ou até mesmo, com a própria superfície do espelho cônico(4), e pode ser armazenada digitalmente no computador do sistema, não sendo necessário voltar a determiná-la a cada novo projétil medido. O mapa de fase resultante da subtração contém informações relacionadas à diferença entre o ângulo de inclinação dos vetores normais à superfície do projétil(6), em relação ao vetor normal à superfície de referência.

[0014] Esta configuração é excelente para aplicações na identificação balística, pois permite visualizar com alta sensibilidade e elevada resolução os detalhes das micro-estrias presentes na superfície lateral de um projétil(6) já deflagrado. A identificação balística é feita usando técnicas de correlação digital de imagens, através do confronto das imagens e de informações extraídas diretamente dos mapas de fase de dois projéteis.

[0015] Os projéteis medidos devem respeitar as mesmas condições de alinhamento, caso contrário as micro-estrias poderão apresentar distorções e mascarar a sua verdadeira “identidade”, levando o confronto a um resultado errôneo. Todos os projéteis(6), para serem medidos, são alinhados em relação ao eixo do espelho cônico(4). O alinhamento da peça em relação ao eixo do espelho cônico(4) pode ser realizado com o auxílio de um cilindro padrão, por meio das duas câmeras(10) de vídeo e do conjunto de mesas micrométricas de translação(7) e rotação(8). O cilindro padrão é posicionado sobre um conjunto de mesas de translação(7) e rotação(8), dando à peça a ser medida quatro graus de liberdade. O cilindro padrão é levado ao centro do espelho cônico(4) com o auxílio do guia linear(9). Dois padrões de franjas são utilizados durante o alinhamento: um padrão de franjas radiais e outro padrão de franjas concêntricas, figura 7. Os mapas de fase obtidos da medição do cilindro padrão com os diferentes padrões de franjas permitem identificar as direções e sentido de translação e rotação que devem ser aplicadas às mesas(7 e 8) até que o alinhamento seja concluído. O cilindro padrão, ou o projétil(6) a ser medido encontra-se alinhado ao eixo quando os mapas apresentarem padrões concêntricos e simétricos. Para concluir o procedimento de alinhamento, com o auxílio da guia linear(9) o cilindro padrão, ou o projétil(6) é posicionado em frente às duas câmeras(10) de vídeo dispostas à 90° uma em relação a outra. A Figura 1 mostra o dispositivo óptico com o projétil(6), posicionado dentro do espelho cônico(4), que representa o local de medição da peça. A Figura 8 mostra o projétil(6), depois de encontrado o eixo do espelho cônico(4), e posicionado em frente às câmeras(10) dispostas à 90° uma em relação à outra.

[0016] As duas câmeras(10) adquirem imagens do padrão e, através de processamento de imagem, as linhas que definem o eixo do espelho cônico(4) nas duas imagens são calculadas. Uma iluminação de fundo é utilizada para facilitar a visualização do contorno do projétil(6) e favorecer o seu processamento. A Figura 9 mostra a disposição das duas câmeras(10) utilizadas no alinhamento. Afigura 10 mostra as linhas que estimam a localização do eixo do espelho cônico(4) em cada uma das imagens adquiridas.

[0017] A Figura 11 mostra as imagens de um projétil(6) adquiridas pelas duas câmeras(10) de vídeo. Antes de ser medido, o eixo do projétil(6) é alinhado indiretamente ao eixo do espelho cônico(4) através das linhas previamente determinadas com o projétil(6). Após o alinhamento, o projétil(6) é levado até o centro do espelho cônico(4) pela guia linear(9) e a medição é realizada.

[0018] A aplicação industrial do presente método se caracteriza pelo uso da deflectometria para extrair a assinatura das estrias (microinclinações) localizadas na superfície cilíndrica do projétil. Difere do atual estado da arte que mede a forma geométrica de superfícies suaves (planas, quase planas, esféricas ou asféricas) altamente refletoras e sempre espelhadas. Não possui integração numérica do mapa de fases, o que seria um procedimento muito difícil na presença de ruídos típicos em imagens de superfícies não espelhadas. O método aqui revelado usa sequências de franjas senoidais em coordenadas polares e algoritmos especializados. No método aqui revelado, a obtenção das assinaturas de estrias (microinclinações) localizadas é feita diretamente com base em mapas de fase, sem necessidade de integração.

REIVINDICAÇÕES

Claims (1)

1. DISPOSITIVO ÓPTICO PARA MEDIÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DE SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS POR DEFLECTOMETRIA APLICADO PARA IDENTIFICAÇÃO BALÍSTICA descreve um método de realização da identificação e medição das estrias de projéteis balísticos, utilizando um dispositivo óptico, que aplica a técnica conhecida como “deflectometria”, caracterizado pelo dito método compreender as seguintes etapas: • Realizar a medição de uma superfície de referência utilizando um cilindro padrão, ou até mesmo, a própria superfície do espelho cônico(4); • Transformar a dita medição de referência em mapas de fases de referência e armazenar digitalmente no computador do sistema; • Alinhar o projétil(6) a ser medido, por meio das câmeras(10), com o eixo do espelho cônico(4), e posicionar no centro do dito espelho conico(4); • Projetar, com o projetor multimídia(1) um padrão radial de franjas, as “franjas radiais”, com perfil senoidal sobre a tela(2); • Refletir, na sequência, as “franjas radiais” projetadas na tela(2) pelo semi-espelho(3), pelo espelho cônico(4), pela superfície do projétil(6) e novamente pelo espelho cônico(4); • Visualizar a imagem do espelho cônico(4) com auxílio da câmera(5) de alta resolução, e perceber o padrão de franjas que reflete através da superfície cilíndrica do projétil(6); • Captar imagens das estrias de projéteis balísticos com a dita câmera(5) de alta resolução, criando um mapa de fase, e transferir para o computador do sistema; • a medição do mapa de fase da superfície de referência é subtraída da medição do mapa de fase do projétil(6) que está sendo analisado, gerando um mapa de fase resultante que contém as informações relacionadas à diferença entre o ângulo de inclinação dos vetores normais à superfície do projétil(6), com o vetor normal à superfície de referência.• Utilizar o mapa de fase resultante na identificação das estrias do projétil balístico.