PT2994748T

PT2994748T - Método e disposição para detetar extremidades livres de fibra em papel

Info

Publication number: PT2994748T
Application number: PT147275747T
Authority: PT
Inventors: Raunio Jukka-Pekka; Mäkinen Mikko; Skoog Henry; Campbell Clayton
Original assignee: Kemira Oyj
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2017-09-13
Also published as: EP2994748A1; KR20160006171A; CN105229464A; BR112015027412B1; CN105229464B; FI125240B; FI20135483A; EP2994748B1; CA2909404A1; BR112015027412A2; WO2014181044A1; US20160084819A1; AU2014264458A1; AU2014264458B2; ES2642824T3; KR102191209B1; US9816977B2; CA2909404C

Description

DESCRIÇÃO

MÉTODO E DISPOSIÇÃO PARA DETETAR EXTREMIDADES LIVRES DE

FIBRA EM PAPEL A invenção refere-se a um método e a uma disposição para detetar extremidades livres de fibra em papel, de acordo com os preâmbulos das reivindicações independentes anexadas.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

Papel do tipo tissue é o nome geral para papel higiénico, toalha de papel, lenços faciais, guardanapos e outros produtos de papel suave. Papel do tipo tissue é um produto semelhante a folha, fabricado continuamente a velocidades tão altas como 25 m/s. A largura da rede de papel fabricada na máquina de papel do tipo tissue pode ser até 6 metros e a espessura da rede de papel é da ordem de 50 pm. 0 papel do tipo tissue compreende disposição aleatória das fibras de madeira e partículas mais pequenas, tais como minerais e químicos. Produtos de tecido têm futuros mercados prometedores devido às suas matérias-primas sustentáveis e ausência de materiais concorrentes. Portanto, é esperado que o fabrico de tecido continue a aumentar, o que aumenta o significado financeiro da compreensão do fenómeno no processo de fabrico de tecido. 0 tipo mais comum de máquina de tecido é a máquina de encrespamento seco, na qual a folha é seca num cilindro de secagem denominado de cilindro Yankee. Isto porque a força da folha de baixo peso não é suficiente para sustentar a transferência de folha entre cilindros de secagem mais pequenos, A folha de tecido é aderida ao cilindro Yankee e depois separada da superfície com uma lâmina. Como resultado, uma microestrutura forte - dobras de crepe- é gerada na rede. A separação, conhecida como encrespamento, gera alta suavidade e também comprime a rede, para que possa ser transferida do cilindro Yankee para o rolo de papel sem uma quebra na rede. 0 encrespamento domina a suavidade do papel do tipo tissue, mas a suavidade é afetada significativamente também por uma combinação de químicos, amaciadores adicionados à folha de tecido, o teor de humidificação da folha no processo de encrespamento, e vários fatores na operação de uma máquina de tecido. A suavidade é uma das propriedades principais em papel do tipo tissue. Apesar de o processo de fabrico de tecido ser bastante bem conhecido, o produto de tecido final pode não ir ao encontro da qualidade de suavidade requerida pelo consumidor final. Uma razão para o controlo de qualidade aquém do ideal é a dificuldade em medir a suavidade do papel do tipo tissue de forma confiãvel. A suavidade do tecido pode ser dividida em volume e suavidade de superfície. A suavidade de volume pode ser medida de forma bastante confiável ao medir a espessura e elasticidade da folha. Contudo, a medição da suavidade de superfície não é direta. A suavidade do papel do tipo tissue é normalmente estudada com testes de painel de suavidade, nos quais as pessoas avaliam subjetivamente a suavidade do papel do tipo tissue. Além disso, vários dispositivos de medição têm sido desenvolvidos com o objetivo de se correlacionar com a classificação por painéis de suavidade. Contudo, as medições instrumentais entram muitas vezes em conflito com os resultados dos testes de painéis. Isto é em parte devido à incerteza de fatores que afetam a sensação de suavidade subjetiva e, em parte, porque os dispositivos atuais medem as forças, as quais não se encontram na mesma escala de sensibilidade do entendimento do ser humano.

Uma das principais deficiências nos dispositivos atuais é que os mesmos não detetam a ligeira sensação de superfície do tecido. Foi sugerido que os dedos robotizados artificiais estudados em aplicações médicas pudessem ser aplicados também na medição da suavidade superficial do papel do tipo tissue. Contudo, a aplicação em linha de tal dispositivo de medição não é atualmente realista. Pawlak et Elhammoumi [1] notaram que a alta sensação de suavidade se correlaciona com a quantidade de fibras que se estendem desde a superfície do papel do tipo tissue. Além disso, um dispositivo de medição de laboratório com base em imagens para medir as fibras a partir de papel do tipo tissue dobrado foi apresentado no mesmo artigo. Contudo, a dobragem de papel requer dispositivos adicionais e tais medições em condições em linha, na máquina de papel, seriam bastante impossíveis.

OBJETIVO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um objetivo desta invenção é minimizar ou até mesmo eliminar as desvantagens na técnica anterior. É também um objetivo fornecer um método e uma disposição com a qual a quantidade de extremidades livres de fibra pode ser detetada em papel, especialmente em papel do tipo tissue.

Um obj etivo adicional desta invenção é fornecer um método e uma disposição que sejam adequadas para medições de suavidade de papel do tipo tissue em linha.

Um objetivo adicional desta invenção é fornecer um método de medição plana com base em imagens digitais, o qual mede a quantidade livre de fibras na superfície do papel, tal como papel do tipo tissue.

Estes objetivos são alcançados sendo que a invenção tem as características presentes abaixo, nas partes caracterizantes das reivindicações independentes. Método típico, de acordo com a presente invenção, para detetar extremidades livres de fibra numa superfície de papel, compreende - iluminar uma superfície de amostra alvo, a qual compreende extremidades livres de fibra, a partir de pelo menos, duas direções, uma direção de cada vez com, pelo menos, uma fonte de luz, - obter para cada direção de fonte de luz uma imagem de refletância original para a superfície de amostra alvo com um dispositivo de imagem, - estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - reconstruir uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - comparar entre a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e construção de uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel. A disposição típica, de acordo com a presente invenção, para detetar as extremidades livres de fibra em papel, especialmente em categorias de papel do tipo tissue, compreende - um dispositivo de imagem tal como uma câmara de sistemas digitais, disposta a uma distância do suporte de amostra, para obter imagens de refletância originais de uma superfície de amostra alvo, - pelo menos duas fontes de luz, tal como LED, anexadas em redor do dispositivo de imagens, ou uma fonte de luz, que está anexada a um braço de suporte, que está disposto para rodar em redor do dispositivo de imagens sendo que, pelo menos, as duas fontes de luz ou uma fonte de luz estão dispostas para iluminar a superfície de amostra alvo a partir de, pelo menos duas direções, uma direção de cada vez, - uma unidade de processamento de dados, que está disposta - para receber imagens de refletância originais obtidas para cada direção da fonte de luz a partir do dispositivo de imagem, - para estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - para reconstruir uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - para comparar a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e para construir uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1: mostra um exemplo da disposição da imagem,

Figura 2: mostra outro desenho esquemático da disposição da imagem,

Figura 3: mostra um exemplo da disposição da imagem que compreende polarizadores,

Figura 4a: mostra a superfície 3D de um papel do tipo tissue com correções de polinómio e cosSigma,

Figura 4b: mostra a superfície 3D de um papel do tipo tissue sem as correções de polinómio e cosSigma,

Figura 5a: mostra um primeiro plano a partir da imagem de refletância original,

Figura 5b: mostra um primeiro plano a partir a partir da imagem reconstruída,

Figura 5c: mostra um primeiro plano a partir da imagem diferencial entre o original e as imagens de refletância reconstruídas,

Figura 5d: mostra um primeiro plano a partir da imagem diferencial processada 0(x,y), que amplifica as sombras,

Figura 6a: mostra o primeiro plano a partir da localização de fibra escura no meio da imagem presente na imagem de refletância original na Figura 5a,

Figura 6b: mostra o primeiro plano a partir da localização de fibra escura no meio da imagem presente na imagem de refletância reconstruída na Figura 5b,

Figura 6c: mostra o primeiro plano a partir da localização de fibra escura no meio da imagem presente na imagem diferencial na Figura 5c,

Figura 7a: mostra a imagem binaria limiar,

Figura 7b: mostra a imagem binária a partir da qual os objetos circulares são removidos,

Figura 8: mostra duas superfícies de papel do tipo tissue dobrados, o papel higiénico na esquerda e papel de cozinha na direita,

Figura 9: mostra um primeiro plano a partir do papel do tipo tissue dobrado, o contorno da superfície estimado é desenhado na imagem com pontos brancos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Método típico, de acordo com a presente invenção, para detetar extremidades livres de fibra numa superfície de papel, compreende - iluminação de uma superfície de amostra alvo, a qual compreende extremidades livres de fibra, a partir de pelo menos, duas direções, uma direção de cada vez com, pelo menos, uma fonte de luz, - obtenção para cada direção de fonte de luz uma imagem de refletância original para a superfície de amostra alvo com um dispositivo de imagem, - estimativa de um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - reconstrução de uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - comparação entre a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e construção de uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel. A disposição típica, de acordo com a presente invenção, para detetar as extremidades livres de fibra em papel, especialmente em categorias de papel do tipo tissue, compreende - um dispositivo de imagem, tal como uma câmara de sistemas digitais, disposto a uma distância do suporte de amostra, para obter imagens de refletância originais de uma superfície de amostra alvo, - pelo menos duas fontes de luz, tal como LED, anexadas em redor do dispositivo de imagens, ou uma fonte de luz, que está anexada a um braço de suporte, que está disposto para rodar em redor do dispositivo de imagens sendo que, pelo menos, as duas fontes de luz ou uma fonte de luz estão dispostas para iluminar a superfície de amostra alvo a partir de, pelo menos duas direções, uma direção de cada vez, - uma unidade de processamento de dados, que está disposta - para receber imagens de refletância originais obtidas para cada direção da fonte de luz a partir do dispositivo de imagem, - para estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - para reconstruir uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - para comparar a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e para construir uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.

Surpreendentemente, foi constatado agora que os problemas existentes podem ser resolvidos com a utilização do método e disposição de acordo com a presente invenção. Nesta aplicação, introduz-se um método de imagem que deteta fibras que se estendem a partir da superfície de papel do tipo tissue com base nas sombras das fibras. Uma extremidade livre de fibra produz uma sombra para uma certa localização de um papel, dependendo do ângulo vertical e horizontal de iluminação. Estas sombras são detetadas para estimar a densidade das extremidades livres de fibra em papel. A superfície de papel do tipo tissue ê áspera e ondulada devido ao processo de encrespamento e, portanto, as sombras das fibras não podem ser detetadas como tal, a partir das imagens de refletância da superfície do tecido. 0 método de deteção, de acordo com a presente invenção, utiliza um método estéreo fotométrico, no qual a amostra alvo é iluminada a partir de diferentes ângulos e os valores normais de superfície de cada pixel de imagem são estimados. Além disso, a lei de Lambert é aplicada inversamente para reconstruir a imagem de refletância a partir dos valores normais de superfície. Finalmente, a diferença entre a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original é comparada e as sombras são detetadas a partir da imagem diferencial. 0 método presente nesta aplicação pode ser prontamente implementado em linha. Os resultados de suavidade obtidos são comparáveis com resultados obtidos por testes humanos de painel de suavidade. Foi notado que o método deteta as sombras e o comportamento mimetiza os resultados medidos com um sistema de medição de referência. 0 desvio padrão em contagens de fibra no método de imagem é pequeno, o que indica boa repetibilidade de medição.

De acordo com uma forma de realização da invenção, a amostra alvo é uma rede de papel móvel, de preferência uma rede de tecido ou semelhante, e o método é realizado em linha. 0 método de imagem, de acordo com a presente invenção, não requer nenhuma dobragem adicional do papel e as imagens podem ser captadas a partir do topo da superfície de papel móvel. Assim, ao aplicar câmeras de alta velocidade e fontes de luz pulsantes rápidas, a disposição da medição pode ser utilizada em aplicações em linha, por exemplo, na máquina de papel em funcionamento. Aplicações em linha utilizam, de preferência, tempos curtos de exposição, impulsos de luz curtos e precisão alta de alinhamento de imagens. De acordo com uma forma de realização da invenção, o número de objetos de sombra é contado e os parâmetros do processo são alterados, de acordo com os resultados obtidos.

De acordo com uma forma de realização preferencial da invenção, uma pluralidade de imagens de refletância reconstruídas são reconstruídas a partir dos valores normais de superfície, cada uma das imagens de refletância reconstruídas são comparadas separadamente, com a imagem de refletância original correspondente e imagens diferenciais, sendo que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel são construídas. Depois disso, um valor médio do número de objetos de sombra nas imagens diferenciais é calculado. Na reconstrução das duas imagens diferenciais são utilizados os ângulos horizontais de iluminação (0 e 180 graus), que são perpendiculares à propagação do padrão de encrespamento de uma rede de tecido. A utilização de duas imagens de refletância melhora a precisão do método ao reduzir o número de objetos de sombra calculados erradamente. Quando é calculado o valor médio, o número de objetos de sombra nas duas imagens diferenciais é somado em conjunto e dividido por dois para conseguir a média. A média também diminui a incerteza, porque todos os objetos de sombra podem não ser objetos de sombra reais, mas sim outros objetos escuros na superfície da amostra. A disposição de medição, de acordo com a presente invenção, compreende um dispositivo de imagem, uma fonte de luz e uma unidade de processamento de dados. A disposição de medição pode ser, por exemplo, um dispositivo de processamento ou um dispositivo de laboratório, que compreende uma câmara de sistemas digitais, um número de LEDs e um computador com uma memória. 0 dispositivo de imagem pode ser qualquer câmara digital de alta resolução adequada, tal como câmara CCD de alta resolução, por exemplo, câmara de sistema digital com 18 MP e sensor aps-c. Para aplicações em linha, qualquer câmara digital de alta velocidade e alta resolução adequada, tal como câmara CCD de alta resolução, é preferível. 0 dispositivo de imagem é disposto acima da amostra alvo, por exemplo, uma rede de tecido móvel, e disposto para tirar fotografias instantâneas da rede. A distorção geométrica e degradação causados pela objetiva do dispositivo de imagem ê tipicamente tão pequeno que a calibração do dispositivo de imagem não é requerido. A fonte de luz pode ser qualquer fonte de luz adequada. É preferível uma fonte de luz LED (díodo emissor de luz), porque é uma fonte de luz rápida e económica, especialmente para aplicações industriais em linha. Por exemplo, em aplicações em linha, um número de fontes de luz, que são lanternas LED, pode ser disposto em redor do dispositivo de imagem, isto é, câmara. 0 número de fontes de luz pode ser pelo menos quatro, de preferência seis, mais preferencialmente 12. As fontes de luz piscam uma de cada vez e uma imagem de refletância original é captada da amostra alvo durante cada flash com o dispositivo de imagem. Isso significa que o número de imagens é o mesmo que o número de fontes de luz.

De acordo com uma forma de realização da invenção, a fonte de luz é uma LED branca. A luz branca inclui partículas de fotão de todos os comprimentos de onda possíveis. 0 sensor do dispositivo de imagens compreende pixéis verdes, azuis e vermelhos que são sensíveis para cada cor, respetivamente. Isso significa que pixéis verdes do sensor recolhem fotões em que o comprimento de onda corresponde à cor verde, pixéis azuis do sensor recolhem fotões em que o comprimento de onda corresponde à cor azul e pixéis vermelhos do sensor recolhem fotões em que o comprimento de onda corresponde à cor vermelha. Na maioria dos dispositivos de imagem digitais a cor, tal como câmaras digitais a cor, os pixéis de cor são dispostos em formato de matriz Bayer. 0 sensor do dispositivo de imagens compreende um grupo de matrizes Bayer 2x2. Assim, a utilização de luz branca permite a utilização de todos os pixéis de cor do dispositivo de imagem e da matriz Bayer. Em algumas formas de realização, também é possível utilizar uma fonte de luz colorida, por exemplo, LED azul.

Um exemplo de um dispositivo de imagem adequado é a câmara Canon 550D com objetiva macro Sigma de 105 mm. Nesse caso, o tamanho do sensor de imagem é 5184 x 3456 pixéis e cada pixel de cor de matriz Bayer de 2x2 (vermelho, verde, verde e azul) é aplicado no método, porque a cor do LED é branca. Os valores de pixel são representados com 14 bits. 0 tamanho da área de imagem é 21 x 14 mm correspondente a 4.1 pm x 4.1 pm pixéis. A origem da disposição de imagem é colocada no ponto central da imagem na superfície da amostra alvo. A distância entre a fonte de luz e a origem, bem como a distância entre o dispositivo de imagem e a origem da disposição de imagem, são mantidas constantes, de preferência. A distância pode ser escolhida livremente, dependendo da aplicação e dos requerimentos do processo.

Um exemplo da disposição é mostrado na Figura 1. A distância entre a fonte de luz 1 e a origem 2 da disposição de imagem pode ser, por exemplo, 18,5 cm e a distância entre o sensor CCD 3 do dispositivo de imagem 4 e a origem 2 pode ser 12 cm. 0 ângulo α vertical entre a fonte de luz 1 e o valor normal de superfície é 30 graus. 0 ângulo horizontal entre a fonte de luz 1 e o eixo geométrico x está marcado com Θ na Figura 1.

Outro exemplo da disposição é mostrado na Figura 2. A fonte de luz 1 é anexada a um braço de suporte 5, que gira em redor da amostra alvo 6. Desse modo, a amostra alvo 6 localizada no suporte de amostra 7 pode ser iluminado a partir de vários ângulos. Por exemplo, a amostra 6 pode ser iluminada a partir de 12 ângulos horizontais diferentes, que indicam que o ângulo horizontal entre as localizações da fonte de luz é de 30 graus (Θ = 0, 30, 60, 90,..., 330). As imagens de refletância são captadas a partir de cada localização. Figura 2 mostra um desenho esquemático do dispositivo de medição e procedimento de medição, de acordo com uma forma de realização da invenção.

De acordo com uma forma de realização da invenção, é disposto um primeiro polarizador linear em frente do dispositivo de imagem e um segundo polarizador linear é disposto em frente da fonte de luz, sendo que o primeiro e o segundo polarizador linear está a um ângulo de 90 graus um em relação ao outro, e a orientação entre os polarizadores é mantida de forma constante durante a medição. Geralmente, as superfícies podem ser divididas aproximadamente em superfícies especulares e difusas com base no reflexo do alvo. 0 método estéreo fotométrico pressupõe que o reflexo do alvo é difuso. A superfície do papel é quase difusa. Contudo, as fibras de madeira e pigmentos minerais no papel podem produzir reflexos especulares e distorcer a estimativa dos valores normais de superfície. Portanto, o efeito indesejado de reflexo especular pode ser reduzido ao cruzar dois polarizadores lineares a 90 graus, colocados na frente da fonte de luz, tal como LED, e na frente do objeto do dispositivo de imagem. A luz que passa o primeiro polarizador é bloqueada no segundo polarizador, se a luz for refletida de forma especular. Ambos os polarizadores podem ser anexados aos braços de suporte, para que o primeiro polarizador na frente do objeto do dispositivo de imagem esteja a girar e, desde modo, a orientação entre os polarizadores é constante durante a medição. Um exemplo da disposição de imagem, que compreende polarizadores é mostrado na Figura 3. 0 primeiro polarizador linear 8 é disposto na frente do dispositivo de imagem 4 e o segundo polarizador linear 9 é disposto na frente da fonte de luz 1. Os polarizadores 8, 9 estão a um ângulo de 90 graus, um em relação ao outro. Os polarizadores 8, 9 bloqueiam a luz que é refletida de forma especular a partir da superfície da amostra alvo 6, As setas mostram a polarização da luz.

De acordo com uma forma de realização da invenção, o padrão de feixe da fonte de luz na superfície de amostra alvo é compensado ao utilizar um polinómio 2D de segunda ordem encaixado na imagem de refletância. 0 formato do padrão de feixe da fonte de luz, tal como LED, na superfície de amostra alvo depende, principalmente, da localização e da irradiação da fonte de luz. A localização da fonte de luz é conhecida na disposição, de acordo com a invenção. Contudo, a irradiação inclui incerteza e, portanto, o feixe central da fonte de luz, tal como LED, não está necessariamente localizada no meio da amostra alvo de papel. A intensidade da luz refletida a partir da amostra alvo diminui em sentido quadrático, quando a distância do feixe central da fonte de luz aumenta. Desse modo, o padrão de feixe de fonte de luz na superfície de amostra alvo é compensado por um polinómio 2D de segunda ordem encaixado na imagem de refletância. 0 problema de encaixe de 2D pode ser definido em forma de matriz, como se segue

d) em que x e y são os vetores que contêm as coordenadas de x e y de cada pixel na imagem. 0 vetor i contém a intensidade dos pixéis da imagem da imagem original. Os símbolos de a até f são os coeficientes de termos polinómios que são resolvidos no sentido mínimo quadrado. 0 polinómio é encaixado em cada camada de cor de matriz, separadamente.

De acordo com uma forma de realização da invenção, os valores de intensidade de pixel são compensados ao computar as distâncias entre cada pixel da imagem e a fonte de luz, de modo a obter a matriz de resultados de compensação de intensidade de pixel, e multiplicar a imagem de refletância original de forma pontual com a matriz dos resultados de compensação de intensidade de pixel e dividir a imagem de refletância original de forma pontual com o polinómio 2D. A presente invenção utiliza uma assim denominada teoria estéreo fotométrica, que é mais detalhadamente descrita abaixo. A computação de valores normais de superfície com estéreo fotométrico tem base na variação da luminosidade da superfície de amostra alvo. A teoria estéreo fotométrica pressupõe que a luz que chega à superfície de amostra alvo ê colimada. Contudo, não é este o caso necessariamente, na presente invenção, porque normalmente a distância entre a fonte de luz e a amostra alvo é pequena e o tamanho físico da fonte de luz é pequeno. Portanto, a orientação do feixe de luz que chega da fonte de luz varia na superfície de amostra alvo. De acordo com uma forma de realização preferencial da invenção, valores de intensidade de pixel são compensados ao computar as distâncias entre cada pixel da imagem original e a fonte de luz, de modo a obter uma matriz de resultados de compensação. A localização z da fonte de luz é dividida com a distância que se segue

em que a luz z é a localização z da luz. 0 X].uz é o (x,y,z) - vetor que contém as coordenadas da fonte de luz. 0 xamostra é o (x,y,1) - vetor que contém as coordenadas da amostra alvo. 0 resultado de compensação é denominado cosSigma, sendo o cosseno dos vetores. Após obter a matriz de resultados de compensação, a imagem original é multiplicada de forma pontual com a matriz cosSigma, isto é, a matriz de resultados de compensação, e dividida de forma pontual com o polinómio 2D. Um exemplo do efeito das correções pode ser claramente visto a partir das superfícies 3D mostradas nas Figuras 4a e 4b, em que a Figura 4a mostra a superfície 3D de um papel do tipo tissue com o polinómio e correções cosSigma e a Figura 4b mostra a mesma superfície 3D de um papel do tipo tissue sem o polinómio e correções cosSigma.

Em estéreo fotométrico, duas ou mais imagens são captadas a partir de uma superfície iluminada de diferentes direções. 0 método estéreo fotométrico estima os valores normais de superfície de uma superfície lambertiana. A superfície Lambertiana (mate) é definida como uma na qual a intensidade refletida é independente da direção de visão. A lei de Lambert representa a intensidade de pixel i no ponto (x,y) como se segue

em que p é o albedo de superfície que descreve a refletividade de uma superfície, E é a intensidade de uma fonte de luz, n é o valor normal de unidade da superfície e 1 é o vetor de unidade em direção à fonte de luz. Na configuração da medição 1T é

em que Θ e α determinam a orientação da fonte de luz. 0 vetor 1 é computado para cada pixel da imagem separadamente, porque a orientação do vetor de unidade em direção à fonte de luz depende da localização do pixel. 0 pEn pode ser resolvido a partir da equação (3) porque o dispositivo de imagem deteta e mede as intensidades de pixel (i) e a localização da fonte de luz é conhecida (1) . Contudo, o albedo depende da localização espacial para que o valor normal de unidade da superfície não seja resolvido. Três direções de fonte de luz são suficientes para determinar o valor normal de unidade e o albedo da equação (1) , mas a incerteza da estimativa pode ser diminuída ao aumentar o número de direções de fontes de luz. De acordo com uma forma de realização da invenção, a superfície de amostra alvo que compreende extremidades livres de fibra é iluminada a partir de pelo menos 6, de preferência pelo menos 8, mais preferencialmente pelo menos 10, ainda mais preferencialmente pelo menos 12 direções. Desta forma, o número de direções da fonte de luz é tipicamente pelo menos 6, de preferência pelo menos 8, mais preferencialmente pelo menos 10, ainda mais preferencialmente pelo menos 12. Logo, a lei de Lambert pode ser representada em forma de matriz, como se segue

em que m é o número de direções da fonte de luz, i é o vetor de intensidade dos pixéis para cada direção da fonte de luz, L é a matriz que consiste em 1x3 vetores unitários que direcionam cada fonte de luz e n é o valor normal de unidade da superfície. O problema é mais determinado para um pixel único com número de direções da fonte de luz e valor normal de unidade escalada m (escalada pelo albedo) e pode ser resolvido ao minimizar o erro quadrático com pseudo-inverso

A equação (6) é aplicada para cada pixel de imagem, separadamente, e isto resulta no valor normal de unidade escalada para cada pixel.

As intensidades de refletância da superfície alvo são reconstruídas ao utilizar unidades normais escaladas e a lei de Lambert da equação (5) . As intensidades de refletância são subtraídas das intensidades de refletância originais.

Por exemplo, a Figura 5a mostra uma pequena porção da imagem de refletância original, a Figura 5b mostra uma imagem reconstruída da mesma área computada, com o método descrito acima, e a Figura 5c mostra a imagem diferencial entre a original e as imagens de refletância reconstruídas. 0 meio é removido das imagens e a variação escalada para a unidade antes da subtração. A variação espacial maior que 0,3 mm é removida da imagem diferencial com o filtro passa-alto linear 2D Bessel. Pode ser visto a partir da Figura 6a que a sombra causada por uma fibra é extremamente esbatida na imagem de refletância original, mas a imagem diferencial da Figura 6c revela a sombra com mais clareza. A fonte de luz está a iluminar a amostra de papel do tipo tissue a partir da direção da extremidade inferior da imagem (9=-90°) . A distância máxima entre a sombra e a fibra é 80 pm na direção y (θ=-90°) , o que indica que a diferença de altura entre a extremidade de fibra e a superfície do papel do tipo tissue é escurecida (60°) 80 pm *140 pm. Contudo, na maioria dos casos, a fibra que causa a sombra é invisível para a câmara ou difícil de detetar. Portanto, apenas o número de extremidades livres de fibra na superfície é tipicamente obtido com o método, nem a orientação nem a altura.

Objetos de sombra das extremidades livres de fibra são detetadas a partir da imagem diferencial. Os objetos de sombra causados pelas extremidades livres de fibra são vistos como curvas escuras esbatidas na imagem diferencial. De acordo com uma forma de realização da invenção, os objetos de sombra são detetados na imagem diferencial com a utilização de métodos de filtragem e/ou processamento, que reforçam os objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel. Por exemplo, a deteção de objetos de sombra tem base na deteção de linha sobre a imagem diferencial. 0 método de deteção de linha aplicado é denominado de meios orientados, no qual o meio é computado para cada localização de pixel e orientação de linha. Tal filtragem/processamento reforça as curvas e linhas causadas pelas sombras e, numa imagem resultante, as sombras podem ser vistas como curvas escuras.

As sombras causadas por fibras podem ser vistas como curvas escuras esbatidas na imagem diferencial. A deteção de sombras tem base na deteção de linha em todas as orientações orientadas sobre a imagem. A largura típica das fibras de madeira em papel é tipicamente cerca de 20 pm. 0 comprimento de fibras em papel varia tipicamente de 200 pm a 1000 pm. Contudo, o comprimento das sombras varia dependendo do ângulo e extensão da extremidade livre de fibra numa superfície de amostra de papel, normalmente mais curta do que o comprimento da fibra. Portanto, a largura e o comprimento dos objetos detetados da imagem podem ser colocados a 16 pm e 100 pm, respetivamente. 0 método de deteção de linha aplicado é denominado de meios orientados, no qual o meio é computado para cada localização de pixel e orientação de linha. Deixa-se que 1 (x, y) seja uma função contínua que representa as intensidades de imagem dadas num domínio bidimensional. 0 meio do objeto em orientação Θ é denotado como se segue

em que Léo comprimento do objeto e W é a largura do objeto. 0 meio é computado para várias orientações do objeto. As sombras são mais escuras do que o resto da variação em papel e, desse modo, o valor médio de orientação é selecionado para a imagem resultante. O meio mínimo para várias orientações pode ser denotado como se segue £?(x* í?) ^ hjinjFÍx, (é)i em que 0(x,y) é a imagem diferencial processada resultante, por exemplo, na Figura 5d. Nessa forma de realização, o W e L são fixados a 16 pm e 100 pm, respetivamente.

De acordo com uma forma de realização da invenção, os objetos de sombra podem ser detetados de 0(x,y), isto é, a imagem diferencial, por limiar. Isso compreende as etapas de computação de um histograma, que mostra a distribuição de valores de pixel da imagem diferencial processada/filtrada, na qual os objetos de sombra são reforçados, definindo um limite limiar para um valor desejável e obtendo uma imagem diferencial limiar, removendo objetos circulares da imagem diferencial limiar com a utilização de algoritmos de encaixe de elipse e aceitando da imagem diferencial limiar objetos de sombra cujo comprimento é maior do que o limite aceitável, e./ou objetos que têm excentricidade que ultrapassa um valor predeterminado, e./ou objetos cujo eixo geométrico maior se desvia no máximo a 30 graus, 45 graus ou 90 graus a partir da direção da fonte de luz. 0 limite aceitável tem, por exemplo, base no comprimento típico da fibra de madeira. 0 limite limiar é definido a um valor desejável, por exemplo, a 0,2%. 0 limite limiar pode ser selecionado com base nas contagens de fibra do sistema de medição de referência introduzido abaixo. Um exemplo de uma imagem binária limiar, que é obtida, é mostrado na Figura 7 (a) . A partir da imagem binária limiar, apenas os objetos cujo comprimento é maior do que o limite limiar, por exemplo, 100 pm, são aceites. Além disso, o formato do objeto de sombra aceite deve ser alongado. Portanto, o comprimento dos eixos geométricos maior e menor da elipse encaixada em cada objeto são calculados. Os algoritmos de encaixe de elipse têm base na distribuição normal 2D, encaixada nos pontos coordenados. A matriz de covariância (Σ) da distribuição normal 2D pode ser escrita em termos do desvio padrão ox e σχ e correlação p entre as coordenadas de objeto x e y como se segue

A excentricidade da elipse correspondente é dada por:

Em uma forma de realização da invenção, os objetos cujo eixo geométrico maior é pelo menos 5 vezes mais longo do que o eixo geométrico menor, isto é, os que têm excentricidade maior do que

são aceites para imagem binária final, exemplo do qual é mostrado na Figura 7b.

Os objetos detetados da imagem binária final podem não ser sombras das fibras, mas sim, por exemplo, variação de cor no papel ou reflexo indesejável de minerais de fibras. Portanto, de acordo com uma forma de realização preferencial da invenção, apenas as sombras que se desviam no máximo 30 graus da direção da fonte de luz, isto é, sendo o tamanho do cone de 60 graus, são aceites. Isso significa que o declive da fibra que gera a sombra pode estar no máximo 18 graus do valor normal de superfície da amostra alvo, se o ângulo entre o declive e a direção da fonte de luz é 90 graus. É possível que o declive da fibra seja maior que 18 graus, o que significa que a sombra é descartada da contagem. Contudo, se a fibra é iluminada a partir da direção que é oposta ao declive da fibra, a orientação da sombra é a mesma que a orientação da fonte de luz. Portanto, as sombras de fibra são detetadas a partir de três localizações que cobrem todas as orientações de sombras possíveis, isto é, 3 x 60 grau do cone = 180 graus. A contagem de sombras de três imagens é somada e o resultado á a estimativa da densidade das fibras. Os cones não se sobrepõem porque, de outra forma, a mesma sombra poderia ser contada duas vezes, o que distorceria o resultado.

De acordo com uma forma de realização, o método para detetar extremidades livres de fibra numa superfície de papel compreende - iluminação de uma superfície de amostra alvo, que compreende extremidades livres de fibra a partir de pelo menos quatro direções com pelo menos uma fonte de luz, - obtenção de uma imagem de refletância para a superfície de amostra alvo com um dispositivo de iluminação, - estimativa de um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - reconstrução de uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, - comparação entre a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original e construção de uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.

De acordo com uma forma de realização, a disposição para detetar extremidades livres de fibra em papel, especialmente em categorias de papel do tipo tissue, compreende - um dispositivo de imagem, tal como uma câmara de sistemas digitais, disposta a uma distância do suporte de amostra para detetar dados da imagem de refletância original, - pelo menos quatro fontes de luz, tais como LED, anexadas em redor do dispositivo de imagem, ou uma fonte de luz que é anexada a um braço de suporte, que está disposto para girar em redor do dispositivo de imagem, - uma unidade de processamento de dados, que está disposta - para receber dados da imagem de refletância original do dispositivo de imagem, - para estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - para reconstruir uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - para comparar a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original e para construir uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.

EXPERIMENTAL A realização do método de imagem apresentada no presente pedido é avaliada com uma medição de referência semelhante à que foi introduzida por Pawlak e Elhammoumi [1] · A amostra do papel do tipo tissue ê dobrada sobre uma extremidade e a imagem da extremidade do papel do tipo tissue dobrado é captada com uma câmara digital. A Figura 8 mostra duas superfícies de papéis do tipo tissue dobrados, o papel higiénico na esquerda e o papel de cozinha na direita. A largura da imagem é 6 mm (2x3 mm) e a altura é 1,6 mm. A fibras longas que se estendem são vistas claramente. 0 contorno exato da superfície em amostra de papel do tipo tissue é difícil de determinar. Portanto, apenas as extremidades livres de fibra, que se estendem do contorno da superfície pressuposto de papel do tipo tissue em mais de 100 pm, são contadas. 0 contorno da superfície é estimado ao computar a diferença do vetor de pixel em direção y para cada localização x. A diferença máxima em direção y é obtida e o valor médio dos pontos de contorno da superfície vizinha em direção x é computado. A Figura 9 mostra um exemplo do contorno da superfície estimada sobreposto na imagem de extremidade dobrada. As fibras cuja localização está acima do contorno da superfície estimada em mais de 100 pm são consideradas como extremidades livres de fibra. A largura da extremidade dobrada é de aproximadamente 2 mm e esta largura é utilizada para estimar a densidade das extremidades livres de fibra por 9.3Γ03 , 0 alinhamento de fibras detetado com o método de referência descrito acima e as sombras detetadas com o método de imagem, de acordo com a presente invenção, é difícil porque a estimativa da localização exata de fibras no método de medição de referência é incerta. Portanto, a densidade das extremidades livres de fibra de papel por área é computada e os resultados do método de referência e do método de imagem são comparados para três categorias diferentes de tecido. Categoria 1 é papel de cozinha, Categoria 2 é guardanapo e Categoria 3 é papel higiénico. Os parâmetros ajustáveis no método de imagem, de acordo com a invenção, são escolhidos para minimizar a diferença entre as duas medições independentes. Os parâmetros ajustáveis são (1) os comprimentos das sombras consideradas para sombras das extremidades livres de fibra, e (2) o nível limiar na conversão de escala cinzenta para imagem binária. As amostras de tecido são cortadas no topo de uma bobina de máquina, para que a estampagem, impressão ou outros processos de conversão não tenham afetado a estrutura das amostras de tecido. Densidades das extremidades livres de fibra em cada categoria são medidas em 36 localizações com o método de referência e em 12 localizações com o método de imagem, de acordo com a invenção. As fibras são contadas do lado do papel do tipo tissue que tenha estado em contacto com o cilindro Yankee. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1. Os desvios padrão e médios de densidades de extremidade livre de fibra estimados com o método de referência a 36 pontos de medição por categoria e o sistema de imagem, de acordo com a invenção, a 12 pontos de medição oor cateqoria.

Pode ser visto a partir da Tabela 1 que os resultados do método de imagem, de acordo com a invenção, seguem os resultados do método de referência. Para a Categoria 3, a quantidade de fibras é a mais alta, enquanto para as Categorias 2 e 1 a quantidade de fibras é significativamente mais pequena do que para a Categoria 3, sendo mais pequena para a Categoria 1. As magnitudes do desvio padrão são significativamente mais pequenas no método de acordo com a invenção. Isto deve-se à medição da área maior no novo método de imagem, o que diminui a incerteza. Além disso, a magnitude do desvio padrão é mais pequena para a Categoria 3, o que pode ser explicado com o processo de fabrico de tecido mais estável do que as Categorias 1 e 2. Contudo, pode ser visto que as contagens de fibra do método de imagem, de acordo com a invenção, diferem dos resultados do método de referência, em cada categoria. A diferença da contagem pode ser explicada com o facto de o método de imagem contar as sombras das fibras, cujo comprimento é maior que 100 pm, enquanto o método de referência conta as fibras que têm um comprimento a partir do contorno da superfície maior que 100 pm. É possível que o ângulo de inclinação entre a superfície de papel e as fibras seja tão pequeno, que o método de referência não pode detetar tais fibras, apesar da sombra da fibra poder ser detetada com o método de imagem, de acordo com a invenção. 0 método de análise de imagem, de acordo com a invenção, tem dois parâmetros ajustáveis: os comprimentos das sombras consideradas como sombras causadas pelas extremidades livres de fibra, e o nível limiar ao converter a escala cinzenta para imagem binária. 0 método de referência tem base numa aproximação bastante bruta da largura da extremidade dobrada, 2 mm, e tem a altura da fibra considerada como extremidades livres de fibra como um parâmetro ajustável. Deste modo, devido a vários parâmetros

incertos, não é possível uma calibração perfeita do novo método de imagem com base no método de referência. REFERÊNCIAS 1. Pawlak, J. J. , Elhammoumi, A.: Image Analysis Technique for the Characterization of Tissue Softness, In: International Paper Physics conference, Graz (2011)

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de não patente citados na descrição • PAWLAK, J. j. ; ELHAMMOUMI, A. Image Analysis Technique for the Characterization of Tissue Softness. International Paper Physics conference, Graz, 2011 [0048]

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para detetar extremidades livres de fibra numa superfície de papel, método que compreende iluminar uma superfície de amostra alvo (6), que compreende extremidades livres de fibra a partir de, pelo menos, duas direções, uma direção de cada vez, com pelo menos uma fonte de luz (1) , - obter para cada direção de fonte de luz uma imagem de refletância original para a superfície de amostra alvo (6) com um dispositivo de imagem (4), - estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, - reconstruir de uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - comparar entre a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e construção de uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por reconstruir uma pluralidade de imagens de refletância reconstruídas a partir dos valores normais de superfície, com a comparação de cada imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e construção de imagens diferenciais, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel, e - com o cálculo de um valor médio do número de objetos de sombra nas imagens diferenciais.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o valor normal de unidade da superfície para cada pixel de imagem ser estimado pela minimização do erro quadrático com pseudo-inverso como

em que n é o valor normal de unidade da superfície, p é o albedo de superfície que descreve a refletividade da superfície, E é a intensidade da fonte de luz (1) , L é a matriz que consiste em vetores unitários 1x3 que direcionam cada fonte de luz (1) , e i é o vetor de intensidade do pixel de imagem para cada direção da fonte de luz.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a imagem de refletância reconstruída ser reconstruída através do cálculo da intensidade de refletância para cada pixel de imagem da equação
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compensar o padrão de feixe da fonte de luz (1) na superfície de amostra alvo (6) com a utilização de um polinómio 2D de segunda ordem encaixado na imagem de refletância original.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por - compensar valores de intensidade de pixel ao computar as distâncias entre cada pixel de imagem e a fonte de luz, de modo a obter a matriz de resultados de compensação de intensidade de pixel, e - multiplicar a imagem de refletância original de forma pontual com a matriz dos resultados de compensação de intensidade de pixel e dividir a imagem de refletância original de forma pontual com um polinómio 2D.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por detetar os objetos de sombra na imagem diferencial com a utilização de métodos de processamento e/ou filtragem, que reforçam os objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por - computar um histograma que mostra a distribuição de valores de pixel da imagem diferencial processada/filtrada, na qual os objetos de sombra são reforçados, - definir um limite limiar para um valor desejável e obter uma imagem diferencial limiar, - remover objetos circulares da imagem diferencial limiar com a utilização de algoritmos de encaixe de elipse e - aceitar da imagem diferencial limiar objetos de sombra cujo comprimento seja maior do que o limite aceitável, e/ou obj etos que tenham excentricidade que ultrapassa um valor predeterminado, e/ou obj etos cujo eixo geométrico maior se desvia no máximo a 30 graus, 45 graus ou 90 graus a partir da direção da fonte de luz (1).
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por iluminar a superfície de amostra alvo (6) , a qual compreende extremidades livres de fibra, a partir de pelo menos 6, de preferência pelo menos 8, mais preferencialmente pelo menos 10, ainda mais preferencialmente pelo menos 12, direções.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a amostra alvo (6) ser uma rede de papel móvel e o método ser realizado em linha.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por contar o número de obj etos de sombra e alterar os parâmetros do processo, de acordo com o resultado obtido.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por - dispor um primeiro polarizador linear (8) em frente do dispositivo de imagem (4) e um segundo polarizador linear (9) em frente da fonte de luz (1), sendo que o primeiro e o segundo polarizador linear (8, 9) estão a um ângulo de 90 graus, um em relação ao outro, e - manter a orientação constante entre os polarizadores (8, 9) durante as medições.
13. Disposição para detetar extremidades livres de fibra em papel, especialmente em categorias de papel do tipo tissue, sendo que a disposição compreende - um dispositivo de imagem (4) tal como uma câmara de sistemas digitais, disposta a uma distância do suporte de amostra (7), para obter imagens de refletância originais de uma superfície de amostra alvo (6), caracterizado por a disposição compreender - pelo menos duas fontes de luz (1) , tal como LED, anexadas em redor do dispositivo de imagem (4) , ou uma fonte de luz (1) , que está anexada a um braço de suporte (5), que está disposto para rodar em redor do dispositivo de imagem (4) , pelo menos, as duas fontes de luz (1) ou uma fonte de luz (1) estão dispostas para iluminar a superfície de amostra alvo (6) a partir de pelo menos duas direções, uma direção de cada vez, uma unidade de processamento de dados, que está disposta - para receber imagens de refletância originais obtidas para cada direção da fonte de luz a partir do dispositivo de imagem (4), - para estimar um valor normal de superfície para cada pixel de imagem da imagem de refletância original, para reconstruir uma imagem de refletância reconstruída a partir dos valores normais de superfície, e - para comparar a imagem de refletância reconstruída e a imagem de refletância original correspondente e para construir uma imagem diferencial, em que as diferenças representam objetos de sombra das extremidades livres de fibra numa superfície de papel.