Componentes do sistema de medição

3.2.4.1 Nota introdutória

O sistema de medição associado à abordagem óptica selecionada apresenta, como elementos constituintes, a câmara e os alvos que formam o referencial de medição. Nas secções seguintes promove-se uma descrição sumária dos principais componentes associados a estes dois elementos, tendo por objetivo apresentar o conjunto de soluções técnicas consideradas adequadas para a concretização do sistema de medição pretendido. No caso da câmara, esta discussão engloba a seleção do tipo de objetiva, filtro óptico e sensor de imagem, suportada no recurso a componentes ópticos do tipo off-the-shelf enquanto que, no caso dos alvos, a discussão prende-se com a natureza ativa ou passiva deste elemento e com o desenvolvimento de solução dedicada (custom-made) justificada pela elevada especificidade do problema estudado.

3.2.4.2 Objetiva e filtro óptico

Uma objetiva constitui um sistema de lentes que contribui para a formação de imagem num sistema óptico, sendo habitualmente classificada de acordo com o respetivo valor fixo ou variável (do tipo zoom) de distância focal e consoante a sua

5 _{A norma ISO 9022 está dividida em 23 partes das quais se destacam: 1 – Definições e âmbito de}

ensaio; 2 – Frio, calor e humidade; 3 – Tensão mecânica; 4 – Nevoeiro salino; 5 – Combinação de frio e pressão atmosférica reduzida; 6 – Poeiras; 7 – Resistência a gotas ou chuva; 8 – Pressão elevada, pressão reduzida, imersão; 9 – Radiação solar; 11 – Crescimento de bolor; 12 – Contaminação; 14 – Orvalho, geada e gelo; 17 – Combinação entre contaminação e radiação solar; 18 – Combinação entre calor húmido e pressão interna reduzida; 20 – Atmosfera húmida contendo dióxido de enxofre e sulfureto de hidrogénio; 21 – Combinação entre pressão reduzida e temperatura ambiente ou calor seco; 22 – Combinação entre frio, calor seco ou alteração de temperatura com choque ou vibração aleatória; 23 – Pressão reduzida combinada com frio, temperatura ambiente e calor seco ou húmido.

magnitude. Neste último caso, são consideradas três categorias de objetivas6 – teleobjetiva, normal e grande angular – correspondendo, respetivamente, a distância focal elevada, moderada e reduzida, conforme se ilustra no Quadro 3.2.

Quadro 3.2: Categorias de objetivas e respetivos valores típicos de distância focal.

Categoria Distância focal fixa Distância focal variável (zoom) Teleobjetiva 60 mm 300 mm 500 mm 800 mm (50 – 150) mm, (50 – 500) mm, (70 – 200) mm, (70 – 300) mm, (120 – 300) mm, (120 – 400) mm, (150 – 500) mm, (200 – 500) mm, (300 – 800) mm Normal 30 mm 35 mm 50 mm 85 mm (17 – 70) mm, (17 – 50) mm, (18 – 35) mm, (24 – 70) mm, (24 – 105) mm Grande angular 19 mm 20 mm 24 mm 28 mm (8 – 16) mm (10 – 20) mm (12 – 24) mm

No caso da observação dimensional terrestre de infraestruturas dinâmicas têm particular interesse a categoria de teleobjetivas, visto apresentarem valores de distância focal bastante elevados, permitindo visualizar regiões estruturais a longa distância e garantir, simultaneamente, uma sensibilidade de medição dimensional adequada. Tendo em conta a abordagem óptica proposta, o recurso a uma teleobjetiva com distância focal fixa é recomendado face à alternativa do tipo variável (zoom) onde, necessariamente, a incerteza de medição desta grandeza de entrada será maior devido ao seu processo de ajuste in situ junto a uma posição de seleção que é caraterizada previamente, na sua geometria, em laboratório.

Em regra, o custo económico das teleobjetivas é bastante elevado relativamente a outro tipo de objetivas, o que poderá condicionar a sua utilização na câmara. Uma alternativa economicamente viável para ultrapassar este condicionalismo de natureza económica consiste no recurso a um duplicador óptico associado a uma teleobjetiva com menor distância focal.

6 _{Para além destas três classes, existem duas classes complementares de objetivas cujo âmbito de}

aplicação não se adequa ao problema em estudo: (i) as objetivas olho-de-peixe ou ultra grande angular, associadas a valores de distância focal entre 1 mm e 10 mm, que dão origem a imagens panorâmicas ou hemisféricas significativamente afetadas por distorção; (ii) a objetiva macro, que permite reduzidas distâncias de observação relativamente ao objeto visualizado (também com reduzida dimensão), apresentando valores de distância focal compreendidos, em regra, entre 30 mm e 200 mm.

A maioria das objetivas permite incluir um filtro óptico, o que se revela importante no contexto do estudo desenvolvido, nomeadamente, em caso de recurso a alvos ativos, isto é, com capacidade própria de emissão de radiação. Nesta situação, a utilização de um filtro óptico permitirá eliminar bandas do espetro electromagnético indesejáveis na observação pretendida. Por exemplo, se o alvo ativo constituir uma

fonte luminosa de radiação infravermelha, o recurso a um filtro óptico do tipo passa-alto permitirá eliminar a radiação visível proveniente do meio envolvente ao

alvo, melhorando a qualidade da imagem obtida.

3.2.4.3 Sensor de imagem

Os sensores de imagem digital apresentam uma área sensível composta por semicondutores óxidometálicos distribuídos de forma regular e discreta nessa área. Estes elementos individuais – designados por píxeis – asseguram a conversão da quantidade de luz (fotões) que neles incidem, em carga elétrica (eletrões) que, por sua vez, dá origem a uma tensão elétrica, numa primeira fase em sinal analógico e, posteriormente, em sinal digital (número digital ou DN – digital number)

Em medições caraterizadas por requisitos de elevada resolução espacial,

contraste, sensibilidade em ambientes de reduzida luminosidade e de relação sinal-ruído, recorre-se a sensores de imagem com apenas uma banda pancromática, ou

seja, sensível apenas à radiação eletromagnética compreendida numa gama limitada de comprimento de onda, em regra, na região do vísivel. A imagem produzida por este tipo de sensor apresenta tons cinzentos (compreendidos entre o branco e o escuro), refletindo o brilho aparente dos objetos mas não contendo informação espetral ou colorimétrica desses objetos.

No atual conjunto de sensores de imagem digital, é efetuada a distinção entre duas categorias principais: sensores CCD e sensores CMOS – Complementary

Metal- Oxide-Semiconductor. A principal diferença constitutiva entre sensores CCD e

CMOS reside na localização dos circuitos eletrónicos responsáveis pelos processos de amplificação e conversão analógica digital. No caso do sensor CCD, os referidos circuitos estão localizados numa região exterior à grelha de píxeis enquanto que no sensor CMOS, estes estão incorporados na região envolvente a cada píxel. Este facto

justifica as diferenças relativas entre ambos, expostas no Quadro 3.3 [Edmund (2014)].

Quadro 3.3: Comparação entre sensores CCD e CMOS. Sensor Factor de enchimento7 Sensibilidade Nível de ruído Gama dinâmica Uniformidade CCD ++ + - ++ ++ CMOS + + / ++ + / ++ + -

Sensor Resolução Velocidade Consumo

elétrico Complexidade Custo

CCD - / + / ++ + / ++ + / ++ - +

CMOS - / + / ++ ++ - + +

Legenda: (-) reduzido; (+) moderado; (++) elevado.

Nesta análise comparativa destaca-se o crescente aumento de sensibilidade nos sensores CMOS associado ao desenvolvimento tecnológico de componentes eletrónicos, ultrapassando os sensores CCD que, anteriormente, possuíam uma maior sensibilidade. Contudo, a qualidade de imagem obtida por sensor CCD continua a ser superior à do sensor CMOS em virtude do reduzido nível de ruído e da melhor uniformidade espacial. Em regra, o recurso aos sensores do tipo CMOS apenas é justificado em caso de necessidade de baixo consumo energético, velocidade de processamento elevada ou existência de restrições dimensionais uma vez que possui uma dimensão inferior à do sensor CCD.

3.2.4.4 Alvos

Um dos aspetos principais associado à definição dos alvos do sistema de medição refere-se à sua capacidade própria de emissão de radiação, traduzida na escolha entre alvos do tipo passivo ou ativo.

Numa perspetiva histórica, o alvo passivo − que apenas emite radiação por efeito de reflexão, estando a sua visibilidade dependente de iluminação natural ou artificial (permanente ou tipo flash no momento de aquisição de imagem) − possui uma utilização mais comum na observação de infraestruturas por meios ópticos, sobretudo, nos contextos da Geodesia e da Fotogrametria Terrestre. Nestas áreas, os alvos passivos apresentam formas geométricas simples, resultantes da combinação de quadrados ou círculos concêntricos (brancos e pretos, por exemplo) ou formas mais complexas, como é o caso dos alvos codificados para leitura automática de dados

7

Corresponde à fração da área do píxel associada à fotodeteção. Um fator de enchimento elevado (por exemplo, com o recurso a microlentes) traduz uma maior capacidade de captação de fotões incidentes e sensibilidade mais elevada.

relevantes (identificação, posição espacial e orientação). Alguns alvos passivos podem conter componentes ópticos do tipo retrorreflector prismático.

A aplicação de alvos do tipo ativo em sistemas ópticos para medição

dimensional a longa distância é mencionada nos estudos realizados por [Marecos (1969)], [Wahbeh (2003)] e [Santos (2011)]. Este tipo de alvo apresenta

várias vantagens relativamente ao alvo passivo, nomeadamente: (i) a seleção do comprimento de onda da radiação emitida tendo em conta a sua propagação na atmosfera; (ii) a capacidade para emissão de feixe luminoso com reduzida divergência geométrica, o que se traduz numa melhoria de visibilidade na observação realizada a longa distância; (iii) a capacidade de ajuste variável da intensidade energética de radiação emitida, contrariando a redução de visibilidade por efeito de atenuação atmosférica acentuada ou por efeito de alteração das condições de iluminação natural (observação diurna ou noturna) ou, ainda, por efeito de saturação do sensor de imagem.

O recurso a fontes emissoras do tipo LED constitui uma solução promissora para a definição de alvos ativos [Santos (2011)] notando-se que a sua crescente evolução tecnológica permitiu que adquirisse diversas vantagens relativamente a outros elementos ativos convencionais, designadamente, em relação às lâmpadas de incandescência. Neste âmbito importa referir que o LED, enquanto fonte luminosa, possui níveis mais elevados de intensidade energética, potência radiante, eficiência e durabilidade, apresentando dimensões e massa inferiores às lâmpadas de incandescência. Existem, também, diferenças térmicas significativas entre ambos, verificando-se que a utilização de lâmpadas de incandescência provoca um acréscimo da temperatura na região envolvente em que se encontra localizada alterando, consequentemente, o índice de refração do meio de propagação.

A utilização de LEDs em alvos ativos de sistemas de medição pode ser efetuada de forma individual ou singular, quando os requisitos dimensionais do alvo ativo pretendido se situam na ordem de magnitude do milímetro8. Note-se que, a nível comercial, é possível dispor de LEDs com encapsulamento semiesférico com diâmetros nominais compreendidos entre 1 mm e 10 mm (vide Figura 3.3) [Labsphere (2014)] sendo o valor nominal de 5 mm o mais comum. Para além do

aspeto dimensional, o encapsulamento do LED possui uma importância acrescida na vertente óptica, determinando a distribuição espacial da radiação emitida, podendo atuar como um filtro cromático, caso seja necessário.

Figuras 3.3 e 3.4: LEDs com encapsulamento semiesférico de dimensão variável (à esq.) e alvo ativo composto por múltiplos LEDs (à dir.).

Quando os requisitos dimensionais do alvo apresentam uma dimensão superior à dimensão individual do LED, é possível promover a construção de alvos ativos compostos por múltiplos LEDs com distanciamento mútuo reduzido e dispostos espacialmente segundo uma forma geométrica pretendida, conforme se ilustra na Figura 3.4 para o caso de um alvo rectangular [Santos (2011)].

Este facto constitui uma vantagem adicional da utilização de LEDs como alvos ativos por ser possível alterar, de forma dinâmica, a dimensão global do alvo mediante ativação ou desativação de conjuntos de LEDs adjacentes, o que melhora a visibilidade do alvo face à mudança de condições atmosféricas ou de iluminação.

Salienta-se que, embora os LEDs constituam componentes ópticos do tipo

off-the-shelf, a construção de alvos ativos com múltiplos LEDs pode constituir uma

solução dedicada e flexível do tipo custom-made respondendo a especificidades dimensionais dos problemas de observação.