Configuração singular de câmara móvel

3.2.3.1 Descrição da abordagem proposta

Tendo por objetivo ultrapassar esta limitação associada à configuração singular do tipo câmara fixa aplicada à observação dinâmica de grandes obras, é proposta uma abordagem óptica do tipo câmara móvel em que se promova uma ligação rígida de câmara à região dinâmica de interesse na infraestrutura sujeita a observação. Estando assegurada esta condição fundamental (ligação rígida) e efetuando uma modelação geométrica de câmara perspetiva, a posição espacial do respetivo centro de projeção é representativa da posição tridimensional da infraestrutura no local de instalação da câmara.

O posicionamento espacial e a orientação da referida câmara deverão garantir um campo de visão adequado à visualização permanente (tendo em conta a magnitude dos deslocamentos expetáveis na infraestrutura dinâmica) de um conjunto de alvos colocados numa região estática do cenário de observação, o qual deverá ser utilizado para a definição do referencial de medição de deslocamento tridimensional segundo direções de interesse relativamente à infraestrutura observada3.

A concretização desta abordagem implica o conhecimento prévio (antes da instalação inicial em obra) e regular (em caso de observação dimensional contínua) dos parâmetros intrínsecos4 da câmara utilizada (distância focal, coordenadas do ponto principal e coeficientes de distorção) e as coordenadas dos alvos no referencial de medição de deslocamentos adotado. Deste modo, é necessário garantir os meios experimentais adequados à caraterização metrológica dimensional e geométrica destes dois elementos do sistema óptico (câmara e alvos), conforme se discutirá em detalhe nos sub-capítulos 3.7 e 3.8.

3 _{Numa barragem de betão, o deslocamento tridimensional é distribuído segundo as direções vertical e}

horizontal relativamente ao seu paramento ou coroamento. No caso de uma ponte ou viaduto, as componentes do deslocamento tridimensional correspondem às direções longitudinal, transversal e vertical do vão observado.

4 _{Na parametrização de modelos geométricos de câmaras faz-se distinção entre parâmetros intrínsecos}

(distância focal, coordenadas de ponto principal, coeficientes de distorção da objetiva) e parâmetros extrínsecos (coordenadas espaciais e ângulos de orientação ou quaternião unitário associados à câmara).

O processamento digital de duas imagens temporalmente consecutivas permite que se obtenham as respetivas coordenadas dos alvos num referencial imagem que, em conjunto com o conhecimento das estimativas dos parâmetros intrínsecos da câmara e das coordenadas dos alvos num referencial mundo, asseguram a determinação das coordenadas tridimensionais do centro de projeção da câmara em dois instantes de tempo consecutivos permitindo, por operação de subtração, determinar os deslocamentos dinâmicos da infraestrutura. A determinação das coordenadas tridimensionais do centro de projeção da câmara é suportada nas equações de colinearidade estabelecidas entre pontos (representativos dos alvos) no mundo e na imagem, como se mostrará em detalhe no sub-capítulo 3.5. A Figura 3.2 ilustra o diagrama funcional associado ao processo de medição dimensional proposto, onde se podem identificar as grandezas de entrada, intermédias e de saída.

Coordenadas imagem dos alvos (instante inicial) Coordenadas mundo dos alvos Parâmetros intrínsicos da câmara Coordenadas imagem dos alvos (instante final) Posição inicial da câmara Posição final da câmara Deslocamento lido

Grandezas de entrada Grandezas intermédias Grandeza final

Figura 3.2: Diagrama funcional do processo de medição.

A análise das variáveis envolvidas no processo de medição descrito anteriormente revela a existência de seis a sete incógnitas associadas à posição (coordenadas tridimensionais) e à orientação da câmara (três ângulos de rotação de Euler ou, de forma equivalente, os quatro componentes do quaternião unitário), pelo que se torna necessário conhecer, no mínimo, as coordenadas de quatro alvos no referencial de medição (visto que cada alvo origina duas equações de colinearidade), formando um sistema de oito equações não-lineares donde se pretende obter uma solução estável para as incógnitas supracitadas.

3.2.3.2 Vantagens e limitações

Comparativamente com a abordagem singular de câmara fixa, a abordagem de câmara móvel apresenta como principais vantagens:

(i) a possibilidade de utilização de objetivas com elevada distância focal e campo de visão estreito, visto ser necessário garantir apenas a visualização permanente de um conjunto de alvos de referência colocado numa única região com distâncias mútuas reduzidas, tendo em conta o deslocamento tridimensional expectável da câmara; consequentemente, este tipo de sistemas ópticos com elevada distância focal deverá permitir obter uma elevada sensibilidade na medição, a longa distância, do deslocamento tridimensional da infraestrutura;

(ii) a formação de referencial de medição estável com base na distribuição espacial de quatro alvos de referência em coordenadas tridimensionais conhecidas e segundo direções de interesse no cenário de observação.

Contudo, são igualmente identificadas as seguintes limitações e vulnerabilidades:

(i) a parametrização intrínseca de sistemas ópticos com elevada distância focal, corresponde a uma matéria de estudo emergente e, portanto, não consolidada; (ii) a estabilidade geométrica do sistema óptico a longo prazo, por efeito de

solicitação dinâmica permanente em caso de cenário de observação dimensional contínua;

(iii) a inoperacionalidade do sistema de medição em cenário com condições atmosféricas severamente adversas (neblina, nevoeiro, neve, granizo ou chuva intensa);

(iv) a existência de fenómenos atmosféricos no meio de propagação, nomeadamente, refração e turbulência prejudiciais para o nível de exatidão da medição de deslocamentos pretendido;

(v) a presença de perturbações dinâmicas ambientais decorrentes, por exemplo, do vento e de atividade sísmica e também de natureza operacional (tráfego, escoamentos hidráulicos, etc.) sobre a câmara e alvos.

Com efeito, para garantir o sucesso da concretização experimental da abordagem óptica proposta, é necessário desenvolver o conhecimento e os meios necessários para ultrapassar, controlar ou minimizar as limitações e vulnerabilidades apontadas, constituindo um dos objetivos a atingir com o presente estudo.

No caso da parametrização intrínseca de sistemas ópticos com elevada distância focal, é possível constatar o recente desenvolvimento de métodos adequados a esta tarefa metrológica, conforme será discutido no sub-capítulo 3.7, em virtude das limitações numéricas observadas no estudo dos métodos convencionais desenvolvidos para o contexto de sistemas ópticos com reduzida distância focal.

Estes métodos emergentes podem assegurar a determinação regular dos parâmetros intrínsecos de um sistema óptico utilizado na observação contínua de uma infraestrutura dinâmica, permitindo quantificar a alteração das estimativas dos parâmetros a longo prazo. A sua contabilização como uma componente de incerteza (deriva) no balanço de incerteza instrumental deve, neste contexto, permitir estabelecer um valor alvo aceitável face à utilização do sistema óptico para efeito de observação dimensional.

Relativamente à influência atmosférica no processo de medição óptica dimensional a longa distância importa avaliar, numa primeira fase, o registo histórico de condições ambientais adversas associadas ao cenário de observação, tendo em vista a identificação de janelas temporais de curto prazo (para observação pontual) ou de médio e longo prazo (para observação contínua), que sejam aceitáveis para a realização de medições. Numa segunda fase, considera-se importante avaliar a influência das condições térmicas do cenário de observação junto às regiões de instalação da câmara e dos alvos, uma vez que o seu efeito é determinante para a magnitude dos fenómenos de refração e turbulência atmosférica, como se poderá concluir do estudo apresentado no sub-capítulo 3.6.

No que se refere às perturbações de natureza dinâmica, é relevante garantir que os componentes ópticos e fotónicos utilizados possuam uma adequada resistência a efeitos dinâmicos ambientais mediante avaliação prévia (em regra, efetuada pelo fabricante do equipamento) de acordo com o atual enquadramento definido pela norma ISO 9022. Esta norma de referência estabelece um vasto conjunto de métodos

de ensaios de natureza ambiental5, onde se inclui o ensaio dinâmico de componentes ópticos [ISO 9022-22 (2012)] que prevê a aplicação, em cada eixo principal do componente, de aceleração com magnitude aproximada de 16 m·s-2, numa frequência compreendida entre 20 Hz e 500 Hz durante 30 minutos. Quanto à transmissão de elevadas frequências de vibração, propõe-se o uso de materiais de isolamento na ligação e interface infraestrutura / sistema óptico, tendo em vista a sua mitigação.