Instituto Politécnico
Thalles Heckert Leite
Prototipagem 3D – desenvolvimento de um programa para a conversão de arquivo 2D no formato STL
Nova Friburgo
2017
Prototipagem 3D – desenvolvimento de um programa para a conversão de arquivo 2D no formato STL
Dissertação apresentada, como requisito para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, do Instituto Politécnico, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração:
Matemática Aplicada e Computacional Científica.
Orientador: Prof. Dr. Joaquim Teixeira de Assis
Nova Friburgo
2017
CATALOGAÇÃO NA FONTE
UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/E
Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial desta dissertação, desde que citada a fonte.
______________________________________ ____________________
Assinatura Data
L533 Leite, Thalles Heckert.
Prototipagem 3D: desenvolvimento de um programa para a conversão de arquivo 2D no formato STL / Thalles Heckert Leite. - 2017.
75 f.: il.
Orientador: Joaquim Teixeira de Assis.
Dissertação (Mestrado) – Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politécnico.
1. Prototipagem rápida - Teses. 2. Processamento de imagens auxiliado por computador - Teses. 3. Impressão 3D - Teses. 4. MATLAB (Programa de computador) – Teses. I.
Assis, Joaquim Teixeira de. II. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Instituto Politécnico. III. Título.
CDU 004.414.32
Prototipagem 3D – desenvolvimento de um programa para a conversão de arquivo 2D no formato STL
Dissertação submetida ao corpo docente do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional do Instituto Politécnico, Campus Regional da UERJ em Nova Friburgo, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Modelagem Computacional.
Linha de Pesquisa: Matemática Aplicada e Computação Científica.
Aprovado em 30 de agosto de 2017
Banca examinadora:
____________________________________________
Prof. Joaquim Teixeira de Assis, D.Sc. (Orientador) Instituto Politécnico - UERJ
____________________________________________
Prof. Marcelino José dos Anjos IFATD/UERJ
____________________________________________
Prof. Roberta Gama Leitão
Faculdade Cenecista de Rio das Ostras/CNEC
Nova Friburgo
2017
À toda a minha família, que nunca deixou de me apoiar em quaisquer circunstâncias.
À Deus, por me conceder a possibilidade e a capacidade de estar onde estou hoje.
À Joaquim Teixeira de Assis, meu orientador, pela confiança, oportunidade e o apoio na realização deste trabalho.
Ao CAPES pelo financiamento imprescindível.
A todos, que direta ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento deste
trabalho.
LEITE, Thalles Heckert. Prototipagem 3D – desenvolvimento de um programa para a conversão de arquivo 2D no formato STL. 2017. 75f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) – Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2017.
A impressão 3D veio para revolucionar diversos setores da economia, funcionando como uma importante ferramenta para várias aplicações, tais como medicina, engenharia estrutural, indústria automobilística, arquitetura, e assim por diante. Com o avanço desta tecnologia, surgiu também uma gama de problemas relacionados à aquisição, representação, armazenamento, recuperação e comparação de dados 3D. No presente trabalho é proposto um modelo matemático, o qual torna possível tanto a restauração de uma série de objetos como a fabricação de novos modelos, a partir de simples imagens 2D, previamente adquiridas, tratadas e formatadas. O código elaborado se encontra na linguagem MATLAB (Versão R2015b), a impressora utilizada foi a CubePro (Modelo 401733). Como forma de validação do código, foram impressos protótipos referentes à três adornos encontrados no berço de um dos filhos da Princesa Isabel, o qual se encontra em exposição no Museu Imperial de Petrópolis. Os protótipos produzidos foram considerados satisfatórios, possibilitando o posterior envio ao museu.
Palavras-chave: Prototipagem Rápida. Impressão 3D. Modelo 3D. Processamento de imagens.
Arquivo STL. MATLAB.
LEITE, Thalles Heckert. 3D Prototyping – Development of a program for 2D file conversion in STL format. 2017. 75f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional) – Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2017.
The 3D printing has come to revolutionize a lot of sectors of the economy, working as an important tool for various applications such as medicine, structural engineering, automobile industry, architecture, among other things. With the advancement of this technology, there is also a range of problems related to the acquisition, representation, storage, retrieval and comparison of 3D data. In the present work a mathematical model is proposed, which makes possible both the restoration of a series of objects and the fabrication of new models, from simple 2D images, previously acquired, treated and formatted. The elaborated code is in the MATLAB language (Version R2015b), the printer used was the CubePro (Model 401733). Such algorithm presents a series of scopes, all of which are explained and clarified here. As a way for the validation of the code, prototypes were printed referring to three adornments found in the cradle of one of the children of Princess Isabel, which is found today in the Imperial Museum of Petrópolis. The prototypes produced were considered satisfactory, making possible the later shipment to the museum.
Keywords: Rapid prototyping. 3D printing. 3D model. Image processing. STL file.
MATLAB.
Figura 1 - Primeira versão do Windows... 23
Figura 2 - Representação da primeira imagem digital... 24
Figura 3 - Representação de pixels... 26
Figura 4 - Ferramenta de redimensionamento do Paint... 27
Figura 5 - Representação de zoom em uma imagem matricial... 28
Figura 6 - Origem e eixos do sistema de representação de uma imagem... 29
Figura 7 - Representação da convenção geralmente adotada para os eixos... 30
Figura 8 - Representação da convenção adotada pelo MATLAB para os eixos... 34
Figura 9 - Operações básicas da morfologia matemática... 37
Figura 10 - Exemplo de dilatação para um determinado elemento estruturante... 38
Figura 11 - Exemplo de erosão para um determinado elemento estruturante... 38
Figura 12 - Representação do efeito da abertura... 39
Figura 13 - Representação do efeito do fechamento... 40
Figura 14 - Representação das principais etapas do processo de manufatura por camada... 42
Figura 15 - Diagrama esquemático da SLA ... 46
Figura 16 - Diagrama esquemático da SLS... 47
Figura 17 - Diagrama esquemático da LOM... 49
Figura 18 - Diagrama esquemático do Binder Jetting... 50
Figura 19 - Deposição de Energia direta com pó metálico e de soldagem a laser... 51
Figura 20 - Esquema da impressão por jato de tinta... 51
Figura 21 - Diagrama esquemático da FDM... 52
Figura 22 - Impressora CubePro... 53
Figura 23 - Grade retangular de um pixel... 56
Figura 24 - Adornos do berço do filho da Princesa Isabel... 57
Figura 25 - Imagens antes do processamento... 58
Figura 26 - Imagens depois do processamento... 58
Figura 27 - Superfícies criadas a partir das imagens tratadas... 59
Figura 28 - Arquivos STL gerados... 60
Figura 29 - Build Settings (CubePro - 3D System)... 60
Figura 30 – Advanced Build Settings (CubePro - 3D System)... 61
Figura 31 – Protótipos impressos... 61
µPIV Micro particle image velocimetry
2D Bidimensional
3D Tridimensional
3DP Three Dimensional Printing ABS Acrilonitrila butadieno estireno
ASTM American Society for Testing and Materials BJ Binder Jetting
CAD Computer aided design
CLIP Continuous Liquid Interface Production CNC Comando numérico computadorizado CPU Central Processing Unit
CT Computed Tomography
DED Directed Energy Deposition FDM Fused-deposition modeling GUI Interface Gráfica do Usuário IBM International Business Machines IDSA Industrial designers society of America JPEG Joint Pictures Expert Group
LOM Laminated object manufacturing - MRI Magnetic Resonance Imaging MS-DOS MicroSoft Disk Operating System
NASA National Aeronautics and Space Administration PDI Processamento Digital de Imagens
PLA Ácido poliático
PNG Portable Network Graphics RAM Random Access Memory RGB Red, Blue, Green
RP Rapid Prototyping
SLA Estereolitografia (Técnica)
SLS Sinterização seletiva a laser
TIFF Tagged Image File Format
UAM Ultrasonic additive manufacturing
UERJ Universidade do Estado de Rio de Janeiro
UV Ultravioleta
INTRODUÇÃO ... 13
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2 IMAGEM ... 22
2.1 Breve histórico ... 22
2.2 Introdução à Imagem ... 25
3 PROCESSAMENTO DE IMAGENS ... 32
3.1 Introdução ao processamento de imagens ... 32
3.2 Representação de imagens digitais ... 34
3.3 Técnicas de processamento de imagens ... 35
3.3.1 Morfologia matemática ... 36
3.3.1.1 Dilatação e erosão ... 36
3.3.1.2 Abertura e fechamento ... 39
4 PROTOTIPAGEM RÁPIDA ... 41
4.1 Introdução ... 41
4.2 Etapas da prototipagem rápida ... 41
4.2.1 Criação do modelo CAD ... 43
4.2.2 Conversão para formato STL ... 43
4.2.3 Fatiamento do arquivo ... 44
4.2.4 Construção do modelo de camadas ... 44
4.2.5 Limpeza e acabamento ... 44
4.3 Sistemas de prototipagem rápida ... 45
4.3.1 Fotopolimerização em cuba ... 45
4.3.2 Fusão no pó ... 46
4.3.3 Laminação de folhas ... 48
4.3.4 Jatos aglutinantes ... 49
4.3.5 Deposição de energia direcionada ... 50
4.3.6 Impressão por jato de tinta ... 51
4.3.7 Extrusão ... 52
5 PROGRAMA DESENVOLVIDO ... 54
5.1 Introdução ao programa ... 54
5.2 Apresentação e explanação dos escopos ... 55
APÊNDICE – Programa proposto... 69
INTRODUÇÃO
Considerações gerais
Com o passar dos anos, a exigência do mercado como um todo vem aumentando de forma acentuada, fazendo com que empresas, de todos os setores, necessitem, cada vez mais, de uma diminuição de seus ciclos e custos de produção. Desta forma, torna-se fundamental para o êxito de empresas, a realização de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novos produtos.
Juntamente com o processo de desenvolvimento de novos produtos, vem todo um conjunto de ações e tarefas necessárias, e algumas delas se referem justamente à elaboração de modelos e protótipos, tarefas essas que, muitas das vezes, se traduzem em operações geralmente custosas, trabalhosas e demasiadamente demoradas.
O termo prototipagem rápida (Rapid Prototyping - RP) estabelece uma gama de tecnologias utilizadas na fabricação de objetos físicos diretamente a partir de diversas fontes de dados, dentre elas, os dados gerados por sistemas de projeto auxiliado por computador (Computer aided design - CAD).
Num sentido mais amplo do termo, a prototipagem rápida, engloba um conjunto de tecnologias de modelação física, com o objetivo de produzir, de forma cada vez mais ágil, protótipos e modelos a partir de informações geradas por uma gama de fontes, tais como, os já citados, desenhos do modelo gerados em CAD, os dados digitalizados por tomografia computadorizada (Computed Tomography - CT), imagem por ressonância magnética (Magnetic Resonance Imaging - MRI) e dados obtidos por outros sistemas de digitalização.
(VASCONCELOS; LINO; J. NETO, [s.d.].)
Os modelos gerados apresentam uma série de utilidades, tais como, o fato de constituírem uma excelente ferramenta de auxílio visual, ferramenta essa, de enorme interesse para a discussão prévia de projetos com colaboradores ou clientes por exemplo.
Outro importante benefício, é a capacidade que o modelo gerado, através de RP, tem
de permitir a execução de testes prévios, dos quais pode-se citar alguns exemplos, como
ensaios em túneis de vento para componentes aeronáuticos e automobilísticos ou, até mesmo,
análises fotoelásticas, as quais nos permitem encontrar pontos de concentração de tensões na
peça objetivo.
A prototipagem em si, sempre foi necessária para os projetistas como um todo, e os processos de prototipagem rápida trouxeram, nada mais nada menos, do que agilidade ao processo de elaboração e criação de novos produtos, além da, muitas vezes citada como principal benefício, diminuição dos custos envolvidos na fabricação, a qual é sempre de fundamental importância a qualquer processo de produção.
As aplicações da prototipagem rápida são as mais diversas, e estão presentes em vários campos da ciência, desde os mais convencionais, aqueles ligados ao desenvolvimento de produtos em geral, passando por áreas de extrema importância para a sociedade, como a área da saúde, até a sua utilização em áreas mais singulares, tais como na modelagem de cadeias de proteínas e estruturas de vírus.
As técnicas de prototipagem rápida são também muito usadas na fabricação de ferramentais, em um processo denominado "ferramentaria rápida", onde há uma fabricação automática de ferramentas para uso na produção em série.
A elaboração e posterior produção de ferramentas é uma das etapas mais custosas e lentas dentro do processo de manufatura, uma vez que, uma qualidade extremamente alta é exigida.
Tais ferramentas podem apresentar geometrias complexas e demandam precisão em todo o seu dimensionamento, muitas vezes exigindo dimensões milimétricas, e em diversos casos, durezas específicas, entre outras várias características, como resistência ao desgaste e determinadas rugosidades. Por este motivo, matrizes e moldes utilizados na indústria são tradicionalmente feitos por usinagem comando numérico computadorizado (CNC), eletro erosão ou até mesmo de forma manual. O fato de todos os esses processos demandarem tempo e um alto custo, torna a implementação das técnicas de prototipagem rápida muito bem-vinda. Estima-se que a economias de tempo e de custos proporcionadas pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos, sejam eles quais forem, sejam da ordem de 70 a 90%. Esse termo "rápido" associado a esses processos pode ser tratado como relativo, uma vez que, é necessário de 3 a 72 horas para a construção de alguns protótipos, uma vez que o tempo demandado depende diretamente do tamanho e da complexidade do objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos tradicionais, tais como usinagem, os quais podem demandar dias ou até mesmo meses.
(GORNI, 2001)
Apresentação do problema
Hoje há pelo menos sete diferentes técnicas de prototipagem rápida disponíveis no mercado. Com o aumento da importância e do consequente uso de tais tecnologias, elas passaram a ser cada vez mais usadas em aplicações não relacionadas diretamente com prototipagem, e por este motivo, tais tecnologias passaram a ser designadas pelas expressões:
"fabricação sólida com forma livre", "manufatura automatizada por computador" ou
"manufatura em camadas". Este último descreve o processo de manufatura utilizado pela maioria das técnicas comerciais atuais. Nele, um software "fatia" o modelo fornecido em CAD em várias camadas finas, com aproximadamente 0,1 mm de espessura, as quais são dispostas umas sobre as outras. Como dito, este processo de prototipagem rápida é um processo "aditivo", combinando camadas de papel, cera ou plástico para se criar um objeto sólido. Essa natureza aditiva do processo de prototipagem tridimensional (3D), faz com que seja possível a construção de objetos com características internas mais complexas, que antes não podiam ser obtidas, uma vez que os outros processos como, por exemplo, usinagem (fresamento, furação, torneamento, etc.), são processos "subtrativos", ou seja, removem material a partir de um bloco sólido, fazendo uma espécie de trabalho inverso. Todos os processos de prototipagem rápida atualmente existentes são constituídos por cinco etapas básicas. (GORNI, 2001)
1 - Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada;
2 - Conversão do arquivo CAD em formato STL, próprio para estereolitografia;
3 - Fatiamento do arquivo STL em finas camadas transversais;
4 - Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra;
5 - Limpeza e acabamento do protótipo.
As maiores dificuldades no uso dessa ferramenta, estão, sem dúvida alguma, nas
duas primeiras etapas do processo, uma vez que, a primeira delas envolve a criação de um
modelo desejado e a posterior tradução deste mesmo modelo para um projeto que possa ser
lido por um computador, tarefa esta que, naturalmente, não pode ser definida como uma das
mais simples, visto que a maioria dos possíveis usuários desta tecnologia não possuem
convivência com as ferramentas geralmente utilizadas para tais processos.
A segunda das etapas, envolve um processo ainda mais complicado, que seria a tarefa de pegar esse modelo criado no computador, esteja ele no formato em que estiver, e transforma-lo em um arquivo o qual esteja em um dos formatos suportados pela impressora desejada.
No presente trabalho, o problema a ser estudado, se encontra na primeira e segunda etapa do processo de prototipagem rápida (Criação de um modelo CAD da peça que está sendo projetada e conversão do arquivo CAD em formato STL).
Objetivos do trabalho
O objetivo desse estudo, é a elaboração de um código computacional o qual nos permita criar protótipos 3D a partir de simples imagens bidimensionais (2D), obtidas através de fotografia ou até geradas em softwares de fácil acesso, como o Paint.
Desta forma, as duas etapas mais trabalhosas de todo o processo de prototipagem rápida, se tornam passíveis de serem evitadas, uma vez que não com a utilização do programa proposto, não seria mais necessário confeccionar o modelo desejado no CAD, facilitando assim, o uso da RP, o que pode trazer como consequência um razoável aumento do interesse e da capacidade de uso da referida tecnologia.
Organização do trabalho
No capítulo 1 será feita uma breve revisão da literatura acerca do assunto abordado.
Analisando o que se tem produzido e o que há de mais moderno no que se refere à imagem 3D, processamento digital de imagens (PDI) e à prototipagem rápida.
No capítulo 2 é apresentado o conceito de imagem e tudo que a envolve, discursando sobre diversas características a respeito da mesma, como por exemplo, o que são e como são estruturadas e armazenadas em um computador.
No capítulo 3 são introduzidos, de forma superficial, os conceitos fundamentais do
processamento de imagens, focando principalmente nas técnicas e métodos utilizados no
presente trabalho.
No capítulo 4, o tema “Prototipagem rápida” é abordado de forma mais completa e didática, apresentando os diversos sistemas de prototipagem rápida, bem como as vantagens e desvantagens de cada um deles.
Já no capítulo 5, é apresentado o programa objetivo deste trabalho, com a seguinte explanação sobre os escopos presentes no mesmo, afim de esclarecer os processos envolvidos no código.
No sexto, e último, capítulo são mostrados os resultados obtidos através do código proposto, juntamente com às conclusões e recomendações de trabalhos futuros.
.
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A técnica de Prototipagem rápida vem sendo aproveitada em uma ampla gama de estudos. Novas técnicas e aplicações surgem a cada dia nesta área, tornando possível a elaboração de uma série de averiguações e estudos, dentre os quais alguns serão citados aqui.
Para tratar do assunto “prototipagem rápida” (RP), é necessário primeiro compreender as diversas tecnologias ligadas à ela, as quais, estão cada vez mais acessíveis ao público em geral.
Hudspeth (2007) enumera as principais técnicas referentes à RP, citando as vantagens e desvantagens de cada uma delas, entre elas, a estereolitografia (SLA), primeira das tecnologias RP, lançada em 1986, a qual consiste na solidificação de matérias primas liquidas. Quase idêntica à primeira, Hudspeth fala também sobre a técnica denominada SLS (Selecive laser sintering), que trouxe a vantagem da produção de protótipos multicoloridos.
Em seguida são tratadas as técnicas FDM (Fused Depositon modeling), LOM (Laminated Object Modeling) e CNC (Computer Numerical Control), a qual apresenta uma característica diferente das demais, sendo esta uma técnica de subtração, ou seja, nela a matéria prima é subtraída ao invés de adicionada.
Kruth (1991) analisa o estado da arte das técnicas de prototipagem rápida, dentre tais técnicas, Kruth fala sobre a estereolitografia, a sinterização seletiva à laser e até sobre a manufatura de partículas balísticas, definindo-as como, na época, novas técnicas de fabricação, as quais produzem as peças através do crescimento gradual do material utilizado como matéria prima, até o momento em que atingem a forma objetivada, método esse que define-se como aditivo. Neste estudo, são propostas uma classificação experimental e uma nomenclatura, tentando comparar os diferentes processos e discutindo suas aplicações e performances.
Na área da medicina, McGurk, et al. (1997) falam sobre os avanços na tecnologia
computacional, os quais, segundo ele, são sempre guiados de acordo com a demanda da
indústria, e veem criando novas possibilidades na área médica. Neste estudo, os autores fazem
uma espécie de revisão dos avanços recentes na área, citando e exemplificando algumas das
ferramentas que ajudaram, e muito, a medicina, dentre elas, a imagem por ressonância
magnética (MRI), que teria vindo logo após a tomografia computadorizada (CT), e mais
recentemente, a tecnologia que nos permitiu organizar os dados como imagens 3D,
possibilitando o desenvolvimento da tecnologia foco do presente estudo, a RP, que permitiu a
produção de modelos de tecidos e até de próteses customizadas, muitas vezes, fabricadas a partir do escâneres computadorizados. Ainda neste trabalho, os autores revisam o desenvolvimento e as atuais tecnologias disponíveis em RP, mostrando dois casos medicinais em que tais tecnologias são aplicadas.
Alguns anos mais tarde, Yang et al. (2004) aborda a possibilidade do uso das técnicas de RP dentro da engenharia de tecidos (Tissue Engineering - TE), uma importante e emergente área da engenharia biomédica. Neste trabalho, os autores propõem a utilização da prototipagem rápida na criação de alternativas biológicas para tecidos colhidos, implantes e até próteses, justificando que, em TE muitas vezes, são necessárias estruturas altamente porosas, como por exemplo, nas matrizes extracelulares artificiais e, no que eles chamam de
“andaimes biológicos”. Neste artigo, os autores revisam a aplicação e o avanço das técnicas de RP, no projeto e na criação de andaimes sintéticos, uma vez que os andaimes 3D existentes para TE provaram não ter as características ideais para aplicações reais, já que não possuem resistência mecânica, canais interconectados e boa distribuição dos seus poros. É feita também, uma análise das vantagens e benefícios e das limitações e deficiências das atuais técnicas de RP.
Peltola et al. (2009) também avaliam o uso da RP na engenharia de tecidos, com o mesmo propósito, a fabricação de andaimes tridimensionais. Neste trabalho, os autores chegam à conclusão de que a adição de detalhes de micro e nanômetros nos andaimes melhora, de forma significativa, as suas propriedades mecânicas, e garante uma melhor adesão celular à sua superfície. Assim, a produção deles pode ser personalizada de acordo com os dados adquiridos através de varreduras médicas, garantindo uma melhor adaptação às necessidades individuais de cada paciente. O presente estudo, chama atenção para o fato de que a RP permite o controle da porosidade do andaime, possibilitando a fabricação de aplicações com a integridade estrutural desejada. Por outro lado, os autores citam também a necessidade do desenvolvimento de máquinas RP projetadas especificamente para a fabricação de andaimes de engenharia de tecidos, embora os métodos existentes já consigam servir de ligação entre tecido e engenharia.
Ainda na área da saúde, Hazeveld, Slater e Ren (2014) se propuseram a investigar a acurácia e a reprodutibilidade de modelos dentários reconstruídos a partir de dados digitais, para isto, foram utilizadas diversas técnicas de RP. A metodologia adotada é descrita a seguir.
Doze modelos de gesso convencional mandibular e maxilar, aleatórios, foram selecionados
como padrão para posteriormente serem digitalizados, formando modelos de superfície
tridimensionais, de alta resolução, em arquivos no formato STL (Stereolitography). A partir
de então, esses modelos foram convertidos em modelos físicos reais, fazendo uso de 3 diferentes técnicas de RP: Processamento de luz digital, foto polímero de jato e impressão 3D.
Com os modelos físicos em mãos, foi feita uma série de medições e análises comparativas, a qual resultou na conclusão de que os modelos dentários reconstruídos pelas técnicas de prototipagem rápida foram considerados clinicamente aceitáveis em termos de precisão e reprodutibilidade, constatando que os mesmos são apropriados para aplicações selecionadas em ortodontia.
Antes disso, outros pesquisadores já haviam testado a acurácia das técnicas de prototipagem rápida, dentre eles, Ippolito, Iuliano e Gatto (1995), os quais analisaram as precisões dimensionais e os acabamentos das superfícies de peças produzidas através da prototipagem rápida, criando e apresentando uma nova técnica de verificação da sua qualidade.
Já Macdonald, Salas e Espalin (2014) abordam a utilização da impressão 3D em uma outra área, a área da eletrônica. Neste trabalho, os autores analisam o uso de tecnologia avançada de impressão 3D aprimorada com a colocação de componentes e a deposição de interconexão elétrica, o que, segundo eles, torna possível a produção de protótipos eletrônicos de forma muito mais rápida, em prazos incomparáveis com os protótipos tradicionais, de painéis 2D. Os autores afirmam que a liberdade de fabricação oferecida pelas técnicas de impressão 3D, como a estereolitografia e a modelagem de deposição fundida, foi recentemente explorada no contexto da integração eletrônica 3D - designada eletrônica estrutural 3D ou eletrônica impressa em 3D. Ainda segundo os autores, com um eventual aprimoramento, a impressão 3D pode até ser empregada para fabricar peças de uso final. No entanto, até que os materiais e as precisões dimensionais melhorem (uma eventualidade), as tecnologias de impressão em 3D podem ser empregadas para reduzir os tempos de desenvolvimento, fornecendo protótipos eletrônicos geometricamente avançados.
Mais recentemente, Farré-Lladós et al. (2016), apresentaram uma nova metodologia
para a fabricação de micro canais adequados à operações de altas pressões usando uma
impressora 3D de alta resolução. A metodologia proposta, pode produzir canais de até 250
µm, suportando pressões, atestadas por medições feitas através da técnica µPIV (Micro
particle image velocimetry), de 5 ± 0,2Mpa. Outros benefícios, de grande relevância, são a
velocidade que tal metodologia traz para a fabricação, velocidade esta que, supera
consideravelmente a velocidade de processos de fabricação de micro canais até então
tradicionais, como a litografia suave, e também o baixo custo de produção. Embora os autores
tenham constatado o fato de esta ser uma técnica muito mais rápida e mais barata do que as
técnicas anteriores de micro fabricação, devido às resoluções das impressoras 3D atuais (cerca de 50 μm) e de acordo com os resultados experimentais, os canais de seções transversais inferiores à 250 μm² não devem ser usados para caracterizar os comportamentos de fluxo de um fluido, uma vez que, as imprecisões nos limites do canal podem afetar profundamente o comportamento deste fluxo.
Dietrich et al. (2017) comparam duas técnicas diferentes de RP, estereolitografia (SLA) e PolyJet, fazendo a reprodução física de arquivos STL de dentições maxilares.
Comparando os modelos físicos aos arquivos de referência STL, as réplicas PolyJet apresentaram maior confiabilidade do que os modelos SLA, embora as medidas de precisão da SLA tenham sido melhores. Os erros dimensionais observados neste estudo foram de um máximo de 127 μm, concluindo que ambos os tipos de modelos ortodônticos digitais reproduzidos são adequados para o diagnóstico e o planejamento do tratamento.
Stutz (2017, no prelo) utiliza a prototipagem rápida para a construção de modelos
biológicos de inúmeras réplicas de estruturas ósseas. Em seu trabalho, a aquisição das
imagens é feita através da microtomografia computadorizada.
2 IMAGEM
2.1 Breve histórico
Para falar sobre a história das imagens gráficas, é necessário que se fale sobre a evolução da computação e da interface gráfica em si.
A forma como interage-se com os computadores é e sempre foi uma grande preocupação da indústria da informática. Em um curto intervalo de tempo, essa interação, homem-máquina, passou das simples linhas de comandos, para os complexos desktops em três dimensões com softwares cada vez mais despojados, os quais já, há algum tempo, aceitam até comandos por voz e por gesto, e toda essa evolução veio sempre com o mesmo intuito:
facilitar e tornar cada vez mais intuitiva a utilização dessas máquinas.
Foi o engenheiro estadunidense Vannevar Bush um dos primeiros a pensar no conceito de Interface Gráfica do Usuário (GUI). Ao perceber que os meios de armazenamento de informações não estavam mais comportando tantos dados quanto era necessário, Bush imaginou uma nova máquina, a qual supriria essa necessidade de armazenamento, trazendo consigo uma enorme vantagem, a capacidade de relacionar as informações nela contida, oferecendo uma maneira fácil de procurá-las em meio a tantos dados. À essa máquina, Bush deu o nome de Memex. (BUSH, 1945)
E foi exatamente Bush quem inspirou um outro engenheiro, Douglas Engelbart acreditava que, com informações dispostas em uma tela, o usuário poderia se organizar de maneira gráfica e pular de uma informação para outra, sempre que necessário.
Foi Engelbart o “pai” do mouse, que em 1968, junto com sua equipe demonstrou o potencial dos computadores e de alguns dispositivos de entrada, dentre eles, uma caixa retangular, com alguns botões e conectada ao computador por um cabo, que viria a ser chamado de mouse. Neste mesmo dia, surgiu o hipertexto, comunicação por rede e uma tela compartilhada por duas pessoas que estavam em locais diferentes, permitindo o trabalho em em conjunto. (Globo Comunicação e Participações S.A., 2013)
A partir daí, com o surgimento da linguagem Smalltalk, e posteriormente das
empresas Apple, VisiCorp, Tandy Computers, Commodore e Windows, dentre outras,
chegamos onde estamos.
A figura 1 mostra a primeira uma tela, onde pode-se ver os gráficos presentes na primeira versão do Windows.
Figura 1 - Primeira versão do Windows
Fonte: ESTADÃO, 2015.
Em meio a toda essa evolução na área informática, pode-se destacar a história de
Russell Kirsch, homem que, em 1957, criou a primeira imagem digital, ainda em preto e
branco. A figura 2 mostra exatamente essa imagem, a qual era composta por apenas 176
pixels.
Figura 2 - Representação da primeira imagem digital
Fonte: NATIONAL, 1957.
De forma simplificada, pode-se definir a cronologia da fotografia digital da seguinte forma (ROSADOS, 2011):
1920 - Início da transmissão de imagens Londres/Nova York pelo cabo submarino.
1957 - Russel Kirsch, NBS “escaneou” uma imagem e introduziu-a em um computador.
1964 - NASA-Jet Propulsion Lab. recebeu as primeiras imagens enviadas pelo Mariner 4.
1981 - Sony introduz no mercado mundial a Mavica, marca criada para designar uma série de câmeras fotográficas. A IBM apresenta sistema operacional MS-DOS.
1984 - Apple introduz os computadores Macintosh, primeiro computador pessoal a popularizar a interface gráfica.
1985 – São lançados: Thunderscan e o MacVision, scanners de baixa resolução e baixo custo.
1986 – São lançadas as placas TrueVision /Targa para imagens coloridas.
1987 - Macintosh II apresenta 16,7 milhões de cores no monitor.
1988 - Novos periféricos para Mac: slides printer, scanners para cromos 35 coloridas;
software ImageStudio-soft para manipulação de imagens P&B.
1989 - Arquivos JPEG são adotados com padrão. Microsoft inicia o Windows 3.0.
1990 - Guerra do Golfo, quando imagens são transmitidas por civis, militares, profissionais e amadores.
1991 até hoje – Desenvolvimento cada vez mais intenso de diversos modelos avançados de
câmeras digitais e de softwares de edição de imagem.
2.2 Introdução à Imagem
Muitas das vezes, ao deparar-se com capítulos como este, pode-se reparar que os autores optam por dar início aos mesmos de uma forma bem típica, a qual consiste na apresentação da definição da palavra objeto do estudo, neste caso “imagem”. Porém, neste caso, buscar a definição desse termo, pode se traduzir em uma tarefa de grande dificuldade, por um motivo bem simples, a subjetividade associada a ele.
Essa subjetividade faz com que hajam diversas maneiras de referir-se às imagens, como, por exemplo, do ponto de vista da ótica, que diz que uma imagem é um conjunto de pontos que convergem num plano, mas por outro lado, de uma forma mais abstrata, pode-se dizer que uma imagem é um suporte para a realização de trocas de informações.
O termo “imagem” o qual é abordado aqui, a nada mais se refere do que a uma organização de dados os quais nos retornam uma determinada figura, fotografia, ou qualquer imagem em si.
Quando se estuda as imagens e suas composições, sob a forma computacional, ou seja, sob a forma de dados, percebe-se que existem duas principais formas de representa-las, a forma vetorial, que gera as chamadas imagens vetoriais, e a forma matricial, que de forma análoga, gera as imagens matriciais.
As imagens vetoriais, trazem consigo este nome pelo simples motivo de que são
geradas através de vetores matemáticos, os quais parametrizam formas geométricas (retas,
círculos, elipses, polígonos, texto, entre outros), formando então imagens baseadas nesses
elementos. Este tipo de imagem, carrega algumas importantes vantagens, dentre elas o fato de
não apresentar distorções ou perda de qualidade quando submetidas a operações básicas de
processamento de imagens, tais como a redução ou a ampliação das mesmas; O fato de
gerarem arquivos mais “leves”, que ocupam menos espaço no disco rígido, uma vez que o que
é guardado neste caso são os vetores que originam as formas presentes e suas cores; E
também a facilidade de tratamento dessas imagens, já que trazem consigo o benefício de
serem formadas pela combinação de várias figuras geométricas, fazendo com que estas
figuras possam ser tratadas de maneira independente, o que permite alterar partes isoladas da
imagem. Por estes motivos, as imagens vetoriais são as mais utilizadas em projetos de
multimídia, os quais demandam impressão em diversas dimensões diferentes, variando de
pequenos cartazes até gigantescos outdoors.
Mas se há tantos benefícios, por que ainda existem as imagens matriciais? Um grande ponto nessa questão toda, é o fato de que a captura de imagens, feita através de câmeras fotográficas, e outros dispositivos do tipo, não conseguem utilizar este tipo de imagem (vetorial), uma vez que uma fotografia capta detalhes que vão muito além dessas formas geométricas utilizadas nas imagens vetoriais.
Portanto, a partir de agora, será abordado esse segundo tipo de representação de imagens, o qual será utilizado no presente estudo, e pode ser definido como imagem matricial, também chamada de mapa de bits (bitmap) ou raster.
As imagens matriciais possuem tal nome pelo fato de serem formadas através de uma
“grelha” (matriz) de pixels. Mas o que são pixels? A origem da palavra pixel vem da junção de dois termos da língua inglesa: “Picture” e “element”, formando, numa tradução ao pé da letra, a expressão “elemento de imagem”.
Ao aplicar-se um zoom à qualquer imagem fotografada, é possível observar pequenos
“quadrados” nela, que, somados, formam o desenho completo. Esses “quadrados” que são a menor parte de uma imagem, levam o nome de pixels. Na figura 3, pode-se ver exatamente esses pixels, os quais são representados pelos quadrados presentes.
Figura 3 – Representação de pixels
Fonte: O autor, 2017
O fato de o número de pixels em uma determinada imagem ser variável acarretou no uso da noção do pixel como uma medida da qualidade das imagens, onde o termo “resolução”
é utilizado para atribuir quantos pixels em altura e largura uma foto tem. Uma câmera de 1,3 Megapixels, por exemplo, possui a capacidade de obter 1300000 (1,3 milhão) de pixels em uma única imagem, o que, em termos de resolução, equivale à uma foto com 1280 pixels de largura por 1024 de altura, somando um total de 1.310.720 pontos.
Até nos editores mais simples, pode-se alterar a quantidade de pixels que a imagem qualquer terá. Na figura 4 pode-se ver uma ferramenta do software Paint, que possibilita exatamente esse redimensionamento em termos dos pixels.
Figura 4 - Ferramenta de redimensionamento do Paint
Fonte: O autor, 2017
São exatamente nesses pixels que são guardadas as informações relativas às cores de
cada “ponto” de uma imagem, ou seja, ao capturar uma imagem através de uma câmera, essa
imagem é dividida em uma espécie de grelha, formada por, geralmente, milhões de pixels,
onde cada um desses pixels vai armazenar a informação relativa a cor daquilo que está na sua
respectiva posição. Na figura 5, pode-se ver, através do efeito de zoom, um exemplo da
formação de uma imagem.
Figura 5 – Representação de zoom em uma imagem matricial
Fonte: UNIT 35 GRAPHICS, 2014.
Segundo Gonzalez e Woods (1992), a imagem de uma cena qualquer segue sempre um modelo de uma função bidimensional f(x,y) no qual se analisa a reflectância e a iluminação em cada coordenada espacial (x,y) da imagem. A reflectância, pode ser definida como a razão da quantidade de radiação refletida por um determinado objeto pela quantidade de radiação que incide no mesmo. Essa propriedade é representada pelo componente r(x,y), ao mesmo tempo em que o componente da iluminação, é dado por i(x,y). Ou seja, combinando esses dois componentes, tem-se:
𝑓(𝑥, 𝑦) = 𝑖(𝑥, 𝑦) ∙ 𝑟(𝑥, 𝑦) (1)
Onde, 𝑖 e 𝑟 variam dentro dos seguintes intervalos:
0 ≤ 𝑖(𝑥, 𝑦) ≤ ∞ (2)
0 ≤ 𝑟(𝑥, 𝑦) ≤ 1 (3)
O valor dessa função 𝑓 vai depender do tipo de imagem analisada. De forma resumida, existem três principais famílias de imagens, as imagens em preto e branco, as imagens em escalas de cinza e as imagens RGB.
Se tratando das imagens em preto e branco, a função 𝑓 terá apenas dois valores, zero no caso dos pixels pretos, e um no caso dos brancos. No caso de imagens em escala de cinza, a função 𝑓 representa a intensidade do nível de cinza da imagem em cada ponto desse plano.
Para imagens no sistema RGB o valor da função 𝑓 será um conjunto, formado por três
valores, representando a intensidade de cada uma das cores vermelho, verde e azul em cada
um dos pontos (𝑥, 𝑦). Por uma questão de convenção, a numeração das coordenadas se inicia no canto superior esquerdo, partindo do ponto (0,0), conforme mostrado na figura 6.
Figura 6 – Origem e eixos do sistema de representação de uma imagem
Fonte: O autor, 2017.
Ou seja, seguindo este modelo, para a representação dos pixels, parte-se do ponto (0,0). Isso significa que para uma imagem de 𝑚 pixels de altura por 𝑛 pixels de largura, tem- se então:
0 ≤ 𝑥 ≤ (𝑚 − 1) (4)
0 ≤ 𝑦 ≤ (𝑛 − 1) (5)
Portanto, pode-se definir, matematicamente, qualquer imagem através da seguinte função:
𝑓(𝑥, 𝑦) = [
𝑓(0,0) ⋯ 𝑓(0, 𝑛 − 1)
⋮ ⋱ ⋮
𝑓(𝑚 − 1,0) ⋯ 𝑓(𝑚 − 1, 𝑛 − 1) ]
(6)
A qual é representada na figura 7.
Figura 7 – Representação da convenção geralmente adotada para os eixos
Fonte: VIEIRA, [s.d.]
Dentro desse processo de criação das imagens, muitas vezes realizado pelas próprias câmeras, existem diversos formatos de arquivos gráficos nos quais tais imagens podem ser armazenadas, dentre eles, os principais são:
a) JPEG b) PNG c) TIFF d) Bitmap
O primeiro deles, denominado JPEG (Joint Pictures Expert Group) pode trabalhar com esquema de cores em 24 bits, o que faz com que ele aceite até 16,8 milhões de cores. O formato JPEG é um dos mais populares e isso se deve à dois fatos, o fato de ser arquivos geralmente mais “leves”, se comparados aos arquivos nos demais formatos, e também à capacidade que o mesmo tem de formar imagens bem fiéis às originais. (RAMOS, 2000)
A “leveza”, presente no formato JPEG, se deve à compressão realizada através de um algoritmo de compactação, o qual se baseia na capacidade do olho humano. Sabendo que o olho humano não é capaz de enxergar todas as 16,8 milhões de cores aceitáveis pelo formato, o mesmo retira uma série de informações que representam cores em imagens, mantendo apenas aquelas visíveis ao olho humano.
O formato JPEG permite diferentes níveis de compressão, os quais possibilitam
vários níveis de retirada de informação das imagens, permitindo a escolha entre a qualidade e
a ocupação de memória, uma vez que quanto menor for o tamanho do arquivo, pior será sua
qualidade.
Ramos (2000), afirma ainda que o formato JPEG possui a desvantagem de perder qualidade a cada vez que o arquivo é salvo.
Já o formato PNG (Portable Network Graphics), lançado há cerca de 20 anos, traz consigo a interessante vantagem de conseguir trabalhar com as mesmas 16,8 milhões de cores, apresentando, porém, uma compressão mais eficiente que aquela utilizada no arquivo JPEG, a qual evita perda de qualidade a cada salvamento, permitindo maior fidelidade à imagem original. No entanto, este formato acabou ficando famoso por causa de um recurso bem singular, que é a possibilidade de se trabalhar com transparência, tornando possível a criação de imagens com fundo transparente.
O terceiro formato, denominado TIFF (Tagged Image File Format), foi desenvolvido um pouco antes, pela Aldus Corporation, há cerca de 30 anos, quando houve uma tentativa de padronização das imagens geradas por equipamentos digitais, sendo capaz de armazenar imagens em preto ou branco, em escalas de cinza e até em paletas de cores com 24 ou 32 bits.
O TIFF é reconhecido por praticamente todos os programas de imagem (Ramos, 2000).
Algumas características do formato:
O formato TIFF tem capacidade de descrever imagens geradas no formato Bilevel (2 níveis), Grayscale (Tons de cinza), Palette-Color (Onde os valores da imagem representam índices de uma palheta de cores, armazenada em separado) e também em Full-Color RGB (Onde os três valores RGB correspondentes a cada pixel da imagem compõem a própria palheta de cores).
Já o BMP, desenvolvido pela Microsoft, é um formato que não usa nenhum tipo de compressão e, por esse motivo, a qualidade de imagem desses arquivos acaba sendo a melhor possível, ao mesmo tempo em que o tamanho do arquivo fica muito grande. Outro importante aspecto desse formato é a sua simplicidade estrutural, que torna menor a possibilidade de erros na interpretação dos dados.
O tamanho que uma imagem BMP terá pode ser calculado usando-se a seguinte fórmula, retornando resultado em bytes:
𝑇𝑎𝑚𝑎𝑛ℎ𝑜 =𝑛º 𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑠 ∙ 𝑛º 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎𝑠 ∙ 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟 8
(7)
Onde, "bits de cor", vale 24 para imagens com 16 milhões de cores simultâneas, 16 para
imagens com 65.536 cores, 8 para imagens com 256 cores e 4 para imagens com 16 cores.
3 PROCESSAMENTO DE IMAGENS
3.1 Introdução ao processamento de imagens
O ser humano, percebe e interage, com tudo aquilo que está ao seu redor, através de vários sentidos corporais. Esses sentidos podem ser enumerados, e são cinco: o paladar, a audição, o tato, o olfato e, o considerado por muitos como o mais importante, a visão.
(CANAVILHAS, 2014)
Esse sentido, denominado visão, pode ser considerado o meio mais eficiente de que o ser humano dispõe para captar as informações originadas ao seu redor, e alguns tipos de imagens demandam uma interação visual bastante intensa. (SHIRAI, 1987)
O processamento de imagens surgiu na década de 20, com a finalidade de aperfeiçoar imagens jornalísticas transmitidas por cabos submarinos entre as cidades de Londres e Nova York. (GONZÁLES; WOODS, 1992).
Algum tempo depois, o Processamento Digital de Imagens (PDI) apareceu no tratamento das imagens transmitidas por uma sonda Ranger enviada à Lua, durante os preparativos para as famosas missões Apollo. (MARQUES FILHO; VIEIRA NETO, 1999)
Desde então, muitas aplicações foram desenvolvidas, as quais utilizam computadores de grande porte, microcomputadores (KITTLER et al., 1985) e circuitos dedicados (LUPPE, 1997).
Nos dias de hoje, o processamento de imagens é aplicado em uma infinidade de áreas, das quais podemos destacar a médica, militar, publicitária e a área de pesquisa e investigação científica.
O ato de processar uma imagem, pode ser definido como uma espécie de processamento de dados, ou manipulação de uma imagem por computador de modo que, tanto a entrada quanto a saída desse processo são imagens.
Quando se fala em tratamento de imagens, refere-se à processos um pouco mais
limitados, os quais geralmente são utilizados com o intuito de manipular figuras para sua
representação final. O processamento de imagens em si, vai um pouco além do tratamento,
incluindo diversas formas de processamentos de dados tais como aprendizagem de máquina e
reconhecimento de padrões.
A maioria das técnicas envolvidas tanto no tratamento quanto no processamento de imagens, utiliza a imagem como um sinal bidimensional, no qual são aplicados padrões de processamento de sinal.
O uso do processamento digital de imagens, está constantemente relacionado à intenção de melhorar os aspectos visuais de diversas feições estruturais para o analista humano, fornecendo outros subsídios para a sua interpretação, e em alguns casos, gerando até alguns produtos os quais podem ser posteriormente submetidos à outras formas de processamentos. (SPRING, 1996)
Portanto, processar uma imagem significa, basicamente, modificar as informações contidas nela, e isso pode acontecer de várias formas e sob diversos aspectos.
Dentro do processamento de imagens, existem infinitas técnicas de manipulação de imagens, técnicas essas que, de um modo geral, podem ser categorizadas em um ou mais procedimentos que incluem quatro tipos abrangentes de operações computacionais (QUEIROZ, 2003):
a) Retificação e Restauração de Imagens: técnicas realizadas com o intuito de minimizar as distorções e degradações dos dados de uma imagem, com a finalidade de criar uma representação cada vez mais fiel da cena trabalhada.
b) Realce de imagens: técnicas aplicadas aos dados das imagens com o intuito de melhorar de forma efetiva a visualização das cenas, para posterior interpretação visual.
c) Classificação de imagens: operações com a finalidade de substituir a análise visual dos dados por técnicas quantitativas de análise automática, com o intuito de facilitar a identificação das regiões presentes na cena.
d) Combinação de dados: procedimentos realizados para combinar imagens. Um
exemplo é quando combina-se uma imagem referente a uma certa área geográfica,
com outros conjuntos de dados referenciados geograficamente, para essa mesma
área.
3.2 Representação de imagens digitais
Conforme visto no capítulo anterior, existem convenções que são utilizadas dentro do processo de armazenamento e processamento de imagens. Porém, sabemos que a toolbox de processamento de imagens do programa utilizado no presente trabalho, MATLAB, segue uma convenção um pouco diferente daquela mostrada. No MATLAB, a origem dos eixos continua sendo posicionada no canto superior esquerdo das imagens, mudando apenas a referência utilizada, já que, no programa utilizado, a imagem parte do ponto (1,1), ao invés de partir do ponto (0,0). Portando, as variáveis da posição (𝑥, 𝑦) podem ser definidas dentro dos seguintes intervalos:
1 ≤ 𝑥 ≤ 𝑟 (8)
1 ≤ 𝑦 ≤ 𝑐 (9)
Onde, 𝑟 se refere ao número de linhas (row), ao mesmo tempo em que 𝑐 se refere ao número de colunas (column). Neste caso, a imagem será representada pela seguinte função:
𝑓(𝑥, 𝑦) = [
𝑓(1,1) ⋯ 𝑓(0, 𝑛)
⋮ ⋱ ⋮
𝑓(𝑚, 0) ⋯ 𝑓(𝑚, 𝑛) ]
(10)
O que representa, exatamente, o demonstrado na figura 8.
Figura 8 - Representação da convenção adotada pelo MATLAB para os eixos
Fonte: VIEIRA, [s.d.].
O valor da função 𝑓 representa a intensidade do nível de cinza da imagem em cada ponto desse plano, no caso de imagens em escala de cinza. Para imagens no sistema RGB o valor da função f seria um conjunto de três valores representando a intensidade de cada uma das cores vermelho, verde e azul no ponto (𝑥, 𝑦).
3.3 Técnicas de processamento de imagens
O Processamento de imagens é, hoje, uma área em grande crescimento, sendo abordado em uma grande variedade de temas científicos, entre eles, a compreensão de imagens, a análise em multi-resolução e em multi-frequência, a análise estatística, a codificação e a transmissão de imagens, entre outros.
A aquisição de imagens é um processo passível a uma série de degradações, mesmo que realizada com o máximo de cuidado. Essas degradações podem acontecer a partir de alguns diferentes motivos.
O processo de digitalização de uma imagem pode acontecer a partir de vários métodos (scanner, máquina fotográfica, câmera, entre outros), e independentemente do método escolhido, a digitalização estará sempre propícia a um processo de amostragem tanto das coordenadas espaciais quanto da intensidade, gerando uma qualidade da imagem, mesmo que imperceptível ao olho humano, sempre pior que a da cena original.
A degradação das imagens, acontece também a partir do equipamento de digitalização, o qual sempre gera degradações diversas, que podem ser classificadas como espaciais, pontuais ou até como uma combinação de ambas. São exemplos de degradações espaciais: a ausência de foco, e os defeitos do sistema óptico, que agem na imagem de maneira a afetar a sua resolução. Por outro lado, as degradações pontuais são aquelas geradas pela luz dispersa, pelos reflexos de luz, e até pelos sombreamentos das lentes.
Outro exemplo de degradação das imagens, provém das, muito comuns, condições precárias no momento da aquisição das imagens, como no caso das imagens de ultrassonografia, as quais são imagens obtidas sempre em condições limitadas.
É por esses motivos que o processamento e análise de imagens se torna
imprescindível em diversas áreas de estudo, oferecendo diversas ferramentas capazes de
reverter esses processos de degradação citados.
Processamento de imagens nos dias de hoje, inclui uma ampla gama de técnicas disponíveis, dentre elas estão algumas as quais podemos citar como principais, ou mais utilizadas: Aprimoramento de contraste, redução de ruído, realce de contornos e bordas, operadores de diferenciação de segunda ordem, operadores de determinação de passagens por zero (zero crossings), limiarização e multi-limiarização. Cada uma dessas operações, possui a sua teoria, suas particularidades e os seus cálculos envolvidos.
3.3.1 Morfologia matemática
Surgida em 1964, através de pesquisas conjuntas de Georges Matheron e Jean Serra, a morfologia matemática, estabeleceu suas primeiras noções teóricas, a partir de conceitos os quais tratavam das, dentre outras, operações de abertura e fechamento, ambas utilizadas no presente estudo. Uma importante ferramenta da morfologia matemática, está no chamado elemento estruturante, o qual permite análises da estrutura geométrica das imagens, interagindo diretamente com a imagem, modificando a sua aparência, sua forma, e até o seu tamanho. A eficiência e a dificuldade da morfologia matemática se encontram na escolha da deformação desejada para cada imagem. Por outro lado, a grande vantagem da morfologia está na sua simplicidade de implementação. (FACON, 2011)
A morfologia matemática possui, principalmente, duas operações básicas, a erosão e a dilatação, a partir das quais, é possível realizar muitos outros operadores mais complexos.
3.3.1.1 Dilatação e erosão
De acordo com Woods (2000) quando se fala das operações de dilatação e erosão, é preciso primeiro definir as operações de translação, reflexão, complemento e diferença, mostradas na figura 9, e para que se possa defini-las, utiliza-se de dois conjuntos, 𝐴 e 𝐵 de 𝑍², onde tais conjuntos são compostos por 𝑎 = (𝑎
1, 𝑎
2) e 𝑏 = (𝑏
1, 𝑏
2), respectivamente.
Uma vez definidos tais conjuntos, pode-se dizer que a translação de 𝐴 por 𝑥 = (𝑥
1, 𝑥
2), é dada por:
(𝐴)𝑥= {𝑐|𝑐 = 𝑎 + 𝑥, para 𝑎 ∈ 𝐴} (11)
Enquanto que a reflexão de 𝐵, é definida como:
𝐵̂ = {𝑥 | 𝑥 = −𝑏, para 𝑏 ∈ 𝐵} (12)
Já o complemento do conjunto 𝐴, é dado por:
𝐴𝑐 = {𝑥|𝑥 ∉ 𝐴} (13)
E, por último, a diferença entre os conjuntos 𝐴 e 𝐵, é definida por:
𝐴 − 𝐵 = 𝐴 ∩ 𝐵𝑐 = {𝑥|𝑥 ∈ 𝐴, 𝑥 ∉ 𝐵} (14)
Figura 9 – Operações básicas da morfologia matemática
Legenda: - (a) Conjunto 𝐴; (b) Conjunto 𝐴 transladado de um ponto x; (c) Conjunto 𝐵; (d) Conjunto 𝐵 refletido; (e) Conjunto 𝐴 e seu complemento (𝐴𝑐); (f) Diferença entre os conjuntos 𝐴 e 𝐵
Fonte: WOODS, 2000.
A partir dessas operações, pode-se definir tanto a dilatação quanto a erosão, as quais
são apresentadas a seguir. Na dilatação, cujo efeito é demonstrado na figura 10, por exemplo,
tem-se a presença da translação, da reflexão e da diferença, de acordo com a seguinte lei, na
qual ∅ representa o conjunto vazio:
𝐴 ⊕ 𝐵 = {𝑥|(𝐵̂)𝑥∩ 𝐴 ≠ ∅} (15)
Onde, nesse caso, 𝐴 representa a matriz de dados da imagem, e 𝐵 é o elemento estruturante.
Figura 10 - Exemplo de dilatação para um determinado elemento estruturante tratado como uma máscara de convolução.
Fonte: SOARES, 2013.
Já a erosão, cujo efeito é demonstrado na figura 11, é dada por:
𝐴 ⊖ 𝐵 = {𝑥|(𝐵)𝑥 ⊆ 𝐴} (16)
Figura 11 - Exemplo de erosão para um determinado elemento estruturante
Fonte: SOARES, 2013.
Fica claro então que o processo de dilatação aumenta a imagem, enquanto a erosão
tem efeito inverso, diminuindo a imagem.
3.4.1.2 Abertura e fechamento
Definidas a dilatação e a erosão, pode-se então falar sobre outras duas operações morfológicas bastante interessantes, a abertura e o fechamento, as quais fazem uso, justamente, das operações citadas anteriormente.
Utilizando os mesmos conjuntos pré-estabelecidos, a abertura de um conjunto 𝐴 por um elemento estruturante 𝐵 vai ser definida por:
𝐴 ∘ 𝐵 = (𝐴 ⊖ 𝐵) ⊕ 𝐵 (17)
Ou seja, a operação de abertura, representada na figura 12, consiste, simplesmente, na erosão de 𝐴 por 𝐵, seguido da dilatação dessa erosão por 𝐵. (WOODS, 2000)
Figura 12 - Representação do efeito da abertura; (a) Imagem original; (b) Imagem após a operação
Fonte: Adaptada de SOARES, 2012.
Já a operação de fechamento do conjunto 𝐴 pelo mesmo elemento estruturante 𝐵, é dada por:
𝐴 ⦁ 𝐵 = (𝐴 ⊕ 𝐵) ⊖ 𝐵 (18)
Ou seja, a operação de fechamento, representada na figura 13, consiste, simplesmente, na dilatação de 𝐴 por 𝐵, seguido da erosão dessa dilatação por 𝐵. (WOODS, 2000)
Figura 13 - Representação do efeito do fechamento
Legenda: (a) Imagem original; (b) Imagem após a operação Fonte: Adaptada de SOARES, 2012.
De forma resumida, ambas as operações citadas suavizam o contorno da imagem,
com a abertura geralmente eliminando protusões finas e quebrando istmos estreitos, enquanto
que o fechamento tende a fundir as quebras, eliminando buracos e preenchendo fendas em um
contorno. (WOODS, 2000)
4 PROTOTIPAGEM RÁPIDA
4.1 Introdução
Com a, cada vez mais acentuada, competição do mercado, uma mudança fundamental no desenvolvimento de novos produtos se tornou necessária: a criação de protótipos de forma mais rápida, simples e barata.
A criação e a execução de novos projetos, muitas vezes traz consigo problemas inesperados. Como solução a esses problemas, o uso de protótipos é frequentemente adotado, permitindo que engenheiros e designers possam explorar alternativas a seus projetos, fazendo testes e confirmando o desempenho antes da produção em larga escala de um determinado produto.
Podemos citar uma grande variedade de benefícios oriundos do uso da prototipagem, dentre eles, a colaboração no quesito auxílio visual, muitas vezes essencial durante discussões prévias de projetos com colaboradores ou clientes, a capacidade de permitir testes prévios como, por exemplo, ensaios em túnel de vento para componentes aeronáuticos e a análise fotoelástica, usada para análise de pontos de concentração de tensões em uma determinada peça.
Se o uso de protótipos traz, dentre outras, todas essas vantagens, os processos de prototipagem rápida carregam as mesmas vantagens, juntamente à dois outros benefícios importantíssimos, a velocidade e o baixo custo. (VASCONCELOS; LINO; J. NETO, 2017)
4.2 Etapas da prototipagem rápida
Embora tenha-se, no Brasil, diversas universidades desenvolvendo máquinas e
sistemas de prototipagem, ainda não há no Brasil, nenhum fabricante de equipamentos de
prototipagem rápida. No mundo inteiro estão sendo desenvolvidas máquinas de RP, as quais
utilizam tanto os sistemas anteriormente conhecidos como, também, alguns inovadores.
Nesta seção, abordaremos as diversas etapas presentes nos sistemas de RP disponíveis hoje no mercado, focando, principalmente, nas tecnologias de manufatura aditiva, aquelas onde há a adição do substrato, ao invés da subtração.
Todas as técnicas de RP passam, necessariamente, por uma série de cinco passos, conforme figura 14: Criação de um modelo de projeto (Figura 14a); Conversão do modelo de para um formato STL (Figura 14b); Fatiamento do arquivo STL em finas camadas de seção transversal (Figura 14c-e); Construção do modelo de camada sobre camada (Figura 14f); E posterior limpeza e acabamento do modelo. (PRADELLA e FOLLE, 2014)
Figura 14 - Representação das principais etapas do processo de manufatura por camada
Fonte: HOTZA, 2009.
