Gonçalves, M.

Rocha, Ana Maria A. C.

Rodrigues, Cristina S.

Rodrigues, J.

Universidade do Minho: RepositoriUM

3º Encontro Nacional de Engenharia e Gestão Industrial     ENEGICOIMBRA2014  INOVAÇÃO, TECNOLOGIA E EXCELÊNCIA  3ª Edição do Encontro Nacional de Engenharia e Gestão Industrial     19 e 20 de Setembro de 2014 Coimbra, Portugal         Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Coimbra     3º Encontro Nacional de Engenharia e Gestão Industrial 28   Desenvolvimento de uma solução de processamento de imagem em ambiente industrial  M. Gonçalves1 , J. Rodrigues1, C.S. Rodrigues 2, A.M.A.C. Rocha2  1 Mestrado Integrado em Engenharia e Gestão Industrial, Universidade do Minho, Portugal {a65513,a65490}@alunos.uminho.pt  2 Departamento de Produção e Sistemas, Escola de Engenharia, Universidade do Minho, Campus de Gualtar, 4750-057 Braga {crodrigues,arocha}@dps.uminho.pt   1. INTRODUÇÃO  Ao longo dos anos o desenvolvimento de novas técnicas e tecnologias tem contribuido para a evolução tecnológica dos processos industriais. Um dos exemplos mais recentes está relacionado com a introdução de soluções de processamento de imagem digital. Usado em inúmeras áreas como a medicina ou o cinema, o processamento de imagem digital tem como principal objetivo a melhoria da informação visual para interpretação humana e o processamento de dados de imagens para avaliação e classificação automática com o auxílio de máquinas. Neste estudo pretende-se divulgar um projeto em curso no Departamento de Produção e Sistemas da Universidade do Minho que tem como objetivo aplicar técnicas de processamento de imagem em contexto industrial, nomeadamente pela aplicação e comparação de diferentes algoritmos de computação numérica.   2. PROCESSAMENTO DE IMAGEM EM AMBIENTE INDUSTRIAL  Os sistemas de visão permitem soluções inovadoras com elevado potencial de aplicação na indústria. Uma das aplicações mais usual é ao nível da inspeção visual e controlo da qualidade, tradicionalmente operações desempenhadas por pessoas. Para além do treino específico para a função, o desenvolvimento destes técnicos também tem implicações no tempo necessário. Por outro lado, nos processos industriais também existem situações que exigem a extração e o uso de informação on-time, precisa e repetitiva (por exemplo, na orientação de robôs) ou situações em que há risco da integridade física do indivíduo (por exemplo, na inspeção subaquática ou na indústria química). Nestes casos, a visão computacional apresenta-se como uma solução efetiva (Malamas, Petrakisa, Zervakisa, Petit & Legat, 2003). Um sistema de visão compreende quatro elementos base: câmara, iluminação, computador e software As imagens são capturadas por uma ou mais câmaras usualmente fixas e colocadas sob o ponto em inspeção. Para garantir a correta recolha da imagem, o local deve ser organizado e iluminado com um sistema de iluminação fixo. O processamento da imagem requer a utilização de um computador com software de análise e classificação de imagem. Quando uma imagem é digitalmente transformada e adquirida por um computador, é representada por uma matriz bi-dimensional, i.e., uma função bi-dimensional f(x, y), em que x e y são coordenadas espaciais de um dado ponto e os valores da função f em qualquer par de coordenadas (x,y) correspondem ao brilho (ou intensidade) da imagem nesse ponto. Quando x,y e os valores de f são quantidades discretas e finitas a imagem é designada de imagem digital. Uma imagem digital é composta por um número finito de elementos tendo cada elemento um valor e uma localização particular. Cada elemento da imagem é denominado de pixel (Gonzales et al., 2004). O processamento de imagem digital refere-se ao processo de análise de uma imagem através de meios computacionais e pode ser dividido em três níveis distintos: baixo, médio e elevado. Os processos de baixo nível, atuam ao nível do pixel, caraterizam-se por ambos os inputs e outputs serem imagens e envolvem operações primitivas como o pré-processamento de imagem para redução do ruído, melhoria de contraste e suavização da imagem. Os processos de médio nível usam inputs de imagens mas os outputs são atributos extraídos dessas imagens (por exemplo limites, contornos e a identidade de objetos individuais) e envolvem tarefas como a segmentação, partição de uma imagem em regiões ou objetos, e o reconhecimento de objetos individuais. Finalmente, o processamento de elevado nível envolve a interpretação do conteúdo da imagem, com vista ao desempenho de funções cognitivas normalmente associadas à visão humana (Gonzalez, Woods & Eddins, 2004). As operações de imagem são usadas para a realização de tarefas de processamento diversas tais como: realce de imagem; eliminação de ruído; conversão em binário; deteção de bordas; transformadas geométricas; cálculo de histograma; cálculo de projeções; cálculo de transformadas; etc. O processamento de imagem tem uma enorme variedade de aplicações em quase todas as áreas da ciência e tecnologia. Geralmente, o processamento de imagem digital requer um extenso trabalho experimental envolvendo software de simulação e teste de inúmeras imagens.  3. METODOLOGIA  O projeto em curso pretende aplicar e comparar diferentes algoritmos de computação numérica no processamento de imagem em contexto industrial. O projeto integra dois alunos do Mestrado Integrado em Engenharia e Gestão Industrial da Universidade do Minho que foram convidados a integrar a equipa após   3º Encontro Nacional de Engenharia e Gestão Industrial 29  frequência da UC de Métodos Numéricos (2ºano). A recolha de imagens foi realizada numa empresa da indústria alimentar que colabora no projeto e o tratamento e processamento de imagem procura responder à necessidade de identificar e sinalizar produtos com falhas nos requisitos dimensionais. Segue-se uma breve descrição dos resultados obtidos.   4. RESULTADOS E CONCLUSÕES  O projeto de processamento de imagem iniciou com a utilização do software Matlab®. A escolha deste software de computação numérica resultou por um lado do conhecimento prévio do software por parte dos alunos envolvidos (é lecionado na UC de Métodos Numéricos) e por outro lado por se tratar de uma solução que integra computação, visualização e programação num ambiente simples e onde problemas e soluções são expressos em notação matemática. O Matlab® dispõe também de uma Image Processing Toolbox que é composta por um conjunto de funções que suportam um variado leque de operações para processamento de imagem (Mathworks, 2013). Com recurso a esta toolbox foi possível ler e capturar uma imagem, converter a imagem original, que estava no domínio RGB (24 bits) numa imagem em tons de cinzento (8 bits), melhorar o contraste por aplicação de um filtro, detetar os limites úteis da imagem (bordas) e aplicar filtros de diferenciação para determinar requisitos dimensionais (por exemplo identificar um lado com uma colagem) (ver Rocha et al., 2013; Rodrigues et al., 2013).  Os resultados obtidos foram muito satisfatórios, nomeadamente pela sua velocidade de execução, um requisito fundamental para a empresa colaboradora no projeto. Contudo, foi identificada uma importante desvantagem deste software em ambiente industrial que se relaciona com a sua necessidade de licenciamento e o custo que lhe está associado. Face às alternativas de programação existentes foi decidido que o projeto deveria migrar para a linguagem C/C++. No último semestre, os alunos integrados na equipa tiveram formação específica desta linguagem (pela frequência de aulas extra-curriculares). A linguagem C/C++ apresenta uma elevada robustez, eficiência e portabilidade, e usa bibliotecas de domínio público, das quais se destaca a biblioteca OpenCV – particularmente útil no processamento de imagens e com diversas aplicações em áreas de reconhecimento e segmentação de objetos. A OpenCV (Open Source Computer Vision) é uma biblioteca de código aberto que contém mais de 500 algoritmos otimizados para imagem e análise de vídeo. Desde a sua introdução em 1999, tem sido amplamente adotada como a principal ferramenta de desenvolvimento pela comunidade de investigadores e programadores em visão computacional. Em 2009, surgiu o lançam  Neste artigo disponibilizam-se algumas ideias para a compreensão de um sistema de processamento de imagem quando utilizado como ferramenta para a solução de um determinado problema em contexto industrial e apresenta-se um projeto em curso no Departamento de Produção e Sistemas da Universidade do Minho que integra alunos do Mestrado Integrado em Engenharia e Gestão Industrial (atualmente a iniciarem o 4º ano de escolaridade). No futuro, pretende-se testar a utilização da linguagem C/C++ e aperfeiçoar o uso da sua biblioteca OpenCV em imagens de maior complexidade e diferentes problemas dimensionais já identificados pela empresa colaboradora no projeto.  5. REFERÊNCIAS  Gonzalez, R.C., Woods, R.E. & Eddins, S.L. (2004). Digital Image Data Processing Using Matlab. Prentice Hall: Pearson Education Inc. Laganière, R. (2011). OpenCV 2 computer vision application programming cookbook: Over 50 recipes to master this library of programming functions for real-time computer vision. Birmingham, UK: Packt Pub. Malamas, E.N., Petrakisa, E.G.M., Zervakisa, M., Petit, L. & Legat, J-D. (2003). A survey on industrial vision systems, applications and tools. Image and Vision Computing, 21, pp. 171–188.  Mathworks (2013) Image Processing Toolbox Manual, Mathworks Inc.  Rocha, A.M.A.C., Rodrigues, C.S., Rodrigues, J. & Gonçalves, M. (2013). Processamento de imagem digital com MatLab: uma aplicação em ambiente industrial. In Proceedings of 2º Encontro Nacional de Engenharia e Gestão Industrial, 17 e 18 de maio de 2013, Universidade de Aveiro (2 páginas).  Rodrigues, J., Gonçalves, M., Rocha, A.M.A.C. & Rodrigues, C.S. (3013). Exemplo de Aplicação de Processamento de Imagem Digital em Ambiente Industrial. In Proceedings of the International Conference on Enginnering (ICEUBI 2013), 27-29 novembro de 2013, Universidade da Beira Interior (8 páginas).           

Desenvolvimento de uma solução de processamento de imagem em ambiente industrial

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