Técnicas de visión por computador para la reconstrucción en tiempo real de la forma 3D de productos laminados

Abstract

La visión por computador es una rama de la inteligencia artificial que desarrolla tanto la teoría como la tecnología necesarias para emular la percepción visual humana. Su principal objetivo es construir sistemas artificiales capaces de interpretar escenas naturales o datos multidimensionales. La reconstrucción de la forma tridimensional de objetos reales es un campo muy importante dentro de la visión por computador y es de aplicación, entre otras, en disciplinas tan dispares como la ingeniería inversa, la navegación automática o la inspección y el control automáticos de calidad. En esta tesis se presenta la aplicación de técnicas de visión por computador en el análisis, diseño e implementación de un sistema para la reconstrucción tridimensional de la superficie de objetos con restricciones de tiempo real. El trabajo se centra en la inspección automática de la calidad de productos laminados en la industria del acero. La evaluación de la calidad de estos productos, denominados bandas de acero, requiere, además de otros análisis, la medición de su planitud. Esta medición se puede obtener a partir de una reconstrucción tridimensional de la forma de la banda. La planitud es una característica que indica el grado de aproximación de la superficie de un objeto a una superficie totalmente plana. Un proceso de laminación incorrecto genera tensiones internas en el acero que se traducen en defectos de planitud en la banda laminada. Hace algunos años la medición de la planitud se realizaba de forma manual por un operador de la instalación industrial. Para medir la planitud de una banda de forma manual se detiene su avance por la instalación y se mide la longitud de un intervalo concreto de su superficie así como la diferencia entre su punto más bajo y su punto más alto. En realidad, se miden la longitud y la amplitud de onda que forma la superficie de la banda. Esta tarea es extremadamente tediosa y consume un tiempo excesivo, por lo que sólo se puede obtener un conjunto reducido de medidas de cada producto. A partir de estas medidas se pueden inferir el tipo y la magnitud del defecto de planitud. La creciente demanda en la calidad de acabado de productos laminados y los exigentes requisitos de productividad actuales en la industria del acero hacen inviable la inspección de un producto de forma manual. La medición de la planitud de una banda de forma automatizada se basa en la comparación de la longitud de varias fibras de su superficie. Si la banda es totalmente plana, todas las medidas de longitud serán iguales. En caso contrario, las diferencias entre estas longitudes se observarán como defectos de planitud. La automatización del proceso de medición de la planitud en entornos industriales es un campo de trabajo relativamente reciente. Según el principio de funcionamiento utilizado para obtener las medidas de longitud de la superficie de la banda, los sistemas de medición de planitud se pueden clasificar en mecánicos u ópticos. En el trabajo realizado se presenta un estudio exhaustivo sobre el concepto de la planitud y su medición en productos laminados, así como una revisión de los sistemas industriales más relevantes de medición de planitud. Además, se describen las técnicas de visión por computador aplicables a la reconstrucción tridimensional de la superficie de productos laminados. También se presenta el diseño de un sistema de medición de planitud de bandas de acero basado en la técnica de triangulación óptica por láser. Dada la enorme dificultad para generar datos sintéticos adecuados y la imposibilidad de repetición del proceso de producción industrial se han evaluado diversos algoritmos de compresión de vídeo en tiempo real con objeto de almacenar la información de entrada al sistema. A partir de esta evaluación se ha desarrollado una herramienta de grabación y reproducción de vídeo comprimido en tiempo real que permite realizar pruebas off-line con datos reales así como validar el diseño del sistema. Además, también permite generar una base de datos que representa el amplio rango de condiciones superficiales que puede presentar una banda de acero, así como de condiciones de iluminación en las que debe ser procesada. Con el objetivo de extraer la proyección del patrón láser de la escena de forma robusta y precisa se analizan las técnicas existentes y se estudia su aplicabilidad en un entorno hostil. Las técnicas descritas en la literatura se centran principalmente en la precisión de la detección del láser, siendo poco robusta su utilización en un entorno industrial, por lo que se diseña un método que garantice la extracción del patrón láser en condiciones adversas. El método propuesto se divide en dos fases. En primer lugar se realiza un proceso de búsqueda del láser en reposo aplicando criterios de búsqueda local. En segundo lugar, basándose en la información obtenida en la fase anterior, se realiza un proceso de búsqueda global sobre la superficie de la banda. Esta segunda fase consiste en un proceso de ajuste de segmentos curvos basado en una técnica de división y unión de regiones. La validación del sistema de medición de planitud se realiza indirectamente mediante la precisión lograda en el proceso de reconstrucción de la forma tridimensional de la banda. Los resultados relativos a la medición de planitud han sido obtenidos con datos reales procedentes de la industria del acero.