OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un dispositivo para la caracterización de reflejos en el espectro infrarrojo térmico.
Preferentemente, la presente invención está destinada a caracterizar reflejos en el espectro infrarrojo térmico como soportes para sistemas de medida de termografía cuantitativa, cuyos niveles de precisión en la medición requieran conocer o eliminar dichos reflejos, por ejemplo, para sistemas que requieran conocer las temperaturas 15 absolutas, emisividades térmicas o velocidades de calentamiento y/o enfriamiento de determinados objetos o materiales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
20 Dentro de la termografía, un problema que suele afectar a la calidad de la toma de imágenes, y que con frecuencia se desea mitigar está relacionado con la presencia de reflejos de radiación infrarroja, que de manera indeseada se introducen en una escena, provocando situaciones de confusión en cuanto al análisis de la imagen, especialmente cuando se trabaja en la modalidad de termografía cuantitativa.
Esto es debido a que todo cuerpo por encima de los 0 K emite radiación infrarroja por el fenómeno físico de la emisión térmica, la problemática de los reflejos en el espectro infrarrojo es más intensa que su situación homóloga en el espectro visible, puesto que en este último no todos los cuerpos son emisores de luz.
Actualmente, para mitigar la presencia de reflejos en escenas se conocen distintas soluciones habitualmente basadas en un software, o algoritmo, que modifica el espectro visible de la imagen fotográfica de la escena.
Concretamente, se conocen diferentes algoritmos que se aplican para eliminar, o controlar, los reflejos en imágenes fotográficas de la escena realizadas a través de cristales. Los cristales, de las ventanas o de los escaparates, cuando se realiza una imagen fotográfica a través de ellos, producen reflejos, o reflexiones, tanto en el rango 5 visible como en el infrarrojo.
Más concretamente, estos algoritmos están basados en señales "Ghosting" aplicadas en las diferentes capas de la imagen fotográfica para discriminar las reflexiones principalmente en el rango visible.
También se conocen algoritmos basados en la eliminación de reflejos comprendidos en el rango visible en imágenes fotográficas realizadas a través de cristales mediante la combinación de múltiples fotografías en movimiento.
15 Otro método conocido para eliminar dichos reflejos en el rango visible, está basado en extraer dos "proxie 3D" (del tipo mapas de profundidad) para las reflexiones de la imagen, en donde uno de los "proxie 3D" transmite la luz y el otro la refleja, para interpolar la imagen y renderizarla posteriormente (SN Sinha, J Kopf, M Goesele, D Scharstein. Image-based rendering for scenes with reflections. ACM Trans. Graph., 2012). También 20 se han utilizado metodologías basadas en Análisis de las Componentes Principales (PCA) para separar los reflejos de la imagen (Hany Farid and Edward H. Adelson. Separating Reflections and Lighting Using Independent Components Analysis IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 1:262-267, 1999, Fort Collins CO.).
No obstante, todos estos métodos, o algoritmos, están limitados al espectro visible de la imagen fotográfica, excluyendo al espectro infrarrojo, o termográfico, y por tanto, no son aplicables a un campo de aplicación industrial.
30 También se conocen cámaras, o aparatos, destinados principalmente a la calibración de la cámara, que tienen en cuenta los reflejos. Por ejemplo, se conocen aparatos, tal y como se describe en el documento US2016224861A1, que facilitan la aproximación de las condiciones de iluminación, las condiciones de observación y las características de reflectancia de las superficies de la escena cuando se realiza la medición del color, la
corrección y/o la transformación durante el proceso de formación de imágenes fotográficas. Para ello, este aparato utiliza un conjunto de uno, o más elementos, para la extrapolación de las condiciones de iluminación de una escena para mejorar la determinación de los parámetros de corrección/transformación de color y/o para facilitar la determinación de un modelo de reflectancia para una superficie de la escena.
Finalmente, también se conocen, tal y como se describe en el documento US7679046B1, cámaras infrarrojas que comprenden un recipiente con diferentes gases que comprende diferentes propiedades ópticas susceptibles de calibrar la cámara.
A pesar de esto, estos aparatos o bien se limitan únicamente a la calibración de la cámara, o no permiten el análisis de la interacción de los reflejos con la escena en el espectro infrarrojo de la imagen fotográfica.
De este modo, ninguno de estos aparatos, cámaras, o algoritmos han solucionado el problema de eliminar o mitigar los reflejos en el espectro infrarrojo, lo único conocido hasta ahora son una serie de recomendaciones de posicionamiento del sensor termográfico en la escena; por ejemplo, en termografía cuantitativa aplicada a ensayos no destructivos de materiales se recomienda realizar la captura manteniendo un ángulo de entre 20° y 30° medidos desde la perpendicular al objeto de estudio.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención es un dispositivo destinado a ser posicionado en una escena donde se quiera realizar una imagen termográfica sin que los reflejos en el espectro infrarrojo térmico la puedan afectar. Este dispositivo permite caracterizar los reflejos de la escena para que el usuario pueda actuar acorde y corregirlos o eliminarlos.
Más concretamente, la presente invención es un dispositivo para la caracterización de reflejos en el espectro infrarrojo térmico, causados por una radiación infrarroja, como soporte para sensores termográficos externos que comprende:
- una cúpula que a su vez comprende una estructura cuya superficie está recubierta de un material de baja emisividad, con un coeficiente de emisividad
igual o inferior a 0.10, y una pluralidad de sensores de radiación infrarroja distribuidos equitativamente que transforman la radiación infrarroja en temperatura,
- una base rígida vinculada con la cúpula, que en su parte externa lateral comprende una banda cilíndrica cuya superficie es de alta emisividad, con un coeficiente superior a 0.90 y que está codificada mediante signos de baja emisividad, con un coeficiente igual o inferior 0.10, destinados a facilitar la determinación de la posición angular relativa de la cúpula con respecto al sensor termográfico externo,
- un sistema de posicionamiento angular emplazado en el interior de la cúpula, y
- una unidad de control vinculada con el sistema de posicionamiento angular y con los sensores de radiación infrarroja para recoger las señales del sistema de posicionamiento angular e integrarlas, obteniendo la posición angular absoluta del centro de la cúpula, y para adquirir los valores de la temperatura de cada uno de los sensores de radiación infrarroja caracterizando los reflejos en el espectro infrarrojo térmico.
Más concretamente, la estructura de la cúpula es una estructura espacial tipo "domo geodésico" de frecuencia 2, y gracias a superficie de baja emisividad permite detectar los reflejos débiles mediante el análisis de la escena termográfica obtenido por un sensor termográfico externo tal como una cámara termográfica. Esto es debido a que la superficie semiesférica de baja emisividad refleja omnidireccionalmente la radiación en el rango infrarrojo que en ella incide, permitiendo extraer de la imagen termográfica la dirección de las reflectividades que afectan a la escena a través de un procedimiento de post-procesado de la imagen.
Estos reflejos débiles son considerados como los reflejos que por su baja intensidad de radiación presentan dificultades para ser detectados directamente por los sensores de radiación infrarroja repartidos por la cúpula, pero que sí pueden ser discriminados en la imagen capturada por sensores termográficos externos como reflexiones provenientes de la superficie recubierta del material de baja emisividad de la cúpula.
Adicionalmente, los signos de la banda cilíndrica comprenden tres elementos repetidos cinco veces equi-angularmente en la banda cilíndrica, en donde cada elemento es un
cuerpo metálico de baja emisividad, para facilitar su detección e identificación por contraste con respecto a la banda.
Más concretamente, estos signos permiten obtener la posición angular relativa de la 5 cúpula con respecto al sensor termográfico externo mediante un sistema de coordenadas arbitrario definido por el propio sensor termográfico en el momento de la toma de imagen. De este modo, el usuario puede relacionar posicionalmente el dispositivo con el sensor termográfico
10 Preferentemente, los sensores de radiación infrarroja se encuentran distribuidos encastrados equi-espacialmente en la cúpula conformando un total de 16 sensores para recoger la radiación infrarroja en un campo de vista de 180° x 180°. Este patrón específico permite analizar de manera intrínseca la posición espacial de los reflejos fuertes, es decir aquellos que, a diferencia de los reflejos débiles, tienen suficiente
15 intensidad para entrar dentro del umbral de detección de los 16 sensores equi- distanciados, en base a la incidencia de la radiación de diferentes direcciones sobre la red de sensores instalados en la superficie semiesférica.
El sistema de posicionamiento angular comprende un acelerómetro de 3 ejes, un
20 giróscopo de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes, y el acelerómetro resulta localizado en el centro geométrico de la cúpula. El sistema de posicionamiento angular permite posicionar espacialmente un vector principal que comprende los componentes fuertes y débiles de la radiación infrarroja procedente de los reflejos en el espectro infrarrojo.
25 Adicionalmente, el dispositivo comprende una unidad de transferencia de datos inalámbrica emplazada en interior de la cúpula y vinculada con la unidad de control, para transmitir la información térmica y de posicionamiento angular desde la unidad de control hasta un dispositivo de cálculo externo tal como un ordenador personal, una Tablet o un Smartphone.
Así como un panel de control externo que a su vez comprende un botón de encendido que permite el inicio/parada del dispositivo, un indicador LED que informa sobre el status de funcionamiento del dispositivo, una ranura de almacenamiento externo que permite añadir o extraer almacenamiento externo, y un receptor de infrarrojos que permite
controlar de forma inalámbrica el panel externo mediante un mando de control remoto.
Preferentemente, la base rígida comprende una rosca de enganche que está destinada a vincularse con un trípode topográfico o una rótula fotográfica.
Preferentemente, el dispositivo comprende una batería vinculada con los sensores de radiación infrarroja, el sistema de posicionamiento inercial, la unidad de control, la unidad de transferencia de datos inalámbrica y el panel de control externo para alimentarlos eléctricamente.
Adicionalmente el dispositivo comprende una unidad de protección eléctrica que se encuentra dispuesta entre la batería y los sensores de radiación infrarroja, el sistema de posicionamiento inercial, la unidad de unidad de control, la unidad de transferencia de datos inalámbrica y al panel de control externo para evitar la descarga de la batería por 15 debajo de un valor mínimo de seguridad comprendido entre 3.05 y 4.20 v por cada celda de la batería, y preferentemente igual a 3.05 v.
Preferentemente, la unidad de protección eléctrica comprende una alarma sonora que indica sonoramente si la batería ha alcanzado el valor mínimo de seguridad y una 20 pantalla LED que indica el voltaje restante en la batería.
De este modo se obtiene un dispositivo de gran eficacia, ya que permite el análisis de reflejos dentro del espectro del infrarrojo térmico en aplicaciones como la termografía infrarroja que da una caracterización en tiempo real, dada la posibilidad de conocimiento 25 de los reflejos provenientes del espectro infrarrojo térmico en el momento de la captura de la escena, permitiendo la eliminación de los mismos o el diseño del experimento de captura con arreglo a unas reflexiones cuya existencia ya se conocen de antemano sin necesidad de recurrir a post-procesados de imagen posteriores.
30 Adicionalmente este dispositivo presenta una mayor robustez para la obtención precisa del vector de las reflexiones, gracias a la posibilidad de detectar o caracterizar las dos tipologías de reflejos: reflejos fuertes, caracterizados por el dispositivo y detectados por el propio dispositivo; y reflejos débiles detectados por el sensor termográfico que captura la escena. También permite una flexibilidad de uso, dado que permite localizar y posicionar
el sistema dentro de la escena termográfica de una forma no-invasiva, ya que no requiere de contacto con el objeto de estudio para proveer de resultados y es seguro, ya que es pasivo y no emite radiación peligrosa para los usuarios.
5 Finalmente, este dispositivo presenta portabilidad y autonomía dado su peso reducido y su batería lo que permite poder emplearse tanto en zonas interiores y exteriores, sin reducir su alcance, ya que pueden trabajar varios de forma conjunta.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se 15 ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista frontal de la realización preferente de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista superior de la realización preferente de la invención.
Figura 3.- Muestra una vista en sección vertical de la realización preferente de la invención.
Figura 4.- Muestra una vista superior de soporte rígido de la realización preferente de la 25 invención.
Figura 5.- Muestra una vista superior de una realización preferente de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención es un dispositivo (20) para la caracterización y la eliminación de reflejos en el espectro infrarrojo térmico, que comprende, tal y como se muestran en la figura 1, una cúpula (1) que a su vez comprende una estructura espacial tipo "domo geodésico" de frecuencia 2 cuya superficie está recubierta de un material de baja
emisividad, cuyo coeficiente de emisividad es igual o inferior a 0.1, y comprende una pluralidad de sensores de radiación infrarroja (2) distribuidos equitativamente. El material de baja emisividad (o alta reflectancia) permite identificar en las imágenes termográficas reflexiones espurias en la escena. Gracias a su baja emisividad, se capturan las 5 reflexiones de baja intensidad en el patrón de radiación de la escena aun cuando éstas no generasen un cambio de temperatura apreciable en los sensores de radiación infrarroja (2).
Esta cúpula (1) descansa sobre un soporte rígido (11), para el posicionamiento del 10 dispositivo (20) de forma relativa con respecto a sensores externos tal como una cámara termográfica.
Más concretamente, los sensores de radiación infrarroja (2) son sensores sensibles a la radiación infrarroja y llevan incorporado un pequeño microprocesador que traduce dichos 15 cambios en el espectro infrarrojo a valores de temperatura.
Estos sensores de radiación infrarroja (2) detectan únicamente la radiación infrarroja, siendo diferentes de los sensores de temperatura, los cuales se verían afectados por la transmisión de calor por conducción y sólo realizarían la medición por contacto.
Preferentemente, los sensores de radiación infrarroja (2) están destinados a la detección de fuentes de reflexión de media y alta intensidad, y se encuentran distribuidos encastrados equi-espacialmente en la cúpula (1), tal y como se muestra en la figura 2, conformando un total de 16 sensores que permiten recoger la radiación infrarroja de una 25 escena en un campo de vista de 180° x 180°.
Más concretamente, tal y como se muestra en la figura 3, la estructura espacial de la cúpula (1) está realizada con un material aislante térmico, tal como poliestireno extruido, con un grosor suficiente para dotar de rigidez a la estructura a la par que evitar la 30 transmisión de calor entre al menos los sensores de radiación infrarroja (2). Preferentemente este grosor está comprendido entre 2 y 4 cm. Más preferentemente, este grosor es 3 cm.
En el interior de la cúpula (1) están dispuestos un sistema de posicionamiento angular (4)
o INS (Inertial Navigation System). Este sistema de posicionamiento angular (4) comprende un acelerómetro de 3 ejes, un giróscopo de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes que permiten a partir del conocimiento de la distribución equidistante de los sensores de radiación infrarroja (2), posicionarlos angularmente en un sistema de referencia 5 absoluto con independencia de la colocación del dispositivo (20) con respecto al objeto o la escena. Preferentemente, el sistema de posicionamiento angular (4) está posicionado de forma que el acelerómetro quede localizado en el centro geométrico de la cúpula (1), evitando excentricidades en los valores angulares.
10 Adicionalmente, el interior de la cúpula (1) comprende una unidad de control (5) vinculada con el sistema de posicionamiento angular (4) para recoger las señales del sistema de posicionamiento angular (4) e integrarlas para obtener la posición angular absoluta del centro de la cúpula (1). Asimismo, dicha unidad de control está vinculada con los sensores de radiación infrarroja (2) para capturar los valores de temperatura de cada uno
15 de los sensores de radiación infrarroja (2). De este modo, la unidad de control (5), gracias a la distribución equidistante de los 16 sensores de los sensores de radiación infrarroja (2) y las señales del sistema de posicionamiento angular (4), puede detectar tanto dirección como la intensidad de los reflejos.
20 Más concretamente, tal y como se muestra en la figura 4, el interior de la cúpula (1) también comprende una unidad de transferencia de datos inalámbrica (6) para transmitir la información térmica y de posicionamiento angular desde la unidad de control (5) hasta un dispositivo de cálculo externo tal como un ordenador personal, una Tablet o un Smartphone. Preferentemente, esta unidad de transferencia de datos inalámbrica (6) es
25 un emisor WiFi.
Adicionalmente el interior de la cúpula (1) comprende una batería (7), una unidad de protección eléctrica (8) y un panel de control externo (9).
30 Más concretamente, la batería (7) provee corriente eléctrica a los sensores de radiación infrarroja (2), al sistema de posicionamiento inercial (4), a la unidad de unidad de control (5), a la unidad de transferencia de datos inalámbrica (6) y al panel de control externo (9). Preferentemente dicha batería (7) comprende 2 celdas tipo LiPo y se encuentra dispuesta en el interior de la cúpula (1) con una sujeción flexible, requiriendo el
desmontaje de la cúpula (1) para proceder a su recarga.
Para el montaje y desmontaje de la cúpula (1), ésta está vinculada, de forma no permanente, a la base rígida (11) mediante tres tornillos (10) y un sistema de 5 machihembrado.
Adicionalmente, la base rígida (11) está compuesta por un material aislante de las mismas propiedades que la cúpula (3) que comprende una placa superior, preferentemente de fibra de vidrio, donde van emplazados la unidad de transferencia de 10 datos inalámbrica (6), la unidad de control (5), la batería (7), la unidad de protección eléctrica (8) y el panel de control externo (9), y una placa inferior rígida destinada a ser colocada en el elemento o escena a caracterizar los reflejos en el espectro infrarrojo térmico mediante una sujeción magnética y/o adhesiva.
15 Preferentemente, dicha base rígida (11) comprende una rosca de enganche (12) que atraviesa la placa inferior y que está destinada a vincularse con un trípode topográfico o una rótula fotográfica, en aquellos casos en que no se pueda anclar el dispositivo (20) al elemento de estudio.
20 La unidad de protección eléctrica (8) se encuentra dispuesta entre la batería (7) y el resto de elementos que alimenta eléctricamente y permite evitar la descarga de la batería (7) por debajo de un valor mínimo de seguridad igual a 3.05 v por celda que comprenda la batería. Adicionalmente, la una unidad de protección eléctrica (8) comprende una alarma sonora que indica sonoramente si la batería (7) ha alcanzado dicho valor mínimo de 25 seguridad y una pantalla LED que indica el voltaje restante en la batería (7) cuando se proceda a la inspección del interior del dispositivo (20).
Más concretamente, en la figura 5 se muestra que el panel de control externo (9) es una interfaz que permite el manejo externo de la invención por un usuario, de este modo 30 permite el inicio/parada del dispositivo (20) mediante un botón de encendido (15), informa sobre el status de funcionamiento del dispositivo (20) mediante un indicador LED (16), permite añadir o extraer almacenamiento externo mediante una ranura de almacenamiento externo (17), y controlar de forma inalámbrica el panel externo (9) mediante un receptor de infrarrojos (18) que está vinculado con un mando de control
remoto (19).
Concretamente, el botón de encendido (15) comprende un pulsador que permite inicializar/detener el funcionamiento del dispositivo para aumentar su autonomía.
El indicador LED (16) comprende varios leds que mediante una combinación de colores permite al usuario saber si el dispositivo (20) está encendido, almacenando y/o transmitiendo datos o apagado.
10 La ranura de almacenamiento externo (17) comprende un puerto de conexión que permite incorporar al dispositivo (20) una tarjeta de memoria (en diseño preferente una micro-sd) para almacenar los valores de temperatura de los sensores (2) y posición angular final del INS (4) tras ser integrada y procesado por la unidad de control (5), cuando no existe un dispositivo al cual transmitirle dichos datos en tiempo real de forma 15 inalámbrica (6).
El receptor de infrarrojos (18) comprende un puerto de comunicaciones inalámbrico basado en comunicación por infrarrojos encargado de permitir el manejo inalámbrico del dispositivo (20) mediante el mando de control remoto (19) que establece una 20 comunicación entre la unidad de control (5) y el mando de control remoto (19). De este modo, el mando de control remoto (19) que permite realizar la captura de los datos de radiación espectro infrarrojo térmico y la orientación espacial en un instante determinado así como iniciar o parar el almacenamiento de datos por un intervalo de tiempo o encender o apagar el dispositivo (20).
Cabe destacar que la unidad de control (5) también puede almacenar los datos de los sensores de radiación infrarroja (2) y los datos del sistema de posicionamiento angular (4), cuando la una unidad de almacenamiento externo (17) reciba una tarjeta de almacenamiento externo.
Adicionalmente, en la figura 5 se muestra que el soporte rígido (11) en su parte externa lateral comprende una banda cilíndrica (13) codificada mediante signos (14) de baja emisividad sobre una superficie de alta emisividad. Más concretamente dichos signos (14) comprenden cinco grupos de tres elementos, preferentemente de formas diferentes
posicionados en cinco localizaciones equi-angularmente distantes alrededor de la banda cilindrica (13), en donde cada elemento comprende un cuerpo metálico de baja emisividad, para facilitar su detección e identificación por contraste con respecto a la banda (13). El número de elementos y su disposición permite que desde cualquier punto 5 de vista se localicen al menos 2 de ellos, lo cual, junto con la disposición que generen las señales de posicionamiento del propio sistema (4), permite obtener, por cotejo de ambas fuentes de datos (posicionamiento en la escena y señales de posicionamiento del sistema), la cuantía real del giro propio de la cúpula (1) (o giro respecto a su eje) y poder así localizar con precisión la posición relativa de la cúpula (1) con respecto al sensor 10 termográfico que realice la captura de la escena.
De este modo y gracias a la geometría semiesférica de la cúpula, la banda de posicionamiento (13) y el sistema de posicionamiento angular (4), el dispositivo (20) se puede referenciar angularmente el vector asociado a la reflexión espuria de forma pasiva.
