estaÇÃo de trabalho para anÁlise das condiÇÕes...

XXVI ENEGEP - Fortaleza, CE, Brasil, 9 a 11 de Outubro de 2006

1 ENEGEP 2006 ABEPRO

ESTAÇÃO DE TRABALHO PARA ANÁLISE DAS CONDIÇÕES DE CONFORTO AMBIENTAL

José Homero Feitosa Cavalcanti, (NEUROLAB) [email protected] Antonio Souto Coutinho, (PPEMP/CT/UFPB) [email protected].

Luiz Bueno da Silva, (PPEMP/CT/UFPB) [email protected] Mônica Tejo Cavalcanti, (PPTA/CT/UFPB) [email protected]

Resumo

Neste trabalho apresentam-se alguns resultados preliminares obtidos a partir do desenvolvimento de uma Estação de Trabalho, com um Sistema de Visão Inteligente usando a Lógica Fuzzy, desenvolvida para a aquisição de dados relativos ao conforto em ambientes de trabalho. Palavras-chave: Sistemas Inteligentes, Visão Artificial, Conforto Ambiental.

1. Introdução

O conforto ambiental está predominantemente ligado a um conjunto de variáveis que representam o bem-estar dos indivíduos que freqüentam ambientes comunitários. Atualmente, observa-se uma grande dificuldade na obtenção de dados relativos ao conforto ambiental, pois as tecnologias envolvidas na análise desses dados estão dispersas. O conforto ambiental está relacionado principalmente a nove variáveis: ruído, iluminação, temperatura, umidade, pureza e velocidade do ar, radiação, atividade física e vestimenta. No Brasil, diversas universidades nos últimos anos vêm pesquisando sobre o conforto ambiental sugerindo soluções gerais do problema. Tradicionalmente os pesquisadores utilizam computadores com placas de aquisição de dados para a ligação com os sensores adequados a cada variável de conforto ambiental. Essas placas de aquisição de dados são dispendiosas, algumas vezes, apresentando um custo de compra maior do que o valor pago aos computadores padrões atuais.

Atualmente existem diversos tipos de câmeras digitais disponíveis no mercado que podem ser acopladas a microcomputadores. Algumas delas, mesmo de baixo custo de aquisição, podem ser utilizadas na aquisição de informações sobre as variáveis do conforto ambiental. Recentemente (CAVALCANTI et al., 2005) apresentaram um trabalho sobre a análise, o projeto, e o sistema inteligente de controle, baseado na Lógica Fuzzy (ZADEH, 1988), de um mini ambiente com atmosfera controlada (temperatura, luminosidade e umidade) e que utiliza um sistema de visão para acompanhamento dos experimentos. Devido a disponibilidade de computadores acoplados a câmeras digitais de baixo custo observa-se que atualmente é interessante a automatização da análise do conforto ambiental usando esses computadores. Acredita-se que a utilização de computadores acoplados a câmeras digitais, aqui denominados de Estação de Trabalho (ET), possibilitará o melhoramento da área de ergonomia experimental em conforto em ambiente de trabalho.

Neste trabalho inicialmente serão apresentados detalhes da arquitetura da ET que é constituída de um microcomputador que utiliza câmeras digitais capazes de ler mostradores de sensores padrão (mostradores com ponteiros ou com displays de sete segmentos), medir a temperatura, a velocidade do ar e a luminosidade do ambiente, como também, monitorar os movimentos dos ocupantes do ambiente. Também serão apresentados os componentes de um Sistema de



Visão Inteligente (SVI), e serão definidos dos grupos de pesquisa em ergonomia experimental. Finalmente, conclui-se este trabalho com a análise dos resultados preliminares obtidos e serão feitas sugestões para trabalhos futuros.

2. Descr ição da estação de trabalho

Na Figura 1 apresenta-se o diagrama geral da ET que se compõe de um microcomputador padrão, do tipo PC, conectado a uma “webcam” de baixo custo, acoplado a um SVI composto de programas e arquivos armazenados no disco rígido do microcomputador, desenvolvido para a interação com o operador durante a análise do conforto em ambientes de trabalho.

CÂMERA

SVI

Figura 1 - Arquitetura geral da Estação de Trabalho

Devido a quantidade das variáveis do conforto ambiental e de seus respectivos sensores, também devido ao número de ocupantes existentes nos ambientes de trabalho, decidiu-se associar a cada componente (variável ou ocupante do ambiente) do ambiente de trabalho um grupo de pesquisa. Neste trabalho apresentam-se detalhes sucintos obtidos no desenvolvimento de quatro grupos de pesquisa da ET. Esses grupos foram escolhidos por representarem fases importantes da pesquisa sobre automatização da análise do conforto ambiental.

a) Grupo da luminosidade, a câmera trabalha como sensor de luminosidade indicando inteligentemente a luminosidade do ambiente de trabalho.

b) Grupo do ponteiro, lê inteligentemente as informações de sensores que utilizam ponteiros. c) Grupo do display, lê inteligentemente as informações de sensores que utilizam displays de

sete segmentos.

Grupo da dinâmica, verifica a movimentação das pessoas dentro de um ambiente de trabalho. 3. Descr ição do SVI

A Visão Artificial é a área da ciência que se dedica a desenvolver teorias e métodos voltados à extração automática de informações úteis contidas em imagens. Tais imagens são captadas por sensores dos tipos câmera de vídeo, scanner, etc. A imagem capturada numa câmera digital comum pode ser convertida em três matrizes com 288 colunas e 352 linhas. O número de colunas e linhas da matriz depende do tipo de câmera utilizada. Cada matriz contém o valor da intensidade luminosa das três componentes de cores, havendo, portanto, uma matriz para o azul, uma para o verde e outra para o vermelho. É possível conseguir uma imagem em preto e branco simplesmente criando uma matriz onde cada elemento é a média aritmética dos três elementos correspondentes das matrizes primárias (SERRA, 1983; RUFINO, 2004; HOLST, 1988).

Uma imagem pode ser definida por uma função f(x,y) sendo que seu valor representa uma intensidade de brilho naquela coordenada x e y. Na escala de cinza geralmente utiliza-se um



número de oito bits (denominado pixel) para descrever a tonalidade (intensidade) de cinza com valores representados em um conjunto [0;255], sendo que 0 representa a cor preta e o 255 é a cor branca. Neste trabalho a análise será feita em imagens do tipo preto e branco.

Na Figura 2 apresenta-se o diagrama geral do SVI. No SVI a análise das imagens passa por três fases: fotografa, calibração e análise. A fase inicial é chamada “operador fotografa” em que o operador fotografa e armazena as imagens na BASE DE CONHECIMENTO (BC). A segunda fase é a da calibração em que as imagens armazenadas na BC são selecionadas e filtradas pelo SVI junto ao operador. A calibração deve ser feita pelo operador antes da fase da análise das imagens.

CALIBRADO?

INÍCIO

ANÁLISE IMAGENS

NÃO

SIM

OPERADOR FOTOGRAFA BASE DE

CONHECIMENTO REGRAS FUZZY

LUMINOSIDADE

PONTEIRO DISPLAY

DINÂMICA

Figura 2.- Arquitetura geral do SVI

4. Grupo da luminosidade

Este grupo é representado pelo SISTEMA INTELIGENTE PARA MEDIÇÃO DA LUMINOSIDADE.

A quase totalidade das tarefas realizadas em ambientes de trabalho requer boa qualidade na iluminação. Uma imagem em preto e branco (pixels de oito bits), após a filtragem, pode ser representada por pixels com valores binários na cor preta (valor do pixel igual a zero) e na cor branca (valor do pixel igual a 256). Dependendo do filtro utilizado, o número de pixels pretos de uma região da imagem pode indicar a luminosidade daquela região. Por exemplo, na Figura 3a apresenta-se a imagem original de uma folha de papel branca, aqui denominada alvo, desenhada com borrões pretos distribuídos de uma forma aleatória. Na Figura 3b apresenta-se a imagem binarizada obtida de uma região da imagem da Figura 3a. A idéia é contar o número de pixels pretos de uma das regiões da imagem da Figura 3b (denominada região do alvo) e associar o número obtido a luminosidade do ambiente.

Na Figura 3a apresenta-se a imagem do alvo iluminado por uma lâmpada de 40W espaçada do alvo numa distância d=5cm. Na Figura 3b apresenta-se a imagem da região do alvo. Usando o SVI foi feita a contagem dos pixels pretos da região do alvo tendo sido contados 36119 pixels.

Na Figura 3c apresenta-se a imagem da região do alvo iluminado por uma lâmpada de 40W espaçada do alvo uma distância d=20cm. Usando o SVI foi feita a contagem dos pixels pretos da região do alvo tendo sido contados 19720 pixels.



Observou-se, em diferentes experimentos (variando a distância da lãmpada ao alvo), que o número de pixels contados é inversamente proporcional à distância da lâmpada ao alvo. Concluiu-se heuristicamente que o número de pixels é aproximadamente proporcional à luminosidade sobre o alvo. Considera-se que esse tipo de medidor, convenientemente utilizado (usando Lógica Fuzzy) pode indicar aproximadamente a luminosidade do ambiente, a opacidade dos vidros das portas e janelas do ambiente de trabalho, etc.

a b

c

Figura 3 - Determinação da luminosidade

5. Grupo de sensores com ponteiros

Neste grupo inclui-se o SISTEMA DE VISÃO INTELIGENTE PARA LEITURA DE SENSORES. Quase todos os tipos de sensores possuem versões que utilizam ponteiros para indicarem o valor medido da variável. Na Figura 4a apresenta-se uma imagem, após a filtragem usando a técnica descrita na seção 4 deste trabalho, obtida de um relógio analógico (com ponteiro) comumente encontrado nas lojas de importação de equipamentos chinês. O relógio da Figura 4a vem acompanhado de dois outros sensores (em tamanho pequeno). À esquerda, o sensor de temperatura, e à direita, o sensor de umidade. A idéia é usar a câmera digital para ler esses sensores.

Deseja-se ler a umidade do ambiente usando a câmera digital da estação de trabalho indicada pelas retas do retângulo na cor azul da Figura 4a. Na Figura 4b apresentam-se os resultados obtidos durante a localização dos pontos da parte superior e inferior da seta detectada. Conhecendo-se esses pontos, conhece-se o ângulo que a seta faz em relação ao eixo X. O ângulo calculado é proporcional ao valor indicado pela seta do sensor.



a b

Figura 4 - Imagens original, binarizada, seleção e do sensor de umidade

6. Grupo do “ display”

Para esse grupo foi desenvolvido o SISTEMA DE VISÃO INTELIGENTE PARA LEITURA DE SENSORES COM DISPLAY DE SETE SEGMENTOS. Na Figura 5a apresenta-se a imagem obtida do sensor. Na Figura 5b, apresenta-se a da imagem binarizada da imagem da Figura 5a.

a b

Figura 5 - Imagens original e binarizada

O usuário selecionará a parte da imagem binarizada que vai ser usada para indicar a posição da seta do sensor. Na Figura 6a apresenta-se a seleção, pelo operador, do dígito 8 na imagem. Na Figura 6b, apresenta-se a região da imagem selecionada na Figura 6a. Usando-se o SVI o usuário selecionará a parte da imagem binarizada que vai ser usada para encontrar os segmentos do display do sensor na forma apresentada na Figura 6b. Sabendo-se a ocorrência ou não dos segmentos encontra-se o dígito desejado.

a b

Figura 6 - Detecção dos segmentos



7. Grupo da dinâmica

Neste grupo inclui-se o SISTEMA DE VISÃO INTELIGENTE PARA MEDIÇÃO DO MOVIMENTO DE UM PROFESSOR NUMA SALA DE AULA. Para este grupo foi montada uma falsa sala de aula usando bonecos representando professores e alunos. A idéia é observar a dinâmica dos alunos e professores durante uma aula.

Na Figura 7a apresenta-se a imagem da sala de aula fotografada usando uma webcam de baixo custo num ambiente de luminosidade deficiente, transformada em preto e branco filtrada, sem sombras, sobre a região onde se pode localizar a cabeça do professor na sala de aula indicada por um retângulo na cor azul. A região em que o professor se move se localiza próximo ao quadro negro. Usando-se a imagem da sala de aula apresentada na Figura 7a pode-se detectar o movimento dos alunos. A localização dos alunos é feita selecionando o campo apresentado na Figura 7b delimitado por um retângulo na cor vermelha.

a b

Figura 7 - Imagens original e a região do professor

8. Conclusão

Apresentaram-se as características principais de uma estação de trabalho desenvolvida para a análise em tempo real das condições de conforto ambiental em ambientes de trabalho. Foram apresentados diversos grupos de pesquisas necessários ao desenvolvimento desta estação de trabalho. Atualmente estão sendo desenvolvidos sistemas inteligentes, por alunos de mecânica de produção no desenvolvimento de suas dissertações de mestrado, para cada grupo de pesquisa descrito neste trabalho. Também estão sendo preparados, por esses alunos, diferentes Ambientes para análise de suas condições de conforto.

Espera-se que a ET proposta neste trabalho automatize a obtenção das variáveis relativas ao conforto ambiental. Propõe-se, como trabalho futuro, a inclusão de atuadores, acionados por microcomputadores, nos ambientes para permitir o controle de algumas das variáveis básicas do conforto ambiental.

Referências

CAVALCANTI, J. H. F. & MONTEIRO, E. F. & CAVALCANTI, M . T., Um mini ambiente com atmosfera controlada, Revista digital CESET - Conforto, Eficiência e Segurança no Trabalho, Volume 1, Número 2, ISSN 1807-7889, Páginas 101-112, Dezembro, 2005.

HOLST , G. C. “ CCD Arrays, Cameras, and Displays” SPIE-International Society for Optical Engine; 2nd edition, April, 1998.

RUFINO, F. A. O. & CAVALCANTI, J. H. F. & MACHADO, M. M., “ Intelligent Robot with Digital Vision” , VI INDUSCON, Joinvile, SC, 2004.

SERRA, J., “ Image Analysis and Mathematical Morphology” Academic Press, 1983.

ZADEH, L.A. “ Fuzzy Logic” , IEEE Computer Magazine, April 1988, pp.83-93. Republicado por J.A. Anderson



& E. Rosenfeld, Neurocomputing Foundations of Researchs, MIT Press, Cambridge, Massachusets, USA, 1988. pp. 177-194.

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