Entregable: Paquete de trabajo: PT3
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Informe del Modelo 3D
Entregable: E3.1
Paquete de trabajo: PT3
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Informe del Modelo 3D
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN 4
2. CARACTERIZACIÓN DE LA CÁMARA TERMOGRÁFICA FLIR 6
3. PUESTA A PUNTO DEL PROTOCOLO DE ENSAYO 7
3.1 Revisión Bibliográfica 7
3.3 Registro de imágenes 9
3.4 Posturas. Distancias y Ángulos 10
4. PROCESADO DE LAS IMÁGENES TÉRMICAS 11
4.1 Descarga de las imágenes termográficas 11
4.2 Cambio de formatos radiométricos 12
4.3 Tratamiento de color y Normalización 13
5. RECONSTRUCCIÓN 3D 14
5.1 Definición de marcadores 14
5.2 Reconstrucción manual 15
5.3 Artefactos observados 16
5.4 Reconstrucción paso a paso 17
6. BIBLIOGRAFÍA 19
4
1. INTRODUCCIÓN
El presente documento recoge los principales resultados del paquete PT3 del proyecto CoPET “Caracterización y desarrollo de modelos de Confort Postural y
Térmico para la obtención de estrategias de diseño y evaluación de productos”. El objetivo principal de este paquete de trabajo es el desarrollo de modelos 3D centrados en confort térmico para generar mapas volumétricos en base a imágenes infrarrojas sobre diferentes grupos de población, con el propósito de obtener y clasificar arquetipos térmicos (“termotipos”) aplicables al diseño de cualquier producto o a la evaluación de su confort térmico.
El equipamiento básico ha estado formado por la cámara FLIR T650sc, adquirida en el ejercicio anterior enmarcada en el proyecto IVACE17_MesConfort1. Ha sido necesario realizar una caracterización del sistema térmico con el fin de controlar el error que se genera tanto por la metodología como por la tecnología empleada. Seguidamente se ha definido un protocolo para la generación de los mapas de temperatura, desde la toma de datos y termografías hasta el procesado de las imágenes para su reconstrucción antropométrica.
La experimentación con 48 usuarios en tres sesiones con diferentes escenarios térmicos realizada en el paquete de trabajo PT1, permitió adquirir más de 3000 termografías con 3 indumentarias diferentes y en 6 tipos de ensayo distintos en un rango de temperaturas entre -5ºC y +40ºC. Para cada usuario y sesión se tomaron termografías en bañador, vestido y vestido e instrumentado antes y
después de realizar el ensayo, en 6 posturas cada configuración; generándose así un importante registro de termografías útiles para la reconstrucción y para un posterior análisis del comportamiento térmico en función de la edad, el género y
el índice de masa corporal.
Los resultados extrapolados en el modelo relacional generado en el paquete PT1, han sido contrastados con los registros térmicos de cada usuario siendo de gran utilidad a la hora de analizar los cuestionarios subjetivos de los usuarios y sus diferentes valoraciones, aportando un dato objetivo de temperatura superficial de gran precisión de todo el cuerpo. De la segmentación posterior de las termografías y su análisis por zonas se espera obtener importantes conclusiones de la respuesta térmica e información acerca del comportamiento térmico objetivo de un usuario en relación con sus preferencias térmicas de confort.
1 IMDEEA/2017/78 MES_CONFORT, 2017, financiado por IVACE, pag 39-42 https://www.ibv.org/proyectos-ivace/InnovacionBiomecanica06/
Informe del Modelo 3D
La reconstrucción e implementación del modelo 3D ha permitido identificar los artefactos encontrados en las imágenes y las limitaciones en la reconstrucción: segmentación, ajuste, proyección del modelo 3D, y análisis, planteándose una serie de recomendaciones para considerar en siguientes fases.
La ilustración 1 muestra las tareas planteadas en el paquete de trabajo PT3 del proyecto COPET. Entre la documentación generada se dispone de:
- Caracterización de la cámara IR y el error asociado a la metodología - Puesta a punto del protocolo de experimentación y equipamiento - Estructura y formato de datos termográficos estandarizada - Modelado 3D - Procedimiento de reconstrucción 3D
CARACTERIZACIÓN CAMARA IR
PROTOCOLO DE ENSAYO
PROCESADO IMAGEN IR
MODELO 3D
RECONSTRUCCIÓN 3D
PRECISIÓN ERROR
POSTURAS ANGULOS DISTANCIAS
FORMATOS NORMALIZACIÓN
BASE DATOS MORFOLOGICA PROYECCIONES ARTEFACTOS INTERPOLACIÓN
SIN MARCADORES
Ilustración 1: Tareas planteadas en el paquete de trabajo PT1 – COPET.
VARIACIÓN DISTANCIA A LA CÁMARA – Temperatura 35°C ID PAD ε=0.76 CINTA ε=0.99 T (°C) D Pixel
FLIR
07
1
34.284 0.93
h= 107
v= 107
diag = 108
FLIR
07
3
34.339 0.83
h= 124
v= 123
diag=123
FLIR
07
4
34.520 0.75
h= 136
v= 134
diag=135
FLIR
07
6
34.664 0.68
h= 162
v= 160
diag=165
FLIR
07
9
34.826 0.62
h= 179
v= 179
diag=184
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
VISTA TRASERA
6
2. CARACTERIZACIÓN DE LA CÁMARA TERMOGRÁFICA FLIR
La resolución térmica de la cámara TS650sc es de ±1⁰, sin embargo, puede existir una variación de temperatura de un pixel a otro, debido principalmente a 2 factores: la distorsión óptica de la lente al alejarse del centro de magnificación y al carácter directivo de la radiación que al no incidir de forma perpendicular en el sensor aporta menor señal.
Ilustración 2: Cámara termográfica LWIR FLIR T650sc.
Estos errores no se pueden discriminar en los tests, si bien podemos asumir que a partir de un metro de distancia a la focal la distorsión óptica está compensada por software.
Por tanto, es necesario analizar el efecto de la inclinación del eje y la distancia del objeto a la imagen, en la medición de temperatura.
Para caracterizar los diferentes parámetros que influyen en la medida, se toma como cuerpo caliente el maniquí ST2 (ver ilustración 3) y posteriormente se utiliza un modelo humano para medir temperaturas reales y su error en diferentes partes del cuerpo. Se analiza: - El efecto de la inclinación del eje. - El efecto de la distancia a la cámara en la magnificación.
- El efecto de la temperatura ambiente y las fuentes de emisión. - La variación de la medida y el cálculo del error con la distancia. - La variación de la inclinación y el error de magnificación.
Ilustración 3: Maniquí ST2.
Ilustración 4: Termografías. Izquierda: distancia máxima, derecha: mínima.
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3. PUESTA A PUNTO DEL PROTOCOLO DE ENSAYO
3.1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En esta revisión se realiza una clasificación exhaustiva de los factores que pueden influir en la termografía en humanos. Se agrupan en tres categorías: Factores ambientales, individuales y técnicos.2
Ambientales: Relacionados el lugar donde se realiza el experimento
Tamaño de la habitación: Suficiente para mantener una temperatura homogénea. Techos no muy altos. Recomendación de 2x3m, pero más grande es deseable [1,2].
Temperatura ambiente: Factor muy importante [3-6]. Sugerencia de rango entre
18-25 ºC [1,2,7-9]. El tiempo de aclimatación se estima en 15 min [7].
Humedad relativa: Se recomiendan controlar la humedad para evitar la traspiración o la posibilidad de temblar en un rango aproximado de 40-70% [10,11]
No se observa suficiente influencia dentro de un rango de confort térmico para el sujeto [12].
Radiación: Se debe aislar la sala de cualquier tipo de posible radiación infrarroja que pueda interferir y de objetos reflectantes [7].
Individuales: Factores que dependen del individuo, clasificados en intrínsecos y extrínsecos:
Intrínsecos
Sexo: Las mujeres suelen presentar mayor temperatura en algunas zonas del cuerpo. Las razones principales son el ciclo menstrual y la grasa subcutánea que exista [13-14].
Edad: Con la edad se pierde algo de temperatura. No hay suficientes datos como para realizar una afirmación rotunda.
Peso: Se considera un gran factor de influencia la grasa subcutánea [15]. Es más acusado el efecto en temperaturas bajas, en un rango de 23-28 ºC las variaciones son más pequeñas [16].
Pelo: El pelo es avascular y se mantiene en equilibrio térmico con el ambiente. No existen protocolos que especifiquen como superar esta limitación. En [17,18] los sujetos se depilaron 5-6 días antes del ensayo para evitar esta interferencia.
2 Classification of factors influencing the use of infrared thermography in humans: A review
8
Emisividad piel: El color, y por tanto la raza, influye en la emisividad de la piel [19]. Aunque las diferencias son pequeñas, se suele usar como parámetro 0.98 [20].
Extrínsecos
Medicamentos: Es recomendable evitar el uso de medicamentos previamente a un estudio termográfico por infrarrojos [1][7].
Tabaco: La nicotina es vasoconstrictora y por tanto reduce la temperatura de la piel [21].
Estimulantes: Como la cafeína, incrementa la temperatura por su naturaleza estimulante, y el efecto que genera en el organismo, a nivel fisiológico y emocional [22,23].
Cosméticos: Suelen modificar la emisividad de la piel y por tanto reducir la temperatura de ésta. Se recomiendo evitarlos para el estudio térmico [1][24].
Agua: No hay evidencia clara sobre el efecto del agua sobre la emisividad de la piel, pero se recomienda en algunos casos evitar duchas o contacto con ésta antes de una termografía (un par de horas) [25].
Sol: Evitar exposición directa con la luz solar, ya que puede modificar la emisividad cutánea [26].
Actividad física reciente: No se recomienda realizar un ensayo habiendo realizado actividad física reciente ya que los procesos de autorregulación de temperatura que tienen durante y después del ejercicio condicionan el mapa térmico [1][7].
Técnicos:
Distancia: Se menciona en algunos estudios que la distancia entre la persona y la cámara es relevante a la hora de realizar una termografía por IF [1][6][8]. Según Ivanitsky [6], las cámaras IF de 3-5 micras son estables en una distancia de 1m y las de 8-12 micras hasta 2.5m.
Posición de la cámara: Es más determinante el ángulo de adquisición que la altura a la que se graba. Ammer, [27] determina que a partir de 30º hay perdidas pequeñas y con ángulos de más de 60 pérdidas significativas. Se considera la dirección perpendicular la más óptima de todas.
Rango de temperaturas: El rango de temperaturas humano es muy reducido por lo que se cree que, si la cámara tiene un rango ajustado al del ser humano, la sensibilidad será mayor y el resultado más preciso [29].
Resolución: Para el cuerpo humano se considera suficiente una resolución de 320 x 240 aunque si es mayor el resultado será más preciso. No es un factor muy relevante.
Calibración: La calibración debe ser correcta y exhaustiva.
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3.3 REGISTRO DE IMÁGENES
La duración de la toma de imágenes no supera los 10’. Previamente se debe encender y estabilizar la cámara termográfica y preparar el escenario del croma, marcas, posición del trípode y altura.
La cámara se configura en modo “termografía” (no secuencia, ni disparo automático), con una emisividad de 0.97 (caucásicos)-0.98 (raza negra). Se evitarán marcadores o punteros. Se usará el puntero laser para centrar al usuario y medir a la distancia a la que se sitúa. Formato separado IR y visible.
Se apagarán luces y/o focos, fuentes de radiación provenientes de equipos…etc, para evitar la presencia de reflejos y puntos calientes.
Para la reconstrucción 3D, se hace imprescindible conocer la orientación en XYZ
del sujeto, para lo que en un primer momento se utilizaron IMUs sobre la cámara.
Ilustración 5. Ejemplo de termografía mal alineada respecto a la horizontal.
Ilustración 6: Protocolo de toma de medidas
10
3.4 POSTURAS. DISTANCIAS Y ÁNGULOS
Con el fin de determinar el protocolo para la reconstrucción 3D a partir de varias termografías de un usuario se llevan a cabo varios test con un sujeto y se analizan las variables que influyen en la interpretación térmica de la imagen y los márgenes de error y umbrales de medida, caracterizadas en el apartado 2.
Se toma un valor de emisividad de 0.97 para personas caucásicas y se obtiene la temperatura aparente con luces encendidas y apagadas para contemplar todas las combinaciones de ensayo y corregirse a posteriori con el fin de agilizar la experimentación.
Ilustración 7: Ejemplo termografía sobre croma
La recopilación de imágenes térmicas para reconstruir en 3D se hizo en conjunto con los ensayos del paquete PT1.
Teniendo en cuenta la variabilidad en la estatura de los usuarios (H) y el error que
se podría cometer en la comparación entre sus respuestas térmicas con diferentes dimensiones, se barajaron varias opciones de configuración del escenario y dimensiones de la toma de medidas. Se consideraron los efectos de variar la altura del trípode (T) donde se sitúa la cámara para alinearlo con el punto medio del
usuario, la distancia del usuario a la cámara (D).
Finalmente se dejaron D y T fijos tras analizar los errores cometidos con varios usuarios, menores que los obtenidos en la propia caracterización de la cámara para un mismo usuario. (Apartado 2).
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4. PROCESADO DE LAS IMÁGENES TÉRMICAS
Uno de las partes más críticas del manejo de imágenes, especialmente en el espectro infrarrojo, es el pre-procesado y procesado de las imágenes para un posterior análisis.
En este apartado se resume de forma muy simplificada los pasos y transformaciones que sufre la imagen térmica desde su captura hasta alimentar los algoritmos de reconstrucción.
El software que proporciona FLIR para la cámara T650sc (ResearchIR.exe) es un software potente y versátil pero no resulta funcional en uso masivo de imágenes por tanto se han generado algoritmos que automaticen varios de los pasos
necesarios para “limpiar” y ecualizar las imágenes, normalizarlas y extraer únicamente la zona de interés.
4.1 DESCARGA DE LAS IMÁGENES TERMOGRÁFICAS
Se debe evitar tomar las termografías con punteros, cursores o marcas para facilitar el posterior procesado. En caso de activarlas se puede desactivar por software, pero implica el tratamiento de forma individual de cada termografía.
Se debe mantener la escala con la precaución de fijar el rango de temperaturas para que no aplique un histograma en los niveles de la paleta. En la configuración aparece un pequeño símbolo como un candado que bloquea la variación automática.
Ilustración 8: Termografía original con marcadores. Descarga FLIR.
Las termografías tomadas durante los ensayos del paquete PT1 a sujetos son clasificadas según el tipo de ropa que presentan éstos en la fotografía y las
condiciones a las que han sido sometidos en la experimentación.
Diferenciamos los cuatro casos relevantes para los algoritmos de procesado de imágenes. Se toman diferentes posturas como son de frente, de espalda, de lado y de lado con los brazos levantados.
12
1. Condiciones neutras (previo ensayo): En ropa interior los sujetos eran
fotografiados.
2. Ensayos de calor: Con ropa de manga corta.
3. Ensayos de frío: Con ropa de manga larga y abrigo. Se tomaron capturas de
dos maneras diferentes:
a. Sin abrigo.
b. Con Abrigo.
A continuación, se muestra un ejemplo de cada uno de los tipos de imagen ya mencionados. Dado que los ensayos variaron desde -5ºC a +40ºC, el rango de temperaturas de las escalas en las imágenes originales tiene una amplia excursión (ver ilustración 9).
Ilustración 9: Termografías frontales del usuario 3 con 4 indumentarias
4.2 CAMBIO DE FORMATOS RADIOMÉTRICOS
El software de FLIR facilita varios formatos para salvar la imagen, así como la configuración de sus propiedades.
Se han realizado varias pruebas con los formatos que ofrece el software ResearchIR.exe de FLIR, siendo lo más adecuado, guardar las imágenes radiométricas en formato *.jpg (solo termográfica) en lugar de *jpeg (que incluye la imagen en visible) o en formato *.bmp que reduce la resolución.
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Ilustración 10. Termografías de pruebas de descarga bmp.
Los formatos *bmp, *jpeg y *tif se guardan con la configuración de paleta de colores e histogramas seleccionado, no permitiendo guardar información de temperatura. Adicionalmente, se debe tener la precaución de marcar que se mantenga el tamaño original de la imagen, ya que por defecto se cambian las dimensiones. La ilustración 10 muestra un ejemplo del resultado *.bmp en niveles digitales con la paleta IRON del programa ResearchIR.exe.
Ilustración 11. Imagen.bmp, paleta de colores sin normalizar. Research IR
4.3 TRATAMIENTO DE COLOR Y NORMALIZACIÓN
Para poder manipular los datos radiométricos (temperatura) y normalizarlos, se debe exportar la imagen para tratar en Matlab. La imagen en formato *mat se transforman en Matlab con la rutina (TIR_ThermalBodyMap_v0.m) que la normaliza, la representa en la paleta generada map_IRON_CLS.mat y añade el sufijo ‘_480x640.bmp’ al guardarla.
Este código se ha implementado para modificar varias imágenes a la vez, con el fin de poder normalizar al máximo y mínimo del conjunto si se cree necesario.
14
Ilustración 12 . Imagen.bmp en Matlab normalizada: Frontal, lateral y trasera.
La presencia de objetos, puntos calientes/fríos y reflejos en muchas de las imágenes capturadas, hace necesario la profundización en el procesado de las imágenes para automatizar por ejemplo la identificación de silueta en zonas donde el fondo se superpone a los niveles de temperatura del propio contorno y la detección del sujeto independientemente de los escenarios que se traten y la indumentaria del sujeto.
Con las imágenes procesadas de 10 usuarios se procede a la reconstrucción 3D, seleccionando 6 hombres y 4 mujeres con perfiles físicos similares: índice de masa corporal, sexo, altura y edad.
5. RECONSTRUCCIÓN 3D
En este apartado se describen someramente los pasos seguidos en la reconstrucción del avatar, normalización, las limitaciones y mejoras planteadas. Se muestran los primeros resultados de la versión inicial del modelo 3D, y las limitaciones surgidas en la implementación. Aunque se ha mejorado la técnica usada en el primer grupo de usuarios reconstruidos, han aparecido otros artefactos y consideraciones que precisan ahondar en los algoritmos. La gran variabilidad entre usuarios permitirá afinar el código del modelo.
La cámara termográfica proporciona a su vez fotografías en visible que en principio fueron usadas para la reconstrucción en 3D, sin embargo, al no estar alineados los centros ópticos de la térmica y la visible, tanto la magnificación como la resolución son diferentes. Se optó por reconstruir directamente a partir de la termografía, ya que su alta resolución permite discriminar con gran fidelidad los puntos anatómicos necesarios para enlazar con el modelo antropométrico.
5.1 DEFINICIÓN DE MARCADORES
Para facilitar el ajuste de la proyección termográfica sobre el modelo 3D, se recomienda colocar electrodos superficiales en posiciones anatómicas definidas.
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La colocación de marcadores limita bastante la eficiencia y operatividad de la metodología, por ello paralelamente en el paquete PT2, se ha investigado en la detección automática de estos puntos básicos a través de algoritmos de visión artificial.
5.2 RECONSTRUCCIÓN MANUAL
Se realiza una segmentación manual que se ve limitada por el efecto de bordes propio de la radiación del calor, a pesar de la alta resolución de la cámara termográfica. La ilustración 13 muestra en detalle sobre clavícula y cabeza las variaciones en la detección del contorno.
Ilustración 13. Segmentación manual. Detalle en torso y cabeza.
La ilustración 14 muestra la erosión que se crea sobre la imagen real.
Ilustración 14. Erosión, contorno de las tres imágenes.
Tras los diferentes ajustes en la segmentación y el mapeo de las proyecciones sobre el modelo 3D, se generan las soluciones presentadas en la ilustracion 15.
16
Ilustración 15. Reconstrucción final 3D.
5.3 ARTEFACTOS OBSERVADOS
Se han observado en las termografías tomadas y en la posterior reconstrucción
3D, varias zonas con anomalía térmica o discontinuidad de gradientes, y se han analizado los principales factores:
Pelo/vello
Ropa del usuario Efecto en la termografía de las curvaturas del cuerpo como en
rodillas y zonas cóncavas. (distorsión forma y temperatura) Postura frontal y trasera, idealmente el sujeto no debería variar la
postura para lo que se recomienda tomar las imágenes seguidas. Asimetrías en el cuerpo que no corrige el modelo de reconstrucción
3D.
Ilustración 16. Anomalías detectadas.
Las principales limitaciones encontradas en la reconstrucción se deben primeramente a la segmentación y mapeo y posteriormente al ajuste de la proyección al modelo 3D.
Se listan algunas de las mejoras aplicable en la reconstrucción: Usar Splines para interpolar.
Tomar el gradiente de brazos.
No enfocar a 75°.
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5.4 RECONSTRUCCIÓN PASO A PASO
Se muestran los pasos intermedios para la reconstrucción del mapa térmico.
Ilustración 17. Detección de zonas “malas”. Frontal, lateral y trasera.
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
VISTA TRASERA
18
Ilustración 18. Reconstrucción frontal, lateral y vista trasera.
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
VISTA TRASERA
Descarte cualquier punto
cuya normal en XZ forme un ángulo >35º con el sensor
Descarte zona “mala”
Relleno de agujeros
Suavizado
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SI DESEA OBTENER MÁS INFORMACIÓN RELACIONADA CON ESTE ENTREGABLE PUEDE CONTACTAR CON EL INVESTIGADOR RESPONSABLE DEL PROYECTO:
Consuelo Latorre Sánchez
