Jorge luis rojas barnett article published

Control cotidiano e ininterrumpido con visión artificial para supervisar la seguridad, movimiento y ubicación de boyas en la rada interior y exterior del puerto del callao.

I. INTRODUCCIÓN l artículo se basa en la aplicación de la visión artificial como herramienta tecnológica para el control cotidiano e ininterrumpido para supervisar la seguridad, movimiento y ubicación de boyas en la rada interior y exterior del puerto del callao.

The article is based on the application of the artificial vision as tool technological control uninterrupted daily to monitor security, movement and location of flashlights in the bay inside and outside Port of Callao.

Se puede definir la “Visión Artificial” como un campo de la “Inteligencia Artificial” que, mediante la utilización de las técnicas adecuadas, permite la obtención, procesamiento y análisis de cualquier tipo de información especial obtenida a través de imágenes digitales.

La visión artificial la componen un conjunto de procesos destinados a realizar el análisis de imágenes. Estos procesos son: captación de imágenes, memorización de la información, procesado e interpretación de los resultados. La Visión Artificial, pretende capturar la información visual del entorno físico para extraer características relevantes visuales, utilizando procedimientos automáticos. Lo que hace la Visión Artificial es construir nuevos y más sofisticados algoritmos que sean capaces de obtener información de nivel visual y es muy eficaz en tareas visuales repetitivas y alienantes para el hombre en diversos campos como el industrial, biomédico y la robótica.

Alguna de las ventajas del sistema de visión artificial:  Mejor midiendo magnitudes físicas.  Mejor realización de tareas rutinarias.  Mejor en tareas de proceso e identificación.  Automatizar tareas repetitivas de inspección anteriormente realizadas por operadores.  Realizar controles predictivos del funcionamiento de equipos que no era posible verificar por métodos tradicionales.  Realizar inspecciones de objetos sin contacto físico.  Realizar la inspección del 100% de equipos (total) a gran velocidad.  Reducir el tiempo de ciclo en procesos de vigilancia.  Realizar inspecciones ininterrumpidas las 24 horas sin importar las condiciones climatológicas.  Identificación e inspección de distintos objetos en segundos.  Determinación de la posición de los objetos en el espacio.

E

         

Establecimiento de relaciones espaciales entre varios objetos.

Determinación de las coordenadas importantes de un objeto.

Toma de imágenes en tiempo real con inteligencia y autoalimentadas.

Reconocimiento de actividades humanas.

Segmentación de imágenes complejas.

Reconocimiento acoplado de escenas y objetos.

Detección y reconocimiento de objetos sin entrenamiento.

Desarrolla Modelos computacionales de atención visual.

Incrementa algoritmos de visión artificial orientados al hardware.

Visión Eficiente en sistemas distribuidos y sistemas complejos de monitorización.

Para el departamento de Señalización Náutica la Visión Artificial tiene como propósito la extracción y la interpretación automática de información en imágenes y vídeos digitales. La meta del programa es doble, por un lado en la prevención y monitorización en tiempo real de las boyas. Por otro lado, se potenciará la transferencia tecnológica en el ámbito de las aplicaciones de control ininterrumpido en la Dirección de Hidrografía y Navegación.

La Dirección de Hidrografía y Navegación tiene dentro de su supervisión de las ayudas al navegante el mantenimiento y la verificación de la preservación de las siguientes boyas que se encuentran dispuestas de acuerdo a la carta de Hidronav 2235 en las siguientes coordenadas ubicadas en la rada exterior: Rada Exterior Latitud 12°01’11.4” S

Longitud 77°13’37.7” W

6.85km 5.41km

12°00’35.5” S 12°01’05.1” S

77°10’51.9” W 77°12’11.6” W

Exp.bap Chimbote Karakumi Fu Yuan III Espeque Pachitea Pesquero Hundido Bco. camotal

4.75km 4.25 km 4.15km 3.5km 3.15 km 2.65 km

77°10’02.1”W 77°10’27.2” W 77°10’02.1” W 77°11’57.0” W 77°10’14.30” W 77°10’46.9” W

Boya 3

2.85km

12°01’49.1” S 12°01’53.0” S 12°01’49.1” S 12°04’18.1” S 12°02’27.9” S 12°04’13.9” S Rada Interior 12º02’23.4” S

Boya Tráfico marítimo Callao B/t Fieme Playa Casino

Distancia 8.45 km

77º08’51.8” W

II.

CÁMARAS TÉRMICAS

La Cámara térmica es un dispositivo que, a partir de las emisiones de infrarrojos medios del espectro electromagnético de los cuerpos detectados, forma imágenes luminosas visibles por el ojo humano. Muestran las áreas más calientes de un cuerpo en blanco y los menos en negro, y con matices grises los grados de temperatura intermedios entre los límites térmicos. Las cámaras termográficas detectan la radiación infrarroja invisible que emiten los objetos y lo transforma en una imagen dentro del espectro visible en la que la escala de colores (o grises) refleja las distintas intensidades.

Fig. 1. Espectro Visible por el ojo humano.

III.

FUNCIONAMIENTO DE CÁMARAS TÉRMICAS

Todos los cuerpos emiten cierta cantidad de radiación (en forma infrarroja) en función de su temperatura. Generalmente, los objetos con mayor temperatura emiten más radiación infrarroja que los que poseen menor temperatura. Las imágenes se visualizan en una pantalla, y tienden a ser monocromáticas, porque se utiliza un sólo tipo de sensor que percibe una particular longitud de onda infrarroja. Sin embargo, también existen cámaras infrarrojas que se usan exclusivamente para medir temperaturas y procesan las imágenes para que se muestren coloreadas y sean más fáciles de interpretar con la vista. Pero esos colores no corresponden a la radiación infrarroja percibida, sino que la cámara los asigna arbitrariamente, de acuerdo al rango de intensidad de particular longitud de onda infrarroja, por eso se llaman pseudocolores. Esos colores tienen varias aplicaciones, pues describen las diferentes lecturas de un circuito electrónico en funcionamiento marcando de color azul las partes más frías, que comúnmente son las más altas, y de color rojo las más calientes, que son las más bajas; las partes intermedias en otros colores como el amarillo y el anaranjado.

Otras aplicaciones generales de las cámaras infrarrojas son: Ver en las tinieblas, a través del humo, Neblina o debajo del suelo.

Se han ingeniado maneras para evitar la detección de cámaras infrarrojas, pero no son eficientes. El Vestirse con ropa aislante térmica oculta solo temporalmente de la cámara, porque la ropa se calienta gradualmente a la temperatura del entorno y se vuelve detectable. Envolverse en papel aluminio y vestir prendas mojadas no oculta de las cámaras. La intensidad de la radiación infrarroja está en función de la temperatura pero no sólo de ella, influyen también las características superficiales del objeto, el color y el tipo de material. En un principio las cámaras termográficas dan un valor de temperatura para cada punto, sin tener en cuenta que, para la misma temperatura, dos materiales

pueden irradiar energía infrarroja con intensidades muy diferentes.

Fig. 2. Se observa las diferencias de T° de la linterna Marina LED-350, al lado izquierdo la linterna Marina sin energía y al lado derecho la linterna Marina en funcionamiento observamos la diferencia de emisividad.

Actualmente las numerosas como:

cámaras

térmicas

tienen

aplicaciones



Inspecciones de eficiencia energética y pérdidas de energía.



Reconocimiento de obstáculos a grandes distancias en Minas.



Fallos de aislamiento y mantenimiento predictivo y preventivo de inspecciones mecánicas y monitorización de procesos.



Inspección de azoteas, humedades en paredes y termografía de equipos.



Bioingeniería y Biomédica.



Sobrecarga de circuitos eléctricos.



Localización de aislamientos térmicos mal instalados, dañados o húmedos.



Inspecciones de cubiertas de edificios.



Detección de problemas en equipos y procesos con compresores y bombas.



Seguimiento de la temperatura de procesos en sistemas frigoríficos.



Obturación y fugas en conducciones, niveles de tanques y perfiles térmicos.



Detección de conexiones eléctricas sobrecargadas o desequilibradas.



Inspecciones eléctricas y revisión de cientos de conexiones de forma muy rápida.

defectuosas,

Fig. 3. Simulación de la visión Nocturna y térmica desde la azotea del edificio “Bravo” en la Dirección de Hidrografía y Navegación.

Una cámara térmica crea imágenes basadas en el calor que desprenden todos los objetos o personas. Estas cámaras ven a través de la oscuridad total y proporcionan imágenes que permiten a los operadores detectar cualquier actividad sospechosa y actuar las 24 horas del día y en todas las condiciones. Las cámaras térmicas son el complemento perfecto para cualquier sistema de monitorización profesional.

El ofrecer soluciones de visión artificial diurna y nocturna para monitorización en el mar es un gran reto. Pero el contar con un sistema de visión artificial con sensores CCD y Termografía protegida contra el corrosivo ambiente marino hacen que esta combinación de tecnología pueda ofrecer una solución adaptada a las duras condiciones que se tienen. Los cambios de temperatura, la humedad presente y demás condiciones que presenta el ambiente en el callao obligan a la utilización de elementos que no sufran la corrosión. Estos elementos han sido cuidadosamente seleccionados para tener un sistema con prestaciones de alto rendimiento protegidas con carcasas contra el corrosivo ambiente marino.

IV.

PROBLEMÁTICA

Son distintos los motivos por los cuales una boya queda inoperativa. Las razones más comunes son: el vandalismo, la baja visibilidad por neblina por tanto no es posible dar reporte del fallo de estas, la visibilidad limitada es decir la no visión de las boyas en épocas de invierno o densa neblina lo cual imposibilita la visibilidad con cualquier objeto limitado no tecnológico como los binoculares. Las condiciones atmosféricas durante el año, la densa neblina y la no supervisión continua de estas las hacen susceptibles al peligro de posibles daños ocasionados por embestidas pudiendo causar el destrozo total ó parte de estas y causando la rotura del sistema de anclaje y por tanto la posible pérdida de la boya.

Ante este escenario, el presente artículo plantea la aplicación de un sistema de visión artificial para la supervisión ubicación y control de boyas que será aplicado por personal técnico del Departamento de Señalización Náutica de la DHN. V.

DESCRIPCIÓN

El sistema de supervisión con visión artificial, permitirá monitorear el funcionamiento de las unidades y a su vez, será

capaz de poder localizar con exactitud cualquier boya u objeto náutico en un rango de 10km ingresando las coordenadas geográficas, ya que pueden ubicar un punto cualquiera sobre la superficie terrestre ingresando latitud y longitud de cualquier objeto mediante el software. El sistema es escalable y flexible, es decir indica su habilidad para reaccionar y adaptarse sin perder calidad, o bien manejar el crecimiento continuo de trabajo de manera fluida y está preparado para hacerse más grande sin perder calidad en los servicios ofrecidos. El sistema se puede ampliar añadiendo más cámaras en red, eligiendo lo que se necesita hoy y permitiendo ampliar el sistema en cualquier momento a medida que las necesidades crezcan. Se pueden añadir fácilmente nuevas tecnologías, cámaras adicionales y una mayor capacidad de almacenamiento según se precise.

A. Etapa de localización de objetos: La visión artificial permite tomar puntos de vigilancia y poder marcar zonas de seguridad, los algoritmos que realiza la cámara son implementadas con redes neuronales artificiales las cuales permiten que el sistema se adapte a cualquier cambio y aprenda de sí misma con el tiempo.

B. Medios de Alerta: El sistema permite la visualización en red desde cualquier dispositivo móvil con acceso autorizado, permite enviar alarmas a los teléfonos celulares o correos electrónicos del personal encargado y generar distintos modos de alarma que permiten tomar acciones rápidas.

C. Autoseguimiento: El autoseguimiento es una función inteligente que detecta automáticamente el movimiento de una persona o embarcación y lo sigue dentro de la zona de cobertura de la cámara que son 360 ° con un alcance de 10 Km. La visión artificial permite programar la monitorización automática de las cámaras memorizando el rango de visión y el tiempo de visualización para cada objeto.

D. Localización de cualquier objetivo: Las cámaras pueden localizar cualquiera de las boyas ingresando la longitud y latitud a la que estas se encuentran permitiendo una ubicación exacta de cualquiera de los objetos en el rango de 10 km, es la forma más precisa de guiar las cámaras hacia un objetivo.

E. Áreas de Vigilancia: El sistema permite crear áreas de vigilancia es decir cualquier embarcación ó persona que se aproxime demasiado al objeto vigilado ó entre en contacto con este será detectado por la visión de las cámaras de manera automática activándose alarmas y avisando al personal de la situación.

F. Control Ininterrumpido: El sistema permite monitorizar hasta en 64 cuadros de división de pantalla la monitorización en video , permite grabar

24 horas continuas durante 5 meses, permite la activación automática programada para el funcionamiento de las cámaras, es decir la cámara CCD (Día) realiza la monitorización de 6:00 am a 6:00 pm y la cámara Térmica automáticamente se activa de 6:00 pm a 6:00 am lo que permite el control ininterrumpido de las boyas con una visualización de 360 ° horizontales y +-90° verticales.



     Fig. 4. Simulación de la aplicación de visión artificial nocturna monitoreando 9 boyas ubicadas en la rada exterior del puerto del callao.

    

Permite detectar potenciales problemas que producirían la inoperatividad de la unidad ya que un componente eléctrico siempre tiende a sobrecalentarse y por tanto a emitir mayor energía que puede ser captada por la cámara en su escala de colores y automáticamente generar una alerta al personal durante las 24 horas. Esto evitaría que las boyas quedasen fuera de servicio y alertaría a un centro de control en el caso de producirse vandalismo que origine su desactivación, permitiendo restablecer prontamente su operatividad.

Permite llevar el registro en tiempo real de la operatividad, ubicación y situación de las unidades.

Realizar reportes del estado y resumen de las unidades supervisada.

Organizar de forma más eficiente las tareas de mantenimiento preventivo, gracias al control de los objetos cuando indiquen deficiencias en la operación de la unidad.

Garantizar la operación de las unidades durante todo el día y la noche.

Visualización mediante una interfaz gráfica de usuario con control manual ó automático.

Reconocimiento a distancia de actividades humanas cerca de los objetos.

Este asequible sistema de visión térmica nocturna por visión artificial ayuda a evitar colisiones y también a encontrar personas en el mar por la noche.

Localización de problemas sin interrupción del servicio.

Minimización del tiempo necesario para las reparaciones puesto que los problemas se diagnostican de forma concisa.

El video es prueba de un delito cuando se muestra a los imputados realizando la acción de la cual se les culpa, el video está reconocido en la Ley como un medio de prueba, el mismo se tiene que presentar ante la autoridad correspondiente de forma íntegra, sin cortarlo o editarlo.

Fig. 5. Visualización y rotación de la cámara 360° horizontales y +- 90° verticales VI.

CONCLUSIONES:

La Dirección de Hidrografía se proyecta a realizar la monitorización de boyas con el sistema de visión artificial implementando este sistema para la verificación de las boyas que se encuentran en la rada exterior e interior del callao. Esta tecnología puede ser usada en beneficio para el monitoreo de la parte funcional y estructural de las boyas por lo tanto se dislumbra como una gran alternativa para el monitoreo en tiempo real. El sistema de visión artificial compuesto por cámaras refrigeradas de largo alcance tiene una capacidad adicional a las del observador de guardia, como son la visión infrarroja, ubicación exacta de boyas por posicionamiento y demás características de gran utilidad ,las capacidades de supervisión y control que tendrá el sistema son las siguientes:  Garantiza que los equipos no tengan una elevada disipación del calor que podría reducir su vida útil.

Fig. 6. Diagrama de bloques de la monitorización en la Dirección de Hidrografía y Navegación.

El sistema de Visión Artificial realizará la monitorización de cada objeto que será visualizado por la cámara de largo alcance a 10 km en versión térmica ó en la versión CCD, en el bloque 3 la cámara es controlada por el personal del Centro de Control del departamento de señalización Náutica “DESEÑA” , personal

que puede programar la cámara para visualizar cualquier objeto deseable en el rango de 10 Km durante el tiempo que se desee , en el bloque 4 , se propone retransmitir la señal de video por el servicio de Streaming bajo una contraseña y con las medidas de seguridad que la conexión ofrece y permite bajo VPN , para que esta pueda ser visualizada solo por el personal a cargo , en el bloque 5 se muestra la visualización en el monitor del personal de guardia en la “Prevención” de la Dirección de Hidrografía y Navegación “HIDRONAV”, y a su vez on-line en el bloque 6 pueda ser visualizado en cualquier monitor autorizado en la Dirección de Hidrografía y Navegación de manera ininterrumpida. Es importante recalcar que la realimentación que se observa en el esquema nos permite control y nos garantiza que lo que se puede controlar en “DESEÑA” se puede medir y lo que es posible medir lo podemos corregir.

Fig. 11. Tentativa opción de Visión Artificial aplicada en la Antártida para la base Machu Picchu y posibles objetos de interés monitoreables y controlables desde Callao – Perú (DIHIDRONAV) con transmisión automática de imágenes solo ante movimientos inusuales y de interés bajo conexión o acceso a internet por Satélite. (Equipos fabricados para condiciones extremas y que cumplen con las restricciones y condiciones que impone el lugar).

REFERENCIAS

Fig. 7. Línea de Vista del sistema de Visión artificial hacia cada objeto Náutico a monitorear en la rada interior y exterior del puerto del Callao.

Fig. 8. Visualización desde la Dirección de Hidrografía y Navegación y obtención de los parámetros de las Boyas en tiempo real mediante algoritmos de visión artificial, basados en la segmentación precisa de los objetos móviles de la escena.

[1] Calibration of pan-tilt-zoom (PTZ) cameras and Omnidirectional cameras Computer Vision and Pattern Recognition, 2005. IEEE Computer Society Conference on , Thirthala, S .ISSN: 1063-6919.

[2] Uncertainty measurement in video and infrared cameras system, Computational Intelligence for Measurement Systems and Applications, 2008. IEEE International Conference on , Cornel, B. ISSN: 1945-7871.

[3] Characterizing human subjects in real-time and threedimensional spaces by integrating thermal-infrared and visible spectrum cameras, Multimedia and Expo, 2009.

IEEE International Conference on , Suk Kyu Lee . ISSN: 1824-9378.

[4] Applications of infrared thermography in nondestructive evaluation, 2010. Electrical and Computing Engineering Dep. Universite Laval, Xavier Maldague. ISSN: 1145-7770.

[5] Dynamic Infrared imaging for breast cancer diagnosis: A feature based registration Approach, 2011.Valentina Agostini, Ada Ala, ISSN: 1233-1331.

Jorge Luis Rojas Barnett, Ingeniero Electrónico, con colegiatura habilitada CIP 157370, miembro de la IEEE, candidato a Magister en la Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 24 años de edad, cuenta con diversos trabajos publicados en revistas, investigaciones y desarrollos interdisciplinarios en las diferentes ramas de la electrónica.