Artigo de egresso da UFPA é premiado na 39° Conferência Internacional em Análise Modal

O trabalho intitulado “Full-Field 3D Experimental Modal Analysis from Dynamic Point Clouds Measured Using a Time-of-Flight Imager” foi selecionado como Melhor Artigo na categoria Computer Vision (visão computacional), na seção sobre "Computer Vision & Laser Vibrometry" da 39° Conferência Internacional em Análise Modal (IMAC), que acontece anualmente nos EUA. A conferência vai ocorrer no período de 8 a 11 de fevereiro, este ano, por sessão virtual em Orlando, Flórida. A autoria do artigo é do pós-graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (UFPA) Moisés Felipe, hoje pesquisador de pós-doutorado. 

Moisés Felipe explica que o trabalho se posiciona dentro da área de Monitoramento da Integridade de Estruturas (do inglês, Structural Health Monitoring - SHM) e visa ao desenvolvimento e à adaptação de técnicas de vídeo para a análise da vibração de estruturas civis (como pontes, barragens e prédios), mecânicas (como motores) e aeronáuticas (como aviões e satélites).

Comumente, o processo de monitorização de uma estrutura qualquer ocorre com o uso de sensores acoplados fisicamente na estrutura de interesse, o que, dependendo do contexto de medição e das características a serem medidas, pode ser algo problemático. “Por exemplo, pense no caso da monitorização da Alça Viária que liga a Região Metropolitana de Belém à cidades do interior. Para realizar o seu monitoramento contínuo, uma malha enorme de sensores precisaria ser instalada, elevando não somente os custos de instalação como também de manutenção. Note que, mesmo que se instale uma rede de sensores enorme, com dezenas de sensores espalhados pela estrutura, ainda assim você estaria realizando medições incompletas, pois sensores tradicionais medem apenas variações pontuais dos locais específicos em que foram instalados. Claro, isso, por si só, já permite o desenvolvimento de métodos automáticos que possibilitam detectar eventuais problemas na estrutura, porém impossibilita o estudo completo das características desta. Neste cenário específico, quanto mais sensores, maior a sensibilidade do sistema de monitoramento e melhor o seu desempenho, porém os custos envolvidos fazem essa prática inviável”.

“Agora, imagine que você possa utilizar uma câmera de vídeo digital ao invés de utilizar um sensor acoplado na estrutura”, continua o pesquisador. “A primeira óbvia vantagem é a possibilidade de realizar medições a distância, o que é uma vantagem quase que óbvia para algumas aplicações (imagine utilizar drones para percorrer uma barragem ao invés de instalar sensores). Novamente, imagine que, além de utilizar uma câmera no lugar de um sensor, você possa utilizar cada pixel dessa câmera como um sensor capturando variações diminutas na variação da dinâmica da estrutura. Se lembrarmos, quando falamos na resolução das câmeras mais modernas, lembramos que o número de pixels em uma única imagem pode alcançar a escala dos milhões. Então, se você puder utilizar cada pixel de um vídeo como um sensor, digamos, de vibração ou de deslocamentos, você possui o potencial de realizar medições  com resolução espacial que jamais seria possível em qualquer rede de monitoramento convencional, possibilitando a obtenção de medições em tempo real e, se for preciso, a distância, sem qualquer contato direto com a superfície da estrutura”. 

O trabalho premiado explora essa exata ideia: de que é possível utilizar cada pixel de um vídeo como um sensor, e leva essa ideia para um nível mais além ao descrever uma técnica capaz de fornecer medições tri-dimensionais de uma estrutura. “No nosso artigo, em vez de utilizarmos uma câmera digital comum, propusemos utilizar um novo tipo de câmera que possui um sensor de ‘Tempo de Voo’, cujo funcionamento básico consiste no envio de curtos impulsos de luz refletidos parcialmente pelo objeto da medição. O sensor determina a diferença de tempo entre o envio e a recepção do impulso luminoso e calcula a distância entre o sensor e o objeto, possibilitando, assim, a sua reconstrução tri-dimensional. Assim, em vez de obtermos quadros de vídeo (frames), obtemos nuvens de pontos dinâmicos em 3D, que possibilitaram o desenvolvimento de um método de visão computacional que realiza Redução da Dimensionalidade dos dados e utiliza um algoritmo de Separação Cega de Fontes para estimar modos de vibração tri-dimensionais, bem como obter informações sobre os deslocamentos físicos da estrutura, suas frequências normais de vibração e taxas de amortecimento”, resume. 

Até o presente momento, este é o primeiro registro na literatura de SHM e na visão computacional que estabelece uma maneira de realizar a estimação dinâmica dos modos de vibração de uma estrutura qualquer com o uso de sensores de tempo de voo e nuvens de pontos tri-dimensionais. Apesar do foco específico em monitoramento estrutural, a técnica desenvolvida possui potencial enorme de aplicação nos mais diversos campos do conhecimento, em que, em colaboração com o Laboratório Nacional de Los Alamos, Estados Unidos, se iniciou o desenvolvimento de variações da técnica proposta para aplicações em biomédica, com foco especial no monitoramento da dinâmica de células cardíacas a partir de vídeo (ou seja, um método não invasivo). Outra aplicação em andamento é a modelagem de incêndios florestais, na qual variantes do método desenvolvido têm sido estudadas para estimar o potencial incendiário de regiões de floresta, o que possibilita a previsão e a monitorização de focos de incêndio (trabalho que obteve premiação como Melhor Proposta de Projeto em programa do Laboratório Nacional de Los Alamos).

O artigo provém da tese de doutorado de Moisés no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE), sob orientação do professor João Weyl. Tendo já defendido sua tese, o pesquisador segue no pós-doutorado, trabalhando remotamente em Belém, com a Universidade Santana de Pisa, Itália. 

“Moisés foi aluno brilhante. Fez mestrado e doutorado em menos de 5 anos, incluindo estágio nos EUA com bolsa Capes, e publicou um número expressivo de artigos, já com cerca de 200 citações, número expressivo para a área. Defendeu o doutoramento com apenas 25 anos e, talvez, seja o mais novo doutor na área de tecnologia da Região Norte”, avalia o orientador. A pesquisa também teve coorientação do professor Eloi Figueiredo, da Universidade Lusófona de Humanidades e Tecnologias de Lisboa, Portugal. E as atividades no exterior tiveram a supervisão e a mentoria do doutor David Mascareñas, do Laboratório Nacional de Los Alamos.

Sobre a premiação, Moisés diz sentir-se muito feliz e realizado. “E, ao mesmo tempo, privilegiado por estar trabalhando com tantas pessoas capazes, não apenas no sentido de serem pesquisadores com carreira internacional brilhante, mas também no que trata o sentido amplo da palavra pessoa, me ajudando a evoluir cientificamente e também como cidadão”, pontua. Ele entrou na UFPA em 2012, no curso de Ciência da Computação, por regime de cotas (escola e cor). Formou-se em 2016, sem ter repetido qualquer disciplina e com o maior CRG da turma de formandos. 

“Logo calouro, ingressei no Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (onde estou até hoje), nas dependências dos Laboratórios de Engenharia Elétrica e Computação, e, antes mesmo de concluir o Bacharelado, ingressei no mestrado da Elétrica, que consegui completar em 11 meses. O doutorado, como já era de se esperar, levou mais tempo. Nesse período, tive contato com grupos de pesquisa europeus e dos Estados Unidos, o que me levou a um estágio sanduíche no Laboratório Nacional de Los Alamos, permitindo expandir minhas vertentes de pesquisa. Considero que tudo tem acontecido de forma natural, com muito trabalho, dedicação”, lembra.

O Prêmio de Melhor Artigo em Visão Computacional e Vibrometria a Laser foi estabelecido em 2018 para atrair publicações e apresentações de alta qualidade de interesse para a comunidade de Visão Computacional, Correlação Digital de Imagens, Vibrometria Laser Doppler e Técnicas Óticas (técnicas sem contato) no IMAC. O Prêmio de Melhor Artigo é reconhecido com um certificado e um prêmio em dinheiro de $500, financiado pela Trilion Quality Systems, que será entregue no Almoço de Premiação no dia 10 de fevereiro da mesma 39° Conferência Internacional em Análise Modal. O prêmio está aberto a todos os participantes do IMAC, no entanto alunos de pós-graduação e pós-doutorado são especialmente incentivados a enviar trabalhos.

Para saber mais sobre o evento, clique aqui https://sem.org/imac.

Texto: Jéssica Souza – Assessoria de Comunicação da UFPA
Imagens: Arquivo pessoal