CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con el campo técnico de la inspección, diagnóstico en especial de tuberías o conductos en el lado interior de los mismos, donde se puedan localizar problemas como irregularidades, desgaste, obstrucciones, entre otros, donde el registro multimedia se hace por medio de captura de video, fotogramas o imágenes en secuencia y su respectivo posprocesamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado de la técnica se conoce por ejemplo la boroscopía o inspección de conductos con cámara que permite visualizar y capturar fotografías y vídeo digital en lugares inaccesibles para el ojo humano, por otro lado, permite autonomía y portabilidad en muchos entornos de trabajo.

El primer tipo de boroscopio apareció hacia 1940, durante la segunda guerra mundial, donde el primer boroscopio moderno fue reconocido en la década de 1960, el boroscopio ha sido usado en vahas industrias, aviación, energética, química, aeroespacial.

Por otro lado, el procesamiento de videos está relacionado con la evolución de la computación donde la visión artificial es una rama de la inteligencia artificial que tiene por objetivo modelar matemáticamente los procesos de percepción visual, en este caso a través de una cámara de video para realizar inspecciones visuales que requieren alta velocidad, periodos de larga y corta duración, repetiti vidad de las medidas.

Además, existen publicaciones como la patente US 5,195,392 que divulga un aparato de inspección de conductos internas y un cabezal de conducto en línea. El aparato de inspección se puede insertar en una tubería de cuatro o seis pulgadas a través de una abertura. El aparato incluye una cabeza de conducto compacta que tiene un conjunto de visualización para obtener imágenes del interior del conducto. El cabezal está dimensionado para pasar a través de la abertura de servicio lateral estándar, siendo la abertura sustancialmente menor en tamaño que el diámetro del conducto. Una serpiente de acero flexible está conectada al cabezal para mover y girar manualmente el cabezal dentro del conducto una vez que el cabezal está posicionado en el mismo. El aparato es intrínsecamente seguro para la inspección de una tubería principal activa de gas natural. Se describen varias realizaciones de miembros centralizadores para posicionar el conjunto de visualización de la cabeza del tubo sustancialmente concéntrico con el eje del tubo.

La patente EP 0083759 divulga un dispositivo para monitorear el interior de un conducto, siendo dicho dispositivo del tipo que incluye un detector de monitoreo y un mecanismo de soporte para sostener dicho detector de monitoreo centralmente dentro de dicho conducto, comprendiendo dicho detector de monitoreo: un primer camino de luz en dicho cuerpo para proporcionar luz de iluminación; un primer espejo para reflejar dicha luz de iluminación hacia una superficie interior de dicho conducto; un segundo espejo para recibir y reflejar la luz de imagen reflejada desde dicha superficie interior; y una segunda trayectoria de luz en dicho cuerpo para recibir dicha imagen de luz reflejada desde dicho segundo espejo.

La patente GB 2415762 divulga una herramienta de inspección de conductos en línea que tiene una o más plataformas de inspección que están conectadas a un carro alargado con ruedas mediante brazos de enlace. La unidad de carro tiene medios de accionamiento para mover los brazos para permitir que las plataformas se muevan en una dirección perpendicular a la dirección de alargamiento del carro, permitiendo que la herramienta se adapte a conductos de diferentes diámetros. Las plataformas de inspección pueden tener un cuerpo curvo que tenga uno o más ¡manes permanentes que definan los polos norte y sur, y sensores montados entre los polos, donde os ¡manes permanentes contienen un imán giratorio.

Finalmente, en la industria petrolera se toma registro en las tuberías de los pozos, donde normalmente cada registro muestra una curva como resultado de la variable evaluada en toda la trayectoria del conducto del pozo.

Teniendo en cuenta el Estado de la técnica mencionado, la presente invención resuelve la necesidad de simplificar el proceso de adquisición de un video multimedia con una sola cámara y luego ejecutar el posprocesamiento de la información adquirida, obteniendo como resultado una sola imagen bidimensional que mapea el interior de un conducto analizado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objetivo de brindar una mejor comprensión de las características técnicas de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de figuras, las cuales, se describen a continuación:

FIG. 1 . Esquema de disposición de una cámara de video dentro de un conducto.

FIG. 2. Esquema de disposición una cámara de video con un elemento centralizador dentro de un conducto.

FIG. 3A. Esquema de un fotograma y su captura de información de los elementos de imagen con una forma sustancial de circunferencia mediante un vector de posición.

FIG. 3B. Esquema de una superficie con distribución sustancialmente gaussiana.

FIG. 4. Esquema de captura de información desde el fotograma hasta la transformación en un vector fila extendido.

FIG. 5. Esquema de captura de información desde una señe de fotogramas hasta la transformación en una imagen bidimensional compuesta por los vectores fila extendidos dispuestos de manera secuencial y ordenada.

FIG. 6. Un ejemplo de una secuencia de fotogramas en un video real en secuenciales estados de tiempo discretos.

FIG. 7. Imagen generada a partir de secuencias completas del video de ejemplo de la FIG. 6.

FIG. 8. Ejemplos de posibles irregularidades, desgastes, obstrucciones y entre otros que podrían ser capturadas, adquiridas y registradas por una única cámara de video. FIG. 9. Esquema del método implementado por computador para mapear un video adquirido por una cámara y procesado para obtener una imagen bidimensional.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención revela un método para para mapear un video en una imagen bidimensional, donde la adquisición del video se hace con una única cámara de video y el posprocesamiento se hace por medio de algoritmos de cálculo, obteniendo como resultado una imagen bidimensional.

El método anteriormente descrito, al igual que los objetos adicionales a que hubiere lugar, serán expuestos al detalle y con la suficiencia necesaria en el capítulo descriptivo que se divulga a continuación, el cual constituirá el fundamento del capítulo reivindicatorío.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención adquiere un video de un conducto por su parte interna durante un periodo de tiempo determinado, donde luego se realiza el procesamiento computacional y se obtiene como resultado una imagen bidimensional procesada.

La imagen bidimensional resultante es la interpretación de un modelo espacial que hace un reordenamiento horizontal de los píxeles en cada fotograma procesado del video adquirido.

La imagen bidimensional representa una gran cantidad de información debido a que comprime la extensión global del conducto y resume todas las regiones grabadas durante el recorrido de la cámara en el pozo, permitiendo realizar inspecciones visuales del conducto, comprobar y analizar perforaciones de cañoneo u otra técnica de disparo, para mejorar el criterio en la toma de decisiones sobre el conducto analizado.

La presente invención propone reducir la complejidad y costos en la inspección de conductos, especialmente las usadas en el proceso de extracción, producción y transporte de petróleo, particularmente para los pozos de inyección de agua que incluyen conductos.

Dado que el objetivo de la invención es inspeccionar la tubería, requiere que se grabe un video de entrada en la parte interna del conducto a lo largo de un tramo longitudinal en estudio. De este modo, la cámara estará grabando el recorrido desde la ubicación La a la ubicación Lb.

La presente invención es aplicable a conductos o tuberías con flujo de agua o en conductos sin ningún fluido, donde las cámaras de video (10) incluyen al menos una unidad de iluminación como lámparas o bombillos de diversas formas para mejorar la visibilidad dentro del conducto y obtener fotogramas de la calidad adecuada para ser procesados.

La geometría externa de la cámara preferentemente es tubular y no afecta las capturas de imagen y vídeo, respecto al fluido dentro del conducto, considerando las condiciones de fluido de agua o sin fluido, es decir que la geometría del exterior de la cámara de video no afecta al algoritmo.

El sistema se ve afectado en casos donde el conducto no presenta una forma tubular y puede presentar distorsiones geométricas debido a los cambios en el diámetro o en la geometría interna del conducto.

La principal hipótesis del sistema es asumir que el conducto exhibe de manera transversal una geometría circular, la cual deseamos estimar.

Respecto a la estabilidad del video, el método se encarga de resolver computacionalmente las pequeñas perturbaciones provenientes del desplazamiento de la cámara.

Esto se consigue al estimar el centro de la circunferencia transversal en cada fotograma del video. Este centro se utiliza como punto de referencia u origen para realizar un muestreo de las intensidades y construir la imagen de salida. De manera opcional, la adquisición de video puede incorporar un dispositivo de flejes externos o centralizador sujeto al dispositivo que encapsula la cámara, con lo cual la perturbación axial se reduce.

Una de las variables más importante durante la adquisición del video, es la iluminación, idealmente, se requiere que los medios de iluminación de la cámara sean uniformes, lo cual contribuye a adquirir fotogramas bien iluminados en cada segmento espacial. En caso de no presentarse una iluminación homogénea, por ejemplo: un lado de cada fotograma podría ser más oscuro que el lado opuesto, donde los cálculos se ven afectados, además, los detalles del conducto pueden no ser bien digitalizados.

La velocidad de desplazamiento de la cámara debe ser moderada. Idealmente debe haber equilibrio entre la velocidad de desplazamiento y la frecuencia de muestreo de la cámara, siendo 20 FPS o más un número aceptable.

Otra variable de interés en la adquisición es la rotación a lo largo del desplazamiento longitudinal de la cámara, la cual, por factores de coherencia, se requiere que sea nula.

De presentarse rotaciones, el mapeo del conducto puede presentar desalineamientos, lo cual afecta gráficamente la interpretación de la imagen de salida.

Por ejemplo, asuma que el conducto presenta una línea recta paralela al desplazamiento de la cámara. Si durante la grabación se presentan rotaciones, la imagen de salida reproducirá la línea con variaciones helicoidales.

Respecto a las características de video, de preferencia de la imagen debe ser RGB y el formato de video puede ser cualquiera de los existentes.

Es importante que haya equilibrio entre la velocidad de desplazamiento de la cámara y la frecuencia de muestreo. Siendo mejor un desplazamiento moderado y constante con una velocidad de adquisición de más de 20 FPS.

Para la construcción de la imagen de salida, el procedimiento consiste en tomar cada fotograma y hacer un muestreo de información. Por la tanto, cada fotograma contribuye a una fila de la imagen de salida.

La condición para que el video sea adquirido es que la cámara de video pueda registrar a lo largo el tramo de conducto analizado, así se podrá registrar de manera proyectiva la geometría interna del conducto.

La cámara se debe enfocar de tal manera que se capturen con nitidez los objetos que se ubican en el primero y segundo plano. Independientemente de la posición del conducto, sea vertical u horizontal, el ángulo de visión permite la captura total del área próxima del conducto, por lo que un ángulo de visión es preferentemente de 120°, pero según la óptica de la cámara que captura el video puede incluir otros ángulos de visón entre 60° a 180°.

La estabilidad de la adquisición de la imagen y video se logra de dos formas, una con un dispositivo de centralización mecánico, fijado en una de las puntas de la estructura tubular de la cámara externamente y luego de manera computacional se realiza un ajuste de centralización o corrección de desalineamientos transversales por medio del procesamiento de video.

Así las cosas, la presente invención tiene como objetivo resumir el contenido de un video que registra el interior de un conducto y como resultado se obtiene una imagen bidimensional que contiene una representación visual del interior del conducto a lo largo de una longitud de conducto digitalizado por una única cámara que captura un video.

Por ejemplo, un video de 50 segundos que contiene la grabación del conducto de una longitud de 0 metros a 25 metros puede ser comprimido a una sola imagen que muestra de manera bidimensional el conducto desenrollado y sus características internas.

La FIG. 1 revela una cámara de video (10) conectada a un extremo de un cable (20), donde la cámara de video (10) es una única cámara que captura video o una secuencia de fotogramas normalmente mayor a 20 fotogramas por segundo (FPS), donde la cámara de video (10) incluye medios de almacenamiento de datos para grabación del archivo de video como una memoria, tarjeta de memoria, disco de estado sólido, medios ópticos como lentes, un sensor de imagen, medios de suministro de energía como una batería y puertos de entrada y salida que incluyen puertos de comunicación o de carga y además medios de iluminación.

La cámara de video (10) se desplaza entre las posiciones La y Lb recorriendo una distancia AL, durante un periodo de tiempo At, entre 1 segundo y 10 000 segundos mientras se adquiere un video que incluye 20 o más fotogramas (F) por cada segundo preferentemente. Una vez adquirido el video por medio de la cámara video (10) que registra el interior del conducto (C) y que luego implementa un algoritmo en un medio legible por computadora que ejecutan una serie de pasos y que procesan el video para obtener una imagen bidimensional, donde el algoritmo incluye los pasos de: corregir desalineamientos transversales y estimar geométricamente la zona de muestreo.

El primer paso de corregir desalineamientos transversales tiene como objetivo compensar las perturbaciones que desajustan la cámara con respecto al centro estimado del conducto.

Aunque la herramienta de registro suele incluir un centralizador mecánico (30) como el mostrado en la FIG. 2 para evitar desalineamientos, en ocasiones hay perturbaciones que modifican la estabilidad de la cámara de video, lo que produce un efecto de jittering o de oscilación no deseada al reproducir el video. Donde tal efecto ocurre porque la secuencia de fotogramas fue capturada con desviaciones con respecto a un eje de referencia, donde el objetivo de este paso es corregir cualquier tipo de vibración transversal de la cámara, debido a que la región de fondo o región donde no alcanza a llegar la luz proyectada por la unidad de registro de video siempre es concéntrica y bien alineada al conducto y se usa como referencia para determinar el centro del conducto.

A los fotogramas del video se implementa un algoritmo de regresión, por ejemplo, regresión lineal por mínimos cuadrado que ajusta la función inversa de una superficie de distribución gaussiana en las imágenes. De este proceso, resultan el centroide y la matriz de varianzas. Para mayor precisión, el proceso se repite a múltiples escalas de la imagen y se promedia la posición relativa del centroide o centro geométrico.

En el enfoque se establece ajustar una superficie de distribución gaussiana, en vista que su inversa se asemeja a los cambios de iluminación regulares en una imagen del video: siendo el centro más oscuro y hacia los bordes más iluminados.

La FIG. 3A revela un esquema de un fotograma o una combinación de fotogramas y su detalle, donde se ha extraído la información de intensidades en un área de muestreo (R), donde los fotogramas (F) contienen una cruz que solo es de referencia gráfica y que contiene cada centroide (G) estimado con el paso de corrección de desalineamiento transversal. La región concéntrica en forma de circunferencia representa el área de muestreo (R) que en su interior incluye una zona densa (Z), que es la zona más oscura en cada fotograma debido a que captura la proyección hacia el infinito en el conducto analizado.

El cálculo del centroide de la sección transversal conducto p _x y p _y , para los fotogramas del video, se combinan las últimos k fotogramas mediante el promedio y definir el resultado como l _av . Donde k está en el rango entre 2 a 100, donde por ejemplo k = 10.

Luego se calcula el inverso de la imagen lav normalizada entre [0,1 ] que presenta las características de una curva de distribución gaussiana, donde las intensidades alrededor del centroide tienen un valor mayor y que son radialmente concéntricas hacia los extremos.

Teniendo en cuenta la información anterior, de encontrar el centroide de la superficie se puede aproximar a una superficie con distribución gaussiana.

Y donde se calcula y resuelve un problema de optimización para cada k fotogramas que es: sujeto a : x ∈ [ w ₁ , w ₂ ] Λ ∈ [ h ₁ , h ₂ ] donde w ₁ está en el rango entre 0,05 w a 0,15w; donde w ₂ está en el rango entre 0,75 w a 0,95w; donde h ₁ está en el rango entre 0,05 w a 0,25w; donde h ₂ está en el rango entre 0,75 w a 0,95w.

Donde wy h son el ancho y la altura de la imagen lav, donde preferentemente como referencia el ancho es mayor a la altura en longitud. El problema de optimización se puede resolver de manera numérica con una librería computacional eficiente para tal fin como por ejemplo Scipy en Python. Para mayor precisión, el problema se resuelve a diferentes escalas de la imagen l _av . Por lo cual se promedian las posiciones x*, y* que son relativas a las dimensiones de la imagen a esa escala, donde p _x ~.

Del mismo modo para p _y .

Empleando las ecuaciones, la posición (x, y) se define en términos del centroide, el radio y el ángulo 0.

La FIG. 3B revela un ejemplo de la visualization gráfica de la intensidad de los pixeles en el área del fotograma y procesado se aproxima a una superficie con distribución gaussiana.

El siguiente paso es estimar la zona de muestreo de forma geométrica, que permite crear una imagen a partir de adicionar vectores fila extendidos, de manera ordenada. El muestreo se hace mediante la estimación geométrica de la sección transversal del conducto, la cual tiene sustancialmente una forma de circunferencia.

Después de obtenido el centroide de cada fotograma del paso anterior, el cual está asociado preferentemente al centro del conducto, se procede a estimar la geometría tubular y extraer de manera ordenada los pixeles ubicados en la periferia de esta región en forma de circunferencia. Esto se hace a partir de la ecuación paraméthca que define una circunferencia: x = r * cos(0) + x ₀ y = r * sen(0) + y ₀ donde x y y representan las coordenadas de muestreo de las intensidades ubicadas a una distancia r a partir del centro x ₀ y y ₀ . Dado que se desea recorrer toda la circunferencia alrededor del centro, el parámetro theta o ángulo 0, tiene valores de [0,360]. La expresión anterior da como resultado un vector de posición (V) de intensidades el cual se convierte en un nuevo vector fila extendido (S), y luego fila por fila se agregan para la creación de una nueva imagen bidimensional que representa el mapeo interno del conducto o tubería.

Donde cada k fotogramas se convierten en un vector fila extendido (S) de la nueva imagen bidimensional generada, de este modo se transforma la geometría tubular proyectiva del video a una superficie extendida bidimensional que reproduce la superficie interna del conducto desplegado longitudinalmente o desarrollado longitudinalmente.

La FIG. 4 revela gráficamente y de manera esquemática como a partir de k fotogramas, se calcula el centroide, se corrigen los desalineamientos transversales y se calcula el área de muestreo (R) en forma de circunferencia, y mediante los vectores de posiciones (V) se identifican, seleccionan y extraer los elementos de imagen (E) de intensidad para convertirlos en un vector fila extendido (S) con datos de intensidad preferentemente.

En un ejemplo para ¡lustrar se utiliza el vector de posiciones (V), y se hace un muestreo de intensidades en la imagen:

Out [“índice de fila actual”, 0:” longitud del vector X”] = I [X,Y]

Donde:

I = Fotograma actual en escala de grises.

X = Vector de posiciones en la coordenada x

Y = Vector de posiciones en la coordenada y

Out = Imagen de salida

La FIG. 5 revela la forma como se extraen de manera secuencial los vectores de posición (V) de los k fotogramas, y luego son colocados como vectores extendidos (S) de manera secuencial y ordenada sobre un plano para obtener una imagen bidimensional (606) entre las ubicaciones La y Lb.

La FIG. 6 representan las capturas de pantalla a manera de ejemplo en un video real y son mostradas de manera secuencial empezando en la captura de pantalla A y terminado en la captura H del video. Las capturas de pantalla son reales y representan una pequeña fracción del número total de los fotogramas adquiridos entre las posiciones La y Lb, donde las capturas de pantalla muestran de manera meramente ilustrativa.

La FIG. 7 representa la imagen tridimensional real obtenida del video indicado en la FIG. 6, donde la imagen es correspondiente de manera sustancial a la secuencia de capturas de pantalla desde la parte A a la parte H o entre las ubicaciones La a Lb.

La FIG. 8 representa de manera esquemática una posición de ejemplo de la cámara de video sostenida por un cable dentro de un conducto, tubería o pozo; donde la cámara de video puede capturar fotogramas que incluyen diversos detalles internos del conducto que incluyen por ejemplo a. tuberías o conductos sin relieve, b. obstáculos, c. grietas, d. fisuras, e. uniones y/o f. cambios de sección, entre otras.

La FIG. 9 revela un método implementado por computador para mapear un video en una imagen bidimensional y sus componentes asociados al mismo, que incluye una cámara de video (10) que comprende un sensor de imagen (1 1 ) y un cuerpo de cámara (12), donde el cuerpo de cámara (12) está conectado a un cable (20) que sostiene o mantiene a la cámara en un conducto y en una realización preferente incluye un dispositivo centralizador (30).

Además, la cámara de video (10) está conectada a una unidad de iluminación (40) y a una unidad de transmisión de señales (50).

La cámara de video (10) está conectada a una unidad de almacenamiento de video (13), donde se guarda el video que va a ser posteriormente procesado.

El método implementado por computador (60) para mapear un video en una imagen bidimensional que comprende los siguientes pasos:

601. Adquirir fotogramas (F) por medio del sensor de imagen (1 1 ) de la cámara de video (10).

602. Combinar k fotogramas (F).

603. Calcular el centroide (G) y corregir la desalineación transversal de cada k fotogramas (F). 604. Calcular geométricamente el área de muestreo (R) en k fotogramas (F), e identificar, seleccionar y extraer los elementos de imagen de intensidad a través de vectores de posición (V) de intensidades y que son transformados en vectores fila extendidos (S) con elementos de imagen (E) de intensidad.

605. Agregar secuencialmente vectores fila extendidos (S) con elementos de imagen (E) de intensidad.

606. Obtener imagen bidimensional.

En el paso 601 incluye además guardar el video en una unidad de almacenamiento (13) como una memoria, disco duro, disco de estado sólido o similares que cumplan funciones equivalentes.

En el paso 601 de adquirir los fotogramas (F), se implementa en complemento a la cámara de video (10) con un centralizador (30).

En el paso 602 al combinar k fotogramas, /r está en el rango entre 2 a 100, donde el término combinar se refiere a promediar las intensidades en la escala de grises preferentemente y correspondientes de los fotogramas adquiridos.

En el paso 603 cuando se calcula el centroide se hace por medio de la resolución el problema de optimización para cada k fotogramas: sujeto a : x ∈ [ w ₁ , w ₂ ] Λ ∈ [ h ₁ , h ₂ ] donde w ₁ está en el rango entre 0,05w a 0,15w; donde w ₂ está en el rango entre 0,75 w a 0,95 w; donde h ₁ está en el rango entre 0,05 w a 0,25 w; donde h ₂ está en el rango entre 0,75 w a 0,95 w.

Donde wy h son el ancho y la altura de la imagen l _av , donde preferentemente como referencia el ancho es mayor a la altura en longitud. Donde se promedian las posiciones x*, y* que son relativas a las dimensiones de la imagen a esa escala, donde p _x :

Del mismo modo para p _y .

Empleando las ecuaciones, la posición (x,y) se define en términos del centroide, el radio y el ángulo 0.

En el paso 604 cada valor del cada vector posición (V) está definido por la ecuación paramétrica que define una circunferencia: x = r * cos(θ) + x ₀ y = r * sen(θ) + y ₀

Del cual se identifican, seleccionan y extraen los elementos de imagen (E) están asociados a la intensidad de los pixeles, donde cada pixel tiene asignado un valor lógico de 0 o 1 en el caso más simple, pero en una realización preferente tiene asociados valores de intensidad (RGB) en al menos uno de los canales con valores entre 0 a 255 o en escala de grises.

En el paso 605, se agregan secuencialmente tantos vectores fila extendidos (S) como se haya prefijado, de acuerdo al tiempo del video y los FPS que se estén usando. Además, donde se especifican que los elementos de imagen (E) son pixeles o unidades gráficas de imagen que tiene unidad homogénea e intensidad de color definida.

En el campo de la técnica de la inspección de una tubería usada en petróleos y similares, la invención revelada es novedosa e inventiva porque el mapeo de un conducto es representado en una imagen bidimensional, utilizando solamente la grabación de video de una cámara, su forma de adquisición y procesamiento de la información y de esta manera se reduce la complejidad y costo de análisis del conducto estudiado. Desde un punto de vista de técnico, el método logra extraer mapeo interno del conducto a partir de un video que registra de manera proyectiva la estructura interna del conducto a 360°, así con el presente nuevo método logra obtener una imagen bidimensional exitosa a partir del video proveniente de una sola cámara. Aunque la presente invención ha quedado descrita con las realizaciones preferentes mostradas, queda entendido que las modificaciones y variaciones que conserven el espíritu y el alcance de esta invención se entienden dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.