JHONES DURAN PINTO

ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DOS ÂNGULOS DECONTATO OBTIDOS ATRAVÉS DO PROCESSAMENTO DE

IMAGENS

LONDRINA–PR

2016

JHONES DURAN PINTO

ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DOS ÂNGULOS DECONTATO OBTIDOS ATRAVÉS DO PROCESSAMENTO DE

IMAGENS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentadoao curso de Bacharelado em Ciência da Com-putação da Universidade Estadual de Lon-drina para obtenção do título de Bacharel emCiência da Computação.

Orientador: Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Fe-linto

LONDRINA–PR

2016

Jhones Duran PintoAnálise de confiabilidade dos ângulos de contato obtidos através do processa-

mento de imagens/ Jhones Duran Pinto. – Londrina–PR, 2016-32 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Felinto

– Universidade Estadual de Londrina, 2016.

1. Palavra-chave1. 2. Palavra-chave2. I. Orientador. II. Universidade xxx. III.Faculdade de xxx. IV. Título

CDU 02:141:005.7

JHONES DURAN PINTO

ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DOS ÂNGULOS DECONTATO OBTIDOS ATRAVÉS DO PROCESSAMENTO DE

IMAGENS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentadoao curso de Bacharelado em Ciência da Com-putação da Universidade Estadual de Lon-drina para obtenção do título de Bacharel emCiência da Computação.

BANCA EXAMINADORA

Prof(a). Dr(a). Alan Salvany FelintoUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Prof. Dr. Segundo Membro da BancaUniversidade/Instituição do Segundo

Membro da Banca

Prof. Dr. Terceiro Membro da BancaUniversidade/Instituição do Terceiro

Membro da Banca

Prof. Ms. Quarto Membro da BancaUniversidade/Instituição do Quarto

Membro da Banca

Londrina–PR, 24 de novembro de 2016

Este trabalho é dedicado à Karina, minha motivação e inspiração.

AGRADECIMENTOS

Gostaria de iniciar agradecendo minha mãe, que nunca me deixou faltar nada epossibilitou a minha educação. A Lilian e Roberto, que me acolheram como um filho.Agradecer a Karina, que sempre esteve ao meu lado e sempre me apoiou, principalmentenas horas mais difíceis, durante os dois últimos anos. A todos aqueles que contribuíramde algum modo para a minha formação.

“Não vos amoldeis às estruturas deste mundo,mas transformai-vos pela renovação da mente,a fim de distinguir qual é a vontade de Deus:

o que é bom, o que Lhe é agradável, o que é perfeito.(Bíblia Sagrada, Romanos 12, 2)

PINTO, J. D.. Análise de confiabilidade dos ângulos de contato obtidos atravésdo processamento de imagens. 32 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Bachareladoem Ciência da Computação) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina–PR, 2016.

RESUMO

A análise da molhabilidade dos materiais auxilia a previsão das reações químicas, comotambém na criação de materiais mais resistentes. Uma das formas mais comuns de veri-ficar a molhabilidade é através da medição do ângulo de contato estático entre o sólidoe o líquido. Geralmente, tal mensuração é realizada com um goniômetro. Porém, o ins-trumento exige certo conhecimento técnico, recursos financeiros e os resultados não sãoautomáticos. Portanto, o presente estudo aborda técnicas de processamento de imagens(conversão para tons de cinza, filtro gaussiano, aumento de contraste, binarização da ima-gem, algoritmo de Canny e extração de contornos) para a criação de um software querealize o cálculo do ângulo de contato dos materiais e a análise de aderência, de formasatisfatória, sem a intervenção do usuário para ajustes ou reconhecimento. Para a aqui-sição das imagens, criou-se um sistema acessível composto por: seringa de cromatografia,suporte universal, base com regulagem de altura, placa de Petri e um suporte para tirarfotos com o celular.

Palavras-chave: Processamento de Imagem, Molhabilidade, Ângulo de Contato, Hidro-filia, Hidrofobia, Goniômetro

PINTO, J. D.. Reliability analysis of contact angles obtained through the imageprocessing and computer vision. 32 p. Final Project (Bachelor of Science in ComputerScience) – State University of Londrina, Londrina–PR, 2016.

ABSTRACT

The wettability analysis of materials helps the prediction of chemical reactions, as wellas the creation of more resistant materials. One of the most common ways to verify thewettability is by measuring the static contact angle between the solid and the liquid.Generally, such measurement is performed with a goniometer. However, the instrumentrequires some technical expertise, financial resources and the results are not automatic.Therefore, the present study uses imaging processing techniques (conversion to grayscale, gaussian filter, contrast enhancement , thresholding , Canny algorithm and contour ex-traction) to create a software that performs satisfactorily the calculation of the contactangle of materials and the analysis adhesion without user intervention for adjustmentsor recognition. For the acquisition of images, it created an affordable system with: chro-matography syringe, universal support, base with height adjustment, a petri dish and amonopod to take pictures with the phone.

Keywords: Image Processing, Wettability, Contact Angle, Hydrophilicity, Hydrophobi-city, Goniometer

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Histograma antes e depois da binarização [1] . . . . . . . . . . . . . . . 15Figura 2 – Ilustração do ângulo de contato[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 3 – Goniômetro [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 4 – Goniômetro com tensiômetro [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 5 – Ilustração do fluxo do sistema proposto. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 6 – Foto do sistema construido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 7 – Imagem da gota de água sobre o acetato de celulose compacto em tons

de cinza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 8 – Imagem 7 após a aplicação do filtro gaussiano. . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 9 – Imagem 8 após o aumento de contraste. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 10 – Imagem 9 após a binarização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 11 – Imagem 10 após a aplicação do algoritmo de Canny. . . . . . . . . . . . 25Figura 12 – Imagem original com os vetores obtidos desenhados . . . . . . . . . . . 28

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Comparação dos resultados obtidos do ângulo de contato dos materiais:polietileno, polipropileno, acetatos de celulose em relação aos valoresda literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.1 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1 Processamento de Imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.1 Convolução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.2 Detecção de Bordas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.3 Filtro Gaussiano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.4 Binarização da Imagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Ciência dos Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.1 Molhabilidade e Ângulo de Contato . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2 Tensão Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.3 Goniômetro e Tensiômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.4 Polímeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3 Trabalhos Relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.1 Aquisição das Imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Pré-Processamento das Imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3 Cálculo de Ângulo de Contato e Classificação de Molhabilidade 26

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

12

1 INTRODUÇÃO

O estudo dos materiais data os primórdios da civilização humana, sendo que ointuito principal era a criação de ferramentas e armas para caça[4]. Cada era é denominadade acordo com os materiais preponderantes encontrados por arqueólogos[5].

A Idade da Pedra é considerado o período pioneiro na criação de ferramentas [5]. NaIdade do Bronze, as ferramentas e armas tornam-se mais elaborados com o surgimentoda metalurgia[4]. Já na Idade do Ferro, as peças produzidas apresentavam o dobro deresistência e dureza em relação as da era anterior[5].

Na cultura moderna, apenas os objetivos mudaram. Seja para o transporte, ves-tuário, habitação, comunicação, recreação ou produção de alimentos, há a necessidadeda manipulação de materiais[6]. A economia atual exige uma crescente demanda pormateriais não-metálicos, principalmente por polímeros, os plásticos. A necessidade é tãogrande que alguns observadores denotam a segunda metade do século XX como Idade doPlástico[4].

A partir de 1960, nasce o termo ciência dos materiais, o qual é um estudo dasrelações existentes entre as estruturas e as propriedades das substâncias [6, 4]. Um im-portante ramo de estudo desta ciência é a análise da molhabilidade. Tal análise auxilia aprevisão das reações químicas, como também na criação de materiais mais resistentes.

De acordo com o nível de molhabilidade, os materiais podem ser subdivididos em:hidrofóbicos e hidrofílicos[7]. Uma das formas mais comuns de verificar a molhabilidadede determinada substância é através do cálculo do ângulo de contato.

Ao depositar uma gota em uma superfície, é formado entre um plano tangentea uma gota do líquido e um plano contendo a superfície sólida um ângulo, o qual édenominado ângulo de contato[8]. A mensuração deste ângulo é frequentemente realizadacom um instrumento de medição angular manual denominado goniômetro [3, 9].

Em suma, o presente estudo abordará uma forma alternativa para suprir as carên-cias dos goniômetros comerciais: preço acessível, resultados imediatos e simplicidade demanuseio. Sendo assim, será criado um sistema para a aquisição de imagens e um softwareque realiza o cálculo do ângulo de contato estático dos materiais e a análise de aderên-cia do líquido na superfície sólida automaticamente, sem a intervenção do usuário paraajustes ou reconhecimento. Logo, o processamento de imagens será fundamental. Dentreas superfícies a serem testadas estão 4 materiais poliméricos: polietileno, polipropileno,acetato de celulose compacto, acetato de celulose poroso. Posteriormente, comparar-se-ãoos resultados obtidos aos valores presentes na literatura.

13

1.1 Organização do Trabalho

O trabalho está organizado da seguinte forma: no capítulo 2 são apresentadosconceitos e técnicas fundamentais, nas áreas de processamento de imagens e ciência dosmateriais, para a compreensão do estudo, além do levantamento de trabalhos relacionadosà proposta. O capítulo 3 aborda os equipamentos, processos e amostras utilizados nosexperimentos químicos e as configurações e técnicas empregadas no processamento deimagens. No capítulo 4 são apresentados os resultados experimentais. Finalmente, nocapítulo 5 são apresentadas as conclusões obtidas com o trabalho.

14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Para uma melhor compreensão do objetivos e métodos que serão abordados notrabalho, o presente capitulo abordará conceitos relativos às áreas de processamento deimagens e ciência dos materiais.

2.1 Processamento de Imagens

O processamento de imagens pode ser entendido como o aprimoramento das infor-mações pictóricas presentes na imagem[1]. A entrada do sistema é uma imagem e a saídasão valores numéricos, os quais podem ou não compor outra imagem[10].

2.1.1 Convolução

A operação de convolução bidimensional é um processo utilizado em processamentodigital de imagens para detectar bordas e/ou retirar ruídos em imagens, matematicamente;é descrita como a aplicação do somatório de multiplicações dos termos de uma matriz poruma máscara, também conhecida como matriz de convolução. Tal operação pode serdescrita pela seguinte equação[11]:

𝑔(𝑥, 𝑦) =𝑎∑︁

𝑠=−𝑎

𝑏∑︁𝑡=−𝑏

𝑤(𝑠, 𝑡)𝑓(𝑥 + 𝑠, 𝑦 + 𝑡) (2.1)

Na equação, g representa a imagem após a convolução, f representa a imagemantes da convolução e w representa a máscara, os parâmetros das funções referem-se àposição dos píxeis nas respectivas imagens.

2.1.2 Detecção de Bordas

Algoritmos de detecção de borda são responsáveis por acentuar as bordas dosobjetos da imagem. Para isso os algoritmos detectam os pixeis que fazem parte da bordaatravés da variação de intensidade. O pixel tende a fazer parte de uma borda se há umavariação abrupta de intensidade com relação aos seus vizinhos [12].

2.1.3 Filtro Gaussiano

Dentre os filtros de passa-baixa há o Filtro Gaussiano, o qual é um filtro de médiae tem como finalidade realçar detalhes, minimizar os ruídos e suavizar as imagens deforma ponderada e simétrica [10]. São considerados filtro passa-baixa aqueles que atenuamapenas as altas frequências da imagem.

15

O filtro Gaussiano tem os valores da máscara definidos a partir de uma funçãobidimensional Gaussiana discreta, com a média equivalente a zero. As variáveis x e yrepresentam as posições na máscara, 𝜎 denota o desvio padrão e o valor equivalente a(x,y) da máscara é dado por G(x,y) [10], conforme a equação 2.2:

G(x,y)=G(x).G(y)𝑡 = 12𝜋𝜎2 𝑒− 𝑥+𝑦

2𝜎2 (2.2)

Basicamente o filtro será produzido através da geração de uma matriz gaussiana-obtida através da equação 2.2- e utilizada como máscara na convolução da imagem[13].

2.1.4 Binarização da Imagem

De maneira concisa, a binarização da imagem tem como propósito fazer a separaçãodo objeto de interesse da imagem e do fundo[11].

Uma forma simples de binarização é fazer a bipartição do histograma. Considera-se T como um limiar, f como uma imagem de entrada, g como uma imagem binária(segmentada) de saída e g(i,j) um pixel na posição (i,j).

Para cada pixel, é feita a verificação se seu tom de cinza é menor ou igual a T;em caso afirmativo, o pixel é convertido em branco. Caso contrário, em preto (ou vice-vesa)[11, 12]. A Figura 1 e a equação 2.3 exemplificam o processo:

Figura 1 – Histograma antes e depois da binarização [1]

16

𝑔(𝑖, 𝑗) =

⎧⎪⎨⎪⎩1 for f(i, j) > 𝑇

0 for f(i, j) ≤ 𝑇(2.3)

2.2 Ciência dos Materiais

O termo "ciência dos materiais"surgiu a partir de 1960 e denota, basicamente, umestudo das relações existentes entre as estruturas e as propriedades dos materiais. Dessemodo, seja para um problema que consiste na escolha dos materiais corretos ou mesmo ocusto do produto finalizado, esta ciência auxiliará nos critérios que deverão ser analisadospara as decisões finais [4, 6].

2.2.1 Molhabilidade e Ângulo de Contato

A molhabilidade é a capacidade de um líquido de se aderir a superfície em contato[8],os materiais podem ser divididos em 2 categorias, de acordo com a molhabilidade: hidrofó-bico e hidrofílico[7]. Materiais hidrofílicos possuem grande afinidade com a água, portantouma maior absorção da mesma, enquanto os hidrofóbicos possuem pouca afinidade e con-sequentemente uma baixa absorção.

A forma mais comum de medir e avaliar a molhabilidade é através da medida doângulo de contato [14]. O ângulo de contato é o ângulo formado entre um plano tangentea uma gota do líquido e um plano contendo a superfície sólida[8],conforme ilustra a Figura2:

Segundo Shirtcliffe et al [7], consideram-se hidrofílicas substâncias cujo o ângulo decontato (representado por 𝜃) é menor que 90∘ e como hidrofóbicas aquelas que apresentamângulo maior ou igual a 90∘. Quanto maior for o valor de 𝜃, mais esférica é a gota do líquido.Logo, menor será a adesão à superfície[15].

2.2.2 Tensão Superficial

Define-se tensão superficial, representada por 𝛾, como o trabalho exigido para secriar uma unidade de área nova. A unidade de medida utilizada é Newton(N)/Metro(m)e para a forma de energia, Joule(J)/Metro2(m2).

Uma gota de um líquido em uma superfície sólida tem sua forma resultante doefeito de 3 forças: a tensão superficial da interface sólido-vapor, tensão superficial dainterface líquido-vapor e a tensão superficial da interface sólido-líquido[16].

A figura 2 exibe as 3 tensões sendo que, 𝛾𝐿𝐺 representa a tensão superficial líquido-vapor, 𝛾𝑆𝐿 a tensão superficial sólido-líquido, 𝛾𝑆𝐺 a tensão superficial sólido-vapor e 𝜃 oângulo de contato entre o líquido e a superfície sólida [17].

17

Figura 2 – Ilustração do ângulo de contato[2]

Caso 𝛾𝑆𝐺> 𝛾𝑆𝐿, a superfície será hidrofílica e se 𝛾𝑆𝐺<𝛾𝑆𝐿, hidrofóbica. Por fim,se 𝛾𝑆𝐺=𝛾𝑆𝐿, não haverá mudanças na molhabilidade do material. Logo, o líquido tentaencontrar um formato que diminua a área gasosa, meia esfera[7]

O ângulo de contato pode ser medido em dois tipos de circunstâncias diferentes:estaticamente ou dinamicamente. A mensuração do ângulo de contato estático é quandoa gota está na superfície com as 3 tensões superficiais em repouso. Tal medição é utilizadano controle de qualidade e desenvolvimento de produtos. Na mensuração dinâmica, háduas medições de ângulos: o ângulo de retrocesso e de avanço [18].

2.2.3 Goniômetro e Tensiômetro

O goniômetro é um instrumento de medida utilizado para a medição manual dosângulos de contato entre um sólido e um líquido [3], conforme a Figura 3:

Figura 3 – Goniômetro [3]

Um goniômetro com tensiômetro é uma ferramenta mais poderosa, a qual é capazde calcular também as tensões superficiais e interfaciais. A grande maioria destes apa-relhos utilizam um software que realiza as mensurações de forma semiautomática. Apósa aquisição da fotografia é necessário que sejam informados dados a respeito do líquido

18

e do sólido presentes no experimento, caso os mesmos não estejam já cadastrados nosoftware do goniômetro. Outros procedimentos que devem ser realizados correspondemao posicionamento de linhas para demarcarem a posição da gota e à verificação se existealguma inclinação na base da superfície. Em caso afirmativo, há ainda a necessidade deajustes[19]. O aparelho é representado pela Figura 4:

Figura 4 – Goniômetro com tensiômetro [3]

2.2.4 Polímeros

O Polietileno é um polímero parcialmente cristalino e possui como propriedades: te-nacidade, alta resistência ao impacto, alta flexibilidade, boa processabilidade, estabilidadee propriedades elétricas notáveis. Sendo assim, é geralmente utilizado para: embalagensindustriais, agrícolas, hospitalares e farmacêuticas; filmes destinados para embalagens dealimentos; brinquedos e utilidades domésticas; revestimento de fios e cabos; tubos e man-gueiras [20]. Além disso, tanto o polietileno de baixa densidade quanto o de alta densidadesão polímeros impermeáveis [21].

O polímero Propileno é leve, transparente e impermeável. Dentre as principaisutilidades estão: a fabricação de filmes, selagem de embalagens e a impermeabilização depapel em embalagens tetrapak. É caracterizado pela resistência, flexibilidade e transpa-rência.

Segundo Branco [22] o acetato de celulose é uma substância artificial derivadada celulose. Para a fabricação, é feita a purificação da polpa da madeira. O acetato decelulose é muito utilizado em processos industriais, suas funções variam desde a produçãode fita magnética de computador, curativo cirúrgico a alguns tipos de adesivo.

2.3 Trabalhos Relacionados

Diversos estudos foram feitos relacionando o cálculo do ângulo de contato de di-ferentes tipos de materiais a inúmeras áreas: médica, farmacêutica, têxtil e cosmética. O

19

estudo do estado da arte em relação as propostas de goniômetros manuais criados, serviucomo base para a criação de um sistema de captura de imagens econômico. Para queassim, pudesse ser criado um software que realizasse o processamento automático.

No trabalho de Díonisiio et al [17], a proposta basicamente consistia na criaçãode um goniômetro manual a baixo custo. O goniômetro criado é composto pela base,microscópio, retículos para medição de ângulos, plataforma para suporte do porta amos-tras e sistema de iluminação. Os autores realizaram testes com diferentes líquidos (águadestilada, di-iodometano, n-octano, n-decano, 1-propanol e glicerol) sobre diversos tiposde superfícies e compararam os resultados obtidos em dois goniômetros: um comercial eoutro caseiro.

Como resultado, uma pequena margem de erro em relação aos goniômetros testa-dos foi verficada. Logo, a criação provou-se satisfatória e de baixo custo.

No artigo de Pappas et al [23], foram realizados dois tipos de testes em relaçãoà molhabilidade de polímeros (polietileno e nylon). A grande diferença entre os testes éque no segundo houve o tratamento dos materiais com plasma para que a reatividadesuperficial fosse aumentada.

Para ambos experimentos, foram colocadas de 3 a 5 gotas dos líquidos de teste,dentre eles: água,etanol, formamida e iodometano. Assim, foi possível ser calculado oângulo de contato do líquido e da superfície, como também, viabilizou o cálculo da tensãosuperficial. Através da comparação de resultados dos dois tipos de experimentos, pode-severificar que as superfícies modificadas pelo plasma eram mais hidrofílicas.

Há também alguns trabalhos na área de processamento de imagens que buscam amedição angular.

O estudo apresentado em Wanderley [24] baseia-se na criação de um algoritmocapaz de fazer a identificação, com o processamento de sinais e imagens, de defeitos emtubulações. Assim, a inspeção seria automática e facilitaria em casos de ambientes dedifícil acesso.

Para a detecção de bordas do cano, o algoritmo de Canny foi utilizado. Posterior-mente, realizou-se a fase de separar os segmentos, agrupando em uma estrutura todas ascoordenadas de uma borda. O segmento com maior número de píxeis recebe a primeiraposição e o com menor, a última. Em seguida, as maiores bordas são comparadas com ou-tras bordas armazenadas em um banco de dados, através do histograma com inclinaçõesque uma borda apresenta na trajetória.

Outra abordagem proposta é a utilização da fotogrametria na ortodontia, apre-sentada em Suthau et al [25]. O objetivo do estudo é o reconhecimento automático doformato do arco ortodôntico superelástico. Para isso, a aquisição das imagens é feita porduas câmeras, gerando um modelo tridimensional. O algoritmo Canny é utilizado para a

20

extração de contornos, em seguida os ângulos de torção são calculados a partir de doisplanos, formados por 3 pontos cada. Os ângulos obtidos foram comparados com os ângu-los reais do objeto e constatou-se um pequeno erro de no maximo 10% em todos os arcosexaminados.

Um exemplo de criação de um goniômetro manual acessível, é apresentado emVendrami el al [26]. Dentre os instrumentos que constituem o projeto, estão: régua, trans-feridor, webcam e lente de aumento. A utilização da webcam apesar de apresentar baixocusto, depende de um computador para a aquisição das imagens. O cálculo do ângulo decontato é feito manualmente através de régua e transferidor.

No trabalho de Siqueira et al [27], o software é desenvolvido para profissionais dafisioterapia e visa a obtenção mais precisa do ângulo de abdução e adução dos membrossuperiores através do processamento de imagens sobre fotografias de pacientes diante deum simetrógrafo. Após a aquisição da imagem, é feita a conversão para tons de cinza(facilitando o processo de detecção de bordas do ombro do paciente). Em seguida, sãoutilizados os filtros Canny, Laplaciano e Sobel. Por fim, pode-se calcular o ângulo.

21

3 MATERIAIS E MÉTODOS

A presente seção visa apresentar os equipamentos, processos e amostras utilizadosnos experimentos químicos e as configurações e técnicas empregadas no processamento deimagens. O desenvolvimento do trabalho seguiu os passos conforme é visto na Figura 5:

Figura 5 – Ilustração do fluxo do sistema proposto.

3.1 Aquisição das Imagens

Os experimentos foram realizados no Laboratório do Departamento de Químicada Universidade Estadual de Londrina. Para a avaliação, foram preparados 4 materiaispoliméricos: polietileno, polipropileno, acetato de celulose compacto, acetato de celuloseporoso.

Em todos os experimentos, utilizou-se a mesma medida de um único líquido, 20microlitros de água destilada.

22

A aquisição das imagens foi feita através de um celular, com câmera de 13 me-gapíxeis de resolução e utilizando as configurações padrão do aparelho. Para viabilizara aquisição das imagens criou-se de um sistema de baixo custo, o qual é composto por:seringa de cromatografia, suporte universal, base com regulagem de altura, placa de Petrie um suporte para tirar fotos com o celular como pode ser observado na figura 6.

Figura 6 – Foto do sistema construido.

Basicamente, para a captação da imagem é necessário:

1. Preencher a seringa de cromatografia com o líquido de teste. No caso, a água desti-lada.

2. Colocar a superfície de teste em cima da placa de Petri, a qual foi utilizada apenascom propósitos de aumentar a elevação do material e servir de base.

3. Posicionar os itens do procedimento 2 acima da base de regulagem de altura.

4. Fixar o celular no suporte de tirar fotos, o qual é preso ao suporte universal.

5. Fixar a seringa de cromatografia próxima a placa de Petri com a superfície a seranalisada.

6. Ajustar a altura da base para que o câmera do celular fique no mesmo nível.

7. Depositar uma gota de 20 microlitros de água destilada acima da superfície de teste.

8. Fotografar a experiência

9. Repetir os procedimentos acima para os outros materiais analisados.

23

3.2 Pré-Processamento das Imagens

Para o processamento das imagens utilizou-se a linguagem de programação Javae a biblioteca OpenCV que permite o desenvolvimento de aplicações em tempo real naárea de processamento de imagens e visão computacional.

A biblioteca contém mais de 2500 algoritmos, os quais podem ser utilizados paradiversas finalidades, dentre algumas delas: identificação de objetos; realidade aumentadae virtual; reconhecimento de movimentos e aperfeiçoamento da imagem.

O OpenCV foi desenvolvido na linguagem de programação C++, contudo, possuiinterface para Phyton, Java e Matlab. Além disso, a biblioteca é multiplataforma, podeser executado nos sistemas operacionais: Linux, Windows, Android e Mac OS[28].

A primeira etapa de pré-processamento da imagem consiste em transformá-la emtons de cinza através da função:

Imgproc . cvtColor ( imageorigem , image , Imgproc .COLOR\_RGB2GRAY) ;

A transformação implementada no OpenCV utiliza pesos diferentes nos canaisRGB, sendo 0.299 para R, 0.587 para G e 0.114 para B [29]. O resultado da transformaçãopode ser observado na Figura 7.

Figura 7 – Imagem da gota de água sobre o acetato de celulose compacto em tons decinza.

Para a remoção de ruídos, possibilitando uma melhor detecção de borda foi utili-zado o filtro Gaussiano com os seguintes parâmetros:

Imgproc . GaussianBlur ( image , image , new S i z e (5 , 5 ) , 1 , 1 ) ;

Os parâmetros foram obtidos através de testes manuais, levando em consideração aresolução da imagem e a quantidade de ruído observado. A Figura 8 apresenta o resultadoda aplicação do filtro.

24

Figura 8 – Imagem 7 após a aplicação do filtro gaussiano.

Após a remoção de ruídos um aumento de contraste em 20% foi utilizado para re-alçar as bordas no intuito de facilitar o trabalho de segmentação, como pode ser observadona Figura 9.

Figura 9 – Imagem 8 após o aumento de contraste.

Utilizou-se o método de binarização por limiarização para segmentar a imagem,separando o fundo da gota e do plano, o limiar foi escolhido automaticamente através doalgoritmo de Otsu[30]. A Figura 10 representa a imagem binaria obtida.

Para a detecção de borda o algoritmo proposto por Canny [31] foi utilizado porgarantir que a borda encontrada possua espessura de exatamente 1 pixel, como pode serobservado na Figura 11, facilitando posteriormente o cálculo do ângulo de contato.

Com as bordas evidentes na imagem, os contornos são extraídos em vetores depontos, através da função findContours, como consideramos que apenas o maior con-torno representa o objeto de interesse, seus componentes são transferidos para uma lista eordenados com base na posição do pixel na imagem. A lista final fica ordenada da esquerda

25

Figura 10 – Imagem 9 após a binarização.

Figura 11 – Imagem 10 após a aplicação do algoritmo de Canny.

para a direita, de cima para baixo, a seguir o código fonte do procedimento:

Código Fonte 3.1 – Procedimento para extração de contornos

Lis t <MatOfPoint> contours = new ArrayList <>();Imgproc . p lacaontours ( image , contours , new Mat ( ) ,

Imgproc .RETR_EXTERNAL, Imgproc .CHAIN_APPROX_NONE) ;i n t max = 0 ;i n t maxindex = 0 ;f o r ( i n t i = 0 ; i<contours . s i z e ( ) ; i ++){

i f ( contours . get ( i ) . rows ( ) * contours . get ( i ) . c o l s ( ) > max){max = contours . get ( i ) . rows ( ) * contours . get ( i ) . c o l s ( ) ;maxindex = i ;

}}

26

Lis t <Point> contourL i s t = contours . get ( maxindex ) . t o L i s t ( ) ;C o l l e c t i o n s . s o r t ( contourL i s t , new Comparator<Point >() {@Override

pub l i c i n t compare ( Point p1 , Point p2 ) {i f ( p1 . x != p2 . x ) re turn ( i n t ) ( p1 . x − p2 . x ) ;e l s e re turn ( i n t ) ( p2 . y − p1 . y ) ;

}} ) ;

3.3 Cálculo de Ângulo de Contato e Classificação de Molhabi-lidade

Com a lista ordenada, o cálculo do ângulo para cada ponto i da lista é dado peloângulo entre os vetores (i-n, i) e (i, i+n), onde n é uma constante definida com base naresolução da imagem. A escolha do n é de fundamental importância, pois quanto menoro valor de n, menor a precisão. Por exemplo: para n=1, como os pontos i-n e i+n estãona vizinhança de i, há somente 8 opções de ângulo, variando de 0 a 360(-180 a +180) de45 em 45. Porém um n muito alto em uma imagem de baixa resolução pode formar umvetor com pontos muito distantes.

Uma vez que o ponto de interesse está localizado no início da gota e a superfície éplana, podemos encontrá-lo simplesmente selecionando o ponto que possui maior ângulo.Como pode ser observado no código a seguir:

Código Fonte 3.2 – Procedimento para iteração e seleção do ponto

double maxAngle=0;i n t maxAngleIndex=0;f o r ( i n t i=n ; i <( contourL i s t . s i z e ()/2−n ) ; i ++){

double Angle ;Angle = angle2 ( contourL i s t . get ( i−n ) ,contourL i s t . get ( i ) , contourL i s t . get ( i+n ) ) ;i f ( Angle> maxAngle ){

maxAngle = Angle ;maxAngleIndex = i ;

}imageorigem . put ( ( i n t ) contourL i s t . get ( i ) . y ,( i n t ) contourL i s t . get ( i ) . x , new double [ ] { 2 5 5 , 0 , 0 } ) ;

}

Segundo [32] é possível calcular o ângulo entre dois vetores u e v através da função:

27

𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠( 𝑢.𝑣|𝑢||𝑣|)

Onde |v| pode ser calculado por:

|v| =√

𝑥2 + 𝑦2

Implementação da função para o cálculo de ângulo da gota:

Código Fonte 3.3 – Procedimento para cálculo do ângulo

p r i va t e s t a t i c double ang le ( Point p0 , Point p1 , Point p2 ){double x1 = p0 . x − p1 . x ;double y1 = p0 . y − p1 . y ;double x2 = p1 . x − p2 . x ;double y2 = p1 . y − p2 . y ;

double q1 = x1*x2 + y1*y2 ;double q2 = sq r t ( x1*x1 + y1*y1 ) * s q r t ( x2*x2 + y2*y2 ) ;

double ang le = acos ( q1/q2 ) * 180/PI ;

r e turn ang le ;}

Os sólidos que obtiverem valor de ângulo igual ou superior a 90 são classificadoscomo hidrofóbicos, já os que estiverem abaixo de 90 são considerados hidrofílicos comoproposto por ShirtCliffe et al [7].

28

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A imagem de saída de cada experimento possui os vetores tensão superficial líquido-gasoso 𝛾𝐿𝐺 (representada pela cor verde) e tensão superficial sólido-líquido 𝛾𝑆𝐿 (exibidoem vermelho), os quais podem ser visualizados na Figura 12.

Figura 12 – Imagem original com os vetores obtidos desenhados

Os polímeros: polietileno e polipropileno foram classificados pelo software comomateriais hidrofóbicos. Já o acetato de celulose compacto e acetato de celulose porosoobtiveram ângulos de contato bem menores e foram categorizados como hidrofílicos.

A tabela 1 ilustra os resultados obtidos em comparação aos valores da literatura[33],os quais são representados pelo intervalo entre o maior valor e o menor valor encontrados,considerando apenas os ângulos de contato estáticos.

Como foi encontrado apenas um resultado do ângulo de contato estático para oacetato de celulose, não é possível concluir se o valor obtido está dentro do intervalo ad-quirido pelos valores da literatura. Porém, sabe-se através de outros estudos que o acetatode celulose é uma substância química hidrofílica [34][35]. Portanto, sua classificação demolhabilidade condiz com os resultados.

Dentre alguns fatores que explicam a variação do ângulo de contato obtido pelosautores estão as condições do ambiente e a fabricação do material[33].

Material Ângulo de Contato Obtido Ângulo de Contato na LiteraturaPolipropileno 98.34 87.5 a 105Polietileno 90,80 89 a 109Acetato de celulose 45.51 54.50

Tabela 1 – Comparação dos resultados obtidos do ângulo de contato dos materiais: polie-tileno, polipropileno, acetatos de celulose em relação aos valores da literatura

29

5 CONCLUSÃO

A partir dos resultados obtidos, constatou-se que as análises efetuadas pelo soft-ware em comparação ao intervalo de resultados e a classificação de aderência da literaturacom a goniometria apresentaram valores contundentes. Logo, fazer a aquisição do ângulode contato e a classificação de molhabilidade, de forma confiável, com o processamentode imagens em um sistema acessível.

Como trabalhos futuros, pretende-se portar o software para dispositivos móveiscom sistema operacional Android. Como também, a realização do cálculo do ângulo decontato e classificação de molhabilidade em tempo real. Assim, aumentará a portabilidadee velocidade de resultados do trabalho.

Além disso, a falta de um ambiente controlado dificultou o processamento, dimi-nuindo a precisão do ângulo resultante. Para isso, sugere-se o monitoramento da ilumi-nação, sombras e reflexos do ambiente, facilitando assim a segmentação do contorno dasuperfície da gota.

30

REFERÊNCIAS

[1] FILHO, O. M.; NETO, H. V. Processamento digital de imagens. [S.l.]: Brasport,1999.

[2] Disponível em: <https://es.wikipedia.org/wiki/Ángulo\_de\_contacto\#/media/File:Contact\_angle.svg>.

[3] HART ramé. ramé-hart Contact Angle Goniometers. 2015. Disponível em:<http://www.ramehart.com/goniometer.htm>.

[4] SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. [S.l.]: Pearson Prentice Hall, 2008.

[5] NAVARRO, R. F. A evolução dos materiais. parte1: da pré-história ao início da eramoderna. Revista eletrônica de materiais e processos, v. 1, n. 1, p. 01–11, 2006.

[6] CALLISTER, W. Ciência E Engenharia de Materiais: Uma Introdução . [S.l.]:Grupo Gen-LTC, 2000.

[7] SHIRTCLIFFE, N. J. et al. An introduction to superhydrophobicity. Advances inColloid and Interface Science, v. 161, n. 1â“2, p. 124 – 138, 2010. ISSN 0001-8686.Physico-chemical and flow behaviour of droplet based systems. Disponível em:<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0001868609001055>.

[8] COUTINHO, M. P.; ELIAS, C. N. Rugosidade e molhabilidade do titânio usadoem implantes dentários com superfícies tratadas. Rev Bras Odontol, v. 66, n. 2, p.234–8, 2009.

[9] RULISON, C. A PRACTICAL COMPARISON OF THE TECHNIQUES USED TOMEASURE CONTACT ANGLES FOR LIQUIDS ON NON-POROUS SOLIDS.[S.l.], 1996.

[10] MARENGONI, M.; STRINGHINI, S. Tutorial: Introdução à visão computacionalusando opencv. Revista de Informática Teórica e Aplicada, v. 16, n. 1, p. 125–160,2009.

[11] GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Processamento de imagens digitais. [S.l.]:Edgard Blucher, 2000.

[12] SONKA, M.; HLAVAC, V.; BOYLE, R. Image processing, analysis, and machinevision. [S.l.]: Cengage Learning, 2014.

[13] JESUS, E. O.; JR, R. C. A utilização de filtros gaussianos na análise de imagensdigitais. Proceeding Series of the Brazilian Society of Computational and AppliedMathematics, v. 3, n. 1, 2015.

[14] MITTAL, K. L. Contact angle, wettability and adhesion. [S.l.]: CRC Press, 2006.v. 4.

[15] GONÇALVES, R. Revestimentos superhidrofóbicos a partir de poliestireno recicladoem solução: estudo dos parâmetros de deposição e caracterização de propriedadestecnológicas. 2014.

31

[16] MULTíMIDIA, L. de M. D. Ciência dos Materiais Multimídia. Disponível em:<http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=17&top=166>.

[17] DIONÍSIO, M. et al. Projecto e construção de um goniómetro de angulos decontacto. Boletim da Sociedade Portuguesa de Química, v. 2, n. 68, 1998.

[18] SCIENTIFIC, B. Attension Applications - Biolin Scientific. 2016. Disponível em:<http://www.biolinscientific.com/attension/applications/?card=AA7>.

[19] CLEGG, C. How to Measure Contact Angle. 2013. Disponível em: <http://www.ramehart.com/knol_how_to_measure_contact_angle.pdf>.

[20] COUTINHO, F. M.; MELLO, I. L.; MARIA, L. D. S. Polietileno: principais tipos,propriedades e aplicações. Polímeros Ciência e Tecnologia, SciELO Brasil, v. 13,n. 1, p. 1–13, 2003.

[21] MENDA, M. Química Viva Plásticos. 2011. Disponível em: <http://www.crq4.org.br/quimicaviva_plasticos>.

[22] BRANCO, R. Como o acetato de celulose é usado nos processos industriais.2016. Disponível em: <http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/4735-como-o-acetato-de-celulose-e-usado-nos-processos-industriais/>.

[23] PAPPAS, D.; COPELAND, C.; JENSEN, R. Wettability Tests of Polymer Filmsand Fabrics and Determination of Their Surface Energy by Contact-Angle Methods.[S.l.], 2007.

[24] WANDERLEY, D. S. Análise de Dutos Curvos Utilizando Processamento deImagens. 2010. Monografia (Universidade Federal do Rio de Janeiro, EscolaPolitécnica).

[25] SUTHAU, T. et al. Photogrammetric measurement of linear objects with ccdcameras-super-elastic wires in orthodontics as an example. International Archivesof Photogrammetry and Remote Sensing, INTERNATIONAL SOCIETY FORPHOTOGRAMMETRY & REMOTE, v. 33, n. B5/2; PART 5, p. 780–787, 2000.

[26] VENDRAMI, J. A. et al. MediÇÃo de Ângulo de contato com webcam. BoletimTécnico da FATEC-SP, n. 36, 2013.

[27] SIQUEIRA, J. et al. Desenvolvimento de um software capaz de realizar a mensuraçãodo grau de angulação dos movimentos de abdução e adução através do processamentode imagem: Sma. ANAIS DO SEMINÁRIO CIENTÍFICO ORGANIZAÇÕES,TECNOLOGIA E RELAÇÕES INTERNACIONAIS, v. 4, n. 1, 2013.

[28] OPENCV. OpenCV. Disponível em: <http://opencv.org/>.

[29] DOCS.OPENCV.ORG. Miscellaneous Image Transformations — OpenCV 2.4.11.0documentation. 2016. Disponível em: <http://docs.opencv.org/2.4.11/modules/imgproc/doc/miscellaneous_transformations.html>.

[30] OTSU, N. A threshold selection method from gray-level histograms. Systems,Man and Cybernetics, IEEE Transactions on, v. 9, n. 1, p. 62–66, Jan 1979. ISSN0018-9472.

32

[31] CANNY, J. A computational approach to edge detection. Pattern Analysis andMachine Intelligence, IEEE Transactions on, PAMI-8, n. 6, p. 679–698, Nov 1986.ISSN 0162-8828.

[32] STEINBRUCH, A. Álgebra Linear (Em Portuguese do Brasil). [S.l.]: PEARSON -UNIVERSITARIOS/ KOTLER, 1995. ISBN 0074504126.

[33] ACCUDYNETEST.COM. ACCU DYNE TESTTM Tables of Polymer SurfaceCharacteristics. 2016. Disponível em: <http://www.accudynetest.com/polymer_tables.html>.

[34] PAOLI, M.-A. D.; FELISBERTI, M. I.; MIGUEL, C. CompÓsitos de acetato decelulose reforcados com fibras curtas de curauÁ. In: . 10o Congresso Brasileirode Polímeros. [S.l.: s.n.], 2009.

[35] GELIFESCIENCES.COM. GE Healthcare Life Sciences "Cellulose AcetateMembrane Circle (ST 69), 1.2 m pore size, 47 mm". 2016. Disponívelem: <http://www.gelifesciences.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog/en/GELifeSciences-br/products/AlternativeProductStructure_16223/28415126>.