As escavações subterrâneas têm estado sempre afetadas pelas condições dos maciços, os quais apresentam diferentes características e comportamentos frente a deformações ocasionadas após a escavação de uma galeria ou túnel. Em virtude disto, torna-se necessário uma análise dos parâmetros que permitam estabelecer as condições de segurança do túnel e propõe-se o uso de um sistema estéreo de rastreamento ótico para analisar o deslocamento de artefatos (conjunto de marcadores) instalados sobre o contorno das faces do túnel, a fim de detectarem-se deslocamentos do maciço em pontos estabelecidos com precisão menor a ±1 mm. O sistema proposto opera na região espectral do infravermelho, permitindo assim uma operação em ambientes com baixa luminosidade e com inserção de ruído ótico. Adicionalmente o trabalho inclui resultados de validação e desenvolvimento do sistema de visão estéreo baixo condições de dois cenários de diferente volume espacial, assim como o procedimento realizado para a calibração dos parâmetros intrínsecos e extrínsecos dos sensores do sistema (câmeras monocromáticas). Os resultados obtidos apresentam uma precisão de ±0,1881 mm para artefatos com três marcadores e uma precisão de ±0,4952 para artefatos com quatro marcadores. Finalmente, o sistema opera com uma sensibilidade de 0,99 mm na determinação da posição de um artefato associado a um ponto do perfil do túnel, e desta forma, podem-se definir as condições de estabilidade do maciço rochoso e os requisitos para auxilio as decisões de métodos de tratamento e aumento da segurança. / Underground excavations have always been affected by the conditions of mass, which have different characteristics and behaviors against deformation caused after excavation of a gallery or tunnel. Because of this, it is necessary an analysis of the parameters needed to establish the safety conditions of the tunnel and it is proposed the use of a stereo optical tracking to analyze the displacement of artifacts (set of markers) installed on the contour of tunnels’ faces in order to detect displacements of the mass points established with a precision lower than ±1 mm. This system operates in the infrared spectral region to take advantage of the low light and reduce the optical noise in environments with grace. Further work includes validation results and development of low stereo vision conditions of two different scenarios spatial volume, as well as the procedure carried out to calibrate the intrinsic and extrinsic parameters of the system sensors (monochrome camera) system. The results show an accuracy of ± 0,1881 mm for artifacts with three markers and an accuracy of ± 0,4952 for artifacts with four markers. Finally, the system operates with a sensitivity of 0,99 mm in the determination of an artifact associated with a point in the tunnel profile position, and thus, one can define the conditions for stability of the rock mass and assistance requirements for the decisions of treatment methods and increased.

O número de aplicações industriais para ambientes de “Realidade Aumentada” (AR) e “Realidade Virtual” (VR) tem crescido de forma significativa nos últimos anos. Sistemas óticos de rastreamento (optical tracking systems) constituem um importante componente dos ambientes de AR/VR. Este trabalho propõe um sistema ótico de rastreamento de baixo custo e com características adequadas para uso profissional. O sistema opera na região espectral do infravermelho para trabalhar com ruído ótico reduzido. Uma câmera de alta velocidade, equipada com filtro para bloqueio da luz visível e com flash infravermelho, transfere imagens de escala de cinza não comprimidas para um PC usual, onde um software de pré-processamento de imagens e o algoritmo PTrack de rastreamento reconhecem um conjunto de marcadores retrorefletivos e extraem a sua posição e orientação em 3D. É feita neste trabalho uma pesquisa abrangente sobre algoritmos de pré-processamento de imagens e de rastreamento. Uma bancada de testes foi construída para a realização de testes de acurácia e precisão. Os resultados mostram que o sistema atinge níveis de exatidão levemente piores, mas ainda comparáveis aos de sistemas profissionais. Devido à sua modularidade, o sistema pode ser expandido através do uso de vários módulos monoculares de rastreamento interligados por um algoritmo de fusão de sensores, de modo a atingir um maior alcance operacional. Uma configuração com dois módulos foi montada e testada, tendo alcançado um desempenho semelhante à configuração de um só módulo. / In the last years the number of industrial applications for Augmented Reality (AR) and Virtual Reality (VR) environments has significantly increased. Optical tracking systems are an important component of AR/VR environments. In this work, a low cost optical tracking system with adequate attributes for professional use is proposed. The system works in infrared spectral region to reduce optical noise. A highspeed camera, equipped with daylight blocking filter and infrared flash strobes, transfers uncompressed grayscale images to a regular PC, where image pre-processing software and the PTrack tracking algorithm recognize a set of retro-reflective markers and extract its 3D position and orientation. Included in this work is a comprehensive research on image pre-processing and tracking algorithms. A testbed was built to perform accuracy and precision tests. Results show that the system reaches accuracy and precision levels slightly worse than but still comparable to professional systems. Due to its modularity, the system can be expanded by using several one-camera tracking modules linked by a sensor fusion algorithm, in order to obtain a larger working range. A setup with two modules was built and tested, resulting in performance similar to the stand-alone configuration.

O número de aplicações industriais para ambientes de “Realidade Aumentada” (AR) e “Realidade Virtual” (VR) tem crescido de forma significativa nos últimos anos. Sistemas óticos de rastreamento (optical tracking systems) constituem um importante componente dos ambientes de AR/VR. Este trabalho propõe um sistema ótico de rastreamento de baixo custo e com características adequadas para uso profissional. O sistema opera na região espectral do infravermelho para trabalhar com ruído ótico reduzido. Uma câmera de alta velocidade, equipada com filtro para bloqueio da luz visível e com flash infravermelho, transfere imagens de escala de cinza não comprimidas para um PC usual, onde um software de pré-processamento de imagens e o algoritmo PTrack de rastreamento reconhecem um conjunto de marcadores retrorefletivos e extraem a sua posição e orientação em 3D. É feita neste trabalho uma pesquisa abrangente sobre algoritmos de pré-processamento de imagens e de rastreamento. Uma bancada de testes foi construída para a realização de testes de acurácia e precisão. Os resultados mostram que o sistema atinge níveis de exatidão levemente piores, mas ainda comparáveis aos de sistemas profissionais. Devido à sua modularidade, o sistema pode ser expandido através do uso de vários módulos monoculares de rastreamento interligados por um algoritmo de fusão de sensores, de modo a atingir um maior alcance operacional. Uma configuração com dois módulos foi montada e testada, tendo alcançado um desempenho semelhante à configuração de um só módulo. / In the last years the number of industrial applications for Augmented Reality (AR) and Virtual Reality (VR) environments has significantly increased. Optical tracking systems are an important component of AR/VR environments. In this work, a low cost optical tracking system with adequate attributes for professional use is proposed. The system works in infrared spectral region to reduce optical noise. A highspeed camera, equipped with daylight blocking filter and infrared flash strobes, transfers uncompressed grayscale images to a regular PC, where image pre-processing software and the PTrack tracking algorithm recognize a set of retro-reflective markers and extract its 3D position and orientation. Included in this work is a comprehensive research on image pre-processing and tracking algorithms. A testbed was built to perform accuracy and precision tests. Results show that the system reaches accuracy and precision levels slightly worse than but still comparable to professional systems. Due to its modularity, the system can be expanded by using several one-camera tracking modules linked by a sensor fusion algorithm, in order to obtain a larger working range. A setup with two modules was built and tested, resulting in performance similar to the stand-alone configuration.

As escavações subterrâneas têm estado sempre afetadas pelas condições dos maciços, os quais apresentam diferentes características e comportamentos frente a deformações ocasionadas após a escavação de uma galeria ou túnel. Em virtude disto, torna-se necessário uma análise dos parâmetros que permitam estabelecer as condições de segurança do túnel e propõe-se o uso de um sistema estéreo de rastreamento ótico para analisar o deslocamento de artefatos (conjunto de marcadores) instalados sobre o contorno das faces do túnel, a fim de detectarem-se deslocamentos do maciço em pontos estabelecidos com precisão menor a ±1 mm. O sistema proposto opera na região espectral do infravermelho, permitindo assim uma operação em ambientes com baixa luminosidade e com inserção de ruído ótico. Adicionalmente o trabalho inclui resultados de validação e desenvolvimento do sistema de visão estéreo baixo condições de dois cenários de diferente volume espacial, assim como o procedimento realizado para a calibração dos parâmetros intrínsecos e extrínsecos dos sensores do sistema (câmeras monocromáticas). Os resultados obtidos apresentam uma precisão de ±0,1881 mm para artefatos com três marcadores e uma precisão de ±0,4952 para artefatos com quatro marcadores. Finalmente, o sistema opera com uma sensibilidade de 0,99 mm na determinação da posição de um artefato associado a um ponto do perfil do túnel, e desta forma, podem-se definir as condições de estabilidade do maciço rochoso e os requisitos para auxilio as decisões de métodos de tratamento e aumento da segurança. / Underground excavations have always been affected by the conditions of mass, which have different characteristics and behaviors against deformation caused after excavation of a gallery or tunnel. Because of this, it is necessary an analysis of the parameters needed to establish the safety conditions of the tunnel and it is proposed the use of a stereo optical tracking to analyze the displacement of artifacts (set of markers) installed on the contour of tunnels’ faces in order to detect displacements of the mass points established with a precision lower than ±1 mm. This system operates in the infrared spectral region to take advantage of the low light and reduce the optical noise in environments with grace. Further work includes validation results and development of low stereo vision conditions of two different scenarios spatial volume, as well as the procedure carried out to calibrate the intrinsic and extrinsic parameters of the system sensors (monochrome camera) system. The results show an accuracy of ± 0,1881 mm for artifacts with three markers and an accuracy of ± 0,4952 for artifacts with four markers. Finally, the system operates with a sensitivity of 0,99 mm in the determination of an artifact associated with a point in the tunnel profile position, and thus, one can define the conditions for stability of the rock mass and assistance requirements for the decisions of treatment methods and increased.

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The task of collecting visitor data in an indoor environment and therein determining the occupancy of a building is an extensive task. Conventional methods are expensive, time-consuming, and often lack the ability to produce data in longer time series. Further, they often require disruption of the studied area as equipment must be deployed. The use-case for such data sets is often also limited as it can only reflect a certain state-of-time in the studied space.The thesis seeks to investigate if using a Wi-Fi tracking system as a methodology to measure building occupancy through passive data collection is a viable method. Through continuous monitoring over an extended period, it seeks to do a trend analysis over a limited time. The collected data reveals insights into peak usage periods and commonly used areas. Although not used in this study, this methodology could leverage existing Wi-Fi infrastructure eliminating the need of installing additional equipment.In the case study, temporary wireless access points were deployed in the office which was studied. Data was then gathered after a month-long measurement period. This data was analyzed, and patterns were discovered showing higher occupation in the beginning of weeks and declining towards weekends. The focus of the study was to see if the technology would work in this context as it had previously not been tested in office environments.The results showed that there were some differences between data predicted by the Wi-Fi tracking system and that observed by the authors while conducting manual counts for validation during certain hours in the office. This may stem from faulty calibration of the model or settings affecting the signal strength required for the system to register devices as visitors. Mainly the conclusions are bound to the thesis subject and not placed in a larger context, however applications in public transport are suggested.The study displays the possibilities offered by using Wi-Fi tracking systems as a method to collect and analyze data in indoor environments. Further study of the subject would likely find a better model calibration able to predict more accurate results. Such results could be used and integrated with HVAC control systems to contribute to energy savings.

This thesis aimed to develop a rendezvous and proximity operation simulation to be tested with physical sensors and hardware, in order to assess the fidelity and performance of low-cost off-the-shelf systems for a hardware-in-the-loop testbed. With the push towards complex autonomous rendezvous missions, a low barrier to entry spacecraft simulator platform allows researchers to test and validate robotics systems, sensors, and algorithms for space applications, without investing in multimillion dollar equipment. This thesis conducted drone flights that followed a representative rendezvous trajectory while collecting lidar data of a target spacecraft model with a lidar sensor affixed to the drone. A relative orbital motion simulation tool was developed to create trajectories of varying orbits and initial conditions, and a representative trajectory was selected for use in drone flights. Two 3D tracking systems, OptiTrack and Vive, were assessed during these flights. OptiTrack is a high-cost state-of-the-art motion capture system that performs pose estimation by tracking reflective markers on a target in the tracking area. Vive is a lower-cost tracking system whose base stations emit lasers for its tracker to detect. Data collection by two lidar types was also assessed during these flights: real lidar data from a physical sensor, and virtual lidar data from a virtual sensor in a virtual environment. Drone flights were therefore performed in these four configurations of tracking system and lidar type, to directly compare the performance of higher-cost configurations with lower-cost configurations. The errors between the tracked drone position time history and the target position time history were analyzed, and the low-cost Vive and real lidar configuration was demonstrated to provide comparable error to the OptiTrack and real lidar configuration because of the dominance of the drone controller error over the tracking system error. In addition, lidar data of a target satellite model was collected by real and virtual lidar sensors during these flights, and point clouds were successfully generated. The resulting point clouds were compared by visualizing the data and noting the characteristics of real lidar data and its error, and how it compared to idealized virtual lidar data of a virtual target satellite model. The resulting real-world data characteristics were found to be modellable which can then be used for more robust simulation development within virtual reality. These results demonstrated that low-cost and open-source hardware and software provide satisfactory results for simulating this kind of spacecraft mission and capturing useful and usable data. / Master of Science / As space missions become more complex, there is a need for lower-cost, more accessible spacecraft simulation platforms that can test and validate hardware and software on the ground for a space-based mission. In this thesis, two position tracking systems and two lidar data collection types were assessed to see if the performance of a low-cost tracking system was comparable to a high-cost tracking system for a space-based simulation. The tracking systems tested were the high-cost state-of-the-art OptiTrack system and the low-cost Vive system. The two types of lidar data collected were real lidar from a physical sensor and virtual lidar from a virtual sensor. These assessments were performed in four configurations, to test each configuration of tracking system and lidar type. First, a simulation tool was developed to simulate the orbital dynamics of a spacecraft that operates in proximity to another spacecraft. After choosing an orbit and initial conditions that represent one such potential mission, the resulting trajectory was uploaded to a drone which acted as a surrogate for a spacecraft, and it flew the uploaded route around a model satellite, collecting lidar data in the process with a lidar sensor affixed to the drone. The tracking systems provided the drone with its position data, and the lidar sensor on the drone collected lidar data of a model satellite as it flew. The data revealed that the low-cost tracking system performance was comparable to the high-cost tracking system because the drone's controller error dominated over the tracking system errors. Additionally, the low-cost drone and physical lidar sensor generated high quality point cloud data that captured the geometry of the target satellite and illustrated the characteristics of real-world lidar data and its errors. These results demonstrated that low-cost and open-source hardware and software provide satisfactory results for simulating this kind of spacecraft mission and capturing useful and usable data.

A partir de 2014, o interesse pelas grandes centrais de geração fotovoltaica tem aumentado no Brasil. Visando elevar a produtividade dos sistemas e, com isso, alavancar a competitividade econômica, muitos dos investidores de grandes projetos estão optando pela utilização de sistemas de seguimento solar. Contudo, há pouco conhecimento sobre o real desempenho operacional de sistemas fotovoltaicos com seguimento no país. Este trabalho avalia a operação e o desempenho de sistemas fotovoltaicos com seguimento solar, com e sem concentração, através de dois estudos de caso. No primeiro, foram avaliados e comparados dois sistemas fotovoltaicos com seguimento em dois eixos, um com módulos de concentração e outro com módulos planos, ambos instalados em Ilha Solteira, São Paulo. Já no segundo, realizou-se a avaliação de um sistema fotovoltaico com seguimento de eixo horizontal instalado na Universidade de São Paulo, bem como a comparação deste sistema com um sistema fixo. Para realizar as avaliações nos estudos de caso, foram utilizadas as figuras de mérito produtividade final, YF, rendimento global, PR, e fator de capacidade, FC. No caso dos sistemas de Ilha Solteira, os resultados evidenciam não só que o sistema sem concentração teve um melhor desempenho em relação ao sistema com concentração, como também evidenciam a necessidade de atenção devido às particularidades dos sistemas fotovoltaicos com concentração no Brasil. No caso dos sistemas instalados na Universidade de São Paulo, os resultados mostram que, ao longo de seis meses de operação, o sistema fotovoltaico de eixo horizontal teve um ganho médio de produtividade final de 9% comparado com o sistema fixo. / Since 2014, interest in large-scale photovoltaic power plants has increased in Brazil. Aiming to raise system yield and thereby boost economic competitiveness, many investors are making use of solar tracking systems. However, there is little knowledge on the actual operational performance of photovoltaic systems with solar tracking in the country. This work evaluates the operation and performance of photovoltaic systems with solar tracking capabilities, with and without concentration technology, through two case studies. First, two photovoltaic systems with dual-axis solar tracking, one with concentration modules and the other with flat modules, both installed in Ilha Solteira, São Paulo, are evaluated and compared. Second, the performance of a photovoltaic system with horizontal axis solar tracking installed at the University of São Paulo, São Paulo, is evaluated, followed by a comparison with a fixed photovoltaic system. In order to carry out these assessments, the final yield, YF, the performance ratio, PR, and the capacity factor, FC, were used as figures of merit. Regarding the systems installed in Ilha Solteira, the results not only show that the non-concentrating system performed better than the concentrating system, but also evidences the necessity for attention due to the particularities of the photovoltaic systems with concentration technology in Brazil. As for the systems installed at the University of São Paulo, the results show that the photovoltaic system with horizontal-axis solar tracking had a final average yield 9% higher when compared to the fixed-tilt system.

A partir de 2014, o interesse pelas grandes centrais de geração fotovoltaica tem aumentado no Brasil. Visando elevar a produtividade dos sistemas e, com isso, alavancar a competitividade econômica, muitos dos investidores de grandes projetos estão optando pela utilização de sistemas de seguimento solar. Contudo, há pouco conhecimento sobre o real desempenho operacional de sistemas fotovoltaicos com seguimento no país. Este trabalho avalia a operação e o desempenho de sistemas fotovoltaicos com seguimento solar, com e sem concentração, através de dois estudos de caso. No primeiro, foram avaliados e comparados dois sistemas fotovoltaicos com seguimento em dois eixos, um com módulos de concentração e outro com módulos planos, ambos instalados em Ilha Solteira, São Paulo. Já no segundo, realizou-se a avaliação de um sistema fotovoltaico com seguimento de eixo horizontal instalado na Universidade de São Paulo, bem como a comparação deste sistema com um sistema fixo. Para realizar as avaliações nos estudos de caso, foram utilizadas as figuras de mérito produtividade final, YF, rendimento global, PR, e fator de capacidade, FC. No caso dos sistemas de Ilha Solteira, os resultados evidenciam não só que o sistema sem concentração teve um melhor desempenho em relação ao sistema com concentração, como também evidenciam a necessidade de atenção devido às particularidades dos sistemas fotovoltaicos com concentração no Brasil. No caso dos sistemas instalados na Universidade de São Paulo, os resultados mostram que, ao longo de seis meses de operação, o sistema fotovoltaico de eixo horizontal teve um ganho médio de produtividade final de 9% comparado com o sistema fixo. / Since 2014, interest in large-scale photovoltaic power plants has increased in Brazil. Aiming to raise system yield and thereby boost economic competitiveness, many investors are making use of solar tracking systems. However, there is little knowledge on the actual operational performance of photovoltaic systems with solar tracking in the country. This work evaluates the operation and performance of photovoltaic systems with solar tracking capabilities, with and without concentration technology, through two case studies. First, two photovoltaic systems with dual-axis solar tracking, one with concentration modules and the other with flat modules, both installed in Ilha Solteira, São Paulo, are evaluated and compared. Second, the performance of a photovoltaic system with horizontal axis solar tracking installed at the University of São Paulo, São Paulo, is evaluated, followed by a comparison with a fixed photovoltaic system. In order to carry out these assessments, the final yield, YF, the performance ratio, PR, and the capacity factor, FC, were used as figures of merit. Regarding the systems installed in Ilha Solteira, the results not only show that the non-concentrating system performed better than the concentrating system, but also evidences the necessity for attention due to the particularities of the photovoltaic systems with concentration technology in Brazil. As for the systems installed at the University of São Paulo, the results show that the photovoltaic system with horizontal-axis solar tracking had a final average yield 9% higher when compared to the fixed-tilt system.

[pt] O rastreamento visual é uma etapa essencial em diversas aplicações de visão computacional. Em particular, o rastreamento facial é considerado uma tarefa desafiadora devido às variações na aparência da face, devidas à etnia, gênero, presença de bigode ou barba e cosméticos, além de variações na aparência ao longo da sequência de vídeo, como deformações, variações em iluminação, movimentos abruptos e oclusões. Geralmente, os rastreadores são robustos a alguns destes fatores, porém não alcançam resultados satisfatórios ao lidar com múltiplos fatores ao mesmo tempo. Uma alternativa é combinar as respostas de diferentes rastreadores para alcançar resultados mais robustos. Este trabalho se insere neste contexto e propõe um novo método para a fusão de rastreadores escalável, robusto, preciso e capaz de manipular rastreadores independentemente de seus modelos. O método prevê ainda a integração de detectores de faces ao modelo de fusão de forma a aumentar a acurácia do rastreamento. O método proposto foi implementado para fins de validação, tendo sido testado em diversas configurações que combinaram até cinco rastreadores distintos e um detector de faces. Em testes realizados a partir de quatro sequências de vídeo que apresentam condições diversas de imageamento o método superou em acurácia os rastreadores utilizados individualmente. / [en] Visual tracking is fundamental in several computer vision applications. In particular, face tracking is challenging because of the variations in facial appearance, due to age, ethnicity, gender, facial hair, and cosmetics, as well as appearance variations in long video sequences caused by facial deformations, lighting conditions, abrupt movements, and occlusions. Generally, trackers are robust to some of these factors but do not achieve satisfactory results when dealing with combined occurrences. An alternative is to combine the results of different trackers to achieve more robust outcomes. This work fits into this context and proposes a new method for scalable, robust and accurate tracker fusion able to combine trackers regardless of their models. The method further provides the integration of face detectors into the fusion model to increase the tracking accuracy. The proposed method was implemented for validation purposes and was tested in different configurations that combined up to five different trackers and one face detector. In tests on four video sequences that present different imaging conditions the method outperformed the trackers used individually.