Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos de processamento de imagens para câmeras térmicas, com o objetivo de sintetizá-los em FPGA. Existem diversas aplicações para imagens térmicas nas áreas médica, de segurança e industrial, por isso o conhecimento e o desenvolvimento de câmeras térmicas são de interesse para a academia e para a indústria. Por consequência, o desenvolvimento de algoritmos que tratem as imagens também representa importante papel. Os algoritmos implementados neste trabalho são: correção de não uniformidade (NUC); substituição de pixels defeituosos, ou bad pixels, (BPR); redução da resolução de cor com realce de contraste; e filtro espacial para realçar detalhes da imagem, chamado de filtro de nitidez. Os três primeiros são algoritmos importantes devido à características dos detectores e de câmeras térmicas, já o filtro de nitidez foi proposto para melhorar a visualização de objetos nas imagens. Com os algoritmos simulados em Matlab foram feitas medidas de contraste e de MTF das imagens de saída, e os resultados obtidos para os algoritmos de realce de contraste e de nitidez mostraram que eles são adições importantes ao conjunto de algoritmos básicos para câmeras térmicas, já que, para alguns casos, o realce de contraste aumentou em mais de 50% a medida de contraste da imagem, em comparação com o algoritmo anterior, e o filtro de nitidez proporcionou valores de MTF até duas vezes maiores. Os algoritmos de NUC e BPR apresentaram os resultados esperados, corrigindo a imagem recebida do detector. As imagens utilizadas eram de 640×512 pixels processadas em uma taxa de 30 fps, e dessa forma optou-se pelo FPGA para a síntese dos algoritmos, sendo possível realizar os processamentos paralelamente contando com a característica de alto throughput inerente a estes componentes. Os algoritmos implementados em FPGA apresentaram desempenho superior aos requisitos mínimos de tempo para o sistema utilizado, sendo perfeitamente capazes de processar o vídeo de entrada em tempo real. / This work presents the development of FPGA-synthesizable image processing algorithms to thermal cameras. There are plenty of applications for thermal imaging in medical, security and industrial areas, therefore, the knowledge and the development of thermal cameras are of great interest to both academia and industry. Consequently, the development of algorithms to enhance the images is also important. The implemented algorithms are: nonuniformity correction (NUC); bad pixel replacement (BPR); pixel depth reduction with contrast enhancement; and emboss spatial filter. The three first algorithms are important because of some characteristics of infrared detectors and cameras, and the emboss filter is proposed to improve the visualization of objects in the images. With the algorithms simulated in Matlab, the contrast and MTF were measured in the output images, and the results showed that the contrast enhancement and the emboss filter algorithms are important additions to the infrared cameras basic set of image processing algorithms since, for some cases, the contrast enhancement was able to improve the contrast by 50% and the emboss filter have doubled the MTF. NUC and BPR algorithms had the expected results, correcting the image from the detector. There were used images with resolution of 640×512 at 30 frames per second and, because of this, it was chosen to synthesize the algorithms in an FPGA, this way it is possible to run them in parallel, counting on the high throughput characteristic of the FPGAs. The implemented algorithms have better timing performance than the needed for the system used, being perfectly able to process the input video in real time.

O Brasil é destaque mundial na produção, na exportação e no consumo de café. Esta cultura ocupa cerca de dois milhões de hectares no território brasileiro, sendo plantada principalmente nos estados de MG, ES, SP e BA. A irrigação está presente em cerca de 10% da área plantada do cafeeiro arábica, já para o café robusta, este valor chega a 35%, o que torna o café uma das principais culturas irrigadas do Brasil. Porém, o déficit hídrico tornou-se o principal fator limitante da produção cafeeira, devido a expansão da cafeicultura para áreas consideradas marginais. A resposta do cafeeiro ao estresse hídrico pode ser avaliada utilizando-se medidas de potencial de água na folha no pré amanhecer, no entanto, essa metodologia restringe-se a atividades de pesquisa. O uso do CWSI (Crop Water Stress Index) calculado através da temperatura foliar como indicativo do potencial hídrico pode ser uma alternativa. O objetivo deste trabalho foi definir as relações entre o potencial de água na folha da cultura do café com o CWSI calculado através de medidas de temperatura com canhão infravermelho e com câmera térmica e analisar se estas relações apresentam bons índices de correlação, de precisão e de acurácia. O estudo foi realizado em um ambiente protegido localizado na área de pesquisa do Departamento de Engenharia de Biossistemas na Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\". A espécie plantada foi a Coffea arabica da variedade Catuaí Vermelho IAC 144, o sistema de irrigação adotado foi o gotejamento e o manejo foi feito por tensiometria. Utilizou-se o delineamento em blocos casualizados, sendo este formado por quatro blocos e quatro lâminas de irrigação (L130%, L100%, L70% e L40%) aplicadas em quatro épocas distintas (30/03 a 24/04, 07/06 a 02/07, 17/08 a 11/09 e 10/10 a 04/11) ao longo do ano de 2015. A unidade experimental foi representada por uma caixa com uma planta. Foram avaliadas a fração de radiação fotossinteticamente ativa interceptada, o potencial de água na folha e a temperatura foliar. A partir dos dados de temperatura foliar e dos dados meteorológicos calculouse o CWSI. As três variáveis avaliadas apresentaram relações significativas com os tratamentos impostos. O CWSI calculado para as diferentes situações e o potencial de água na folha apresentaram correlações bem representadas pelos modelos linear e cúbico. Os mesmos modelos apresentaram altos índices de precisão e acurácia. Conclui-se que o CWSI é um bom indicador do potencial hídrico da cultura do cafeeiro e pode substituir medidas do potencial de água na folha realizadas na câmara de Scholander. / Brazil is the world featured in production, export and consumption of coffee. This crop occupies about two million hectares in our country, it is mainly planted in state MG, ES, SP and BA. Irrigation is present in about 10% of the area planted arabica coffee, as for robusta coffee, this figure reaches 35%, which makes coffee one of the main irrigated crops in Brazil. But the drought has become the main limiting factor of coffee production due to the coffee growing expansion into areas considered marginal. The coffee response to water stress can be evaluated using water potential measurements on the sheet in the pre dawn, however, this methodology is limited to research activities. The use of CWSI (Crop Water Stress Index) calculated by leaf temperature as an indicator of water potential may be an alternative. The objective of this study was to define the relationship between the potential of water in the coffee culture of the sheet with the CWSI calculated from temperature measurements with infrared gun and thermal camera and analyze if these relations have good levels of correlation, accuracy and accuracy. The study was conducted in a protected environment located in the area of research in the Department of Biosystems Engineering at the School of Agriculture \"Luiz de Queiroz\". The planted species was the Coffea arabica variety Catuaí IAC 144, the adopted irrigation system was dripping and management was made by tensiometers. We used the randomized block design, which is made up of four blocks and four irrigation levels (L130%, L100%, L70% and L40%) applied in four different times (30/03 a 24/04, 07/06 a 02/07, 17/08 a 11/09 e 10/10 a 04/11) the 2015 year long. The unit experimental was represented by a box with a plant. We evaluated the intercepted photosynthetically active radiation fraction, water potential in the leaf and the leaf temperature. From the leaf temperature data and meteorological data we calculated the CWSI. The three variables evaluated showed significant relationships with tax treatments. The CWSI calculated for different situations and the potential of water in the sheet showed correlations well represented by linear and cubic models. The same models showed high precision and accuracy. It is concluded that the CWSI is a good indicator of water potential of the coffee crop and can replace water potential measurements on the sheet held in Scholander chamber.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de algoritmos de processamento de imagens para câmeras térmicas, com o objetivo de sintetizá-los em FPGA. Existem diversas aplicações para imagens térmicas nas áreas médica, de segurança e industrial, por isso o conhecimento e o desenvolvimento de câmeras térmicas são de interesse para a academia e para a indústria. Por consequência, o desenvolvimento de algoritmos que tratem as imagens também representa importante papel. Os algoritmos implementados neste trabalho são: correção de não uniformidade (NUC); substituição de pixels defeituosos, ou bad pixels, (BPR); redução da resolução de cor com realce de contraste; e filtro espacial para realçar detalhes da imagem, chamado de filtro de nitidez. Os três primeiros são algoritmos importantes devido à características dos detectores e de câmeras térmicas, já o filtro de nitidez foi proposto para melhorar a visualização de objetos nas imagens. Com os algoritmos simulados em Matlab foram feitas medidas de contraste e de MTF das imagens de saída, e os resultados obtidos para os algoritmos de realce de contraste e de nitidez mostraram que eles são adições importantes ao conjunto de algoritmos básicos para câmeras térmicas, já que, para alguns casos, o realce de contraste aumentou em mais de 50% a medida de contraste da imagem, em comparação com o algoritmo anterior, e o filtro de nitidez proporcionou valores de MTF até duas vezes maiores. Os algoritmos de NUC e BPR apresentaram os resultados esperados, corrigindo a imagem recebida do detector. As imagens utilizadas eram de 640×512 pixels processadas em uma taxa de 30 fps, e dessa forma optou-se pelo FPGA para a síntese dos algoritmos, sendo possível realizar os processamentos paralelamente contando com a característica de alto throughput inerente a estes componentes. Os algoritmos implementados em FPGA apresentaram desempenho superior aos requisitos mínimos de tempo para o sistema utilizado, sendo perfeitamente capazes de processar o vídeo de entrada em tempo real. / This work presents the development of FPGA-synthesizable image processing algorithms to thermal cameras. There are plenty of applications for thermal imaging in medical, security and industrial areas, therefore, the knowledge and the development of thermal cameras are of great interest to both academia and industry. Consequently, the development of algorithms to enhance the images is also important. The implemented algorithms are: nonuniformity correction (NUC); bad pixel replacement (BPR); pixel depth reduction with contrast enhancement; and emboss spatial filter. The three first algorithms are important because of some characteristics of infrared detectors and cameras, and the emboss filter is proposed to improve the visualization of objects in the images. With the algorithms simulated in Matlab, the contrast and MTF were measured in the output images, and the results showed that the contrast enhancement and the emboss filter algorithms are important additions to the infrared cameras basic set of image processing algorithms since, for some cases, the contrast enhancement was able to improve the contrast by 50% and the emboss filter have doubled the MTF. NUC and BPR algorithms had the expected results, correcting the image from the detector. There were used images with resolution of 640×512 at 30 frames per second and, because of this, it was chosen to synthesize the algorithms in an FPGA, this way it is possible to run them in parallel, counting on the high throughput characteristic of the FPGAs. The implemented algorithms have better timing performance than the needed for the system used, being perfectly able to process the input video in real time.

O Brasil é destaque mundial na produção, na exportação e no consumo de café. Esta cultura ocupa cerca de dois milhões de hectares no território brasileiro, sendo plantada principalmente nos estados de MG, ES, SP e BA. A irrigação está presente em cerca de 10% da área plantada do cafeeiro arábica, já para o café robusta, este valor chega a 35%, o que torna o café uma das principais culturas irrigadas do Brasil. Porém, o déficit hídrico tornou-se o principal fator limitante da produção cafeeira, devido a expansão da cafeicultura para áreas consideradas marginais. A resposta do cafeeiro ao estresse hídrico pode ser avaliada utilizando-se medidas de potencial de água na folha no pré amanhecer, no entanto, essa metodologia restringe-se a atividades de pesquisa. O uso do CWSI (Crop Water Stress Index) calculado através da temperatura foliar como indicativo do potencial hídrico pode ser uma alternativa. O objetivo deste trabalho foi definir as relações entre o potencial de água na folha da cultura do café com o CWSI calculado através de medidas de temperatura com canhão infravermelho e com câmera térmica e analisar se estas relações apresentam bons índices de correlação, de precisão e de acurácia. O estudo foi realizado em um ambiente protegido localizado na área de pesquisa do Departamento de Engenharia de Biossistemas na Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\". A espécie plantada foi a Coffea arabica da variedade Catuaí Vermelho IAC 144, o sistema de irrigação adotado foi o gotejamento e o manejo foi feito por tensiometria. Utilizou-se o delineamento em blocos casualizados, sendo este formado por quatro blocos e quatro lâminas de irrigação (L130%, L100%, L70% e L40%) aplicadas em quatro épocas distintas (30/03 a 24/04, 07/06 a 02/07, 17/08 a 11/09 e 10/10 a 04/11) ao longo do ano de 2015. A unidade experimental foi representada por uma caixa com uma planta. Foram avaliadas a fração de radiação fotossinteticamente ativa interceptada, o potencial de água na folha e a temperatura foliar. A partir dos dados de temperatura foliar e dos dados meteorológicos calculouse o CWSI. As três variáveis avaliadas apresentaram relações significativas com os tratamentos impostos. O CWSI calculado para as diferentes situações e o potencial de água na folha apresentaram correlações bem representadas pelos modelos linear e cúbico. Os mesmos modelos apresentaram altos índices de precisão e acurácia. Conclui-se que o CWSI é um bom indicador do potencial hídrico da cultura do cafeeiro e pode substituir medidas do potencial de água na folha realizadas na câmara de Scholander. / Brazil is the world featured in production, export and consumption of coffee. This crop occupies about two million hectares in our country, it is mainly planted in state MG, ES, SP and BA. Irrigation is present in about 10% of the area planted arabica coffee, as for robusta coffee, this figure reaches 35%, which makes coffee one of the main irrigated crops in Brazil. But the drought has become the main limiting factor of coffee production due to the coffee growing expansion into areas considered marginal. The coffee response to water stress can be evaluated using water potential measurements on the sheet in the pre dawn, however, this methodology is limited to research activities. The use of CWSI (Crop Water Stress Index) calculated by leaf temperature as an indicator of water potential may be an alternative. The objective of this study was to define the relationship between the potential of water in the coffee culture of the sheet with the CWSI calculated from temperature measurements with infrared gun and thermal camera and analyze if these relations have good levels of correlation, accuracy and accuracy. The study was conducted in a protected environment located in the area of research in the Department of Biosystems Engineering at the School of Agriculture \"Luiz de Queiroz\". The planted species was the Coffea arabica variety Catuaí IAC 144, the adopted irrigation system was dripping and management was made by tensiometers. We used the randomized block design, which is made up of four blocks and four irrigation levels (L130%, L100%, L70% and L40%) applied in four different times (30/03 a 24/04, 07/06 a 02/07, 17/08 a 11/09 e 10/10 a 04/11) the 2015 year long. The unit experimental was represented by a box with a plant. We evaluated the intercepted photosynthetically active radiation fraction, water potential in the leaf and the leaf temperature. From the leaf temperature data and meteorological data we calculated the CWSI. The three variables evaluated showed significant relationships with tax treatments. The CWSI calculated for different situations and the potential of water in the sheet showed correlations well represented by linear and cubic models. The same models showed high precision and accuracy. It is concluded that the CWSI is a good indicator of water potential of the coffee crop and can replace water potential measurements on the sheet held in Scholander chamber.

Este trabalho apresenta a pesquisa e desenvolvimento de algoritmos de pré-processamento digital de imagens para câmeras térmicas não refrigeradas na faixa espectral do infravermelho distante. O estudo de câmeras infravermelhas é uma questão estratégica, uma vez que tem aplicações militares, civis e científicas. Este trabalho define a concepção e implementação de algoritmos de pré-processamento de imagem necessários para obter imagens com baixo ruído e alto contraste, tais como: correção de não-uniformidade, substituição de pixels defeituosos, geração de histograma, aumento de contraste e processamento de saída do pixel, com taxa de 30 quadros por segundo, utilizando detector não-resfriado com matriz de plano focal de 320 x 240 pixels. Neste trabalho todos os algoritmos foram implementados em software para se obter resultados rapidamente e, assim, facilitar a validação dos códigos. Foram gerados resultados de caracterização eletro-óptica do sistema montado com indicação das principais figuras de mérito que norteiam o estudo desta tecnologia, tais como: componentes de ruído tridimensionais, potência equivalente de ruído, responsividade e relação sinal-ruído. Os resultados indicam que os algoritmos de pré-processamento de imagem propostos aumentam a qualidade da imagem a ser exibida, e os resultados das figuras de mérito calculadas sobre o vídeo digital mostram que todas as métricas apresentaram resultados satisfatórios. / This work aims to present the research and development of digital image processing algorithms for uncooled LWIR thermal camera in Brazil. The study of an infrared thermal camera is a strategic issue since that has more and more applications in military, judicature, rescue, industry, hospital and science areas. This work describes the design and implementation of all image-processing algorithms required to obtain high-performance images with low noise and high contrast, such as: functions for non-uniformity correction of sensor deficiencies, dead-pixel replacement algorithms, histogram generation, contrast enhancement methods and output pixel processing with frame rate of 30 frames per second based on 320 x 240 Uncooled Focal Plane Array (UFPA). In this work all algorithms was implemented in software to get results quickly and to facilitate the validation of computer codes. There are some results of electro-optical characterization on the assembled system, indicating the main figures of merit that guide the study of this technology, such as: 3D noise components, noise equivalent power (NEP), signal transfer function (SiTF) and noise equivalent temperature difference (NETD). The results indicate that the proposed imageprocessing algorithms increase the quality of the corrected image, and the test results through the digital video of the infrared camera show that all metrics are in accordance with its nominal value.

Este trabalho apresenta a pesquisa e desenvolvimento de algoritmos de pré-processamento digital de imagens para câmeras térmicas não refrigeradas na faixa espectral do infravermelho distante. O estudo de câmeras infravermelhas é uma questão estratégica, uma vez que tem aplicações militares, civis e científicas. Este trabalho define a concepção e implementação de algoritmos de pré-processamento de imagem necessários para obter imagens com baixo ruído e alto contraste, tais como: correção de não-uniformidade, substituição de pixels defeituosos, geração de histograma, aumento de contraste e processamento de saída do pixel, com taxa de 30 quadros por segundo, utilizando detector não-resfriado com matriz de plano focal de 320 x 240 pixels. Neste trabalho todos os algoritmos foram implementados em software para se obter resultados rapidamente e, assim, facilitar a validação dos códigos. Foram gerados resultados de caracterização eletro-óptica do sistema montado com indicação das principais figuras de mérito que norteiam o estudo desta tecnologia, tais como: componentes de ruído tridimensionais, potência equivalente de ruído, responsividade e relação sinal-ruído. Os resultados indicam que os algoritmos de pré-processamento de imagem propostos aumentam a qualidade da imagem a ser exibida, e os resultados das figuras de mérito calculadas sobre o vídeo digital mostram que todas as métricas apresentaram resultados satisfatórios. / This work aims to present the research and development of digital image processing algorithms for uncooled LWIR thermal camera in Brazil. The study of an infrared thermal camera is a strategic issue since that has more and more applications in military, judicature, rescue, industry, hospital and science areas. This work describes the design and implementation of all image-processing algorithms required to obtain high-performance images with low noise and high contrast, such as: functions for non-uniformity correction of sensor deficiencies, dead-pixel replacement algorithms, histogram generation, contrast enhancement methods and output pixel processing with frame rate of 30 frames per second based on 320 x 240 Uncooled Focal Plane Array (UFPA). In this work all algorithms was implemented in software to get results quickly and to facilitate the validation of computer codes. There are some results of electro-optical characterization on the assembled system, indicating the main figures of merit that guide the study of this technology, such as: 3D noise components, noise equivalent power (NEP), signal transfer function (SiTF) and noise equivalent temperature difference (NETD). The results indicate that the proposed imageprocessing algorithms increase the quality of the corrected image, and the test results through the digital video of the infrared camera show that all metrics are in accordance with its nominal value.

Este trabalho apresenta um sistema de auxilio à navegação autônoma para veículos terrestres com foco em ambientes estruturados em um cenário agrícola. É gerada a estimativa das posições dos obstáculos baseado na fusão das detecções provenientes do processamento dos dados de duas câmeras, uma estéreo e outra térmica. Foram desenvolvidos três módulos de detecção de obstáculos. O primeiro módulo utiliza imagens monoculares da câmera estéreo para detectar novidades no ambiente através da comparação do estado atual com o estado anterior. O segundo módulo utiliza a técnica Stixel para delimitar os obstáculos acima do plano do chão. Por fim, o terceiro módulo utiliza as imagens térmicas para encontrar assinaturas que evidenciem a presença de obstáculo. Os módulos de detecção são fundidos utilizando a Teoria de Dempster-Shafer que fornece a estimativa da presença de obstáculos no ambiente. Os experimentos foram executados em ambiente agrícola real. Foi executada a validação do sistema em cenários bem iluminados, com terreno irregular e com obstáculos diversos. O sistema apresentou um desempenho satisfatório tendo em vista a utilização de uma abordagem baseada em apenas três módulos de detecção com metodologias que não tem por objetivo priorizar a confirmação de obstáculos, mas sim a busca de novos obstáculos. Nesta dissertação são apresentados os principais componentes de um sistema de detecção de obstáculos e as etapas necessárias para a sua concepção, assim como resultados de experimentos com o uso de um veículo real. / This work presents a support system to the autonomous navigation for ground vehicles with focus on structured environments in an agricultural scenario. The estimated obstacle positions are generated based on the fusion of the detections from the processing of data from two cameras, one stereo and other thermal. Three modules obstacle detection have been developed. The first module uses monocular images of the stereo camera to detect novelties in the environment by comparing the current state with the previous state. The second module uses Stixel technique to delimit the obstacles above the ground plane. Finally, the third module uses thermal images to find signatures that reveal the presence of obstacle. The detection modules are fused using the Dempster-Shafer theory that provides an estimate of the presence of obstacles in the environment. The experiments were executed in real agricultural environment. System validation was performed in well-lit scenarios, with uneven terrain and different obstacles. The system showed satisfactory performance considering the use of an approach based on only three detection modules with methods that do not prioritize obstacle confirmation, but the search for new ones. This dissertation presents the main components of an obstacle detection system and the necessary steps for its design as well as results of experiments with the use of a real vehicle.

Este trabalho apresenta um sistema de auxilio à navegação autônoma para veículos terrestres com foco em ambientes estruturados em um cenário agrícola. É gerada a estimativa das posições dos obstáculos baseado na fusão das detecções provenientes do processamento dos dados de duas câmeras, uma estéreo e outra térmica. Foram desenvolvidos três módulos de detecção de obstáculos. O primeiro módulo utiliza imagens monoculares da câmera estéreo para detectar novidades no ambiente através da comparação do estado atual com o estado anterior. O segundo módulo utiliza a técnica Stixel para delimitar os obstáculos acima do plano do chão. Por fim, o terceiro módulo utiliza as imagens térmicas para encontrar assinaturas que evidenciem a presença de obstáculo. Os módulos de detecção são fundidos utilizando a Teoria de Dempster-Shafer que fornece a estimativa da presença de obstáculos no ambiente. Os experimentos foram executados em ambiente agrícola real. Foi executada a validação do sistema em cenários bem iluminados, com terreno irregular e com obstáculos diversos. O sistema apresentou um desempenho satisfatório tendo em vista a utilização de uma abordagem baseada em apenas três módulos de detecção com metodologias que não tem por objetivo priorizar a confirmação de obstáculos, mas sim a busca de novos obstáculos. Nesta dissertação são apresentados os principais componentes de um sistema de detecção de obstáculos e as etapas necessárias para a sua concepção, assim como resultados de experimentos com o uso de um veículo real. / This work presents a support system to the autonomous navigation for ground vehicles with focus on structured environments in an agricultural scenario. The estimated obstacle positions are generated based on the fusion of the detections from the processing of data from two cameras, one stereo and other thermal. Three modules obstacle detection have been developed. The first module uses monocular images of the stereo camera to detect novelties in the environment by comparing the current state with the previous state. The second module uses Stixel technique to delimit the obstacles above the ground plane. Finally, the third module uses thermal images to find signatures that reveal the presence of obstacle. The detection modules are fused using the Dempster-Shafer theory that provides an estimate of the presence of obstacles in the environment. The experiments were executed in real agricultural environment. System validation was performed in well-lit scenarios, with uneven terrain and different obstacles. The system showed satisfactory performance considering the use of an approach based on only three detection modules with methods that do not prioritize obstacle confirmation, but the search for new ones. This dissertation presents the main components of an obstacle detection system and the necessary steps for its design as well as results of experiments with the use of a real vehicle.