Controle de qualidade de papel com imagem multiespectral: formação, cor e fibras

Um teste em papel branco e marrom mostra o que 19 bandas, do UV ao NIR, revelam sobre formação da folha, cor e fibras — e o caminho para mapas de umidade.

No papel, as propriedades que definem a qualidade raramente são iguais na folha inteira. A distribuição das fibras — a formação —, a cor e a umidade variam de um ponto a outro, e é essa variação que depois aparece na impressão, na conversão ou na diferença de tom entre lotes. Já os ensaios de rotina entregam, em geral, um número por corpo de prova: a gramatura de uma área recortada e pesada, a cor lida na abertura de um espectrofotômetro. São números necessários, mas não mostram onde está a variação nem de que tamanho ela é.

A imagem multiespectral mede a folha inteira, pixel a pixel, em várias faixas do espectro de uma vez. Para ver o que isso rende em papel, fizemos um teste exploratório com duas amostras de um cliente industrial — uma folha de papel branco e uma de papel marrom. A seguir, o que apareceu em uma única aquisição e que outras medidas a mesma física permite, entre elas mapas de umidade.

Como a imagem multiespectral lê uma folha de papel

As duas folhas foram imageadas juntas no VideometerLab 4, sob iluminação difusa: o papel branco em cima e o marrom, em duas metades, embaixo, com a metade esquerda cobrindo parte do branco. Uma aquisição registra 19 imagens, uma por banda de LED entre 365 nm (ultravioleta) e 960 nm (infravermelho próximo), cada uma com 4096 × 3000 pixels — 30 µm por pixel, num campo de cerca de 12 × 9 cm.

É uma única aquisição, sem réplicas e sem medidas de referência feitas por outro método. As observações a seguir são qualitativas: mostram o que a tecnologia enxerga no papel, não ainda com que exatidão.

Composição em cores de uma folha de papel branco, acima, e de duas metades de papel marrom, abaixo, sobre o fundo azul do equipamento — A aquisição em cores (sRGB), composta a partir das bandas visíveis. Acima, o papel branco; abaixo, as duas metades do papel marrom — a da esquerda cobre parte do branco. Todas as figuras deste texto saem desta mesma aquisição.

Formação da folha: como ver onde o papel é mais fino

O mapa de homogeneidade, na abertura deste texto, pinta cada ponto numa escala do azul (valores baixos) ao vermelho (valores altos); fora do papel, o fundo fica em preto. O papel branco alterna manchas altas e baixas por toda a folha: não é homogêneo. As metades do papel marrom respondem de forma bem mais uniforme.

A chave para ler o mapa está nas sobreposições. O vermelho-escuro coincide com os lugares onde há mais papel — onde a metade marrom cobre o branco e na junção entre as metades. Isso sugere que o mapa acompanha a quantidade de material sob a câmera; nessa leitura, as manchas azuis do papel branco são as regiões mais finas da folha. Se essa leitura se confirmar contra a gramatura, o mapa é uma imagem da formação: a distribuição das fibras em escala de milímetros, que a indústria costuma avaliar olhando a folha contra a luz.

A banda de 850 nm confirma o quadro. No infravermelho próximo, o que dá cor ao papel marrom quase não absorve: nessa banda, ele reflete praticamente tanto quanto o branco (veja o espectro adiante). A cor sai de cena, e o sinal passa a depender do espalhamento da luz pelas fibras — da estrutura da folha. O papel branco mostra uma textura em flocos e faixas de resposta diferente junto às laterais, onde o mapa também marca vermelho. E o papel marrom deixa ver a folha que está por baixo dele.

Banda de 850 nm em tons de cinza: o papel branco com textura manchada, em flocos, e uma faixa clara junto à borda direita; as metades de papel marrom quase tão claras quanto o branco — Banda de 850 nm (infravermelho próximo). No papel branco, a textura em flocos e as faixas junto às laterais. O papel marrom já reflete quase tanto quanto o branco, e o que se vê é a estrutura da folha.

O passo seguinte é converter o mapa em um índice por folha e compará-lo com gramatura, espessura e opacidade medidas nas mesmas folhas. E, como a formação se avalia tradicionalmente por transmissão, vale repetir a aquisição com o acessório de luz de fundo do equipamento.

Cor do papel: diferenças pequenas, mas sistemáticas

O espectro médio de três regiões, marcadas na imagem abaixo, mostra o que a composição em cores esconde. As duas metades do papel marrom têm curvas de mesma forma, mas que não coincidem: a da esquerda fica acima da outra em praticamente toda a faixa — cerca de 1 unidade de reflectância no azul e de 2 a 3 unidades do vermelho em diante (a partir de 630 nm). A diferença é pequena, mas sistemática: aparece banda após banda, sempre na mesma direção.

Com uma região por metade e uma só aquisição, não dá para saber se ela vem do próprio papel (ao longo da folha ou entre faces) ou da posição no campo de visão; réplicas separam essas fontes. O que a imagem acrescenta é escala: o espectro de cada pixel permite repetir a comparação entre folhas, faces ou lotes, e dele se estimam as coordenadas CIELab já usadas no controle de qualidade.

O papel branco tem reflectância alta e quase plana no visível, em torno de 46, com leve queda entre 570 e 590 nm — e sobe para perto de 70 em 365 nm. Como papel sem aditivos costuma refletir menos no ultravioleta do que no visível, o salto sugere fluorescência, como a de alvejantes ópticos, que absorvem ultravioleta e reemitem luz azul; sem filtro, a câmera soma a luz refletida à emitida. É uma hipótese a confirmar, e o equipamento faz aquisições de fluorescência com filtro de emissão.

À esquerda, as amostras em tons de cinza com três círculos marcando as regiões medidas; à direita, a reflectância média de cada região entre 365 e 960 nm: o papel branco alto e quase plano, com pico em 365 nm, e as duas metades do papel marrom subindo do azul ao infravermelho, a azul sempre um pouco acima da vermelha — À esquerda, as três regiões medidas: ROI 1 na metade esquerda do papel marrom (azul), ROI 2 na metade direita (vermelho) e ROI 3 no papel branco (ciano). À direita, o espectro médio de cada uma, sob iluminação difusa, sem filtro e sem normalização. As curvas marrons têm a mesma forma, mas não se sobrepõem; o ponto mais alto do papel branco está em 365 nm.

Fibras de papel no ultravioleta e no verde

No ultravioleta, as fibras do papel branco aparecem uma a uma, claras sobre a própria folha, enquanto o papel marrom quase não responde e fica escuro. Em 550 nm, a ampliação da junção entre os papéis mostra as fibras do papel marrom soltas nas bordas rasgadas.

Papel branco em imagem de ultravioleta: fibras claras e finas visíveis individualmente sobre a folha; o papel marrom, na faixa inferior, aparece escuro — Papel branco no ultravioleta (365 nm). Fibras individuais aparecem claras sobre a folha; o papel marrom, na faixa de baixo, quase não responde e fica escuro.

Há, porém, um limite de escala. Com 30 µm por pixel, a largura de uma fibra de celulose — da ordem de 15 a 45 µm, conforme a madeira — fica na escala de um único pixel. Dá para ver as fibras e como se distribuem na superfície da folha; medir a largura de cada uma é tarefa para um analisador de fibras ou para microscopia.

Ampliação em 550 nm da junção entre duas metades de papel marrom e o papel branco, com fibras soltas visíveis ao longo das bordas rasgadas — Banda de 550 nm (verde), ampliada na junção entre as duas metades do papel marrom (embaixo) e o papel branco (em cima, à direita). As fibras do papel marrom aparecem soltas ao longo das bordas rasgadas.

Em resumo, a aquisição mostrou:

Mapa de homogeneidade: regiões de mais e de menos material no papel branco.
850 nm: a textura em flocos e a folha que está sob o papel marrom.
Espectro de 365 a 960 nm: a diferença de cor entre as metades do papel marrom.
365 nm: as fibras do papel branco e um sinal que sugere fluorescência.
550 nm: as fibras soltas nas bordas do papel marrom.

Mapas de umidade e outras medidas possíveis em papel

A mesma aquisição abre caminho para outras medidas — algumas já citadas entre as aplicações em celulose e papel no setor florestal.

Mapa de umidade. A água absorve no infravermelho próximo, numa banda perto de 970 nm. A banda de 960 nm do equipamento cai sobre essa absorção, e as de 850 e 880 nm, fora dela, servem de referência: a razão entre elas, pixel a pixel, é a base de um mapa de umidade — a mesma física do nosso trabalho sobre uniformidade de umidade em sementes de soja. Em papel, é o caminho para ver como a água se distribui na folha, em escala de milímetros — e umidade desigual é causa conhecida de enrolamento e ondulação.

Pintas e contaminantes. O software isola cada objeto da imagem — é assim que trata cada semente de uma bandeja, medindo cor, forma e textura de cada uma. Em papel, os objetos seriam pintas, palitos e contaminantes, e o espectro de cada um pode ajudar a separar os tipos — casca, plástico, tinta —, desde que cada tipo tenha assinatura própria nas 19 bandas. É o que um teste com amostras conhecidas responde.

Como testar o seu papel

O caminho começa com uma amostra. Envie algumas folhas, de preferência já medidas nos seus ensaios de rotina — gramatura, umidade, alvura. A análise é feita no equipamento de demonstração, em Curitiba (PR), e o retorno é um relatório que diz se a tecnologia enxerga o que você precisa medir, normalmente em cerca de dez dias úteis. Fale conosco e descreva o seu material.