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Reportaje destacado

Financiado con arreglo a: FP6-IST

Grandes logros de proyectos - Las cámaras TOF, más cerca de su lanzamiento

Gracias a tecnología pionera desarrollada por un grupo de investigadores europeos, pronto las cámaras TOF (Time-of-Flight, o tiempo de vuelo) serán habituales en automóviles, ordenadores portátiles y teléfonos móviles. Usadas en conjunción con los algoritmos adecuados, esta tecnología permite vislumbrar una nueva época en las interfaces entre humano y ordenador.
Grandes logros de proyectos - Las cámaras TOF, más cerca de su lanzamiento
Thomas es un adolescente cuadraplégico que, con gran esfuerzo, puede ladear la cabeza apenas unos milímetros, siendo éste el único movimiento que es capaz de hacer.

No obstante, gracias a un nuevo sensor TOF en 3D y su correspondiente programa informático desarrollados por investigadores europeos, esa leve maniobra basta para manipular un dispositivo de bajo coste que permite a Thomas usar un ordenador y que, de esta manera, le abre la puerta al mundo de las comunicaciones.

Se trata de un caso imaginario, pero que ilustra el potencial y la proyección de la tecnología nueva y pionera creada por un proyecto de investigación financiado con fondos comunitarios denominado ARTTS («Reconocimiento y rastreo de acciones mediante sensores TOF»). Éste tenía el objetivo de mejorar la tecnología básica y desarrollar nuevos algoritmos (que son los códigos que permiten controlar los sensores) para el reconocimiento de acciones y el seguimiento de objetos.

Las cámaras TOF son una tecnología nueva y muy en boga. «Recientemente Microsoft adquirió 3DV Systems, una empresa israelí de TOF, porque se propone implantar esta tecnología en una consola de próxima aparición», explicó el profesor Erhardt Barth, subdirector del Instituto de Neuro y Bioinformática de la Universidad de Lübeck (Alemania) y coordinador de ARTTS. «La idea central de nuestra investigación es la interacción entre humano y ordenador usando TOF.»

La tecnología TOF se basa en un principio sencillo. Un sensor TOF mide el tiempo que tarda la luz en viajar desde la cámara hasta un objeto y volver (el «tiempo de vuelo») y con esa información calcula la distancia intermedia. Se trata de una cámara tridimensional al estilo de la estereovisión y los escáneres láser, pero más económica y adaptable.

Más rápida, eficiente y barata

Los investigadores emprendieron un programa de trabajo muy ambicioso. Su propósito era mejorar radicalmente las cámaras TOF con respecto a toda la tecnología similar existente aumentando la resolución de la profundidad y la calidad de la señal, reduciendo al mismo tiempo el tamaño, el consumo energético y el coste.

«Queríamos demostrar la viabilidad de desarrollar sensores [...] lo suficientemente pequeños para incorporarlos en cámaras web, ordenadores e incluso dispositivos móviles», explicó el profesor Barth. «Esta nueva cámara es distinta de lo que existía hasta ahora porque es mucho más pequeña y eficiente en cuanto a consumo energético. Para el suministro eléctrico le basta un puerto USB y reúne las mismas propiedades que otras máquinas mucho más abultadas y pesadas y que consumen mucha más energía.»

Pero no bastaba con que fuera más pequeña, barata y eficiente; la cámara también debía ser precisa. «La precisión era otro aspecto importante», indicó el profesor Barth. «La cámara cuenta con iluminación activa, por lo que está dotada de diodos infrarrojos, pero lo extraordinario de su iluminación es que está modulada. El resplandor cambia en el tiempo a gran velocidad, por lo que la precisión depende de la frecuencia, es decir, la velocidad a la que cambia esta iluminación. Conseguimos construir una fuente luminosa de 60 megahertzios. Cambia 60 millones de veces por segundo, así que la cámara es mucho más precisa a corta distancia.»

Otras cámaras están optimizadas para funcionar a larga distancia, de uno a siete metros o más, pero la cámara ARTTS es más precisa a menos de un metro, por lo que es más apropiada para aplicaciones de reconocimiento de gestos en teléfonos de última generación. «El iPhone generalizó el control mediante gestos, así que lo siguiente sería conseguir interacción sin contacto, y ese es nuestro campo.»

«Opino que la cámara ARTTS creada por nuestro socio CSEM es el principal competidor al producto que tiene actualmente Microsoft. Considero que la nuestra es mejor, pero hay que dedicarle más trabajo para que pueda comercializarse a gran escala», destacó el profesor Barth.

Cámara dual

El equipo desarrolló otra cámara que cuenta con un sensor TOF de baja resolución y otro sensor de imagen con calidad HDTV (televisión de alta definición). «Nuestro socio SMI cree que este sensor será más funcional en aplicaciones de seguridad y también de sanidad, ya que proporcionará conexión por vídeo con ancianos y podrá avisar al personal clínico si un paciente presenta algún problema», explicó el profesor Barth, puesto que podría, por ejemplo, seguir los movimientos de una persona por una habitación e interpretar sus acciones.

El profesor Barth se muestra muy optimista con respecto a esta cámara, ya que incluso un sensor TOF de baja resolución ofrece información de la distancia mucho más útil que la de un sensor de imagen de baja resolución. «Pienso que este tipo de cámara dual será excelente en casi todos los entornos y dispositivos en los que se utilice», afirmó. «A grandes rasgos, cuenta con un divisor de haz que envía la luz infrarroja al sensor TOF y la luz visible al sensor de imagen. Los divisores de haz ya son una tecnología afianzada y de bajo coste muy común en las videocámaras.»

Los dispositivos creados son de tecnología punta, pero no podrían funcionar sin el software correspondiente. Equipos universitarios de Dinamarca, Rumanía y Alemania trabajaron en este apartado, y concretamente en tres aspectos. El primero de ellos era genérico y consistía sencillamente en mejorar la calidad de la señal emitida por los sensores TOF, para lo cual los investigadores dieron con soluciones muy ingeniosas.

Por ejemplo, el grupo del profesor Barth se percató de que la intensidad de la luz y la distancia no son valores independientes, sino que guardan relación entre sí por la limitación que impone el efecto de sombra. Si se conocen las propiedades de reflectancia del objeto observado, la calidad de los mapas de rango se puede mejorar de forma drástica, tanto objetiva como subjetivamente, si se tiene en cuenta dicho efecto de sombra. Después se aplicaron otras soluciones que perfeccionaron la señal aún más.

En el apartado de software el segundo objetivo consistía en desarrollar un algoritmo para el seguimiento de objetos. «Tuve que invertir mucho tiempo antes de lograr el seguimiento de rasgos humanos como los ojos y la nariz; no es nada sencillo», informó el profesor Barth, «y más si ha de funcionar en un automóvil u otros lugares en los que la luz cambia constantemente».

Detección de gestos sutiles

Los sensores TOF obtienen dos tipos de medidas: un mapa de la distancia y otro mapa de la intensidad de la luz. En conjunción con el mapa de la distancia, el mapa de la intensidad tiene la resolución suficiente para permitir aplicaciones útiles. Por ejemplo, con estas fuentes de información, los responsables de ARTTS pudieron desarrollar varios algoritmos capaces de rastrear objetos y también personas, dado que la distancia proporciona una medida que es corroborada por la señal correspondiente a la intensidad de la luz.

Éste es uno de los pilares del resto de tareas realizadas por el equipo científico. Una vez el sistema es capaz de rastrear un objeto con fiabilidad, está listo para aprender a reconocer gestos, que era el objetivo fundamental del proyecto ARTTS desde el principio.

El sistema ARTTS ha resultado ser capaz de reconocer incluso gestos bastante sutiles. Si bien se producen errores de medición en cada píxel que proporciona un valor de la distancia, lo cierto es que hay muchos píxeles y con ellos se obtiene un gran número de valores que en el cómputo global proporcionan un promedio que incrementa enormemente la precisión. En su versión más avanzada, el sistema permite controlar una presentación de diapositivas haciendo uso de gestos manuales, concretamente señalar un punto, avanzar, retroceder, etcétera.

Las aplicaciones posibles de estas tecnologías son casi ilimitadas. Después de un proceso de solicitud donde hubo una gran competencia, el gobierno alemán concedió al proyecto una subvención de 400 000 euros para fundar una empresa, llamada TOF-GT, que comercializará estas tecnologías y prestará servicios relacionados. Sus clientes podrán bien adquirir el dispositivo y el programa informático para desarrollar sus propias aplicaciones, bien contratar sus servicios para tal fin.

En la actualidad el equipo diseña una aplicación de publicidad pensada para la estación de ferrocarriles de Viena. Consiste en una pantalla de alta definición de doce metros de ancho y varias cámaras TOF. Gracias a éstas, los viajeros podrán interactuar con la pantalla mientras en ella se proyectan anuncios. Esta aplicación podría emplearse también para realizar encuestas o gestionar información relativa a los clientes. Además, sus responsables estudian la posibilidad de crear una versión más pequeña para su uso en tiendas y centros comerciales.

También neurocirugía

Los investigadores colaboran también con neurocirujanos y con una empresa de maquinaria médica para trabajar con gestos que se emplearían en los quirófanos. Los neurocirujanos recurren a una cantidad ingente de información en múltiples formatos, tales como imágenes, signos vitales y datos proporcionados por todo un arsenal de instrumentos. «Ahora el cirujano tiene que dejar el instrumento que esté usando, cambiar a otra fuente de datos y reanudar su trabajo, pero nosotros vamos a desarrollar un sistema que hará los cambios pertinentes en respuesta a gestos concretos. No se trata de un proyecto de investigación, sino de una aplicación nueva.»

Ésta no es más que una pincelada de lo que esta tecnología puede llegar a ser en el futuro. Actualmente donde se usan los sensores TOF con mayor profusión es en la industria de los lácteos, concretamente para enchufar las máquinas de ordeño automático a las ubres de las vacas. Pero las aplicaciones potenciales de los sensores TOF son verdaderamente ilimitadas, y ahora, gracias al proyecto ARTTS, serán en todo caso pequeñas, asequibles y eficientes y estarán optimizadas para el seguimiento de objetos y el reconocimiento de gestos.

ARTTS recibió financiación por medio del apartado de Tecnologías de la Sociedad de la Información (IST) del Sexto Programa Marco de investigación de la UE.

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