sistema de captura y visualizacion de la marcha humana por vision artifial art1

7/23/2019 SISTEMA DE CAPTURA Y VISUALIZACION DE LA MARCHA HUMANA POR VISION ARTIFIAL ART1

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SISTEMA DE CAPTURA Y VIZUALIZACIN DE LA MARCHA HUMANAPOR VISIN ARTIFICIAL

GRUPO DE INVESTIGACIN EN SISTEMAS DIGITALES INTELIGENTES - DIGITI

UNIVERSIDAD DISTRITALFrancisco Jos de Caldas

Facultad Tecnolgica

Formato para Propuesta de PasantaTecnologa

SISTEMA DE CAPTURA Y VISUALIZACIN DE LA MARCHA HUMANAPOR VISION ARTIFICIAL

PROPONENTESOscar Eduardo Rojas Patio - 20052073097

Diego Andrs Meneses Caldern - 20052073069

DIRECTOR

Frank Nixon Giraldo Ramos

REFERENCIA AL CONSEJOEl desarrollo de esta pasanta investigativa se har en el grupo de investigacin DIGITI deSistemas Digitales Inteligentes, en el campo de investigacin de tratamiento digital de imgenesy visin artificial; esta tiene como fin realizar la captura y visualizacin de la marcha humanatomando como referencia los marcadores reflectantes ubicados en algunas posiciones anatmicasdel sujeto a evaluacin, este proceso debe realizarse con el mnimo tiempo de procesamientoposible buscando que el sistema funcione en tiempo real.

DATOS DE ENLACE

[email protected]: 7264170

Versin del Documento: Cdigo del Documento:Fecha de presentacin:

[email protected] Tel: 4243911


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1.0 INFORMACIN GENERAL DE LA PASANTA INVESTIGATIVA

Ttulo:SISTEMA DE CAPTURA Y VISUALIZACIN DE LA MARCHA HUMANA POR

VISION ARTIFICIAL

Estudiantes Proponentes: Oscar Eduardo Rojas Patio Diego Andrs Meneses Caldern

Total de Estudiantes (nmero): 2Grupo de Investigacin: DIGITI Sistemas Digitales Inteligentes

Campo de Investigacin: Tratamiento Digital de Imgenes y Visin ArtificialRepresentante Legal: Frank Nixon Giraldo RamosEntidad: Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Facultad Tecnolgica

Tipo de Entidad: PblicaUniversidad Pblica: X Universidad Privada: Instituto de Investigacin:Pblico:Centro de Investigacin Privado: X Organizaciones Gubernamentales:ONG:Empresa, Centro Empresarial o Gremio de la Produccin:

Direccin: Calle 75 Sur No 68 - 51Telfono: 7311540 Fax:Correo Electrnico: [email protected] de la Entidad: Facultad Tecnolgica Nit:Ciudad: Bogot Departamento: Cundinamarca

Tipo de contribuyente:Entidad de derecho pblico: X Entidad de economa mixta:Entidad industrial y comercial del estado:Lugar de Ejecucin del Proyecto: Grupo de Investigacin DIGITI Sistemas DigitalesInteligentes

Ciudad: Bogot Departamento: CundinamarcaDuracin del Proyecto (meses): Cinco mesesTipo de Proyecto: Pasanta InvestigativaInvestigacin Bsica: Investigacin Aplicada: X Desarrollo Tecnolgico oExperimental:Valor del proyecto: $5`523.000Descriptores / Palabras claves:Biomecnica, Cinemtica, Marcha Humana, Visin Artificial, Procesamiento de Imgenes


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2.0 DESCRIPCIN DE LA PASANTA INVESTIGATIVA

2.1 JUSTIFICACINEl anlisis de la marcha humana tiene aplicaciones proyectadas a diferentes campos de desarrolloe investigacin, como por ejemplo la medicina (deteccin de anomalas en la marcha de unindividuo posiblemente ocasionadas por fallas en las articulaciones), el entretenimiento (creacinde videojuegos con imgenes que permitan el mayor realismo posible en cuanto al movimientode personajes humanos), o el deporte (aumento del rendimiento de los deportistas basado en losmovimientos que realizan).

En vista de estas mltiples aplicaciones, se pretende desarrollar un sistema que est en lacapacidad de capturar y visualizar la marcha de un individuo humano, utilizando las tcnicasexistentes de visin artificial. Dicho sistema esta orientado a ser implementado como parte de

alguna de las aplicaciones descritas anteriormente o cualquier otra necesidad especfica. Por elloes necesario desarrollar proyectos de investigacin relacionados con esta rea para estimular elinters y el aprendizaje de los futuros tecnlogos de la universidad.

2.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA O LA NECESIDAD

Debido al alto costo que presentan las tcnicas para el anlisis de la marcha humana por el usode tecnologa avanzada y la implementacin del sistema en lugares especializados, se presenta lanecesidad de desarrollar un sistema de bajo costo que permita a la comunidad estudiantil engeneral incursionar en el campo del procesamiento de imgenes y el anlisis de la marcha,

realizando prcticas que no requieran de equipos y/o software muy especializado, reduciendocostos y complejidad en la implementacin de sistemas relacionados.

2.3 IMPACTO ESPERADO2.3.1 Impacto EconmicoEl impacto econmico que tendr este proyecto es muy benfico ya que se desarrollar unsistema de bajo costo utilizando el mnimo nmero de cmaras posible, lo cual le proporcionaraal sistema caractersticas de funcionamiento iguales a la de otro importado.

2.3.2 Impacto Tecnolgico

El impacto tecnolgico que puede tener esta pasanta es el aporte de nuevos conocimientos dentrodel rea de la realidad virtual, permitiendo que se adquieran aquellos conceptos que puedan llevara la elaboracin de proyectos mucho ms complejos dentro del grupo de investigacinrelacionados con biomecnica, visin e inteligencia artificial.

2.3.3 Impacto SocialEl impacto social esta relacionado en proporcionar una alternativa simple pero funcional paratodas las personas que necesiten de un laboratorio para la marcha humana bien sea con finesmdicos, deportivos de entretenimiento u otros. Brindndole de esta manera otra opcin a laspersonas que por cuestiones de costos no pueden acceder a los dos laboratorios existentes enBogot.


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2.4 OBJETIVOS2.4.1 Generales

Desarrollar un sistema de captura y visualizacin de la marcha humana por medio devisin artificial.

2.4.2 Especficos Determinar la ubicacin anatmica y el nmero de marcadores reflectantes a utilizar,

factor importante a la hora de analizar la imagen. Implementar el procesamiento de imgenes para la eliminacin de ruido, deteccin de

bordes, segmentacin, etc. Desarrollar un algoritmo que permita reconocer la posicin y trayectoria de los

marcadores reflectantes en la imagen, para expresarla como coordenadas en un plano,localizarlas espacialmente y determinar en que medida esta posicin vara con respecto aun punto de referencia establecido.

Visualizar los marcadores reflectantes personificando el movimiento de la marchahumana.

2.5 RESULTADOS ESPERADOS

Como resultado final se espera desarrollar un sistema que capture y visualice el movimiento de lamarcha humana de un sujeto por medio de visin artificial, buscando que el sistema funcione en

tiempo real. La pasanta de investigacin tiene como fin conseguir bases de conocimiento en elrea de la realidad virtual y visin e inteligencia artificial de manera que el grupo deinvestigacin se apropie de ellos y los utilice para el desarrollo de proyectos futuros.Se tiene como meta cumplir con la totalidad de horas estipuladas para el desarrollo de la pasantainvestigativa as como el plan de actividades en un plazo mximo de seis meses en el grupo deinvestigacin DIGITI.

2.6 MARCOS DE REFERENCIA

2.6.1 Marco Terico

Para la realizacin de este proyecto se debe tener en cuenta diversos aspectos o conceptosimportantes que facilitan el entendimiento de los procesos a desarrollar buscando obtener lamejor calidad en el prototipo final. La teora necesaria para poder solucionar el problema abarcael estudio de :

Biomecnica

El principio biomecnico trata diversos aspectos de los movimientos fsicos del cuerpo y de losmiembros del mismo, apoyndose en la disciplina dedicada al estudio de los seres vivos, leyesbiolgicas y mecnicas.Para su comprensin hay que tener presente al menos una forma esquemtica, del mecanismo a


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travs del cual el ser humano mantiene su equilibrio en el espacio.La adopcin de postura corporal se considera como una interrelacin de segmentos del cuerpohumano en las tres dimensiones en relaciona a la fuerza gravitatoria sujeta a las leyes fisiolgicasy mecnicas, que en los pasos normales de rendimiento produce trabajo mecnico con un optimoconsumo energtico. (Rivas R.R, 1994).

De esta manera la biomecnica es la ciencia que trata con las fuerzas internas y externas queactan sobre el cuerpo humano y los efectos producidos por estas fuerzas. La biomecnica es elcuerpo del conocimiento que usando las leyes de la fsica y la ingeniera describe losmovimientos efectuados por los distintos segmentos corporales y las fuerzas actuantes sobre estasmismas partes, durante las actividades normales de la vida diaria. (Pachn,2008)

Etimolgicamente, la biomecnica es un trmino formado por la combinacin de las palabrasbiologa y mecnica, por lo tanto, dirigido a establecer los principios y mtodos de la aplicacinmecnica al estudio de las estructuras y fundamentos de los sistemas biolgicos. El trminobiologa fue usado por primera vez por Lamarck en 1801, mientras que el concepto de mecnicalo estableci Aristteles entre los aos 384-322 a.C. Algunos autores como Alexander, yWainwright, considerando la biologa como el estudio de los seres vivos, han sealado que eltrmino biomecnica debera incluir el estudio de las plantas y los animales. No obstante, lamayora de las publicaciones sobre biomecnica, se han dirigido al estudio del hombre enmovimiento, y a su interaccin con los instrumentos e implementos que suele utilizar.

Algunos autores conceptualizan a la biomecnica como una ciencia interdisciplinar situada amitad de camino entre las ciencias bsicas y las tecnologas aplicadas. En este sentido se puededecir que la aproximacin al estudio aplicado desde las dos perspectivas bsicas que sostienen ala biomecnica (fsica y biologa), la convierten en un rea especial de estudio que a su vezdetermina otros campos aplicados como la biodinmica, biocintica, mecnica ortopdica yaerodinmica e hidrodinmica de los desplazamientos. (Gutirrez D.M, 1998)

Bsicamente la biomecnica se basa en analizar las tareas o actividades que puede realizar elcuerpo humano buscando encontrar los riesgos, daos o lesiones que se puedan presentar.Permitiendo asi estudiar el comportamiento de algunas de las partes del cuerpo humano hastaencontrar un proceso adecuado para la prevencin o reparacin de cualquier lesin o daorecibido.

Realidad virtual

El termino Realidad Virtual suele asociarse a casi todo aquello que tiene que ver con imgenesen tres dimensiones generadas por ordenador y con la interaccin de los usuarios con esteambiente grafico. Ello supone la existencia de un complejo sistema electrnico para proyectarespacios visuales en 3D y para enviar y recibir seales con informacin sobre la actuacin delusuario, quien, con un sistema de este tipo, puede sentir que se encuentra inmerso en un mundovirtual

A finales de los 80, los grficos generados por computadora entraron en una nueva poca.Adems de que las imgenes tridimensionales comenzaran a reemplazar a las bidimensionales,


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tambin comenz a surgir la necesidad de un espacio de trabajo totalmente interactivo generado atravs de la tecnologa. Es precisamente a finales de esta dcada, en 1989, cuando se propone,por parte de Jaron Lanier, el trmino de Realidad Virtual.A partir de principios de los aos 90, los sistemas de realidad virtual se han visto enriquecidoscon sensaciones del mundo real a travs de estmulos visuales, auditivos y de otro tipo queafectan al usuario de manera interactiva. Esto es en esencia lo que se conoce como RealidadVirtual.

El objetivo de la realidad virtual es crear una experiencia que le haga sentir al usuario que seencuentra inmerso en un mundo real, aparentemente real; para ellos se sirve de grficos 3D ascomo del sonido que envuelve las escenas mostradas. La realidad virtual utiliza la visin de unobservador, el usuario, quien se mueve dentro del mundo virtual utilizando dispositivosadecuados, como gafas o guantes electrnicos.

La Realidad Virtual explota todas las tcnicas de reproduccin de imgenes y las extiende,usndolas dentro del entorno en el que el usuario puede examinar, manipular e interactuar conlos objetos expuestos. Un mundo virtual es un modelo matemtico que describe un espaciotridimensional, dentro de este espacio estn contenidos objetos que pueden representarcualquier cosa, desde una simple entidad geomtrica, por ejemplo un cubo o una esfera, hasta unaforma compleja, como puede ser un desarrollo arquitectnico, un nuevo estado fsico de lamateria o el modelo de una estructura gentica. Se trata, en definitiva, de un paso mas all de loque seria la simulacin por computador, tratndose realmente de la simulacin interactiva,dinmica y en tiempo real de un sistema. (Hilera J.R. & Martnez, J.J & Otn S, 2000)

Existen tres tipos bsicos de sistemas de realidad virtual, dependiendo de la forma en que sepresente la informacin visual: inmersivos, proyectivos y de sobremesa.

Sistemas InmersivosLos sistemas inmersivos tienen por objeto conseguir que el usuario tenga la sensacin de estarrealmente dentro del mundo virtual representado. Para ello, se utilizan dispositivos queimpiden la visin del mundo circundante, al mismo tiempo que representan las imgenescorrespondientes al mundo virtual. El ejemplo mas conocido, aunque no el nico, es el de losvisiocascos.Por sus propias caractersticas, los sistemas inmersivos requieren de algn dispositivo quepermita detectar los movimientos de la cabeza del usuario, con el fin de que la imagencorresponda siempre al punto de vista real. Si la imagen no cambiara a medida que nos

desplazamos o giramos la cabeza, la sensacin de inmersin se perdera.Aunque no es imprescindible, lo normal es que la imagen que se presente sea estereoscpica (esdecir, Imgenes diferentes para cada ojo), permitiendo ver en tres dimensiones.

Sistemas Proyectivos (semi-inmersivos)En los sistemas proyectivos, se intenta proporcionar la mismas sensacin de inmersin al usuario,pero en lugar de utilizar un dispositivo acoplado a su cabeza, el usuario se introduce en unahabitacin o adminiculo cerrado, en cuyas paredes se presentan o proyectan una o mas imgenesdel mundo virtual. Este sistema esta especialmente indicado para aplicaciones multiusuario,donde un grupo de personas comparte simultneamente la experiencia.


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Los simuladores de vuelo profesionales corresponden a este tipo de sistema de realidad virtual.

Sistemas de Sobremesa (No-inmersivos)En los sistemas de sobremesa no se pretende proporcionar al usuario una sensacin visual deinmersin en el mundo virtual. Las imgenes son presentadas en una pantalla de ordenador, porlo que el usuario no pierde la visin del mundo circundante.Para conseguir el efecto de visin de relieve pueden emplearse dispositivos especiales comogafas estereoscpicas, aunque tambin existen sistemas de sobremesa monoscpicos, con laimagen plana. ( Del Pino L.M, 1995)

Visin Artificial

Lavisinesuno de los mecanismos sensoriales de percepcin ms importantes en el ser humanoaunque evidentemente no es exclusivo ya que una incapacidad visual no impide en absoluto el

desarrollo de ciertas actividades mentales. (Pajares & Cruz, 2002)

Debido a la importancia del sentido de la vista humana era lgico que, con la aparicin de losprimeros ordenadores, una de las primeras aplicaciones en las que se investigara fuera la visinartificial definida: como el anlisis de imgenes a travs de computadores para obtener unadescripcin de los objetos fsicos que son captados por la cmara.

Los primeros trabajos relacionados con la visin artificial datan de la dcada de los cincuenta. Sepensaba al principio que el desarrollo de un sentido artificial de la vista sera una tarea fcil yalcanzable en pocos aos. Esta idea se reafirm con los primeros trabajos en los que se utilizaroncmaras para la percepcin del entorno. As puede mencionarse el importante trabajo de Roberts

(1963) que demostraba la posibilidad de procesar una imagen digitalizada para obtener una des-cripcin matemtica de los objetos incluidos en la escena, expresando su posicin y orientacinmediante transformaciones homogneas; o el Wichman (1967), que present en Stanford un equi-po con cmara de televisin conectada a un computador, que poda identificar objetos y sus posi-ciones en tiempo real. Sin embargo, y en ambos casos, se trataba de imgenes muy simples, confuertes restricciones. Como ejemplo del entusiasmo inicial puede citarse a Marvin Minsky, unode los pioneros de la Inteligencia Artificial, que propuso a un alumno en el verano de 1966 comoproyecto el que un ordenador describiera lo que viese. Tal proyecto, por supuesto, nunca setermin. Este entusiasmo inicial fue debido por un lado a una gran confianza en el poder de loscomputadores y por otro a la consideracin de que, si el ver constituye para los hombres unatarea fcil, igual debera suceder con los ordenadores. Sin embargo pocos aos despus la nota

predominante en los laboratorios era la frustracin ante lo limitado de los avances obtenidos y laspocas aplicaciones existentes. Aunque se hubieran desarrollado algoritmos que son utilizados hoyen da, como los detectores de bordes de Roberts (1965), Sobel (1970) y Prewitt (1970), sufuncionamiento estaba muy limitado a un reducido nmero de imgenes y casos.

A partirde la dcada de los ochenta se empieza a hacer hincapi en la extraccin de caracters-ticas. As se tiene la deteccin de texturas (Haralik (1979)), y la obtencin de la forma a travs deellas (Witkin (1981)): y ese mismo ao se publican artculos sobre: visin estreo (Mayhew yFris-by), deteccin delmovimiento (Horn), interpretacin de formas (Steven) y lneas (Kanade);o los detectores de esquinas de Kitchen y Rosendfeld (1982). Quiz el trabajo ms importante deesa dcada es el libro de David Marr Vision: a computational investigation into the human


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representation and processing of visual Information (1982), donde se aborda por primera vezuna metodologa completa del anlisis de imgenes a travs de ordenador. (Escalera, 2001).

Desde una perspectiva general, la visin artificial por computador es la capacidad de la mquinapara ver el mundo que le rodea, ms precisamente para deducir la estructura y las propiedades delmundo tridimensional a partir de una o ms imgenes bidimensionales.

En la visin por computador, la escena tridimensional es vista por una, dos o ms cmaras paraproducir imgenes monocromticas o en color. Las imgenes adquiridas pueden ser segmentadaspara obtener de ellas caractersticas de inters tales como bordes o regiones. Posteriormente, delas caractersticas se obtienen las propiedades subyacentes mediante el correspondiente procesode descripcin. Tras lo cual se consigue la estructura de la escena tridimensional requerida por laaplicacin de inters. Las imgenes de intensidad estn ntimamente ligadas al concepto deluminosidad. (Pajares & Cruz, 2002)

El proceso de visin por computador puede subdividirse en seis tcnicas principales:

1. Sensado: Es el proceso que nos lleva a la obtencin de una imagen visual2. Preprocesamiento: Trata de las tcnicas de reduccin de ruido y enriquecimiento de

detalles en la imagen

3. Segmentacin: Es el proceso que particiona una imagen en objetos de inters.4. Descripcin: Trata con el cmputo de caractersticas tiles para diferenciar un tipo de

objeto de otro.5. Reconocimiento: Es el proceso que identifica esos objetos.6. Interpretacin: Asigna un significado a un conjunto de objetos reconocidos.

(Vega, 1998).

El siguiente diagrama de bloques describe el proceso general de la visin artificial o tambinllamada por computador.


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Grafica No. 1: Diagrama de bloques proceso completo de la Visin Artificial

(Pajares & Cruz, 2002)

La Marcha Humana Normal

La locomocin humana normal se ha descrito como una serie de movimientos alternantes,rtmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento hacia delante delcentro de gravedad. Ms especficamente, la locomocin humana normal puede describirseenumerando algunas de sus caractersticas. Aunque existen diferencias pequeas en la forma de

la marcha de un individuo a otro.El ciclo de la marcha comienza cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguientecontacto con el suelo del mismo pie. Los dos mayores componentes del ciclo de la marcha son: lafase de apoyo y la fase de balanceo. Una pierna est en fase de apoyo cuando est en contactocon el suelo y est en fase de balanceo cuando no contacta con el suelo.

Grafica No. 2: Componentes del ciclo de la marcha

(Dr. Vera Luna,1999)

La longitud del paso completo es la distancia lineal entre los sucesivos puntos de contacto del


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taln del mismo pie. Longitud del paso es la distancia lineal en el plano de progresin entre lospuntos de contacto de un pie y el otro pie.

Grafica No. 3: Longitud del paso completo


Apoyo sencillo. Se refiere al perodo cuando slo una pierna est en contacto con el suelo. Elperodo de doble apoyo ocurre cuando ambos pies estn en contacto con el suelosimultneamente. Para referencia del pie significa que por un corto perodo de tiempo, la primeraparte de la fase de apoyo y la ltima parte de la fase de apoyo, el pie contra lateral esta tambinen contacto con el suelo. La ausencia de un perodo de doble apoyo distingue el correr del andar.

Grafica No. 4: Duracin total del ciclo del la marcha, Apoyo y Balanceo


La cantidad relativa de tiempo gastado durante cada fase del ciclo de la marcha, a una velocidadnormal, es:1. Fase de apoyo: 60% del ciclo2. Fase de balanceo: 40% del ciclo3. Doble apoyo: 20% del ciclo

Con el aumento de la velocidad de la marcha hay un aumento relativo en el tiempo gastado en lafase de balanceo, y con la disminucin de la velocidad una relativa disminucin. La duracin deldoble apoyo disminuye conforme aumenta la velocidad de la marcha.

Mtodos del estudio de la marchaLos investigadores de la locomocin humana han estudiado dos mtodos de investigacin. Unoes la cinemtica que describe los movimientos del cuerpo en conjunto y los movimientosrelativos de las partes del cuerpo durante las diferentes fases de la marcha. Un ejemplo de esto esel estudio de las relaciones angulares de los segmentos de la extremidad inferior durante el ciclo


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de la marcha. El otro es del rea de la cintica que se refiere a las fuerzas que producen elmovimiento. Las fuerzas de mayor influencia en los movimientos del cuerpo en la marchanormal, son aquellas debidas a:

1. Gravedad2. Contraccin muscular3. Inercia4. Reacciones del suelo (resultantes de las fuerzas que ejerce el suelo en el pie). (Dr. VeraLuna,1999)

Sistemas de Anlisis de la Marcha

Los sistemas disponibles actualmente para analizar el movimiento comprenden desde la tcnicams simple hasta la ms sofisticada. Disponemos de tres tipos de sistemas de anlisis: lasfilmaciones de video, los sistemas con marcadores activos y los que utilizan marcadores pasivos

Filmaciones de VideoLos sistemas que combinan la cmara de video y el magnetoscopio permiten visualizar eldesplazamiento del sujeto al ralent, e incluso parar la imagen. Estos sistemas pueden integrar doscmaras conectadas a una mesa de mezclas para observar y comparar simultneamente sobre lamisma imagen las visiones de frente y perfil. Proporcionan una informacin cualitativa en quesolamente el carcter visual, con frecuencia subjetivo, permite comparar dos grabaciones. Estossistemas precisan poca inversin y se utilizan con frecuencia.

Grabaciones digitalesEl principio consiste en digitalizar las imgenes de vdeo, combinar la informacin recogida conla ayuda de dos cmaras o ms para reconstruir el movimiento del sujeto en tres dimensiones.Estos sistemas proporcionan una informacin ms objetiva.Entre los sistemas que utilizan esta tecnologa podemos citar 3D-Vision (Biometrics), PeakPerformance-y Ariel, y el material SAGA3DV.La principal ventaja del sistema de grabacin en vdeo reside en la posibilidad de realizar lasgrabaciones en el exterior. Los defectos estn relacionados principalmente con la precisin y conel tiempo de tratamiento de los resultados, que es muy largo.Estos sistemas no precisan la utilizacin de marcadores. El operador puede indicar sobre lasimgenes digitalizadas los puntos anatmicos de referencia. La utilizacin de los marcadores enun ambiente luminoso controlado permite reducir el tiempo tratamiento y aumentar

sensiblemente la precisin de las medidas.

Sistemas de marcadores activosAlgunos sistemas utilizan marcadores activos (Lighi emitting diods o LED que emiten una "sealinfrarroja) para materializar los puntos anatmicos. El desplazamiento de estos marcadores esdetectado por receptores fotoelctrnicos. Los sistemas Selspoty Costel utilizan esta tecnologa.Sus principios, ventajas e inconvenientes se describen en muchas publicaciones.

Sistemas de marcadores pasivosLos sistemas ms extendidos se basan en la utilizacin de marcadores reflectantes pasivos. El


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material utilizado, para estos marcadores es el Scotch Lite, constituido por microesferas decristal, que refleja la luz en la misma direccin que los rayos incidentes.Entre los sistemas que utilizan esta tecnologa citaremos: Vicon System, Motion Analysis, lite ySaga 3, sin prejuzgar otros sistemas utilizados por otros autores.La tecnologa de estas herramientas ha evolucionado muchsimo estos ltimos aos. Richardsrealiz un estudio comparativo de estos diferentes sistema resultados se resumen en una tabla(DU 6-1).Para el anlisis de la marcha, el sistema Vicon, en su versin con cinco cmaras, dos plataformasde fuerzas y un sistema electromiogrfico de diez canales, es el utilizado desde 1993 en elinstituto Saint-Pierre (Palavas-les-Flots) para el anlisis clnico de la marcha del nio. (Viel,2002).

Tabla No. 1: Tabla comparativa de los principales sistemas de anlisis de movimiento

Sistema Ariel Peak CODA3 Elite SAGA3 MotionAnalisis

Vicon

Ordenador PC PC PC PC PC PC PCLuz Da Da IR IR IR IR IR

Marcadores Pasivos Pasivos Pasivos Pasivos Pasivos PasivosFrecuencia(Hz) 60 15-180 25-300 50-100 50 60-240 60-240

# Cmaras 9 6 6 2-4 8 16 12# Marcadores 256 500 28 ilimitado 64 40 ilimitadoPrecisin del

Sistema0.1mm/

3m0.3mm/

3m0.1mm/

3m0.3mm/

3m0.5mm/

1m0.1mm/

3m0.1mm/

3m

Resolucinreceptores 720x480 640x480 181x1.500 - 752x582 648x480 800x590

IR, infrarroja

(Viel,2002)

2.6.2 Estado del Arte

Los proyectos encontrados relacionados con el anlisis biomecnico la mayora de ellos estnrelacionados con alguna disciplina en especial ya sea mdica o deportiva. Se describen los mas

importantes:2.6.2.1 Primer Proyecto

Titulo:ANLISIS BIOMECNICO DE LA ESGRIMA MEDIANTE SISTEMASOPTOELECTRNICOS DE ANLISIS DE MOVIMIENTO. ESTUDIO DE CASO:DEPORTISTA DE ALTO RENDIMIENTO

Autores: Andrea Torres Ruiz.


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Sitio de Desarrollo:Programa de Ingeniera Biomdica. Grupo de Instrumentacin y Rehabilitacin Biomdica.Universidad Manuela BeltrnResumen:El estudio de la tcnica deportiva para esgrima por medio de un anlisis biomecnico, esrealizado con ayuda de sistemas optoelectrnicos que capturan en tiempo real los dos gestos msdestacados, el paso adelante y el fondo, con el objetivo de caracterizar digitalmente labiomecnica para su posterior anlisis cinemtico y de esta manera describir la tcnica que tieneel deportista en la ejecucin del movimiento. Con este estudio se lograron caracterizar de unaforma cuantitativa las curvas de posicin, ngulos articulares, velocidades y aceleraciones decada uno de los marcadores situados en el cuerpo del deportista. Este estudio se realiz en undeportista de alto rendimiento, destacado en la modalidad de espada.Resultados:Los resultados del estudio en cada uno de los marcadores que describen el movimiento en cadaeje y los ngulos de movimiento en cada una de las articulaciones, el entrenador o deportistapueden entender su tcnica en trminos cuantitativos y no slo cualitativos como comnmente sevena desarrollando en el medio. Tambin se pueden obtener rangos de movimiento de flexin yextensin, que podran indicar si el deportista se est excediendo y a su vez podran advertirsobre posible riesgo de lesin.Origen de datos:Revista Ingeniera BiomdicaISSN 19099762, nmero 2, noviembre 2007, pgs. 30-39Escuela de Ingeniera de AntioquiaUniversidad CES, Medelln, Colombiahttp://revistabme.eia.edu.co/

2.6.2.2 Segundo Proyecto

Titulo:DESCRIPCIN DE UN DISPOSITIVO DESTINADO AL ANLISIS DE LA MARCHA ENDOS DIMENSIONES, CINEMEDAutores:

Christian Andrs Daz Andrs Torres Jos Ignacio Ramrez Luisa Fernanda Garca Natalia lvarez

Siti de Desarrollo:Escuela de Ingeniera de Antioquia, Medelln (Colombia)Resumen:Este artculo presenta un dispositivo para el anlisis cinemtico de la marcha humana. Eldispositivo propuesto se basa en el uso de tcnicas de videogrametra y procesamiento deimgenes para registrar el movimiento humano. Con este fin, se utiliz una cmara de videodigital, ubicada a 4 metros del paciente, capturando su marcha en el plano sagital. Tambin sedesarroll un modelo cinemtico de los miembros inferiores que, a partir del desplazamiento de


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cierto nmero de puntos anatmicos, determina los ngulos articulares de la cadera, rodillay tobillo, adems de la inclinacin de la pelvis durante un ciclo completo de la marcha. Laidentificacin de dichos puntos fue facilitada mediante el uso de marcadores reflectivos, ubicadosen siete posiciones anatmicas diferentes. Despus, se dise y desarroll un programa para elregistro y procesamiento de los datos obtenidos, por medio de la cmara en el lenguaje deprogramacin C# .NET. La aplicacin desarrollada captura y preprocesa el video, detecta cadauno de los marcadores en la imagen, aplica el modelo cinemtico y visualiza a modo de grfica elvalor de los ngulos articulares de los miembros inferiores, a lo largo del ciclo de la marcha. Porfin, se dise un protocolo y se realiz una prueba experimental con un sujeto, para comparar lascurvas entregadas por el software y las curvas tericas encontradas en la literatura. A pesar de laslimitaciones del sistema referentes al anlisis bidimensional de la marcha, se lograron obtenercurvas articulares muy similares a las tericas, obtenidas con mtodos comerciales para elanlisis del movimiento tridimensional.Resultados:Por medio del dispositivo desarrollado, se realiz una prueba piloto con un sujeto y se obtuvieronlas grficas de los ngulos articulares de cadera, rodilla y tobillo, y la orientacin de la pelvis. Entotal se realizaron 14 pruebas sobre la misma persona para el plano sagital derecho e izquierdo.Para estas pruebas se dise un protocolo que defina la forma en que se preparaba al paciente(ubicacin de los marcadores), se determinaba la disposicin de la cmara, los formatos degrabacin y captura y la forma en que deba realizarse el procesamiento de los datos mediante elsoftware.Origen de datos:Revista EIAISSN 1794-1237 Nmero 5 p. 85-92. Junio 2006Escuela de Ingeniera de Antioquia, Medelln (Colombia)http://revistabme.eia.edu.co/

2.6.2.3 Tercer Proyecto

Titulo:MODELAMIENTO DE LA MARCHA HUMANA MEDIANTE HERRRAMIENTAS DESIMULACION DINAMICAAutores:

Luis Fernando Vargas Tamayo, Ing. Mecnico Univ. Nacional de Colombia Leonardo Emiro Contreras Bravo, Ing. Mecnico Univ. Francisco de Paula Santander Oscar Mayorga Torres, Ing. Industrial Univ. Distrital Francisco Jos de Caldas

Resumen:Este trabajo comprende la exploracin de posibles aplicaciones de programas tradicionalmenteusados en las ingenieras, en la biomecnica y en el diagnostico de patologas que afectan el ciclode la marcha de locomocin bpeda, utilizando un modelo tridimensional de cuerpo humano,articulado y parametrizado, en SolidEdgeV14, ajustable a cualquier contextura fsica, mediante lavariacin de estatura y masa corporal. Este modelo se alimento con datos cinematicos de lamarcha normal obtenidos en un laboratorio de anlisis de movimiento y se utilizaron sistemas devideografa computarizada desarrollados por el IBV; estos datos relacionan los desplazamientosangulares de las tres articulaciones de los miembros inferiores que intervienen en el proceso delocomocin con el tiempo del ciclo del marcha. Los resultados dinmicos obtenidos en el


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simulador MSC-Dynamic-Designer-Motion-Pro fueron los momentos articulares en los planosanatmicos. Estos valores fueron confrontados con los obtenidos por el sistema de videografaIBV para validar el modelo.Resultados:Los resultados que proporciona el simulador son diversos, comprenden una amplia gamad evariables dinmicas que describen como camina el sujeto; se escogieron los momentos articularescomo variable de respuesta adecuada, por cuanto es el dato primordial con el que los especialistasmdicos determinan su diagnostico y adems por la posibilidad de utilizar esta informacin parafines prcticos en el redise de aparatos ortopdicos.Origen de datos:Revista TECNURA Tecnologa y Cultura Afirmando el ConocimientoNmero 21 p. 74-82. II Semestre de 2007Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas Facultad Tecnolgica, Bogot (Colombia)

2.6.2.4 Cuarto Proyecto

Titulo:DESARROLLO DE SISTEMA DE VIDEOGRAFIA DIGITAL PARA ANALISIS DE LAMARCHAAutores:

A. Braidot L. Cian A. Cherniz D. Gallardo

J. SpinettoSiti de Desarrollo:Universidad Nacional de Entre Ros - Ctedra Biomecnica Facultad de Ingeniera, Entre Ros(Argentina)Resumen:Este trabajo se realiza para completar el desarrollo de un laboratorio de marcha con fines deinvestigacin en la Ctedra Biomecnica de la carrera Bioingeniera de la Facultad de IngenieraUNER. La aplicacin de tcnicas de videografa digital se ha convertido en una importanteherramienta para el anlisis cinemtico del movimiento para fines tanto clnicos comodeportivos. Los equipos comerciales que implementan esta tcnica tienen costos muy elevados.Teniendo en cuenta este problema y centrando la atencin en el estudio de la marcha, se

desarrollo un sistema de bajo costo, basado en una cmara analgica estndar, una reproductorade video y un PC. El sistema propuesto incluye un programa para detectar en forma automticalas marcas reflectivas en cada cuadro de video digitalizado, obteniendo las curvas quecaracterizan la cinemtica de la marcha humana.Resultados:Mediante el sistema desarrollado se realizan trabajos de investigacin relacionados con la marchade sujetos normales. Con la tcnica de videografa desarrollada se obtiene curvas ntidas, suavespara un conjunto de sujetos normales y cualitativa y cuantitativamente similares a la de otrosautores.


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Origen de datos:Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniera Biomdica, La Habana Cuba 2001http://www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00175.pdf

En la Universidad Distrital Programa de Electrnica se han desarrollado algunos proyectosrelacionados con visin artificial se describen algunos de ellos:

2.6.2.5 Quinto Proyecto

Titulo:DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA DE VISIN ARTIFICIAL APLICANDOALGORITMOS DE PROCESAMIENTO DIGITAL DE IMGENESProponentes: Jos Lus Sarta lvarez.Director: Giovanni Bermdez Bohrquez.Objetivos:General:Desarrollar una herramienta de Visin Artificial aplicando algoritmos de procesamiento deimgenes en tiempo real para poder obtener como resultado una herramienta confial, funcional yde una fcil implementacin que se enfoque al reconocimiento de imgenes o figuras,implementados en un robot mvil, como una alternativa practica para demostrar su funcionalidad.Especficos:Comprender los conceptos de seleccin de la cmara y de la captura de imagen por medio de unacomputadora con manipulacin y desarrollo de un software que se encargue de manejar eldispositivo de captura.Investigar, comprender y determinar la caracterizacin de las cmaras de video y suscaractersticas para poder aplicar criterios fsicos de profundidad y distancia.Desarrollar modelos matemticos y algoritmos para tratamiento de imgenes como filtrar laimagen para la reduccin de ruido, realce de bordes, segmentacin, descripcin y presentacin decaractersticas, reconocimiento y localizacin.Considerar e implantar un algoritmo basado en una red neuronal para el reconocimiento deformas y que esta posea un criterio propio de seleccin de objetos.Diseo e implementacin de la herramienta de visin artificial en un robot mvil que se desplazadentro de un entorno conocido y sea capaz de reconocer cubos con letras en su interior yseleccionarlos.Especificaciones tcnicas:Cmara Sony CCx-z 12 color.

Visual Basic o Visual C++.

2.6.2.5 Sexto Proyecto

Titulo:RASTREO DE TRAYECTORIAS DE EXTREMIDADES SUPERIORES HUMANAS PORVISION ARTIFICIALProponentes: Ingrid Andrea Mora PinedaDirector: Frank Giraldo


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Objetivos:General:Desarrollar un sistema de Visin Artificial para el anlisis de movimientos de extremidadessuperiores.

Especficos:Implementar un sistema de iluminacin que genere un entorno controlado de intensidad de luz.Implementar el sistema de adquisicin de imagen para capturar la secuencia de movimiento de laextremidad.Desarrollar un algoritmo de reconocimiento y seguimiento de la trayectoria de la Extremidadsuperior a estudiar.Generar un software para la comparacin del movimiento de la extremidad en diagnostico con elmovimiento estndar del tipo de extremidad

2.6.2.7 Sptimo Proyecto

Titulo:RECONOCIMIENTO DEL LENGUAJE DE GESTOS MANUALES ALFABTICOSMEDIANTE VISIN ARTIFICIALProponentes: Oscar Javier Corts BaguiDirector: Frank GiraldoResumen:Este desarrollo busca realizar el reconocimiento del lenguaje de seas empleado por personas conincapacidad para hablar o escuchar. Este lenguaje se desarrolla mediante gesturas hechas a travsde las manos, con las cuales se puede simbolizar el alfabeto completo realizando smbolosestndar de comunicacin no audible. Mediante la incorporacin de sistemas de desarrollointeligentes, se implemento un sistema con la capacidad de reconocer el smbolo que estarepresentando la mano, para ser identificado, reconocido y traducido como una letra del alfabetohaciendo uso de un computador personal. De esta manera se realizo un sistema de comunicacinentre personas que se expresan a travs de gesturas que describan el alfabeto con personas que secomunican de modo oral.

ACTUALMENTE SE ENCUENTRA OTROS PROYECTOS DEL GRUPO DEINVESTIGACIN DIGITI RELACIONADOS CON VISIN ARTIFICIAL EN

ETAPA DE APROBACIN

2.6.3 MARCO LEGAL

ANSI/IEEE Std 729 - 1983, "Glosario Estndar IEEE de Terminologa deIngeniera del Software"

ANSI/IEEE Std 730 - 1984, "Estndar IEEE de Planes para el Aseguramiento deCalidad del Software."

ANSI/IEEE Std 828 - 1983, "Estndar IEEE para Planes de Gestin de laConfiguracin."


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ANSI/IEEE Std 829 - 1983, "Estndar IEEE para la Documentacin de Pruebas deSoftware."

ANSI/IEEE Std 983 - 1986, "Gua IEEE para la Planificacin de Aseguramiento deCalidad Software."

ANSI/IEEE Std 1012 - 1986, "Estndar IEEE para la Planificacin de Verificaciny Validacin de Software."

2.7 ESTRATEGIA DE COMUNICACIN

Al finalizar la pasanta se realizara una sustentacin publica dentro de la universidad en dondese mostraran los resultados encontrados en el desarrollo de la misma, acompaado de unarticulo IEEE en donde se especificaran cada uno de los ajustes que sufri el proyecto en suproceso de ejecucin.

2.8 CRONOGRAMA

El cronograma de actividades esta realizado para trabajar en el proyecto un total de 3.2horas diarias por estudiante para un total de 320 horas por cada uno. La ejecucin de la

pasanta de investigacin empezara a desarrollarse desde el momento de su aprobacin.


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2.9 PLAN DE ACTIVIDADES

ActividadTiempo(Horas) Caractersticas

Material deapoyo

1 40

Documentacin

Libros, Internety todo tipo dedocumentacinrelacionada

2 20 Definicin de los bloques especficosque van a conformar el proyecto.

Diseo, Calibracin, Captura,

Procesamiento, Visualizacin, entreotros

Informacinpreviamenterecopilada

3 35 Diseo del entorno de grabacin ycalibracin de cmaras.

Camara web oCamara digitalentornoespecial para lamedicin.

4 40 Inicio de captura y pre procesamientode imgenes.

Primeras pruebas prcticas.

Libros ymaterial de

Internet

5 30 Diseo de algoritmos de programacinpara el procesamiento de los elementosde la imagen, uso de mtodosnumricos matemticos u otros.

Herramientasmatemticas,software demanejo devideo, Java oC#.

6 35 Implementacin de herramientas

software necesarias para lareconstruccin de los marcadores enconjunto; secuencia de movimiento.

Tutoriales,

videosejemplos ydocumentacinrelacionada.

7 30 Visualizacin en el PC de los primerosdatos procesados con en el fin deencontrar errores en el desarrollo delproyecto.


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8 30 Unin de todas las etapas queconstituyen el proyecto.

9 30 Comprobacin y ajustes del sistema ensu totalidad.

10 30 Realizacin de las pruebas finales detodo el sistema en funcionamiento.

Ejecucin del documento IEEEpresentacin final en base a lainformacin antes consultada.

Total de horas 320

3.0 PRESUPUESTO

PRESUPUESTO GLOBAL DE LA PROPUESTA POR FUENTES DEFINANCIACIN

(En miles de $)

RUBROSFUENTES

TOTALEmpresa

Univ.Distrital

Contrapartida

PERSONAL 0 0 X 4132EQUIPOS 0 0 X 1145MATERIALES 0 0 X 41SOFTWARE 0 0 X 35VARIOS 0 0 X 170

TOTAL 5523

DESCRIPCIN DE LOS GASTOS DE PERSONAL(En miles de $)

INVESTIGADOR/AUXILIAR FORMACINFUNCIN

DENTRO DELPROYECTO

DEDICACIN

RECUR

SOS TOTAL

1 2Oscar Rojas Tecnlogo Investigador MT X 2066Diego Meneses Tecnlogo Investigador MT X 2066

TOTAL $41321 Empresa, o institucin2 Contrapartida


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DESCRIPCIN Y CUANTIFICACIN DE LOS EQUIPOS DE USOPROPIO

(En miles de $)EQUIPO VALOR (CONTRAPARTIDA)

PC Porttil 550

Videocmara Digital 595

TOTAL 1145

MATERIALES Y SUMINISTROS

(En miles de $)

MaterialesValor

unitarioCantidad Valor Total

Tiras Reflejante 3MScotchlite TM 8910

10 1 10

Tubos PVC 1 15 1 15Acoples PVC 2 8 16TOTAL 41

SOFTWARE(En miles de $)

Tipo de software ValorMatlab 15Autodesk 3D MaxStudio 2008

20

TOTAL 35

VARIOS(En miles de $)Varios Valor

Papelera 20Transportes 50Otros gastos 100TOTAL 170


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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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Contreras, L. & Vargas, L. & Torres, O.(2007) Modelamiento de la marcha humana

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