IMGENES TCTILES

JOS ALEJANDRO OSPINA

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA BOGOTA D.C. 2005

1

IMGENES TCTILES

JOSE ALEJANDRO OSPINA

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Electrnico

Director: Ing. Germn Yamhure Kattha

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA BOGOTA D.C. 2005

2

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRNICA

RECTOR MAGNFICO: R.P. GERARDO REMOLINA VARGAS S.J. DECANO ACADMICO: Ing. ROBERTO ENRIQUE MONTOYA VILLA DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: R.P. ANTONIO J. SARMIENTO NOVA S.J. DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JUAN CARLOS GIRALDO DIRECTOR DEL PROYECTO: Ing. GERMN YAMHURE KATHAA

3

ARTICULO 23 DE LA RESOLUCIN No. 13 DE JUNIO DE 1946

La universidad no se hace responsable de los conceptos emitidos por sus alumnos en sus proyectos de grado. Solo velar porque no se publique nada contrario al dogma y a la moral catlica y porque los trabajos no contengan ataques o polmicas puramente personales. Antes bien, que se vea en ellos el anhelo de buscar la verdad y la justicia.

4

A mi pap, que me ha enseado muchas cosas.

5

AGRADECIMIENTOS

Aunque en la portada slo aparece un autor, existen muchas personas que de alguna manera colaboraron para que TactaLo funcionara. En especial quiero agradecerle a Mariano y Natalia por su apoyo incondicional. Mi mam porque es la mano invisible que muchas veces me hace seguir en pie. Laura por estar conmigo todo el tiempo. Mi familia por estar pendientes. Germn Yamhure por seguirme la cuerda, y apoyarme con su experiencia. Caliche por ayudarme en todo lo que estuvo a su alance. Juan Ma y Mario, por ser buenos amigos. Los del cubculo. Maria Paula por su inters.

6

TABLA DE CONTENIDO 1. 1.1. MARCO TERICO ............................................................................................................. 1 SUSTITUCIN DE SENTIDOS ................................................................................... 13 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.3. 1.4. 2. 1.3.1. 1.4.1. 2.1. 2.2. 2.3. 3. 3.1. BACH-Y-RITA............................................................................................... 13 PETER MEIJER............................................................................................ 15 OTRO PUNTO DE VISTA ............................................................................ 16 ATRIBUCIN DISTAL ................................................................................. 18 ENFOQUE GENERAL ................................................................................. 19 ENFOQUE ESPECFICO ............................................................................ 21 RESOLUCIN ESPACIAL ........................................................................... 26 MATRIZ DE ELECTRODOS COMO PANTALLA TCTIL ......................... 30

EL PROCESO DE VISIN NATURAL................................................................... 19

SENTIDO DEL TACTO ........................................................................................... 23 ESTIMULACIN ELCTRICA TRANSCUTNEA (TENS) ................................ 28

ESPECIFICACIONES ....................................................................................................... 34 HARDWARE ............................................................................................................ 34 SOFTWARE .............................................................................................................. 37 DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL ................................................................ 38 HARDWARE ............................................................................................................ 39 ESQUEMA GENERAL.................................................................................. 39 CIRCUITO DE PRUEBA.............................................................................. 41 DESCRIPCIN GENERAL .......................................................................... 41 PRUEBAS DE ESTIMULACIN.................................................................. 43 CONCLUSIONES DEL CIRCUITO DE PRUEBA ....................................... 44 MDULO DE MATRIZ DE ELECTRODOS................................................ 45 ESQUEMA FSICO ...................................................................................... 45 ESQUEMA ELCTRICO.............................................................................. 46 MODULO DE COMUNICACIN................................................................ 52 MDULO DE SECUENCIA (SOFTWARE DEL MICROCONTROLADOR)53 DESCRIPCIN GENERAL .......................................................................... 53 EUSART Y PROTOCOLO DE COMUNICACIN....................................... 55 FUNCIN PREPARARPARAMOSTRAR() .................................................. 57 INTERRUPCIN DEL TIMER..................................................................... 60 ANLISIS DE TIEMPOS .............................................................................. 62

DESARROLLO.................................................................................................................. 39 3.1.1. 3.1.2. 3.1.2.1. 3.1.2.2. 3.1.2.3. 3.1.3. 3.1.3.1. 3.1.3.2. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.5.1. 3.1.5.2. 3.1.5.3. 3.1.5.4. 3.1.5.5.

7

3.1.6. 3.1.7. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. 3.2.7. 4. 4.1. 4.2. 5. 6.

MODULO DE FUENTE DE VOLTAJE ....................................................... 62 MDULO DE FUENTE DE CORRIENTE .................................................. 64 ESQUEMA GENERAL DEL PROGRAMA................................................... 67 MDULO DE OBTENCIN DE LA IMAGEN ............................................ 69 MDULO DE PREPROCESAMIENTO....................................................... 70 MDULO DE CONVERSIN...................................................................... 70 MDULO DE CREACIN DE IMGENES PREDISEADAS................... 73 MDULO DE POSTPROCESAMIENTO .................................................... 73 MDULO DE ENVO .................................................................................. 76

SOFTWARE .............................................................................................................. 66

RESULTADOS .................................................................................................................. 77 PROTOCOLO DE FAMILIARIZACIN................................................................. 77 DISCUSIN .............................................................................................................. 82

CONCLUSIONES.............................................................................................................. 83 BIBLIOGRAFA ................................................................................................................ 85

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Dispositivo Optacon adaptado para sustitucin de sentidos............................ 14 Figura 2. Mapeo de imgenes en sonido utilizado por el dispositivo vOICe. ............... 15 Figura 3. Efecto de proximidad o similitud. ................................................................... 19 Figura 4. Efecto Fondo Figura. .................................................................................... 20 Figura 5. Contornos que determinan una figura. ............................................................ 20 Figura 6. Efecto de completar figuras............................................................................. 20 Figura 7. Procesamiento en la retina............................................................................... 21 Figura 8. Selectividad de orientacin en la corteza visual.............................................. 22 Figura 9. Receptores tctiles. .......................................................................................... 24 Figura 10. Realce de contraste. ....................................................................................... 24 Figura 11. Neuronas selectivas a la orientacin.............................................................. 25 Figura 12. Campos receptores de una neurona. .............................................................. 26 Figura 13. Diferencias de intensidad dentro del campo receptor.................................... 27 Figura 14. Arreglo de electrodos coaxiales..................................................................... 31 Figura 15. Comparacin arreglo cuadriculado (izq.) y arreglo hexagonal (der.). .......... 31 Figura 16. Matriz de electrodos tetragonal. .................................................................... 32 Figura 17. Esquema de matriz de electrodos hexagonal................................................. 33 Figura 18. Tcteles generados por matriz de 192 electrodos (detalle) ........................... 33 Figura 19. Circuitos impresos diseados y construidos.................................................. 35 Figura 20. Diagrama de bloques general del sistema ..................................................... 38 Figura 21. Esquema de control de cada electrodo. ........................................................ 39 Figura 22. Circuito de control para matriz de 2x2 electrodos......................................... 40 Figura 23. Arreglos de electrodos de prueba. ................................................................. 44 Figura 24. Relacin entre matriz de LEDs y matriz de electrodos. ................................ 47 Figura 25. Tctel 1ab encendido ................................................................................. 48 Figura 26. Tcteles 1bc y 2bc encendidos. .............................................................. 49 Figura 27. Circuito esquemtico de control de filas de las matrices de LEDs. .............. 50 Figura 28. Circuito esquemtico de control de columnas de las matrices de LEDs. ...... 51 Figura 29. Optoacoplador utilizado. ............................................................................... 52 Figura 30. Circuito esquemtico del mdulo de comunicaciones. ................................. 53 Figura 31. Circuito esquemtico de conexin del microcontrolador. ............................. 54

9

Figura 32. Diagrama de flujo del software del Microcontrolador. ................................. 55 Figura 33. Codificacin de imagen tctil para transmisin. ........................................... 56 Figura 34. Diagrama de flujo del mdulode control de la EUSART.............................. 57 Figura 35. Clasificacin de tcteles. ............................................................................... 58 Figura 36. El diagrama de flujo de la funcin PrepararParaMostrar()......................... 61 Figura 37. Circuito esquemtico de la fuente de swicheo flyback implementada.......... 63 Figura 38. Circuito esquemtico de las fuentes de corriente. ......................................... 65 Figura 39. Dialogo de control TactaLo........................................................................... 67 Figura 40. Resultado de la funcin de deteccin de bordes............................................ 70 Figura 41. Agrupamiento de pxeles por tctel............................................................... 71 Figura 42. Aproximacin en el proceso de conversin................................................... 71 Figura 43. Resultado del proceso de conversin. ........................................................... 72 Figura 44. Ejemplos de imgenes tctiles prediseadas. ................................................ 73 Figura 45. Inversin de imagen tctil. ............................................................................ 74 Figura 46. Deteccin de bordes en imgenes tctiles. .................................................... 74 Figura 47. Imagen tctil monocromtica. ....................................................................... 75 Figura 48. Conversin de grises dinmicos. ................................................................... 76 Figura 49. Figuras mostradas en la primera fase del protocolote familiarizacin. ......... 78 Figura 50. Figuras mostradas en la segunda fase del protocolote familiarizacin. ........ 79 Figura 51. Porcentajes de reconocimiento segn el tamao del patrn. ......................... 80

10

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Resolucin espacial........................................................................................... 27 Tabla 2.Seales de control para encender tctel 1ab. ................................................. 48 Tabla 3. Seales de control para encender tcteles 1bc y 2bc encendidos. ............. 49 Tabla 4. Variables que almacenan el estado futuro de los puertos. ................................ 58 Tabla 5. Activacin de tcteles segn nmero de ciclo. ................................................. 59 Tabla 6. Corriente entregada por un espejo de corriente para diferentes cargas. ........... 66 Tabla 7. Resultados primera fase protocolo de familiarizacin...................................... 78 Tabla 8. Resultados segunda fase protocolo de familiarizacin. .................................... 79 Tabla 9. Matriz de correlacin entre estmulos y clasificaciones. .................................. 80 Tabla 10. Resultados tercera fase protocolo de familiarizacin. .................................... 81

11

INTRODUCCIN Este documento describe el desarrollo de un dispositivo orientado a la sustitucin de sentidos, el cual convierte imgenes grficas obtenidas por un ojo artificial (cmara de video) de tal manera que puedan ser percibidas y clasificadas utilizando el sentido del tacto. Consiste en un arreglo matricial de 12x16 electrodos (192 en total) ubicados a 5 mm el uno del otro, capaces de generar 521 puntos diferentes de estimulacin elctrica transcutnea. Los estados de cada uno de estos 521 puntos conforman una pantalla tctil, y es determinado por el nivel de intensidad de la imagen grfica en una zona especfica. Mediante el contacto de la yema de los dedos de la mano con el conjunto de electrodos, y los impulsos elctricos que estos generan se puede determinar el nivel de intensidad de los pxeles que conforman la imagen grfica y por lo tanto generar una imagen mental sin utilizar el sentido de la vista. El proceso de percepcin del cerebro humano es mucho ms que la recepcin de informacin por medio de los sentidos, y su posterior clasificacin pasiva por la corteza cerebral. En cambio, se realiza de manera activa, es decir que percibir involucra, adems de la recepcin de informacin, la interaccin del sujeto con el entorno y a partir de la relacin entre las seales eferentes y aferentes del SNC (Sistema Nervioso Central) se determinan las caractersticas del entorno basndose en reglas de asociacin determinadas previamente, en parte por la experiencia, y en parte por estructuras neuronales definidas genticamente. Si la pantalla tctil proyecta imgenes en tiempo real, es posible que mediante el aprendizaje en el uso del dispositivo se genere la asociacin necesaria entre los estmulos elctricos (seal aferente) y las caractersticas del entorno obtenidas por la manipulacin de la cmara de video (seal eferente), resultando en la percepcin del entorno visual mediante el sentido del tacto, es decir que el usuario podra ver sin utilizar el sentido de la vista. Otras aplicaciones de sistemas de sustitucin de sentidos pueden ser la telepresencia, sistemas de visin nocturna y, en general, la transmisin al cerebro de cualquier tipo de informacin. Teniendo en cuenta los posibles alcances del sistema, a continuacin se describe el desarrollo del hardware y software del dispositivo capaz de convertir imgenes de video en estimulaciones elctricas en una matriz de 192 electrodos. Adems se incluyen algunas pruebas preliminares que permiten determinar factores importantes que pueden ser tenidos en cuenta en proyectos futuros que busquen, ya sea evaluar el desempeo del dispositivo, o mejorarlo.

12

1.

MARCO TERICO

1.1.

SUSTITUCIN DE SENTIDOS

Este captulo est dedicado a analizar la discusin que surge a partir de lo que un dispositivo de sustitucin de sentidos representa a nivel cerebral. Bsicamente, el conflicto parte de las afirmaciones que los constructores de dispositivos de sustitucin de sentidos hacen acerca de los efectos que su utilizacin genera. Como ejemplo utilizaremos los artculos publicados por Paul Bach-y-Rita y su equipo en la Universidad de Winsconsin, as como el trabajo realizado por Peter Meijer en Inglaterra, contrastados con la posicin de un grupo de cientficos de la Universidad Tecnolgica de Compigne en Francia.

1.1.1. BACH-Y-RITA

El Doctor Paul Bach-y-Rita es famoso en el rea de sustitucin de sentidos bsicamente porque l la construy, adems ha realizado grandes aportes en el rea de la plasticidad cerebral. Desde la dcada de los 60 est trabajando en este tema y ha desarrollado diferentes dispositivos que convierten seales de video en estimulaciones tctiles. Su famosa frase Vemos con el cerebro, no con los ojos [6] es la posicin que motiva sus estudios y que, an hoy en da, sostiene fuertemente. Esta afirmacin implica que la plasticidad del cerebro puede ser tal que no importa el origen de los impulsos elctricos que recibe, si estos representan una imagen codificada, entonces el cerebro, despus de un proceso de adaptacin, podr ver esta imagen de manera equivalente a como lo hace el sistema de visin natural humano. Es como un sueo, un milagro en el que utilizando un dispositivo de sustitucin de sentidos los ciegos ven, lo cual suena sumamente atractivo. Sin embargo, la gran crtica que se le hace es una simple pregunta: Si es tan milagroso, porque no es ampliamente utilizado por las personas invidentes? Su forma de exponer el problema es la siguiente: Un simple ejemplo de sustitucin de sentidos es una persona invidente caminando con un bastn para ciegos, la cual es capaz de percibir escalones, obstculos, huecos y charcos de agua, y dentro de ese proceso, no es conciente de las sensaciones en su mano, que es donde estn ubicados los sensores, ni de los movimientos de sus msculos de la mueca o del brazo. En vez de eso, percibe los elementos en su entorno como imgenes mentales extradas de la informacin tctil originada por el bastn [6]. Este

13

proceso de transmisin de informacin al cerebro puede ser extendido a nuevas modalidades con el uso de la tecnologa, de manera que desarrollo varios dispositivos que convierten seales de video en vibraciones o estmulos elctricos percibidos por el sentido del tacto. Despus de un entrenamiento suficiente en la utilizacin de estos dispositivos los usuarios reportan experimentar la imagen en el espacio en vez de la piel. Aunque los dispositivos desarrollados por l y su equipo solo han tenido entre 100 y 1032 puntos de estmulo, esta baja resolucin ha sido suficiente para desarrollar complejas tareas de percepcin y de coordinacin ojo-mano (ver Figura 1), las cuales incluyen: reconocimiento facial, clculo preciso de la velocidad y direccin de una bola en movimiento hasta el punto de ser interceptada en una mesa con un 95% de precisin, y realizacin de tareas de inspeccin y ensamblaje, como por ejemplo una persona invidente que utiliza un arreglo de 100 estimuladores tctiles en el abdomen y es capaz de trabajar en una lnea de ensamblaje de una empresa que construye circuitos electrnicos.

Figura 1. Dispositivo Optacon adaptado para sustitucin de sentidos.1

Bach-y-Rita considera que el rea de la sustitucin de sentidos est en sus primeras etapas y que depende en gran medida de avances tecnolgicos para poder llegar, algn da, a competir con el proceso de percepcin natural e incluso a generar un factor al que l llama qualia, que es esa caracterstica en las percepciones que est conectada directamente a nuestros sentimientos y que nos permite disfrutar la belleza de un paisaje cuando lo vemos. Sus puntos de vista deben ser tenidos en cuenta por su gran trayectoria en este campo y sus posiciones atrevidas que, si1

Imagen extrada de [6].

14

resultan ser ciertas, representaran un inmenso avance en el entendimiento del proceso de percepcin del cerebro.

1.1.2. PETER MEIJER

El dispositivo desarrollado por Peter Meijer se llama vOICe que, por como suenan sus siglas en ingls, se puede entender la frase Oh! Yo veo. Y es que el funcionamiento del dispositivo es tan complicado que resulta increble pensar que, a partir de su utilizacin, una persona ciega puede generar imgenes mentales. Hoy en da el dispositivo es un software de computador que es capaz de convertir las imgenes de video entregadas por una cmara USB en seales de audio cuyas componentes de frecuencia y amplitud y su distribucin temporal representan cada imagen de la trama de video. El sistema de codificacin no es original de Meijer, y consiste en hacer un barrido de cada imagen por columnas, ver Figura 2, y para cada fila de cada columna se genera una onda cuya amplitud esta determinada por la intensidad del pxel y la frecuencia por su posicin vertical, siendo ms aguda a medida que se acerca al borde superior de la imagen. Para cada columna se suman todas las ondas generadas por sus filas y la onda generada es reproducida en unos audfonos, luego se sigue con la columna siguiente [27].

Figura 2. Esquema de mapeo de imgenes en sonido utilizado por el dispositivo vOICe.2

2

Extrado y traducido de www.seeingwithsound.com. Pagina oficial del dispositivo vOICe.

15

El sonido producido por el procesamiento de imgenes de la vida cotidiana resulta, aparentemente, ruido al cual es realmente complicado encontrarle alguna relacin con una imagen. Sin embargo, el cdigo del programa puede ser bajado gratuitamente de Internet, por lo que existen muchos usuarios invidentes alrededor del mundo que lo utilizan como ayuda en su movilidad utilizando un computador porttil. Algunos de estos usuarios aseguran que despus de un tiempo de haber usado el dispositivo vIOCe ya no escuchan los sonidos en s, sino que los experimentan inconcientemente como caractersticas de su entorno.

1.1.3. OTRO PUNTO DE VISTA

Para el Grupo de Investigacin en Percepcin de la Universidad Tecnolgica de Compigne en su artculo Lmites y Perspectivas de la Sustitucin de Sentidos, las teoras del Dr. Paul Bach-y-Rita con respecto a los procesos cerebrales que ocurren en la utilizacin de dispositivos de sustitucin de sentidos no son del todo acertadas. La manera de argumentar su posicin es criticando el trmino Sustitucin de Sentidos y las caractersticas que un dispositivo con este objetivo debe tener. Aunque no demeritan el trabajo de Bach-y-Rita, intentan darle un enfoque menos tecnolgico y ms neurolgico. Segn ellos el proceso no debe llamarse Sustitucin de Sentidos porque ni es sustitucin ni es de sentidos [24]. El uso del dispositivo en s demuestra que el problema no es tan sencillo como cambiar el sistema de entrada de la informacin visual por cualquier otro para que, finalmente, el cerebro y su plasticidad, sean capaces de interpretar esta nueva fuente de informacin. Como ejemplo presentan unas pruebas realizadas por la doctora Eliana Sampaio en Francia que demuestran que si dentro del proceso de aprendizaje en el uso de una pantalla tctil no se le permite al usuario manipular la cmara y no se le informa si sus respuestas en la clasificacin de figuras bsicas son correctas o no, despus de 60 intentos la persona sigue siendo incapaz de diferenciar una figura de otra, mientras que si la persona es capaz de controlar la cmara a medida que recibe la informacin podr incluso llegar a discriminar rostros. Este tipo de experimentos son una novedosa herramienta para explorar los mecanismos fundamentales de la percepcin y la plasticidad neuronal pues, si bien la percepcin tctil es diferente de la retina, y el control de la cmara lo es de los msculos que mueven los ojos y la cabeza, de alguna manera el usuario del dispositivo es capaz de interpretar las seales como

16

imgenes. En un nivel funcional, estos dispositivos cuestionan el concepto clsico de percepcin basado en el procesamiento paralelo de informacin recibida pasivamente, y parecen demostrar que no existe percepcin sin accin. O sea que lo que percibimos no se extrae de elementos constantes en la informacin que recibimos sino de elementos constantes en los ciclos de activacin motora y recepcin por medio de los sentidos. Por lo que, finalmente, proponen cambiar el termino sentidos por perceptual. Con respecto al trmino sustitucin, consideran que no va acorde con lo que realmente sucede cuando se utiliza el dispositivo, y basan esta afirmacin en los testimonios de los usuarios invidentes del dispositivo que expresaron cierta desilusin cuando experimentaron su uso, pues, aunque de alguna manera les permite realizar nuevas tareas que antes eran imposibles para ellos, esto no fue lo que los motiv a hacer parte de los experimentos. Una persona invidente puede enriquecerse personalmente independientemente de poder o no ejecutar tareas que requieran de la vista. Lo que realmente estn buscando en un dispositivo que, como dice Bach-y-Rita, hace que los ciegos vean, es descubrir las maravillas del mundo visible. Es as como los dispositivos fallan cuando intentan sustituir a la vista, cuando lo que realmente estn logrando es una adicin, la creacin de un nuevo espacio de acoplamiento entre un ser humano y su entorno visual. En esta medida, el dispositivo no est remediando un dficit, sino que introduce una nueva modalidad de percepcin bastante original. Con respecto a este punto, Bach-y-Rita argumenta que es necesario utilizar un dispositivo de sustitucin de sentidos desde etapas muy tempranas en el crecimiento para desarrollar lo que l llama qualia. Finalmente el equipo propone el termino Suplemento Perceptual como reemplazo de Sustitucin de Sentidos3. Y ms all de la manera como se les llame a estos dispositivos es importante rescatar el hecho de que estos aun no son tan milagrosos como sus constructores dicen que pueden llegar a ser, y tal vez los motivos estn en algunas suposiciones que representan sus pilares de funcionamiento.

3

Dentro de este documento se utilizar el trmino sustitucin de sentidos para evitar confusiones.

17

1.1.4. ATRIBUCIN DISTAL

Con respecto a los puntos de vista expuestos acerca de la percepcin como un proceso activo que involucra prcticamente al mismo nivel la accin y la sensacin resultante, cabe mencionar un tema muy relacionado con el del Suplemento Perceptual, y es el de la atribucin distal. El mundo perceptual, o mundo interno, es una representacin del mundo fsico, aun cuando esta distincin pocas veces sea realizada por la mayora de las personas durante su vida. La atribucin distal se logra cuando nuestra experiencia perceptual originada por nuestros rganos sensitivos es referenciada a un espacio externo ms all de los lmites de los rganos mismos [26]. Aplicado a dispositivos de sustitucin de sentidos tctil, la idea es que el estmulo en la piel es atribuido distalmente si no es percibido como vibraciones en la piel, sino como objetos ubicados frente a la cmara de la cual se extrae la informacin proyectada en la pantalla tctil. En un contexto perceptual normal, la teora principal que explica bajo qu circunstancias se genera la atribucin distal fue expresada por B. W. White en 1970, la cual propone que cuando el sistema nervioso central realiza comandos sobre sus msculos, guarda una copia de estas seales que luego es comparada con la informacin aferente recibida por los sentidos, en el caso que ambas concuerden teniendo una relacin lgica, entonces la fuente de la informacin se ubica en el mundo exterior, es decir, es atribuida distalmente. En el caso del sentido del tacto, la atribucin distal ocurre de manera singular, pues, a diferencia de la retina y la membrana basilar, la piel puede hacer parte del mundo perceptible, en general, cuando la piel es estimulada pasivamente, el sujeto percibe la sensacin en la piel misma, mientras que si utiliza sus manos para explorar un objeto, experimenta las sensaciones en la piel como el objeto mismo, o sea, las atribuye distalmente. Se pueden encontrar casos muy interesantes de atribucin distal con el sentido del tacto cuando se explora indirectamente un objeto utilizando una pinza, por ejemplo las personas expertas en diseccin dicen experimentar la sensacin como contacto entre la pinza y el objeto, en vez de cmo contacto entre la mano y la pinza. Es as como, debido a la similitud en el proceso, los dispositivos de suplemento perceptual pueden ser considerados como una exploracin indirecta del entorno. El proceso tctil directo entre la piel y un objeto es, en s, un proceso constructivo del sistema nervioso central, por lo que en realidad no es tan diferente de la manipulacin indirecta, en la que existe un camino que comunica los sensores tctiles con el objeto final, ya sea una pinza de

18

diseccin o una pantalla tctil. Este camino representa cambios en la relacin que existe entre la informacin eferente y la aferente, por lo que si estos cambios siguen siendo modelables, entonces cabe pensar que la atribucin distal ser una consecuencia de la prctica extensa de este tipo de percepcin.

1.2.

EL PROCESO DE VISIN NATURAL

1.2.1. ENFOQUE GENERAL

Una imagen mental es muchsimo ms que las imgenes que son reflejadas en la retina. En realidad lo asombroso del sistema visual es la capacidad de crear un mundo en tres dimensiones coherente y constante a partir de estos reflejos. A medida que nos movemos, el tamao, la forma y la intensidad de la imagen que un objeto proyecta en nuestra retina cambia drsticamente, sin embargo, estos cambios no son percibidos como cambios en las caractersticas propias del objeto. Si una persona camina hacia nosotros, nosotros la vemos acercarse, no agrandarse, an cuando la imagen que esta proyecta en la retina efectivamente s se est agrandando. Ver no es un proceso pasivo, es un proceso creativo. La percepcin de cada parte de la imagen depende en gran medida del resto de la imagen, del fondo y de ciertas normas que rigen al mundo visual de manera que gran parte de lo que vemos es lo que creemos que debemos ver. A continuacin listamos algunas de las reglas que sigue el sistema visual para generar imgenes acompaadas de dibujos que lo demuestran. Las imgenes son extradas de [23]. Cabe pensar que con la utilizacin de la pantalla tctil podrn ser deducidas estas mismas reglas, pero con imgenes tctiles. Tendencia a encontrar patrones en las imgenes basado en proximidad o similitud.

Figura 3. Efecto de proximidad o similitud.

19

Asociacin de algunas reas a la figura en s, mientras que el resto de la imagen es necesariamente tratada como fondo.

Figura 4. Efecto Fondo Figura.

Los contornos contienen la informacin necesaria para diferenciar formas y reconocer objetos.

Figura 5. Contornos que determinan una figura.

Rellenar espacios vacos cuando parezca necesario.

Figura 6. Efecto de completar figuras.

Estos efectos demuestran procesos profundos en el procesamiento de las imgenes visuales que, junto con otros, son los que permiten tener una percepcin til del entorno. Adems nos

20

recuerdan nuevamente la diferencia clara que hay entre el mundo fsico y el mundo perceptual o mundo interno, hasta el punto que si queremos clasificar una percepcin no debemos pensar qu la produce, sino cmo la genera el cerebro.

1.2.2. ENFOQUE ESPECFICO

El procesamiento necesario para lograr los efectos mencionados en el captulo anterior involucra la divisin de la imagen en distintos atributos: movimiento, profundidad, forma y color. Esta divisin esta representada en la estructura neuronal de la corteza occipital o corteza visual, que es la encargada de recibir la informacin de la retina y procesarla. En trminos generales el camino que sigue la informacin recibida por la retina es el siguiente: Los fotorreceptores en la retina proyectan las seales de luz representadas en fotones en clulas bipolares que a su vez hacen sinapsis con clulas de ganglio cuyos axones forman el nervio ptico. Hasta este punto la imagen ya ha sido procesada de manera importante aumentando el nivel de contraste como se muestra en la Figura 7. Los axones de las clulas pueden ser magnocelulares o parvoceluares creando los caminos M y P respectivamente, ambos viajan desde la retina hasta el ncleo geniculado lateral (NGL) en el tlamo donde mantiene su distincin estimulando distintas capas. El NGL proyecta en la corteza visual primaria, o corteza estriada, catalogada como V1.

Figura 7. Procesamiento en la retina.

21

La percepcin de forma est asociada con los contornos de la imagen y su clasificacin, por este motivo, se atribuye a las neuronas selectivas a la orientacin. Estas neuronas se activan si dentro de su campo receptor se encuentra un estmulo lineal con cierta orientacin especfica. En la Figura 8 se puede ver los resultados de un experimento que demuestran este tipo de comportamiento neuronal.

Figura 8. Selectividad de orientacin en la corteza visual.

La percepcin de movimiento est asociada con la sensitividad direccional que tienen algunas neuronas, esto quiere decir que son activadas cuando un estmulo en su campo receptivo se mueve en una direccin especfica. En las capas superiores de V1, las cuales reciben su entrada de las inferiores, se pueden encontrar neuronas con sensitividad direccional, sin embargo, el rea temporal media parece estar especializada en el procesamiento del movimiento de los objetos pues prcticamente todas sus neuronas tienen sensitividad direccional y un 20% de ellas es, adems, sensible a la textura del objeto que se mueve, lo cual es necesario para definir la verdadera direccin global de movimiento de un objeto cuya imagen ocupa ms que el campo visual de cada neurona. La percepcin de profundidad depende de pistas extradas de cada una de las imgenes monoculares proyectadas en cada retina as como de las diferencias entre las imgenes. Es decir que no basta con la informacin que representa una vista estereoscpica del mundo, las leyes que lo rigen pueden aportar bastante informacin adicional. De hecho, a distancias mayores a

22

30 m las imgenes proyectadas en cada retina son prcticamente idnticas, por lo que, para objetos a esa distancia, solo podemos tener una visin monocular.

1.3.

SENTIDO DEL TACTO

Las neuronas receptoras del sentido del tacto responden a cambios de presin en la piel, cambios de temperatura o cambios qumicos. La manera como codifican la cantidad de energa recibida es por medio de un potencial de receptor el cual vara de manera proporcional a la intensidad del estmulo. As, cada neurona receptora es un transductor de algn (o algunos) tipos de energa en seales elctricas que el sistema nervioso es capaz de procesar, de hecho, al estimular una neurona receptora artificialmente introduciendo directamente energa elctrica, la sensacin resultante no puede ser diferenciada de la percibida si el estmulo ocurre de manera natural. Todas las neuronas receptoras del sistema somtico son clulas ganglionares cuyos axones viajan en dos sentidos: hacia la piel y hacia la columna dorsal [23]. La manera en la que cada axn termina cerca de la piel, determina el tipo de informacin que codifica esa neurona en particular. Aunque existen muchos ms tipos de receptores en la piel, en la zona de la yema de los dedos solo se encuentran de cuatro tipos [11]: Los corpsculos de Meissner (FAI) que se adaptan rpidamente al estmulo y su rango de percepcin es pequeo, las clulas de Merkel (SAI) que se adaptan lentamente al estmulo y su rea de percepcin es pequea, los corpsculos de Pacinian (FAII) que se adaptan rpidamente al estmulo y su rea de percepcin es grande y finalmente, las terminaciones de Ruffini (SAII) que se adaptan lentamente al estmulo y su rea de percepcin es pequea. La diferencia entre estos cuatro tipos de sensores es la manera como est envuelta la terminacin del axn. El primer procesamiento que se realiza sobre la seal se muestra en la Figura 10 y consiste en aumentar su contraste [23], lo cual se logra con una capa de neuronas ganglionares que reciben seal de un grupo de neuronas receptoras conectadas de tal manera que una neurona receptora las excita y las otras, que estn alrededor, la inhiben, la interneurona solo dispara potenciales de accin cuando se estimula la parte central de su zona receptora, pero si todas las neuronas receptoras de las cuales recibe seal se estimulan a la vez, no responde. Este tipo de procesamiento es idntico en la retina.

23

Figura 9. Receptores tctiles.

Figura 10. Realce de contraste.

24

De ah, la seal pasa directamente por la medula espinal hasta el tlamo, terminando en la corteza somatosensorial la cual se divide en 2 partes principales: SI y SII. Las reas de Brodmann 3a, 3b, 1 y 2 forman SI. Las seales provenientes de todo el cuerpo llegan principalmente a las regiones 3a y 3b, sus campos de recepcin son especficos por columnas de corteza cerebral, cada columna responde a estmulos en una parte especfica del cuerpo. Las partes del cuerpo que son vecinas, como los dedos y la mano, se mapean en columnas vecinas de SI, adems, las partes ms sensibles (con mayor densidad de receptores) ocupan reas ms grandes de corteza. En un nivel ms avanzado en el proceso, existen neuronas que disparan selectivamente segn la orientacin de un estmulo lineal sobre la palma de la mano. Este efecto se encuentra idnticamente en el sistema visual y se puede apreciar en la siguiente figura.

Figura 11. Neuronas selectivas a la orientacin.

Los patrones de disparo de las neuronas de SI parecen estar determinados nicamente por las caractersticas del entorno, sin embargo, para SII, el patrn de disparos depende del estado de nimo del sujeto y de su contexto comportamental. En pruebas realizadas en monos, algunas de las neuronas de SII responden de manera distinta al mismo estmulo dependiendo si se concentra en el estmulo tctil o si se distrae con estmulos visuales. Con respecto a la sensibilidad del sentido del tacto a estmulos producidos por vibraciones mecnicas, vale la pena mencionar que el umbral de sensacin de los mecanoreceptores cambia notablemente para diferentes partes del cuerpo, siendo las yemas de los dedos por lo menos diez veces ms sensibles que cualquier otra parte del cuerpo. Este umbral depende de

25

estimulaciones anteriores, de manera que 10 minutos de estimulacin 6dB por encima del umbral mnimo, aumenta el umbral en 2 dB, mientras que si la estimulacin es 40 dB ms fuerte que el umbral mnimo, el umbral aumente hasta 20 dB. 1.3.1. RESOLUCIN ESPACIAL Una aproximacin para determinar la resolucin espacial consiste en medir directamente las seales aferentes de los mecanoreceptores para determinar su campo receptor. En este aspecto se puede encontrar el estudio realizado por J. R. Phillips, que mediante un electrodo mide la actividad de cada receptor, diferenciando entre los cuatro tipos. Luego estimula la piel con arreglos de puntos en relieve ubicados en un arreglo tetragonal a distancias cada vez ms pequeas. A partir de las seales recibidas por los electrodos crea un mapa, que se muestra en la Figura 12, de lo que fue percibido por un receptor especfico.

Figura 12. Campos receptores de una neurona. Cada zona oscura representa puntos en el espacio en los que el recetor fue activado. Visualmente, se puede apreciar que la sensacin producida por cada punto del arreglo se puede diferenciar hasta distancias entre puntos tan pequeas como 1.5 mm. El estudio muestra que dentro del campo receptor de cada neurona, existen pequeas zonas cuya sensibilidad es mayor. Esto implica que si se mueve la yema del dedo sobre el estmulo se generan cambios fuertes en la sensacin.

26

Figura 13. Diferencias de intensidad dentro del campo receptor.

Otro estudio recopilado [18] muestra un resumen de algunas de las resoluciones espaciales segn el estmulo y su ubicacin. Los resultados se muestran en la Tabla 1, sin embargo, estos resultados no son del todo fiables pues los parmetros de cada experimento no estn bien definidos.

Presin Ubicacin Yema de los dedos Palma Frente Abdomen Antebrazo Espalda Muslo Brazo Esttica 3 10 17 36 38 39 43 44 Vibracin 2 11 18 -

Estimulo Elctrico 131)

tx_state = TRANSMIT

Retorno de interrupcin

Figura 34. Diagrama de flujo del mdulo de control de la EUSART.

3.1.5.3. FUNCIN PREPARARPARAMOSTRAR()

El programa funciona de forma cclica, repasando cada uno de los tcteles que pueden ser generados por cada zona de la matriz de electrodos. Para cada zona existen 48 diferentes tcteles clasificados con las letras de los electrodos que los generan, en la Figura 35 los pares de letras mostrados en la parte inferior de cada tctel corresponden a las 48 opciones

57

Figura 35. Clasificacin de tcteles.

Cada vez que la rutina de interrupcin ha actualizado los valores de los puertos con la informacin entregada por PrepararParaMostrar(), sube una bandera llamada buseado. El hecho de subir esta bandera implica que se puede volver a llamar la funcin PrepararParaMostrar(). El valor futuro de la matriz de LEDs es guardado en diferentes variables que se resumen en la siguiente tabla:

Tipo

Nombre

Funcin Columna a encender en la matriz inferior de LEDs Columna a encender en la matriz superior de LEDs Concatenacin de col_up y col_do, pues este es el valor con el que se carga el puerto E. Estado futuro de cada una de las 16 filas de la matriz superior Estado futuro de cada una de las 16 filas de la matriz inferior Concatenacin de las filas 1 a la 8 de la matriz inferior Concatenacin de las filas 9 a la 16 de la matriz inferior Concatenacin de las filas 1 a la 8 de la matriz superior Concatenacin de las filas 9 a la 16 de la matriz superior

char col_do char col_up char col char f1u...f16u char f1d...f16d char filas_do_1 char filas_do_2 char filas_up_1 char filas_up_2

Tabla 4. Variables que almacenan el estado futuro de los puertos.

58

Existe una variable de tipo char llamada tacton que contiene la identificacin del grupo de tcteles que se estn controlando en cada momento. Al iniciar la secuencia es cargada con el valor AB que quiere decir que se deben activar los tcteles generados por todos los electrodos a y b de la matriz. Esto implica que se debe encender la columna a de la matriz de LEDs superior, y la b de la inferior y que los estados de las filas de las matrices superior e inferior para ese grupo especfico de tcteles deben ser cargados en su respectiva variable f1u, ... ,f16u y f1d, ... ,f16d. Estos estados estn almacenados en alguna posicin de vector. En cada ciclo se determina el estado de todos los grupos de tcteles, y una vez terminado el ciclo, se vuelve a comenzar con el primer grupo. La manera en la que se controla la intensidad de cada tctel, es decir su frecuencia de estimulacin, es encendindolo en todos los ciclos si es blanco, uno de cada dos ciclos si es gris claro, uno de cada tres ciclos si es gris oscuro o nunca si es negro. La manera de lograr esto es crear una nueva variable de tipo char llamada vez que clasifica cada ciclo en 6 diferentes posibilidades. Dependiendo del valor de vez, un tctel debe estar encendido o apagado en ese ciclo segn su intensidad, la determinacin que se debe tomar segn el ciclo que se corra se resumen en la Tabla 5, en la que una x implica que el tctel debe ser encendido. Intensidad vez 11 1 2 3 4 5 6 x x x x x x x x x 10 x 01 x 00

Tabla 5. Activacin de tcteles segn nmero de ciclo.

Esta determinacin es tomada por una funcin que devuelve el estado de un tctel segn su intensidad y el ciclo que se encuentre ejecutando. La funcin se llama OnSegunFrecuencia(), recibe como parmetro el byte de vector donde est guardada la intensidad del tctel a evaluar y un identificador de cual de los cuatro tcteles incluidos dentro de ese byte debe ser tomado en cuenta.

59

Entonces, PrepararParaMostrar() lo primero que hace es clasificar el grupo de tcteles que se estn proyectando. Existen 48 casos posibles, que corresponden a los 48 tcteles que se pueden generar con cada zona. Segn cada caso enciende las columnas respectivas y determina el estado de cada una de las filas a partir de la informacin recibida por la funcin OnSegnFrecuencia(). Finalmente concatena tanto col_do y col_up en col, como f1u, ... ,f16u y f1d, ... ,f16d en filas_up_1, filas_up_2, filas_do_1 y filas_do_2. Para que la onda generada sea bipolar, la funcin PrepararParaMostrar() el orden en el que enciende la columnas para cada grupo de tcteles determinado. Por ejemplo, para generar el grupo ab enciende primero la columna a como fuente de corriente y la b como camino a tierra, pero la siguiente vez que va a encender ese tctel, realiza el proceso de manera contraria, o sea enciende la columna b como fuente de corriente y la a como camino a tierra. El resultado es una onda de corriente con pulsos positivos u negativos alternados. El diagrama de flujo de la funcin PrepararParaMostrar() se muestra en la prxima pgina.

3.1.5.4. INTERRUPCIN DEL TIMER

Dentro de esta rutina se parte del supuesto que la funcin PrepararParaMostrar() ha actualizado los valores de las variables de control. La asignacin de los puertos de salida no se realiza siempre que hay una interrupcin. Existe un contador interno que marca las veces que se ha interrumpido y cuando llega a cierto valor predefinido T_ON o T_OFF, ejecuta el cdigo establecido. Esta es una manera de manejar las caractersticas de la onda de estimulacin desde software. Adems de ser una onda bipolar, debe haber unos espacios de tiempo en los que todos los LEDs de ambas matrices estn apagados para permitir que los transistores de salida se apaguen correctamente antes de volverlos a encender con otra configuracin. Esto quiere decir que dentro de la rutina de interrupcin tambin se manejan diferentes estados almacenados en la variable de tipo char llamada onda. El proceso para generar una onda completa en un grupo de tcteles determinados es:

60

Despus de cierto numero de interrupciones consecutivas determinado por el tiempo en el que dura encendida la onda de corriente T_OFF se cargan los puertos con la informacin almacenada por PrepararParaMostrar(). Se cambia a estado OFF. Despus de cierto numero de interrupciones consecutivas determinado por el tiempo en el que dura encendida la onda de corriente T_ON (ya sea positiva o negativa), se apagan todos los LEDs de ambas matrices . Se cambia el estado de onda a FASE El proceso vuelve a empezar con el siguiente tctel.

Figura 36. El diagrama de flujo de la funcin PrepararParaMostrar().

61

3.1.5.5. ANLISIS DE TIEMPOS

El correcto funcionamiento del software del procesador depende de la sincronizacin temporal, es decir, que haya suficiente tiempo para realizar las tareas previas a un evento, antes de que el evento ocurra. Si se supone que la interrupcin del timer acaba de ocurrir, dependiendo de la configuracin de la forma de onda, la prxima interrupcin podr ser mnimo 100 s despus. Esto quiere decir que en menos de este tiempo, la funcin PrepararParaMostrar() debe haber actualizado los valores que se deben llevar a los puertos de salida. Existe un factor externo que es la interrupcin de la EUSART, sin embargo, como la tasa de transmisin es de 19200 bps, se puede asegurar que cada interrupcin de bajo nivel llega cada 416 s. As que en el peor caso solo va a haber una interrupcin de bajo nivel durante ese periodo. Si la frecuencia de oscilacin es de 40 MHz, en 100 s hay 4000 pulsos de reloj, que ejecutan 2000 instrucciones. Cada vez que entra a la rutina PrepararParaMostrar() debe clasificar el estado de tacton de los 48 posibles, cada uno de estos se realiza con una comparacin de, supongamos, 6 instrucciones. Hasta ahora van 288 instrucciones. Dentro de cada estado llama a la rutina OnSegunFrecuencia() mximo 16 veces, si cada vez debe ejecutar, por decir, 50 instrucciones, hasta ah van 1088 instrucciones. Como el programa esta escrito en un lenguaje de programacin de alto nivel, es un poco complicado deducir con certeza el numero de instrucciones que son ejecutadas en cada paso, sin embargo, por el anlisis anterior, se puede deducir que es muy importante tener en cuenta esta limitacin si se va a utilizar tiempos de conmutacin de los puertos cercanos o menores a 100 s. En la implementacin actual, debido a las limitaciones de los optoacopladores, el tiempo de conmutacin est en 1 ms.

3.1.6. MODULO DE FUENTE DE VOLTAJE

La fuente de swicheo, como ya se mencion est construida en configuracin Flyback. El circuito definitivo se muestra a continuacin:

62

V+320 V+12 V+12 HIGHV 1 2 CON2 C 100uF 8 C SM 100u R 1 MEG 1/4 R 1/4 U3843 2 3 R6.5K 1/8 R 1/8 POT V 10k 1 2 3 CON3 R 1K 1/8 R 1/8 R 10K 1/8 R 1/8 D_switch 1N4148 R_27k 1/4 R 1/4 C 10 nF C Lenteja VFB ISEN R 5.6K 1/8 R 1/8 RT/CT VREF COMP OUT 4 8 1 6 C 1000pF C Lenteja C_2200pf 2 C Lenteja R 150k 1/8 R 1/8 C 100uF 26 C SM 100u C 5.6nF C Lenteja

R_300k 1/8 R 1/8

TR1 D1 FR107 2 INOUT4 1 IN+ OUT+ 3

D OUT

VCC

7

FR107 C 10uF 400V C 10u 400V

GND

Transformador R_200 1/2 R 1/2 ZXMN10A MOSFET N R_1 1/2 R 1/8 R 1/2 R_2.7K 1/8 D2 FR107 C 2200pf C Lenteja

UC3843 5

Figura 37. Circuito esquemtico de la fuente de swicheo flyback implementada.

La base de este circuito es el integrado UC3843, el cual es un modulador de ancho de pulso de frecuencia fija. El circuito controla el ciclo til con el que enciende el MOSFET de tal manera que el voltaje en su pin VFB sea igual a 2.5 V. Es un sistema realimentado en el que el si el voltaje en VFB es mayor a 2.5 V, el ciclo til disminuye, reduciendo a su vez el valor promedio del voltaje reflejado en el secundario y por lo tanto el valor al cual se encuentra cargado el condensador de salida, en consecuencia, el voltaje en el pin VFB baja hasta estabilizarse. La ganancia, representada en el cambio en el ciclo til por cambios de voltaje, es muy alta y la frecuencia de swicheo es mucho mayor a la frecuencia con la que cambia la carga a la salida, haciendo que el circuito funcione como un regulador de voltaje. Puesto que el voltaje mximo de salida es 250V, y el transistor que se va a utilizar soporta mximo 100V de ruptura entre drain y source, la relacin del transformador utilizada es de 6 a 1, de manera que el voltaje reflejado del secundario al primario sea de 58V. El MOSFET utilizado es el ZXMN10A11G de Zetex Semiconductors. Su montura es de tipo SOT223. La resistencia cuando se encuentra encendido es de 0.35 limitada por este dispositivo. El diodo de salida utilizado es de referencia FR107, el cual soporta voltajes inversos de hasta 1000 V, y corrientes de hasta 1 A. Su tiempo de conmutacin en recuperacin inversa es de 500ns. , de manera que puede manejar sin problema ms de un amperio. Esto implica que la potencia de salida no est

63

El PWM est configurado mediante una resistencia y un condensador para que swichee el MOSFET de salida a una frecuencia de 50KHz. La conexin a la fuente de 12 V es mediante un interruptor, lo que permite encender la etapa de alto voltaje independientemente del la etapa lgica. El voltaje de salida es graduable por el usuario mediante un potencimetro en la red resistiva de realimentacin, su valor mnimo, el cual se logra cuando el potencimetro CON3 marca 10 k , es de 130 V, y el mximo es de 250 V. La fuente cuenta con una resistencia que censa la corriente por el primario de manera que si es mayor a un amperio, apaga el MOSFET. Este circuito de proteccin se activa para corrientes de salida superiores a 8 mA. En esta corriente, el ncleo an no se ha saturado, esto fue previsto en el diseo y probado en el circuito definitivo. Esto quiere decir que no todas las fuentes de corriente pueden estar encendidas al mismo tiempo. Esto no representa una limitacin pues es muy poco probable que las 16 zonas de la matriz de electrodos estn en contacto con la piel al mismo tiempo, y si este fuera el caso, la resistencia de la mayora de ellas sera mucho mayor de 250k , por lo que algunas fuentes de corriente se saturaran. Por otro lado, este circuito de proteccin asegura que si una fuente de corriente falla, el resultado va a ser apreciable por el usuario pero no va a ser peligroso para l ni para el resto del circuito. El resto de los componentes son filtros, redes de snubber, y redes de compensacin cuya funcin es estabilizar el funcionamiento del circuito reduciendo el ruido elctrico que genera. Debido a la baja carga que representa el circuito para la fuente de swicheo, y teniendo en cuenta las prioridades del proyecto, solo se prob que la fuente entrara en proteccin antes de saturarse el ncleo, el resto de clculos, como factor de regulacin de voltaje, potencias disipadas por cada componente, eficiencia, etc., solo fueron tenidos en cuenta en la etapa de diseo, pero no son medidos en el circuito definitivo.

3.1.7. MDULO DE FUENTE DE CORRIENTE

Se necesitan 16 fuentes de corriente independientes una de la otra. Para esto, se pens utilizar la misma configuracin que en el circuito de prueba, sin embargo, en las simulaciones se pudo

64

apreciar que cuando se conectaban en paralelo 16 ramas, el desempeo desmejoraba notablemente debido a la carga que representaba la corriente de base por cada transistor. Normalmente los transistores que se consiguen comercialmente y que son capaces de manejar altos voltajes a bajos niveles de corriente, tienen una ganancia de corriente baja. La solucin a este problema fue cambiar las fuentes de corriente bipolares por fuentes de corriente de MOSFETs colocados en la misma configuracin. De esta manera no existe efecto de carga al aumentar el nmero de espejos o ramas conectadas en paralelo. El circuito obtenido se muestra a continuacin:2 50 1 50 1 1 1 1 1 1 2 M22 2 M23 3 1 3 1 2 50 1 2 50 1 2 50 1 2 50 1 2 R11 1k

2 M1 V1 350 2 M2

2

2

2

2

3

3

3

3

1

1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

3

R1 300k 2 R7 1 1MEG

0

Figura 38. Circuito esquemtico de las fuentes de corriente.

Los potencimetros de la parte superior del diagrama permiten ajustar cada rama para compensar posibles diferencias en las caractersticas de los MOSFETS. El potencimetro superior de la rama principal de corriente permite generar una ganancia de corriente para as reducir el consumo mnimo que esta genera sobre la fuente de swicheo. El potencimetro de 1 M permite graduar la corriente que circula por la rama principal y por lo tanto las corrientes reflejadas en cada rama.

3

1

3

65

La corriente entregada por cada espejo es controlada siempre y cuando el voltaje sobre la carga a la cual se le entrega corriente sea menor al de la fuente de swicheo, permitiendo que los MOSFETs estn en estado de saturacin8. Se puede decir que las fuentes de corriente funcionan como un limitador de corriente. En la siguiente tabla se muestran algunos valores de corriente entregados por una rama especfica para distintos valores de resistencia de carga. El voltaje de polarizacin durante la prueba fue de 200 V DC. Corriente Carga ( ) 1 10 100 1k 10k 100k 1M (mA) 1.305 1.298 1.291 1.285 1.278 1.262 0.243

Tabla 6. Corriente entregada por un espejo de corriente para diferentes cargas.

3.2.

SOFTWARE

El objetivo final del programa es extraer la informacin de una imagen fcil a partir de imgenes digitales y transmitirla por el puerto serial del computador. El programa, llamado TacaLo, esta dividido en tres secciones, una que procesa video, otra que procesa imgenes digitales obtenidas de archivos y la ltima que genera imgenes prediseadas. Sin embargo el funcionamiento de cada una de las secciones es muy similar, lo que cambian son las variables que son alteradas en el proceso. Consta de una nica ventana principal que se muestra en la Figura 39 sobre la cual se encuentran diferentes botones para controlar el flujo de informacin, agrupados en las tres secciones.

8

En transistores tipo MOSFET el estado de saturacin es equivalente al estado activo de los transistores bipolares.

66

Figura 39. Dialogo de control TactaLo.

3.2.1. ESQUEMA GENERAL DEL PROGRAMA

El esqueleto del programa es construido por el asistente Application Wizard de Microsoft Visual C++. Este asistente permite crear una aplicacin basada en dilogos, los cuales interactan con el usuario mediante botones, cuadros de dialogo, barras de progreso, etc. La descripcin de todas las funciones de Microsoft Visual C++ utilizadas se encuentran en el Anexo 2. El cdigo del programa est basado en la utilizacin de funciones de la librera OpenCv. Su nombre completo es Open Source Computer Vision Library, y es un conjunto de cdigo distribuido de manera libre por Intel, que optimiza el manejo de imgenes y videos para programas de computador. La descripcin de todas las funciones y estructuras que se utilizan dentro de este programa, relacionadas con OpenCv se incluyen en el Anexo 3. Dentro de OpenCv, las imgenes son tratadas como estructuras tipo IplImage. Esta estructura contiene toda la informacin relacionada con una imagen digital como por ejemplo su tamao, el numero de canales que utiliza para generar colores, el numero de bits por canal, el modelo de color que utiliza, el ancho, el alto, y por supuesto el valor para cada uno de los canales de cada pxel de la imagen. A partir de estas estructuras, la librera permite, mediante diferentes funciones, realizar diversos tipos de procesamientos sobre las imgenes.

67

Adems de OpenCv, se utilizan un conjunto de cdigo en forma de header del programa llamado apmatrix.h. Este cdigo permite trabajar con matrices de informacin de manera simple y segura. Dentro de este cdigo se encuentra una estructura llamada apmatrix la cual contiene la informacin de los elementos de una matriz, y su tamao. Otro archivo tipo header que se incluye, y que facilita la utilizacin del puerto serial del computador es Tserial.h desarrollado por Thierry Schneider de libre distribucin. Estos archivos header se incluyen en el Anexo 4. Las variables principales utilizadas por el programa y la funcin que desempean se describen a continuacin:Tipo de Variable IplImage* IplImage* IplImage* IplImage* IplImage* IplImage* IplImage* apmatrix apmatrix apmatrix unsigned char CvCapture Nombre image_org_vid image_org_img image_org_cre image_procesada_vid imae_procesada_img image_conv_vid image_conv_img matriz_tactil_vid matriz_tactil_img matriz_tactil_cre vector_envio cam obtenido de la cmara USB. Guarda la imagen extrada de algn archivo BMP o JPG. Guarda una imagen digital de la informacin contenida en matriz_tactil_cre. Si se selecciona alguna opcin de preprocesamiento, aqu se guarda la imagen de video preprocesada. Si se selecciona alguna opcin de preprocesamiento, aqu se guarda la imagen obtenida de un archivo y preprocesada. Representacin grfica de la imagen tctil obtenida a partir de la seal de video. Representacin grfica de la imagen tctil obtenida a partir de un archivo. Informacin de la imagen tctil obtenida de la conversin de la seal de video. Informacin de la imagen tctil obtenida de la conversin de un archivo. Informacin de la imagen tctil obtenida de la creacin de figuras prediseadas. Vector que contiene el estado de cada un de los tcteles de la imagen tctil que se va a enviar a la matriz de electrodos. Esta estructura almacena toda la informacin correspondiente a una trama de imgenes. Funcin Guarda la imagen correspondiente al ltimo frame entregado

68

3.2.2. MDULO DE OBTENCIN DE LA IMAGEN

Si el origen de la imagen es un archivo digital se crea una clase CFileDialog que permite navegar dentro de los discos y carpetas del equipo y seleccionar cualquier archivo en formato JPG o BMP. Una vez seleccionado devuelve la ubicacin del archivo seleccionado en una variable de tipo CString. Esta variable se pasa como parmetro a cvLoadImage() y el valor que retorna se le asigna a image_org_img. Finalmente se abre una ventana que muestre la imagen obtenida para la verificacin del usuario. Para obtener la imagen de la cmara USB, lo primero es asignar a la variable cam la informacin entregada por la cmara, esto se logra mediante la funcin cvCaptureFromCAM() la cual retorna un apuntador de tipo CvCapture. Una vez es actualizada la estructura cam para que contenga la informacin correspondiente a la cmara USB, se configura un reloj mediante la funcin de Windows SetTimer() para que genere un evento cada cierto tiempo. Es as como cada 100 ms se ejecuta la funcin OnTimer() en la cual se obtiene el ltimo frame entregado por la cmara, se procesa y se enva, dependiendo de las opciones habilitadas por el usuario. Esto quiere decir que la tasa de transmisin es de 10 imgenes por segundo. Si la tasa de transmisin es de 19200 bps, una imagen tctil, codificada en 131 bytes demora 54 ms en ser transmitida por completo, lo que asegura que la imagen anterior fue enviada antes de intentar transmitir una nueva. Para obtener el ltimo frame se utiliza la funcin cvQueryFrame() la cual devuelve una estructura IplImage con este. Finalmente se muestra en una ventana para que el usuario conozca las imgenes que est entregando la cmara. Para mostrar una IplImage en una ventana, primero se crea la ventana con la funcin cvNamedWindow(), luego se carga la imagen con la funcin cvShowImage(). Hasta este punto se cuenta, ya sea desde un archivo o desde la cmara USB, con una estructura IplImage que contiene la informacin correspondiente a la imagen digital que se desea procesar y a la cual llamaremos de ahora en adelante imagen original.

69

3.2.3. MDULO DE PREPROCESAMIENTO

La imagen original normalmente es a color, sin embargo para el procesamiento posterior procesamiento la informacin de color no es necesaria por lo que se convierte a grises mediante la funcin cvCvtColor(). Adems se cambia su tamao a 320x240 pxeles para que el posterior proceso de conversin no dependa del tamao de la imagen y por lo tanto resulte ms fcil de programar. Es posible realizar diferentes procesamientos de la imagen digital que podran resultar en una imagen tctil ms clara y sencilla de percibir. Mediante las diferentes funciones de OPENCV este procesamiento resulta sencillo de realizar. Por ahora solo se ofrece la posibilidad de detectar bordes en la imagen original. Esta conversin se realiza mediante la funcin ConvertirSobel() y el resultado se muestra en la siguiente figura.

Figura 40. Resultado de la funcin de deteccin de bordes.

3.2.4. MDULO DE CONVERSIN

A partir de la imagen original hay que determinar el estado de cada uno de los tcteles que conforma la imagen tctil. Sin embargo esta imagen tctil no es una reduccin simple en la resolucin de la imagen original debido a la distribucin tetragonal de los electrodos. Al sobreponer el diagrama de la matriz sobre una imagen original como se muestra en la Figura 41, se puede apreciar como cada tctel agrupa ciertas zonas de la imagen en forma de hexgono.

70

Figura 41. Agrupamiento de pxeles por tctel.

Como primera aproximacin, el valor de un tctel es el promedio de todos los pxeles que agrupa. Sin embargo, determinar los pxeles que conforman cada tctel resulta una tarea difcil, por lo que se realizar una aproximacin que consiste en considerar los tcteles y los electrodos como formas rectangulares. En la Figura 42 se muestra el resultado de esta aproximacin.

Figura 42. Aproximacin en el proceso de conversin.

Los rectngulos blancos representan los tcteles, y los oscuros los electrodos. El proceso de conversin de imagen digital de 320x240 pxeles a imagen tctil se realiza mediante una funcin llamada ConvertirIPL2VECTOR(), la cual recibe un apuntador de tipo IplImage y otro de tipo apmatrix y, a partir de la imagen recibida, actualiza los valores de la matriz.

71

Cada posicin especfica dentro de la matriz contiene el estado de cada tctel, incluyendo los espacios en los que estn ubicados los electrodos, cuyo valor es siempre cero. Para determinar el estado de cada tctel se calcula el promedio de la intensidad de todos los pxeles que estn dentro del rectngulo que representa ese tctel especfico. Al finalizar esta etapa, los valores de cada posicin de la matriz pueden estar entre 0 y 255, sin embargo, la matriz solo es capaz de mostrar 4 niveles diferentes, por lo que es necesario llamar a la funcin ConvertirVEC2GRAY() que actualiza los valor de cada tctel como 0 si est entre 0 y 64, 117 si est entre 65 y 128, 181 si est entre 129 y 192, y 255 si est entre 193 y 255. Finalmente contamos con una matriz de 23 columnas por 31 filas que contiene los estados de cada una de los tcteles que componen la imagen tctil. Por comodidad en el uso del programa resulta importante permitir que el usuario tenga una representacin visual de la imagen tctil creada, por lo que se cuenta con una funcin adicional llamada ConvertirVECTOR2IPL(), que bsicamente realiza el proceso inverso de ConvertirIPL2VECTOR(), es decir, a partir de la estructura apmatrix, actualiza los valores de una estructura IplImage. Una vez llamada esta funcin, la imagen resultante es mostrada en una ventana diferente. En la Figura 43 se muestra el resultado del proceso de conversin para una imagen obtenida de un archivo JPG. La imagen de la derecha es una representacin grfica de la imagen tctil obtenida. Los cuadrados negros representan los electrodos y los espacios entre ellos el estado de cada tctel de la imagen, que puede ser blanco, gris claro, gris oscuro o negro..

Figura 43. Resultado del proceso de conversin.

72

3.2.5. MDULO DE CREACIN DE IMGENES PREDISEADAS

Este mdulo se encarga de actualizar los valores de la variable matriz_tactil_cre. El programa permite la creacin de tres figuras diferentes: Crculo, cuadrado y tringulo, cada una de 4 tamaos diferentes. Cada tamao utiliza una cuadrcula de electrodos diferente, desde 4x4 electrodos el ms pequeo, hasta 7x7 electrodos el ms grande. Adems, las figuras pueden ser creadas con relleno o solo con el borde. En la Figura 44 se muestran algunos ejemplos. Dependiendo de la seleccin de figura y tamao que el usuario seleccione en la ventana principal, se ejecuta una seccin de cdigo diferente al oprimir el botn crear y es en cada una de estas secciones de cdigo en las que se encienden los tcteles determinados que generan la imagen que el usuario pretende obtener. Una vez actualizada la imagen tctil, se realiza un llamado a la funcin ConvertirVECTOR2IPL(), para mostrar visualmente el resultado obtenido.

Figura 44. Ejemplos de imgenes tctiles prediseadas.

3.2.6. MDULO DE POSTPROCESAMIENTO

Este mdulo est conformado por varias funciones que realizan ciertos cambios sobre una imagen tctil. Es decir, no procesan estructuras de tipo IplImage, sino de tipo apmatrix. Hasta el momento es posible realizar cuatro acciones diferentes sobre una imagen tctil: Invertir, Detectar Bordes, Convertir a Monocromtica y Convertir a Grises Dinmicos. Invertir convierte los valores de cada tctel de manera que los que estaban negros queden blancos y viceversa, y los que tenan un nivel de gris bajo tengan uno alto y viceversa. El resultado de este procesamiento se muestra en la Figura 45, y es una imagen con sus valores invertidos, que puede ser visto como que el objeto toma el color del fondo y el fondo el del objeto.

73

Figura 45. Inversin de imagen tctil.

Detectar Borde es una funcin equivalente a ConvertirSobel(), solo que trabaja sobre una estructura tipo apmatrix y no sobre una tipo IplImage. El resultado puede resultar un poco confuso para imgenes complicadas.

Figura 46. Deteccin de bordes en imgenes tctiles.

Convertir a Monocromtica clasifica los valores de la imagen tctil nicamente en dos intensidades: Blanco o negro, encendido o apagado. Esto reduce la cantidad de informacin transmitida, sin embargo, es una herramienta til para evaluar el eventual mejoramiento del sistema cuando utiliza mayor cantidad de niveles de intensidad para cada tctel. En la siguiente figura se tiene, de izquierda a derecha, la imagen original, la imagen tctil con cuatro niveles de grises y la imagen tctil monocromtica.

74

Figura 47. Imagen tctil monocromtica.

Convertir a grises dinmicos es una herramienta que ajusta la conversin que realiza el sistema al momento de reducir los niveles de intensidad de la imagen tctil de 256 a 4. En imgenes del mundo real, es muy probable que la mayora de tcteles estn en el mismo valor cuando la imagen original es convertida debido a su bajo contraste. Para solucionar este problema, cada vez que se va a reducir el nmero de intensidades, se adecuan los rangos de clasificacin de tal manera que en la imagen tctil resultante haya, mas o menos, igual numero de tcteles en cada intensidad. El algoritmo utilizado para obtener este resultado consiste en organizar de menor a mayor los valores de la imagen original convertida, los cuales pueden tener una de 256 intensidades. Al ordenar los 713 valores de la matriz en un vector de 713 posiciones, de menor a mayor, podemos decir, aproximadamente, que una cuarta parte de los tcteles tienen intensidad igual o menor al valor del vector en la posicin 178. La mitad tienen intensidad igual o menor al valor del vector en la posicin 365, tres cuartas partes tienen intensidad igual o menor al valor del vector en la posicin 535 y todos tienen intensidad igual o menor al valor del vector en la posicin 712. Por este motivo, una vez ordenados los datos, cada tctel toma su valor mnimo (negro) si su valor original esta entre 0 y el vector en la posicin 178, gris claro si su valor est entre el valor del vector en la posicin 179 y la posicin 365, gris oscuro si su valor est entre el valor del vector en la posicin 366 y la posicin 535 y blanco si su valor est entre el valor del vector en la posicin 536 y 255. De esta manera, salvo algunas excepciones en las que ms de una cuarta parte de la imagen tome un solo tono de gris (de 256), la imagen convertida a 4 intensidades tendr su mximo contraste. El resultado del procesamiento se muestra a continuacin, la imagen convertida con grises normales es la del centro, y la convertida en grises dinmicos es la de la derecha.

75

Figura 48. Conversin de grises dinmicos.

3.2.7. MDULO DE ENVO

Una vez se obtiene la imagen tctil que se quiere enviar a la matriz de electrodos para que sea proyectada, se ejecuta la rutina de envo encapsulada en la funcin Enviar(), la cual transmite por el puerto serial del computador la informacin correspondiente a la matriz tctil que reciba como argumento. Dentro de la funcin enviar, lo primero que se hace es organizar la informacin de manera que no se desperdicie espacio. Esto quiere decir, que mientras en una matriz se tenan 713 posiciones cada una de ocho bits, ahora se crea un vector de 131 bytes, en el que cada byte contiene el estado de cuatro tcteles de los 521 tiles. Por ejemplo, la primera posicin del vector contiene la informacin correspondiente a los tcteles 1-a-b, 1-b-c, 1-c-d y 1-2-d-a, de la siguiente forma: Si el primer tctel es negro se codifica en un 00 binario, si es gris oscuro es codifica como un 01 binario, si es gris oscuro se clasifica como 10 binario y si es blanco se codifica como 11 binario. Las codificaciones de estos cuatro tcteles se concatenan para generar el primer byte del vector de envo. As se contina de izquierda a derecha hasta completar los 521 tcteles tiles. Una vez se ha generado el vector de envo, se crea una nueva conexin de puerto serial representada mediante una estructura de tipo TSerial*, se configura mediante la funcin connect() para transmitir a 19200 bits/s, y se enva un byte de inicio para 0xCA mediante la funcin sendChar() para sincronizarse con el microcontrolador. Finalmente se enva el vector completo mediante la funcin sendArray() y una vez enviado se cierra la conexin mediante la funcin disconnect() para liberar el puerto serial.

76

4.

RESULTADOS

Con respecto a la funcionalidad elctrica del sistema, se comprob que la seal en cada par de electrodos corresponde a la informacin transmitida desde el computador. Es decir, que la secuencia de control y el sistema de comunicacin, as como la conversin de la imagen digital funcionan correctamente. Mediante pruebas simples se determin que la mxima frecuencia de estimulacin que se puede obtener es de 12 p.p.s. Con este valor es posible generar estimulaciones asociadas con cosquilleos y vibraciones. No se realizaron pruebas exhaustivas con respecto al tipo de sensacin percibida y su dependencia en las caractersticas de la forma de onda. Se puede afirmar que los estmulos generados por los electrodos s son asociados a una coordenada determinada dentro de la matriz haciendo posible la proyeccin de figuras.

4.1.

PROTOCOLO DE FAMILIARIZACIN

El protocolo de familiarizacin es desarrollado por el autor de este proyecto y consiste en la realizacin de ciertas tareas simples que permiten comenzar a comprender el funcionamiento de la pantalla tctil y su utilizacin. El usuario debe tener los ojos tapados, en caso de ser vidente, durante todo el proceso. El primer paso es proyectar puntos en 6 posiciones diferentes de la matriz, e informar al usuario la ubicacin actual del punto, con la esperanza de que lo busque y lo encuentre. Una vez se han identificado las seis posiciones posibles, se deja de realizar realimentacin verbal y se cuenta el tiempo que demora el usuario en encontrar cada punto. Esta fase fue realizada con tres sujetos, dos mujeres y un hombre, y el resultado fue satisfactorio. Se realizaron en total 18 ensayos, y en todos ellos el punto pudo ser ubicado acertadamente. Los resultados se muestran en la Tabla 7.

77

Ensayo 1 2 3 4 5 6 Promedio

Sujeto 1 15 3 3 26 19 11 12.83

Sujeto 2 50 38 92 94 56 130 76.67

Sujeto 3 4 49 40 4 10 21 21.33 Total 36.94

Tabla 7. Resultados primera fase protocolo de familiarizacin.

Las imgenes mostradas son:

Figura 49. Figuras mostradas en la primera fase del protocolote familiarizacin.

La segunda fase en el protocolo de familiarizacin consiste en la clasificacin de barras verticales y horizontales y la discriminacin del nmero de barras que hay en una imagen. Esta fase solo fue alcanzada por dos de los sujetos que participaron en la fase anterior. Se proyectaban 6 imgenes diferentes se realizaba realimentacin indicando si la percepcin era correcta o incorrecta. Luego se realizan seis ensayos aleatorios y se mide el tiempo de respuesta.

78

Las imgenes proyectadas eran las siguientes:

Figura 50. Figuras mostradas en la segunda fase del protocolote familiarizacin.

La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos para cada ensayo, el estimulo mostrado, el estmulo clasificado y el tiempo, en segundos, que demor en clasificarlo el sujeto, ya sea bien o mal. El nmero de la clasificacin del estmulo representa el nmero de lneas, y la letra, la orientacin vertical (V) u horizontal (H).Sujeto 1 Ensayo 1 2 3 4 5 6 promedio Estimulo 2H 3H 3H 2V 2V 1V Clasif. 1H 1H 2H 2V 2V 1V Tiempo 33 48 65 14 94 40 49 Tabla 8. Resultados segunda fase protocolo de familiarizacin. Estimulo 3H 2H 2V 2V 3H 2H Sujeto 2 Clasif. 2H 2H 2V 2V 2H 2H Tiempo 130 170 26 150 100 70 107.667

En los 12 ensayos la orientacin de las lneas fue clasificada adecuadamente, sin embargo, para clasificar el nmero de lneas horizontales hubo cierta confusin. De los 12 ensayos fueron clasificados correctamente 7. El sujeto que ms tiempo promedio se tard en clasificar las imgenes tuve mejor desempeo que el otro.

79

La siguiente fase del protocolo de familiarizacin consiste en la proyeccin de figuras simples por pares, una al lado de la otra, de manera el patrn de estmulos elctricos que genera cada una pueda ser comparado inmediatamente con la de al lado. Las figuras pueden ser, tringulos, cuadrados y crculos. Esta fase no pudo ser realizada completamente en ningn sujeto. La ltima fase del protocolo de familiarizacin consiste en probar la clasificacin de 12 diferentes estmulos dentro de tres categoras. Los doce estmulos corresponden a tringulos, cuadrados y crculos de 4 tamaos diferentes cada uno. Es decir, las imgenes tctiles prediseadas por el software TactaLo. Estos doce estmulos son presentados de manera aleatoria sin repetir en 3 tramas de 12 figuras cada una. Se registra la respuesta del sujeto y el tiempo que demor en responder. Los resultados se resumen en las siguientes tablas y figuras.C C4 C5 C6 C7 Q4 Q5 Q6 Q7 T4 T5 T6 T7 0.29 0.20 0.15 0.36 0.25 0.42 0.00 0.58 0.33 0.33 0.17 0.25 Q 0.36 0.50 0.31 0.55 0.25 0.17 0.67 0.42 0.42 0.58 0.25 0.33 T 0.36 0.30 0.54 0.09 0.50 0.42 0.33 0.00 0.25 0.08 0.58 0.42

Tabla 9. Matriz de correlacin entre estmulos y clasificaciones.Reconocimiento de figuras Vs Tamao1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 3 4 5 T a m a o 6 7 8

Figura 51. Porcentajes de reconocimiento segn el tamao del patrn.

80

Sujeto 1 Estimulo C6 C7 Q4 Q7 C4 Q6 T5 T4 C5 Q5 T7 T6 OK C7 Q6 Q7 T6 T7 Q5 C6 T5 C5 T4 C4 Q4 OK T4 T7 C4 C6 Q7 C7 T5 T6 Q4 Q6 C5 Q5 OK TOTAL Clasif. C Q T C T Q C T C C C Q 4 Q Q Q T C C T Q T Q C T 4 C Q C T C Q Q T C Q T C 3 11 15 18 79 19 31 55 10 49 52 40 20 13 31.4444 T4 C4 Q7 T5 Q4 C5 T7 C6 C7 T6 Q6 Q5 16 28 10 21 24 27 30 14 59 58 40 48 C7 Q7 T7 C6 C5 C4 Q6 T6 Q5 T5 T4 Q4 Tiempo 34 15 27 14 43 23 55 20 38 14 38 35 Estimulo C6 Q7 C4 T5 C5 T7 C7 Q4 Q6 T4 Q5 T6

Sujeto 2 Clasif. T C T C T Q Q C T Q T C 0 C Q Q T Q T T C T Q C T 2 T Q C T C Q Q Q T T Q T 4 6 35 21 28 17 22 21 23 14 12 8 10 44 23.0278 Q4 C6 C4 T6 T7 Q6 T4 Q5 C7 C5 T5 Q7 8 17 21 20 27 7 14 23 38 16 27 12 Q5 T5 C4 C7 T6 T4 C4 T7 C6 Q6 Q4 Q7 Tiempo 19 18 28 36 25 32 25 50 13 28 37 33 Estimulo Q6 Q7 C6 T5 Q5 Q4 C5 C6 T7 T4 C4 T6

Sujeto 3 Clasif. Q Q T Q C Q C T T Q T Q 5 T Q Q Q T T Q T C Q Q Q 7 Q Q Q T T T Q Q C Q C Q 6 18 5 13 16 12 8 3 29 5 7 13 9 5 20.1944 Q4 Q7 C4 T7 Q6 T6 T4 C6 Q5 T5 C7 C5 9 12 6 9 3 11 6 10 8 22 8 8 Q5 T6 C4 Q4 T4 C4 Q7 C6 T5 C7 T7 Q6 Tiempo 150 46 47 22 37 29 52 30 18 28 8 23 Estimulo Q6 Q5 C5 C4 Q4 C6 T6 T4 Q7 T5 C7 T7

Sujeto 4 Clasif. T C Q C T Q T Q C C Q T 3 T T C T C Q C Q Q C C Q 4 T C T T Q Q C T Q Q C Q 4 11 45 36 18 16 13 14 45 41 13 14 8 21 25.0278 31 26 32 22 25 44 32 17 36 28 12 18 Tiempo 11 27 21 24 14 41 57 20 9 20 28 22

Tabla 10. Resultados tercera fase protocolo de familiarizacin.

81

4.2.

DISCUSIN

Los resultados de las primeras fases del protocolo de familiarizacin demuestran que la utilizacin de la matriz puede representar imgenes tctiles, debido a que los estmulos generados pueden ser asociados con una coordenada espacial especfica. Sin embargo, no determinan la resolucin de las imgenes tctiles. A partir del testimonio de los participantes del protocolo de familiarizacin se puede determinar que, aunque la sensacin percibida no es dolorosa, es inestable, en el sentido que a veces es muy intensa, y sin cambiar las caractersticas de la onda puede pasar a ser imperceptible. Esto sugiere que un tema de investigacin importante es el diseo de arreglos de electrodos que permitan obtener una sensacin uniforme. Aunque la forma convexa de la matriz pretende mejorar la cantidad de informacin referente a la posicin de la yema del dedo dentro de la pantalla tctil, existe una desventaja y es la simetra axial. Esta caracterstica de la superficie de la pantalla tctil genera un efecto de giro no percibido que desubica al usuario. Para solucionar este problema se propone realizar algn tipo de referencia esttica fcil de percibir con el sentido del tacto, que mejore an ms la informacin de propiocepcin de la yema de los dedos dentro de la pantalla. Con respecto a la fase de discriminacin de figuras, primero que todo hay que rescatar que las pruebas fueron realizadas nicamente con cuatro sujetos, y que ninguno de ellos tena experiencia en el uso de pantallas tctiles. Segundo, existen patrones en los datos que sugieren que existe un porcentaje de informacin til extrado de la matriz. Estos patrones estn resaltados en amarillo en la Tabla 9 y se mencionan ms adelante. Tercero, las pruebas no fueron realizadas con el debido control, en un espacio diseado para tal fin y con el tiempo necesario. Por este motivo, el autor sugiere que no sean tenidas en cuenta como un parmetro definitivo para definir la capacidad de diferenciar figuras simples en la pantalla tctil debido a que no han sido estudiados los efectos de la forma de onda, ni los del aprendizaje en el uso de la matriz, factores que podran resultar claves para mejorar el desempeo. Las zonas resaltadas en amarillo en la Tabla 9 demuestran que hay un factor que no corresponde al azar en la clasificacin de las imgenes tctiles.

82

Si el estmulo es un cuadrado o un crculo de tamao grande, es muy improbable que sea confundido con un tringulo. Esto implica que de alguna manera los usuarios estaban diferenciando ms fcilmente los tringulos de las otras dos figuras. Aunque el proyecto actual no pretende arrojar conclusiones concretas sobre el desempeo del sistema cuando interacta con una persona, pues este tema es demasiado profundo y debe ser tratado en un proyecto posterior, de las pruebas realizadas se pueden extraer algunas conclusiones: La imagen tctil obtenida no es tan clara como se esperaba. El proceso de pruebas que permitan encontrar factores relevantes en la claridad de la imagen tctil puede ser llevada a cabo con el dispositivo desarrollado en este proyecto, o mediante modificaciones de este, seguramente en el sistema de swicheo de los electrodos.

Incluso con este sistema de swicheo, o sea, con la onda de estimulacin actual del sistema, es posible realizar pruebas que permitan determinar factores claves en el mejoramiento del dispositivo.

5.

CONCLUSIONES

El objetivo fundamental de este proyecto fue desarrollar un dispositivo funcional orientado a la sustitucin de sentidos mediante la proyeccin de imgenes tctiles en una matriz de 192 electrodos. Los resultados son muy satisfactorios, en el sentido que el sistema desarrollado es totalmente funcional. Es evidente que se debe comenzar una nueva fase del proyecto en la que sea probado de manera extensa y dentro de marcos tericos ms fuertes, orientada por personas expertas en el campo perceptual y no necesariamente en la Ingeniera Electrnica. El dispositivo final cumple los objetivos planteados en un principio y muchos ms. La capacidad de controlar 49 electrodos es sobrepasada casi 3 veces ms, y la capacidad de recibir imgenes de un computador es complementada con la posibilidad de obtener estas imgenes desde archivos o incluso en tiempo real desde una cmara USB, que conectada a un computador porttil, podra permitir realizar pruebas de movilidad en personas invidentes o en cualquier otro mbito.

83

El software desarrollado permite ser instalado en cualquier computador que cumpla las especificaciones. Debido a que utiliza una cmara USB como entrada, el proceso de comunicacin con la cmara es realizado por el sistema operativo, haciendo muy fcil cambiar de dispositivo para evaluar nuevas posibilidades de obtencin de imgenes como visin infrarroja, o la utilizacin del zoom como herramienta que permita obtener un dispositivo de sustitucin de sentidos til. Adems el esquema de diseo seguido en el desarrollo del software permite que sea mejorado con nuevas funciones de manera sencilla. Con respecto al hardware, aunque esta programado para recibir la seal de un computador, cuenta con los conectores necesarios que le permitirn, dado el caso, comunicarse con un sistema embebido que reemplace el computador, de manera que el dispositivo resultante sea ms pequeo y fcil de portar. El circuito de control se encuentra en una tarjeta independiente de los optoacopladores, lo que brinda la posibilidad de cambiar el sistema de swicheo de cada electrodo para obtener formas de onda nuevas, de mayor frecuencia, que puedan ser evaluadas como una manera de mejorar el nivel de sensacin del estmulo elctrico y su rango dinmico. Adems, la matriz de electrodos puede ser desconectada del circuito de control y as cambiar sus especificaciones para evaluar la influencia de sus caractersticas en la sensacin percibida. Todos estos cambios orientados al mejoramiento de la calidad de la imagen tctil proyectada. Sin embargo, no es necesario adelantarse, vale la pena aprovechar la flexibilidad del sistema desarrollado y realizar pruebas que arrojen resultados concretos con respecto a la influencia de la forma de onda en el estmulo recibido, y su repercusin en la clasificacin de figuras simples. Incluso es posible comenzar a realizar pruebas con figuras complejas obtenidas de la cmara USB, finalmente la capacidad de aprendizaje del cerebro no se debe subestimar, pues es muy difcil de medir, y sobre todo de delimitar. En resumen, este proyecto representa un gran comienzo en el proceso de evaluacin y mejoramiento de pantallas tctiles activadas con electrodos, y brinda una excelente herramienta de trabajo para investigaciones que puedan ser realizadas en el futuro.

84

6.

BIBLIOGRAFA

[1] [2] [3] [4] [5]

Ali, M. A. Plenum.1984.

(1984). Photoreception and Vision in Invertebrates. New York:

Braddick, O. (1996). Binocularity in Infancy. Eye. 10:182-188. Amick, Nancy. (1997). Guidelines for Design of Tactile Graphics. APH Educational Research. Bliss, J. C. E. (1970) Tactile Displays Conference. IEEE Transactions on Man-Machine Systems MMS-11: 1-102.. Bach-y-Rita, P., K. A. Kaczmarek, (1998) "Form perception with a 49-point electrotactile stimulus array on the tongue." Journal of Rehabilitation Research and Development 35(Oct-Nov): 427-430.

[6] [7] [8] [9]

Bach-y-Rita, P., K. A. Kaczmarek, (2003) Seeing With The Brain. International Journal Of HumanComputer Interaction. Bach-y-Rita. (1987). Brain Plasticity as a Basis of Sensory Substitution. Journal of Neurobiological Rehabilitation. Brewster, Stephen. (2004) Tctels: Structures Tactile Messages for Non-Visual Information Display. Glasgow Interactive Systems Gorup. Capp. M. (2000). Alternative approaches to optophonic mappings PhD Thesis. The Northampton University. UK.

[10] Chelazzi, L. (1998). Responses of Neurons in Interior Temporal Cortex During Memory-Guided Visual Search. J. Neurophysiol. 80:2918-2940. [11] Cholewiak, R. (1991). Sensory and Physiological Bases of Touch. The physiology of touch. 23-60. [12] Cholewiak, R. (1992), The Design of Vibrotactile Transducers. Tactile aids for the hearing impaired. [13] Cooper, Lynn A. (1990). Turning Something Over in the Mind. Scientific American. New York. [14] Dobelle, Wm H. (2000). Artificial Vision for the Blind by Connecting a Television Camera to the Visual Cortex. ASAIO Journal. [15] Hermelin, B. (1971). Functional Asymmetry in the Reading of Barille. Neuropsychologia. [16] Hubel D. H. (1979). Brain Mechanisms of Vision. Sci. Am. 241:150-162. [17] Johnson M. (1997). Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation.

85

[18] Kaczmarek, J. G. Webster, P. Bach-y-Rita and W. J. Tompkins, (1991) "Electrotactile and vibrotactile displays for sensory substitution systems," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 38, pp. 1-16. [19] Kaczmarek, P. Bach-y-Rita, W. J. Tompkins and J. G. Webster, (1985.) "A tactile vision-substitution system for the blind: Computer-controlled partial image sequencing," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-32, pp. 602-608. [20] Kaczmarek, M. E. Tyler and P. Bach-y-Rita, (1997) "Pattern identification on a fingertip-scanned electrotactile display," in Proc. 19th Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., Chicago, IEEE, pp. 1694-1697. [21] Kaczmarek, K. A. and Haase, S. J. (2003). Pattern identification and perceived stimulus quality as a function of stimulation waveform on a fingertip-scanned electrotactile display. IEEE Trans. Neural Sys. Rehab. Eng. 11, 9-16. [22] Kaczmarek, K. A. and Haase, S. J. (2003). Pattern identification as a function of stimulation current on a fingertip-scanned electrotactile display. IEEE Trans. Neural Sys. Rehab. Eng. 11, 269-275. [23] Kandel, Eric. (2000). Principles of Neural Science. McGraw-Hill/Appleton & Lange; 4ta edicin, [24] Lenay, C. (2005) Sensory Substitution: Limits and Perspectives. Universit de Technologie de Compigne. [25] Llins, Rodolfo. (2004). El Cerebro y el Mito del Yo. Editorial Norma. [26] Loomis, J. (1985) Distal Atributtion and Presence. Spotlight on: The Concept Of Telepresence. [27] Meijer, P. (1992) An Experimental System for Auditory Image Representations. IEEE Trans. In Biomedical Eng. 39:112-122. [28] Meijer, P. vOICe project Home Page. http://www.seeingwithsound.com/ [29] O'Hea, A.R. (1994). Optophone Design, PhD Thesis. The Open University, UK. [30] Olson, W. (1992) Electrical Safety. Medical Instrumentation Application and Design. 13:667-705. [31] Pinker, S. (2001). Como Funciona La Mente. Planeta. [32