Storie di successo dei progetti - Le videocamere TOF sono pronte per nuove applicazioni
Thomas, un adolescente quadriplegico, può muovere faticosamente la testa per qualche millimetro da una parte all'altra, è l'unico movimento che è in grado di fare. Con il nuovo hardware e software TOF in 3D, sviluppato da ricercatori europei, però questo piccolissimo movimento basta a controllare un dipositivo low-cost per un computer, aprendo improvvisamente il mondo della comunicazione per Thomas. Questo scenario inventato illustra il potere e l'importanza della nuova tecnologia recentemente creata da un progetto di ricerca finanziato dall'UE. Il progetto "Action recognition and tracking based on time-of-flight sensors" (ARTTS) ha lo scopo di migliorare la tecnologia di base e sviluppare nuovi algoritmi, i codici che controllano i sensori, per il rilevamento del movimento e il tracciamento di un oggetto. Le videocamere TOF sono una tecnologia emergente. "La Microsoft ha recentemente comprato l'azienda israeliana che si occupa di TOF, 3DV System, perché vuole usare questa tecnologia nelle console di prossima generazione," spiega il professor Erhardt Barth, vice direttore dell'Istituto di Neuro- e Bioinformatica dell'Università di Lübeck, in Germania, e coordinatore del progetto ARTTS. "La maggiore ambizione della nostra ricerca era un'interazione uomo-computer che utilizzi le TOF." Il principio che sta dietro alle TOF è semplice. Il sensore misura il tempo necessario alla luce per viaggiare dalla videocamera a un oggetto e ritorno – il periodo di volo – e usa questi dati per calcolare la distanza dell'oggetto. Si tratta di una videocamera 3D come la stereovisione o gli scanner al laser, ma più economica e più adattabile di entrambe. Più veloci, più piccole, più economiche Per raggiungere tale scopo, i ricercatori hanno dovuto intraprendere un programma di lavoro molto ambizioso. Dovevano migliorare drasticamente le videocamere TOF al di sopra di tutto ciò che esisteva al momento, aumentando la profondità della risoluzione e la qualità del segnale e riducendo allo stesso tempo le dimensioni, il consumo di energia e il costo."Dovevamo dimostrare che era possibile sviluppare sensori... abbastanza piccoli da poter essere messi all'interno di webcam, computer e persino dispositivi portatili," sottolinea il prof. Barth. "Ciò che rende diversa questa nuova videocamera è che è veramente molto più piccola e più efficiente rispetto a quelle che esistevano in precedenza. Ha bisogno esclusivamente di una porta USB per l'alimentazione e mantiene comunque le proprietà delle altre macchine che sono molto più grandi e pesanti e consumano più energia." Ma non bastava creare una videocamera più piccola, più economica e più efficiente, doveva anche essere precisa. "La precisione è un altro aspetto importante," commenta il prof. Barth. "Questa videocamera usa un'illuminazione attiva, ci sono quindi alcuni diodi infrarossi nella videocamera, ma quel che rende speciale questo tipo di illuminazione è che è modulata: La luminosità cambia molto velocemente col passare del tempo e quindi la precisione dipende dalla frequenza – quanto velocemente cambia l'illuminazione. Siamo riusciti a costruire una fonte luminosa di 60-megahertz. Cambia 60 milioni di volte al secondo, il che rende la videocamera più precisa nel campo vicino." Altre videocamere sono ottimizzate per il campo lontano, da 1 a 7 metri e oltre, ma la videocamera ARTTS è più precisa entro un metro, che è la distanza utile per usare i gesti con gli smart phone. "L'iPhone ha fatto si che le persone acquisissero familiarità con l'uso dei gesti e quindi il passo successivo consiste nell'ottenere un'interazione che non necessiti di contatto, ed è qui che entriamo in gioco noi." "In pratica penso che la videocamera ARTTS sviluppata dal nostro partner CSEM costituisca la maggiore concorrente di quanto ha attualmente Microsoft. Penso che la nostra sia migliore, in effetti, ma dobbiamo ancora lavorarci su perché diventi un prodotto di massa," sottolinea il prof. Barth. Videocamera duplice Il team ha anche sviluppato una seconda videocamera che mette insieme un sensore TOF a bassa risoluzione e un sensore di immagine con una qualità pari a una televisione ad alta definizione (HDTV). "Il nostro partner SMI pensa che questo sensore fornirà una migliore funzionalità per i settori della sicurezza e della sanità, con la possibilità di collegamenti video con persone anziane e di avvertire gli operatori sanitari in caso di problemi con un paziente, per esempio," spiega il prof. Barth. Per esempio, potrebbe seguire le persone mentre si muovono all'interno di una stanza e riconoscere le loro azioni. Il professore è molto ottimista riguardo questa videocamera perché anche un sensore TOF a bassa risoluzione fornisce dati sulla distanza molto utili, mentre un sensore di immagine a bassa risoluzione è meno efficiente. "Penso che questo tipo di videocamera duplice sarebbe ideale per la maggior parte degli ambienti e dei dispositivi," aggiunge. "Essenzialmente, utilizza soltanto un beam splitter che manda la luce infrarossa al sensore TOF e la luce visibile al sensore ottico. I beam splitter sono una tecnologia provata e a basso costo già usata ampiamente nelle videocamere portatili." Se l'hardware è all'avanguardia, il software è essenziale per il funzionamento. In questo campo, diversi team universitari provenienti da Danimarca, Romania e Germania hanno lavorato su tre problemi. Il primo era generico e consisteva nel tentativo di migliorare significativamente la qualità del segnale proveniente dai sensori TOF, il team ha usato soluzioni molto ingegnose. Per esempio, il gruppo del professor Barth ha capito che l'intensità della luce e la distanza non sono valori indipendenti ma sono collegati l'un l'altro dal limite dell'ombreggiatura. Se le proprietà di riflettenza dell'oggetto osservato sono conosciute, la qualità delle mappe di campo può essere migliorata di molto, oggettivamente e soggettivamente, applicando il limite di ombreggiatura. Altre soluzioni hanno migliorato ulteriormente il segnale. Il secondo obiettivo consisteva nello sviluppare un algoritmo per il rilevamento dell'oggetto. "C'è voluto molto tempo prima di provare a seguire caratteristiche umane come gli occhi e il naso ed è risultato abbastanza difficile," spiega il prof. Barth, "specialmente se si deve lavorare in posti come una macchina, dove la luce cambia continuamente." Percezione sottile Con i sensori TOF ci sono comunque due misure: una mappa della distanza e una mappa dell'intensità della luce. Insieme alla mappa della distanza, la mappa dell'intensità basta per applicazioni utili. Per esempio, usando delle informazioni combinate, ARTTS è stato in grado di sviluppare vari algoritmi per la rilevazione di oggetti che possono seguire le persone, perché la distanza fornisce una misura che viene confermata da un'altra proveniente dal segnale di intensità della luce. È una base importante per il resto del lavoro del team. Una volta che il sistema è in grado di rilevare un oggetto in modo affidabile, è pronto a imparare il riconoscimento dei gesti, ed era questo l'obiettivo principale del progetto ARTTS sin dall'inizio. E si da il caso che il sistema ARTTS è capace di riconoscere gesti piuttosto lievi. Sebbene ci siano errori di misurazione per ogni pixel che da un valore della distanza, ci sono un sacco di pixel e questo si traduce in un sacco di valori che si pareggiano nell'insieme, il che aumenta drasticamente la sensibilità. Nella sua versione attuale, il sistema può persino controllare una presentazione con diapositive usando i gesti della mano per indicare, cambiare la diapositiva, tornare indietro e così via. Le applicazioni di queste tecnologie sono potenzialmente infinite. Dopo un processo di selezione altamente competitivo, il progetto ha ricevuto 400.000 EUR di finanziamento dal governo tedesco per creare un'azienda che fornisca la tecnologia e i servizi. I clienti possono comprare una piattaforma hardware e software per sviluppare le proprie applicazioni o possono commissionare alla nuova azienda TOF-GT lo sviluppo dell'applicazione per loro conto. Il team sta sviluppando un'applicazione pubblicitaria per la stazione ferroviaria di Vienna. Consiste in uno schermo largo 12 metri ad alta definizione e di una serie di videocamere TOF. Le videocamere permetteranno ai viaggiatori di interagire con lo schermo mentre trasmette la pubblicità. Potrebbe anche essere usata per fare sondaggi o per gestire le informazioni dei clienti. Il team sta anche considerando la possibilità di una versione più piccola da usare nei negozi o centri commerciali. Neurochirurgia Il team sta anche collaborando con neurochirurghi e aziende che producono strumentazione medica per sviluppare gesti per la sala operatoria. I neurochirurghi usano una grande quantità di informazioni in vari formati – immagini, segni vitali, letture di un gran numero di strumenti. "Attualmente, un chirurgo deve posare il proprio strumento, cambiare la visualizzazione dei dati e poi procedere, ma svilupperemo un sistema che effettuerà cambiamenti in risposta a gesti specifici. Non è un progetto di ricerca, diventerà una nuova applicazione." È un'anteprima del futuro della tecnologia. Adesso la più ampia applicazione dei sensori TOF è nell'industria casearia. Vengono usati nelle macchine per la mungitura automatica per collegare la mammella della mucca. Ma le potenziali applicazioni dei sensori TOF sono letteralmente illimitate e ora, grazie al progetto ARTTS, sono piccoli, convenienti, efficienti e ottimizzati per la rilevazione degli oggetti e il riconoscimento dei gesti. ARTTS è stato fondato nell'ambito dell'area TSI del Sesto programma quadro dell'UE per la ricerca.