SISTEMA EMBEBIDO DE PROCESAMIENTO DE VDEO PARA LAREALIZACIN DE PRCTICAS DOCENTES

F.CORTS1, F.BARRERO1, S.TORAL1, M.VARGAS2, G.MOLINA3, L.JIMNEZ3, J.J.RUZ3,L.TERRN3

1Dpto. de Ingeniera Electrnica. Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla. Espaa2Dpto. de Ingeniera de Sistemas y Automtica. Escuela Superior de Ingenieros. Universidad de

Sevilla. Espaa 3Departamento de I+D. ACISA

La realizacin, fomento y bsqueda de temas transversales en el proceso deenseanza y aprendizaje, de manera que los contenidos curriculares seimpregnen de ellos, es determinante para conseguir una docencia decalidad. Sin embargo, la estructura departamental universitaria no fomentaprecisamente esta transversalidad. En un esfuerzo por mejorar lasprcticas realizadas por Departamentos adscritos a la Escuela Superior deIngenieros de Sevilla, se plantea el desarrollo de un entorno prctico paraalumnos de la misma titulacin y en asignaturas relacionadas con el diseoy desarrollo de sensores inteligentes y sistemas microprocesadores actualesy con los sistemas de percepcin, visin y procesamiento de imgenes.

1. Introduccin

Desde principios de los noventa, la Unin Europea ha desarrollado programas de convergenciavinculados al mbito educativo, destacando la creacin del Espacio Europeo de Educacin Superior,encaminado al desarrollo de un sistema universitario de calidad que mejore la formacin de losuniversitarios europeos. En este contexto, las sucesivas declaraciones de la Sorbona (1998), Bolonia(1999) y Praga (2001), as como la reunin de Salamanca (2001), han contribuido a la definicin delas lneas de actuacin futuras de este espacio europeo. Todos los cambios contemplados en estasdeclaraciones, que debern aplicarse antes del ao 2010, obligan a que las universidades europeasdeban de modificar, en mayor o menor medida, su metodologa docente, introduciendo nuevosmtodos y sistemas de aprendizaje, con el fin de facilitar una formacin integral de los estudiantes.

Ante las necesidades que plantea esta nueva realidad de la educacin europea, se plantea en esteartculo el desarrollo de un entorno prctico de aplicacin transversal, involucrando diferentesdisciplinas vinculadas por un lado al rea de Ingeniera Electrnica, como por ejemplo SistemasElectrnicos Digitales e Instrumentacin Electrnica, y por otro vinculadas al rea de Ingeniera deSistemas y Automtica, Visin por Computador o Sistemas de Percepcin.

El sistema propuesto, constituido sobre una plataforma hardware basada en DSPs, busca prepararun programa de actividades transversales que apoyen la formacin integral del estudiante y eliminenla percepcin habitual del alumno que, a menudo, detecta ciertas carencias a nivel prctico en suformacin, apreciando, en la mayora de los casos, que las prcticas estn demasiado sesgadas yenfocadas hacia el rea de conocimiento a la que se circunscribe la asignatura en cuestin. Lapropuesta presenta adems un valor aadido de inters industrial, que siempre es de gran atractivotanto para los alumnos como para la propia docencia tcnica en s, puesto que la idea surge a raz de larealizacin de un proyecto industrial en colaboracin con la empresa espaola ACISA Aeronaval deConstrucciones e Instalaciones S.A..

2. Descripcin del sistema

El prototipo, en proceso de implementacin, se articula en torno a dos sistemas hardware basados

en DSPs de altas prestaciones de Texas Instruments (familia TMS320DM6000) y de Freescale(familia DragonBall), figuras 1 y 2. Estos elementos se encargan del almacenamiento y gestin de lainformacin del sistema, permiten adquirir seales de video para su posterior procesamiento ygeneran seales de video digital que pueden ser codificadas para producir video analgicoconvencional.

SD

DM643

EntradaVdeo

iMX21

Serie / HPI

ControladorEthernet

Ethernet

USB

Conex-Video

SalidaVideo

CoprocesadorMPEG4

Figura 1. Esquema del sistema de procesamiento de video diseado.

Figura 2. PCB de uno de los sistemas electrnicos diseados en el proyecto, versin 1.0(prototipo en desarrollo de sistema microprocesador basado en DSP de Texas instruments). Este

sistema se emplear como plataforma docente de procesamiento de imgenes de video.

La funcionalidad del sistema es similar a la que ofrecen los sistemas de desarrolloM9328MX21ADS de Freescale (coste estimado, unos 2000$) y TMDSDMK642-0E de Texas

Instruments (coste estimado, unos 6500$), aunque a un coste muy inferior. En concreto, el sistemadiseado permite trabajar en reas muy actuales y relacionadas con el diseo y manejo de sistemasembebidos con aplicacin en las TICs. Destacar, entre ellas, las siguientes lneas de trabajo:

Anlisis de protocolos de video digital. Implementacin de algoritmos de compresin de audio y/o video. Diseo de sistemas electrnicos de conversin de video analgico a digital (ITU 656). Desarrollo de algoritmos de procesamiento de video y de visin artificial. Sistemas operativos embebidos. Desarrollo de sistemas electrnicos que funcionen como perifricos de la aplicacin:

dispositivos de comunicacin inalmbrica, etc.

Figura 3. Sistema de desarrollo TMDSDMK642-0E.

Figura 4. Sistema de desarrollo M9328MX21ADS.

Otro de los elementos destacados del sistema es el desarrollo de libreras y drivers queproporcionen al alumno un cierto nivel de abstraccin en cuanto al uso de los recursos disponibles. Laventaja que aportar este sistema frente a otros comerciales disponibles es que permitir en el futurola ampliacin tanto hardware como software del banco de ensayos y prcticas.

Las principales ventajas del sistema propuesto es que el problema que pudiera plantear el costede la puesta en marcha de un prototipo de estas caractersticas se puede solventar gracias a que serealiza un aprovechamiento parcial de una tecnologa que se ha desarrollado en el seno de un proyectopara la empresa ACISA. Este hecho se convierte en beneficio docente puesto que permite disponer de

un sistema para prcticas cercano a la realidad y con aplicacin directa, lo que con toda seguridadmotivar y fomentar el inters del alumno.

3. Aplicaciones del sistema

En primer lugar, entre las asignaturas relacionadas con el rea de electrnica, el sistema se podremplear entre otras en el Laboratorio de Instrumentacin Electrnica. Se prevn algunas sesionesprcticas cuyo objetivo sea el de familiarizar al alumno tanto con circuitos de adaptacin de sensoresy actuadores, incluidos sistemas de visin basados en sensores CMOS y CCD, figuras 5, 6 y 7, comocon la programacin de los DSPs y la utilizacin de software elemental de adquisicin de imgenes.

Figura 5. Sensor CCD y cmara CCD. Figura 6. Sensor CMOS y cmara CMOS.

Figura 7. Sensor de imagen.

Por otra parte, tambin se plantea el aprovechamiento del sistema para la realizacin de trabajosde carcter voluntario, iniciativa que ya viene funcionando desde cursos pasados y que los alumnosencuentran bastante til. Lo que se pretende con estos trabajos es ensear al alumno a hacer diseosde esquemticos, PCBs, a buscar y seleccionar componentes electrnicos, a manejarse condocumentacin tcnica y a depurar el hardware que han desarrollado, haciendo uso de lainstrumentacin electrnica disponible. Como resultado, los alumnos obtienen una visin general delproceso de diseo de sistemas electrnicos reales y adquieren una experiencia muy til que no suelenrecibir en otras asignaturas. La previsin es que el sistema evolucione progresivamente gracias a lascontribuciones de los propios estudiantes.

Figura 8. Sistema electrnico para comunicaciones inalmbricas: mdulo Bluetooth.

En segundo lugar, en relacin con las reas de automtica y visin por computador, el sistema sepodra emplear como complemento en asignaturas tales como Sistemas de Percepcin. En este caso, elobjetivo sera disponer de una plataforma embebida en la que se pudieran implementar los algoritmosde procesamiento de imgenes o de reconocimiento que se explican en dicha asignatura.

En este apartado se podran incluir, desde las funciones de tratamiento de imgenes que seencuadran dentro de los niveles de preprocesamiento o procesamiento de bajo nivel, tales como labinarizacin, realce, suavizado, deteccin de bordes [1] [2], etc. hasta funciones de alto nivel como lalocalizacin y reconocimiento de formas [3], llegando incluso a la implementacin de reconocedorespticos de caracteres (OCR), reconocedores de cdigos de barras, u otros, haciendo uso declasificadores bayesianos, redes neuronales u otros.

A continuacin se muestra un ejemplo de una aplicacin avanzada que podra drsele al sistemadiseado y que resultara de gran inters para los alumnos. Consistira en la localizacin, extraccin yreconocimiento de matrculas de vehculos en una imagen como la que aparece en la figura 9 Izq. Elgran inters de esta aplicacin radica en que, aparte de ser de por s es bastante llamativa para losestudiantes, existen actualmente en el mercado numerosos productos comerciales que, con mayor omenor fortuna, implementan esta tarea.

En primer lugar, se puede plantear el realizar ciertos procesamientos de forma que se pongan demanifiesto las regiones que, por sus caractersticas, son candidatos ms probables a matrculas(regiones de tonalidad ms intensa en la figura 9. Der).

Figura 9. Izq: Imagen original del frontal de un vehculo, incluyendo su matrcula. Der: Imagenen la que se ponen de manifiesto las regiones que son candidatos ms probables a matrcula.

A continuacin, se realiza un procesamiento que permita, atendiendo a la afinidad de colores otonalidades de gris, perfilar ms precisamente la regin que contiene a la matrcula. Esto se muestraen la figura 10.

Seguidamente, se aplican unos pasos para la correccin de la orientacin de dicha matrcula. Lafigura 11 muestra este proceso. En la figura 12, se realiza la binarizacin y la segmentacin de loscaracteres individuales Una vez llegados a este punto, en el que se tiene aislado individualmente cadacarcter, se pasara al proceso de reconocimiento de cada uno de ellos.

Figura 10. Mediante tcnicas apropiadas, se delimita la regin que contiene la matrcula delvehculo.

Figura 11. Extraccin de la subimagen conteniendo la matrcula y correcin de la orientacin.

Figura 12. Binarizacin e individualizacin de los caracteres contenidos en la matrcula.

4. Conclusin

El sistema propuesto constituir una herramienta docente novedosa y til en asignaturas deltimos cursos, permitir dotar de cierta transversalidad y acercar aplicaciones de tipo prctico yreales al alumno. Adems, trabajar con tecnologas reales, muy actuales y de gran inters desde elpunto de vista de su transferencia a la empresa (colaboracin de una empresa del entorno en eldesarrollo del sistema) permitir atraer la atencin de los alumnos, ayudndoles a comprender mejorla utilidad de los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera.

Agradecimientos

Los autores quieren expresar su agradecimiento a ACISA por la colaboracin prestada en eldesarrollo del sistema.

Referencias

[1] Gonzalez, R.C., Woods, R.E. Digital Image Processing. Prentice Hall International. SecondEdition. 2001.

[2] Escalera, A. de la. Visin por Computador. Fundamentos y Mtodos. Prentice Hall. 2001.

[3] Bou, S.T. Pattern Recognition and Image Preprocessing. Marcel Dekker Inc. 1992.