Tecnológico de Estudios Superiores
de Ecatepec
Taller de
Investigación
Desarrollo de una aplicación
en realidad aumentada para
apoyo a pacientes con aura
visual
Ingeniería Mecatrónica
Grupo:
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Presenta:
Castillo López Kevin Axel
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Realidad Aumentada: Evolución, Características y Aplicaciones - Prof. Villegas, Diapositivas de Metodología de Investigación
Este documento explora la evolución de la realidad aumentada desde sus inicios hasta la actualidad, destacando los hitos clave y las características que la definen. Se analizan las diferentes aplicaciones de la ra, incluyendo su uso en videojuegos, educación y dispositivos móviles. El documento también aborda el hardware y software necesarios para desarrollar experiencias de ra.
Tipo: Diapositivas
2023/2024
1 / 32
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Desarrollo de una aplicación
en realidad aumentada para
apoyo a pacientes con aura
visual
Ingeniería Mecatrónica
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Presenta:
Castillo López Kevin Axel
Índice
1 Capítulo 1
1. Planteamiento del problema
1. Aura visual.
Se denomina aura (del latín, aura, aliento) a la sensación o fenómeno subjetivo que
precede y señala el comienzo de un ataque paroxístico (episodios que imitan a una crisis
epiléptica.) o epiléptico. Su aparición es generalmente brusca y de breve duración,
originados por una disfunción cerebral de origen diverso, pero que no obedecen a una
descarga neuronal excesiva.
Estos síntomas pueden ubicarse dentro de un síndrome migrañoso específico como lo son
la migraña con aura, aura típica sin cefalea, migraña retiniana y migraña oftalmoplégica (La
oftalmoplejía es el trastorno del sistema oculomotor que produce la incapacidad para
mover voluntariamente el globo ocular).
Se sabe que el aura es parte principal y más destacada de un ataque de migraña sobre
todo por su intervalo de predicción, pues se identifica un aura visual antes de que
comience el dolor intenso característico de la migraña. No se tiene un tiempo estimado de
duración, solo se reconocen los síntomas característicos de principio a fin.
Debido a la frecuente presentación de síntomas visuales súbitos en la población general
que requieren el diagnóstico preciso frente a una gran variedad de patologías
neurológicas, metabólicas y sistémicas que pueden llegar a requerir un manejo específico,
se realizará una revisión de los síndromes migrañosos que involucran síntomas visuales
con el fin de que el médico general tenga en cuenta una patología con diferentes subtipos
clínicos, de presentación frecuente y que se sub diagnostica, haciendo énfasis en cómo
llegar al diagnóstico y en qué tratamiento requiere para obtener resultados satisfactorios^1.
Cuando se conoce los síntomas y los momentos en los que el aura visual aparece, los
médicos recomiendan llevar una bitácora de lo sucede en el contexto de lapso del tiempo
de episodio. Para poder describirlo cuando se necesite y además el identificar y contrastar
lo que se sucede entre un episodio y otro con la intención de encontrar un patrón en los
episodios que sirva de modelo para futuras evaluaciones médicas.
Bajo esos conceptos surge una interesante serie de preguntas: ¿Qué pasaría si no se
pudiera describir o reconocer el padecimiento? ¿Es difícil imaginar un paciente con ese
diagnóstico y no lo sepa describir? Y la más sobresaliente ¿Cómo evaluar un padecimiento
si no se puede describir?
(^1) Serrano C. Fenómenos visuales como parte de un síndrome migrañoso. Revisión de la literatura. MedUNAB 2004;7:192-8.
2. Delimitación del problema
1. Antecedentes.
Se percibe el enfoque en la migraña porque es un vínculo importante entre la
sintomatología de un ataque de aura visual. En todo el mundo, solo una minoría de las
personas que sufren cefaleas reciben un diagnóstico apropiado formulado por un
profesional sanitario.^2
La migraña es una cefalea intermitente con patrón paroxístico (episodios que imitan a una
crisis epiléptica). Se calcula que la prevalencia mundial de la cefalea (al menos una vez en
el último año) en los adultos es de aproximadamente 50%. Entre la mitad y las tres cuartas
partes de los adultos de 18 a 65 años han sufrido una cefalea en el último año, las cefaleas
son un problema mundial que afecta a personas de todas las edades, razas, niveles de
ingresos y zonas geográficas.^3
En México, la prevalencia anual de migraña es de 12.1% en mujeres y 3.9% en hombres.
Según el departamento de consulta de neurología del Hospital Materno-Infantil del
ISSEMYM, del año 2008.^5
1. Primeras manifestaciones
El 75 % de la población infantil menor de 15 años ha reportado algún tipo de cefalea. En
los niños esta prevalencia varía con la edad, con promedio de edad de inicio de los
síntomas de 8 años y en los cuales es más frecuente en el género masculino a diferencia
de los adultos. Se estima que 100 millones de días de trabajo o días de estudio son
perdidos al año en la Unión Europea (UE) por migraña.^1
Cualquier niño puede tener migrañas, hasta el 28 % de los adolescentes las padecen. La
mitad de las personas que sufren de migrañas tienen su primer ataque antes de los 12
años.^2
2. Migrañas infantiles en México
a principios del primer semestre del año 2013 la secretaria de salud del gobierno federal
actualizo el resultado su investigación sobre migraña infantil que se encuentra en su página
oficial destacando los siguientes puntos
El neurólogo pediatra Juan Hernández Aguilar, encargado de la Clínica de Cefaleas del
Hospital Infantil de México Federico Gómez (HIMFG), dio a conocer que el 75 % de la
población infantil menor de 15 años han reportado algún tipo de cefalea^3.
(^2) Organización Mundial para la Salud, cefaleas y migrañas (abril 8, 2016). Página de internet, www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/headache-disorders. (^3) Secretaria de Salud/prensa, los niños tambien pueden padeces migraña, 25 de julio de 2013.
El niño sabe que su padecimiento (aura visual) es crónico pero que pasara en un instante
sin dejar secuelas que lo afecten (también conocido como el “siempre me pasa” o “no pasa
nada”). A pesar de que se identifican malestares visuales, el no tomar importancia
también detiene la indagación en la importancia de describir el problema.
1.5 Justificación:
Rastrear los fenómenos extraños de las auras visuales será útil para determinar el nivel de
atención que requiere un individuo. El aura visual es un déficit neurológico y en ocasiones
correlacionado con otros padecimientos tanto oftalmológico relacionados a la retina y
generales como la diabetes que de igual manera requieren de valoración y atención
medica pertinente. Existen diferentes términos que los médicos pueden asociar a un aura
visual específica. Cuando se usa en las circunstancias correctas, es posible encontrar y
comprender la ocurrencia del ataque o la presencia de déficits visuales en uno o ambos
ojos
Antes de que ocurra un ataque, las personas pueden experimentar el aura como visual,
sensorial, verbal y motor, sin embargo, las auras visuales son comunes y tienen un mayor
índice de incidencia antes de un ataque convulsivo. Así el continuo estudio de las auras
visuales sirve de gran ayuda para ilustrar de manera cercana y amplia los factores que
influyen en los cuadros activos de epilepsia
El aura visual es una onda química o eléctrica que se mueve a través de la corteza visual en
el cerebro. Durante una inspección de MRI (imágenes por resonancia magnética), se
activan los colores que indican la activación de la corteza visual. A medida que la activación
se propaga durante el aura, actúa como un síntoma, y posteriormente el individuo pierde
la función visual. El interesarse en comprender lo que sucede en el campo visual en
conjunto de diferentes equipos médicos de muestreo y rastreo, se motiva a la búsqueda
de lo que a la fecha es un padecimiento que no tiene cura.
El aprender a detectar de manera oportuna la compleja forma de manifestarse de las auras
visuales puede contrarrestar efectos en padecimientos particulares y generales en el
individuo desde una edad temprana o el impedir que el daño que ya existe en el paciente
modifique de manera negativa la calidad vida en un paciente edad avanzada.
2 Capítulo 2
1. Marco
teórico.
2. Introducció
n
La Realidad Aumentada es una variante de la Realidad Virtual. Sus orígenes son los mismos. Apenas en la década de 1990 fue cuando la Realidad Aumentada empezó a tomar su propio rumbo^5.^ El primer gran desarrollo en realidad aumentada fue “Videoplace”, creado en 1974 por Myron Krueger. Este invento combinaba un sistema de proyección y videocámaras que producían sombras, generando un entorno interactivo en una realidad artificial que rodeaba a los usuarios y respondía a sus movimientos y acciones. Este invento puede ser visto en el Museo Estatal de Historia Natural de la Universidad de Connecticut^6. En sus comienzos, la implementación de estas tecnologías requería de equipos muy complejos y costosos. Gracias a la existencia de los dispositivos móviles, consolas de videojuegos y computadoras mase avanzadas, hoy en día la infraestructura necesaria es más asequible. Esto ha hecho posible que aplicaciones de Realidad Virtual y Realidad Aumentada haya incursionado en ámbitos muy diversos. La exploración para encontrar nuevos campos de aplicación no cesa. Con el desarrollo de las nuevas tecnologías que se apuesta por dispositivos que realmente aportan una especial sensación de inmersión lo que lo hace muy a tractivo para desarrolladores de distintas áreas. Desde nuevos modelos de aprendizaje hasta avanzadas técnicas de entrenamiento, pasando por el gran desarrollo de aplicaciones para simulación deportes y cirugías hasta el campo médico, se encuentran en desarrollo para darle un uso mas completo a la inmersión en realidad virtual
2.3 Reseña histórica.
Los primeros indicios de la Realidad Aumentada aparecen en 1962 con un invento de Morton Heilig llamado Sensorama, Heilig creía que su invención sería el “Cine del Futuro” (Shore, 2012). Sensorama consistía en un teatro multisensorial donde la experiencia virtual se combinaba con los sentidos reales, de suerte que mezclaba la realidad fisica con la virtual^7.^ Sin embargo, Heilig se adelantó a su época, pues en aquellos tiempos donde las películas se proyectaban gracias a las cintas de 35 milímetros, implementar de manera comercial esta idea era una empresa muy costosa y compleja. En 1966, Iván Sutherland diseño un dispositivo que consiste en un casco con el que se podía experimentar una inmersión de Realidad Virtual. Dos años más tarde, Sutherland, le agrego un visor a su casco que permita visualizar tambien a algunos elementos reales.4Casi una década más tarde, (^5) The Interaction Design Foundation.(Enero 2021) , Realidad Aumentada, Pasado Presente y Futuro (^6) Krueger, Myron (1983). Realidad Artificial, Universidad de Connecticut, Estados Unidos (^7) Mashable. (Septiembre 2012) White Did Augmented Reality Come From?
1. Concepto de Realidad aumentada.
La Realidad Aumentada (RA) es una línea de investigación que trata de incluir información generada por computador sobre el mundo real. Esta definición difiere de la Realidad Virtual (RV), pues en la RV únicamente hay información virtual. Ambos campos se centran en proporcionar al usuario un entorno 3D inmersivo, aunque la RV se centra en proporcionar un entorno virtual para el usuario y la RA en alterar el mundo real con información virtual. El entorno que nos rodea es complejo y nos brinda información abundante que es difícil de interpretar y simular, es por ello por lo que los ambientes creados con realidad virtual pueden llegar a ser simples y con falta de información del entorno que pretenden modelar. Un entorno virtual se considera como algo totalmente sintético en el que los usuarios están completamente sumergidos; el entorno real se considera el lado opuesto, integrado sólo por los objetos reales limitado por las leyes de la física. En síntesis, una aplicación de Realidad Aumentada debe agregar algún tipo de información adicional a los sentidos del usuario. Según Ronald Azuma (Azuma, 1997) en su artículo “A Survey of Augmented Reality” establece que, además, debe poseer tres características básicas
- Combinar la realidad con la virtualidad.
- Ser interactiva con el usuario.
- Registrar objetos 3D. Estas características son fundamentales y fueron las primeras descritas de manera teórica. Sin embargo, con el transcurrir de los años, la Realidad Aumentada ha evolucionado y exigido nuevas propiedades en su carácter teórico. A veces, la tecnología rebasa a la teoría obligando crecer y reformarse.
2.5 Ambiente de realidad Virtual.
Para generar Realidad Aumentada es necesario tener bien determinados los elementos virtuales que se quieren desplegar, y tambien el elemento físico real sobre el que se proyectaran. El usuario deber a poder apreciar la superposición de estos dos entornos y para ello, requiere de una interfaz o pantalla donde sea posible esta visualización Otros requisitos tecnológicos que resultan imprescindibles para implementar una apliacción de RA, son una cámara y una unidad de procesamiento lógico. La cámara para capture los objetos reales, la unidad de procesamiento para que genere los elementos virtuales y los combine de manera informática con las imágenes captadas por la cámara. Al elemento real sobre el que se proyectan los elementos virtuales se le conoce como marcador o target. Es el elemento que captura la cámara y bajo el cual el software de RA interpreta que es momento de generar los elementos virtuales y desplegarlos en pantalla. Un marcador o target, funge como un identificador que contiene información codificada, misma que será interpretada por un software para producir, justo sobre este, un objeto virtual. De este
modo, la coexistencia en pantalla de objetos virtuales con el marcador y un entorno real proporcionará al usuario un escenario propio de Realidad Aumentada. (figura 1.1 ) Figura 4.1 Los marcadores tienen una función similar a la que desempeñan los códigos QR o códigos de barras, solo que la tecnología en la que se basan difiere un poco en cada caso
1. Características teóricas de La realidad Aumentada
Existen dos fases en la Realidad Aumentada que deben ejecutar jerárquicamente como lo dice Ronald Azuma (Azuma, 1997). La aplicación debe evaluar de manera constante el entorno real y en base a los cambios que se presenten, actualizar el entorno virtual que despliega.
- Determinar el estado actual del entorno físico y tambien el estado de los objetos virtuales.
(Tabla 4.1.1.1) Niveles de realidad aumentada según Lens-Fitzgerald Según las características que Azuma estableció, el nivel 0 no sería propio de una aplicación de Realidad aumentada. Tanto el nivel 1 como el 2 de Lens-Fitzgerald, pueden ser implementados en dispositivos móviles. Los requerimientos que ambos exigen son los mismos, con la diferencia del GPS o acelerómetro, pero hoy en día casi todos los smartphones lo tienen. Otro enfoque que vale la pena mencionar, es el que publicaron W. Broll y otros investigadores del Fraunhofer FIT en Alemania durante el año 2008 (Broll, 2008). Ellos sostienen que una aplicación de Realidad Aumentada, en tres dimensiones, tiene tres características relevantes(tabla 1.2) (Tabla 4.1.1.2): Propiedades de RA según W. Broll.
2.5.1.2 Concepto del continuo de virtualidad.
Una ventaja de la realidad aumentada es que ese entorno rico en información no se altera, y en lugar de ello se amplía con conocimientos que retroalimentan la escena que se pretende representar. El continuo de la virtualidad es un concepto que sirve para describir que existe una escala continua que oscila entre lo que se puede definir como completamente virtual, es decir, una realidad virtual, y lo que es completamente real (la realidad). Así que intenta abarcar todas las posibles variaciones y composiciones de objetos virtuales y reales. los niveles de virtualidad van desde entradas parcialmente sensoriales hasta virtualidad inmersiva, también llamada Realidad Virtual. Los autores Paul Milgram y Fumio Kishino propusieron el
concepto del Continuo de la virtualidad para describir una escala que oscila entre lo que se puede definir como totalmente virtual o real^10 .(figura1.2) (Figura 4.1.2.1) Continuo de virtualidad La relación entre personas y equipos ha seguido evolucionando por medio de los métodos de entrada. Ha surgido una nueva disciplina, que se conoce como interacción entre humanos y equipos o HCI(por sus siglas en inglés). La entrada humana, en lo que se refiere como métodos de entrada el cual vincula al ser humano con la computadora eventualmente va mejorando, lo que mejora la experiencia inmersiva al usuario. La Realidad Mixta se encuentra a lo largo del continuo de Milgram y representa todos los sistemas que explotan los elementos tanto del entorno real como el entorno virtual al mismo tiempo. Dentro de esta realidad mixta, podemos distinguir entre Realidad Aumentada y Virtualidad Aumentada, dependiendo de cuál es el entorno principal (real o virtual) y cuál es el entorno secundario, que sirve de apoyo. Cuando un sistema está cerca de la parte central del continuo se vuelve más arbitrario ya que no queda claro cuál es el entorno preponderante sobre el otro. La Realidad aumentada se encuentra más cerca del entorno real que para el entorno virtual en el continuo de Milgram. Por tanto, la Realidad Aumentada puede ser vista como una versión extendida del entorno real, complementada por los objetos virtuales.
2.5.1.3 Realidad mixta
Los avances en los sensores y la potencia de procesamiento crean nuevas percepciones informáticas de los entornos en función de los métodos de entrada avanzados. Es por esto por lo que los nombres de las API (El término API es una abreviatura de Application Programming Interfaces, que en español (^10) Segura Hortensia, Hernández Laura (2015). Realidad aumentada una experiencia mediada. Gaceta digital del Instituto de Química de la UNAM. pg.
funcionamiento un sistema de Realidad Aumentada, pero estos sistemas tienen restricciones de peso, tamaño y coste. Con la aparición de dispositivos más reducidos y con capacidades de cálculo mayores la Realidad Aumentada basada en dispositivos móviles ha logrado expandirse a software con lenguaje de alto nivel^12. La Realidad Aumentada es la combinación de dos tecnologías, la visión artificial y los motores gráficos. Que por su parte son base de su construcción.
2.6.2 Equipo de desarrollo de Software(SDK)
Los SDK permiten que los desarrolladores de software creen aplicaciones para esa plataforma, ese sistema o ese lenguaje de programación específicos. Es el equivalente a un kit de herramientas, algo así como la bolsa de herramientas que se incluye con un mueble para armar por el comprador , pero aplicado al desarrollo de aplicaciones. De esa manera, se tienen las piezas fundamentales de las herramientas de desarrollo que se necesita para llevar a cabo el trabajo. El contenido del kit depende de cada fabricante. Por lo general, un SDK básico incluye un compilador, un depurador y varias interfaces de programación de aplicaciones (API), aunque también puede incluir otros elementos: (^) Documentación. (^) Bibliotecas. (^) Editores. (^) Entornos de tiempo de ejecución o desarrollo. (^) Herramientas de prueba o análisis. (^) Controladores. (^) Protocolos de red. Un SDK útil incluye todos los elementos que un desarrollador podría necesitar al momento de crear aplicaciones nuevas para el producto específico y su ecosistema. Algunos SDK también incluyen un ejemplo o proyecto de prueba básico para que los desarrolladores puedan comenzar a trabajar cuanto antes^13. Algunos ejemplos de kits de desarrollo de software son el kit de desarrollo de Java (JDK), el SDK de Windows , el SDK de MacOS X , el SDK de iPhone y el mas utilizado hasta hace tiempo vuforia.
2.6.2.1 Descripción de vuforia
Vuforia es un SDK(Equipo de desarrollo de Software por sus siglas en inglés, Software Development Kit) de Realidad Aumentada para dispositivos móviles hace unos años fue de licencia libre. Hoy en día, aun es de las herramientas más utilizadas para desarrollar Realidad Aumentada que Permite importar en Unity-3D (tambien software para desarrollo de piezas 3D) en las librerías con (^12) Aguinaga, Ángel. Lenguajes de programación de bajo nivel vs alto nivel, diciembre 2020, articulo web cipsa.net 13 Red hat. ( 10 de Junio de 2020 ) ¿Qué es un SDK? https://www.redhat.com/es/topics/cloud-native- apps/what-is-SDK
características y funciones propias de Realidad Aumentada. Algunas características extras de vuforia son: (^) Permite codificar una imagen de dos dimensiones o un cuerpo de tres dimensiones (^) También aporta la posibilidad de crear botones virtuales y manipular la aplicación de Realidad Aumentada en tiempo real. (^) Soporta lenguajes de programación como C++, Java, Objective-C y .Net, por lo que se puede hacer uso de una IDE(Entorno de Desarrollo Integrado, por sus siglas en ingles facilita la programación en algún lenguaje específico.) de cualquiera de estos lenguajes para utilizarlo. (Figura 5.2.1.1) Generalidades del SDK Vuforia. Los SDK sumado a los motores gráficos son como el esqueleto de modelo , pues ayudan a los diseñadores y les permiten centrarse en otro tipo de elementos: la historia que se desarrolla, los elementos del mundo, el diseño de los diferentes personajes que aparecen.
2.6.3 Motor gráfico
Motor gráfico es un programa informático, generalmente desarrollado por equipos bastantes robustos de programadores, con el objetivo de crear una herramienta capaz de cumplir con ciertos objetivos.
(Figura 5.3.1.1) sistema de partículas en el ambiente de Unity. Sacado de: YouTube, Unity3d Particle System | Como crear sistema de partículas en Unity3d, game3Dover(22 mayo 2014)
2.6.3.2 Ambiente Unreal Engine
Debido a sus sólidas capacidades gráficas con iluminación, sombreadores y más, Unreal Engine es la potencia misma detrás de muchos de los juegos más populares que existen en la actualidad. El motor también es de código abierto, lo que significa que la comunidad lo está mejorando constantemente, junto con su diseño visual para que, incluso, los no programadores puedan desarrollar sus juegos. Unreal Engine es una plataforma capaz de casi cualquier cosa, incluida la realidad virtual, y no hay que olvidar que, como Unity, también posee un marketplace donde se pueden obtener activos gratuitos. Sin embargo, muchos desarrolladores opinan que Unreal Engine es más adecuado para proyectos grandes y en los que se tiene la intención de trabajar en equipo. Además, como el programa tiene numerosos gráficos, muchas personas encontrarán que requiere una computadora con mayor potencia en comparación con otros motores, como Unity.
(Figura 5.3.2.1) Unreal Engine puede crear juegos en 2D además de juegos en 3D, el motor no es necesariamente el más adecuado para la tarea. Nota: sacado de http s://www.unrealengine.com/en-US/ AR Sample Project. Agosto 25, 2017. Getting Started with UE4 and ARKit.
2.6.4 Visión artificial.
Las técnicas de visión artificial que se aplican en realidad aumentada son muy variadas, y se denominan principalmente tecnología de seguimiento o tracking. Existen diferentes tipos, por ejemplo, el tracking facial(figura 1.6), que permite detectar y seguir la posición de una cara, o el tracking de texturas, que posiciona una imagen de referencia en un sistema de coordenadas tridimensional. Las técnicas de visión artificial más novedosas que se emplean actualmente incorporan sensores activos basados en luz estructurada, tracking SLAM o tracking 3D.