Alternativa 1 - Departamento de Electrónica - UTFSM

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
Alternativa Seleccionada a Desarrollar en
Proyecto de Titulación
“Integración de Visión Estereoscópica a
Laparoscopía mediante Oculus Rift”
Presentado por:
ROL USM:
Profesor guía:
Fecha:
Daniel Guerra Silva
2821003-5
Sr. Agustín González
07/12/2014
Proyecto de Titulación
INTRODUCCIÓN
El objetivo de este documento es la selección de una de las alternativas expuestas en el
documento “Alternativas de Solución” [1], según los criterios definidos en el mismo. Para esto,
se volverán a revisar los criterios, explicándolos con mayor detalle y asignando puntajes que
determinarán cuál es la mejor alternativa para la realización del proyecto.
Se recuerda que el objetivo final del proyecto es la implementación de un sistema que
integre el Oculus Rift y permita visión estereoscópica en laparoscopías, y que los criterios de
selección son los siguientes:

Funcionalidad de la solución final.

Costo de implementación de la alternativa.

Dificultad técnica de realización.

Grado de resolución de los problemas de la laparoscopía.
Además, se mencionan las tres alternativas a seleccionar, las cuales fueron detalladas en [1]:

Obtención de Visión estereoscópica mediante dos cámaras en paralelo

Obtención de imágenes estereoscópicas a través de único flujo de video y representación
3D del ambiente

Obtención de imágenes estereoscópicas a partir de un único flujo de video.
En el documento se realizará un análisis de cada punto para cada alternativa y luego se
compararán, con lo que se logrará el objetivo de escoger la alternativa más adecuada para este
proyecto.
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Proyecto de Titulación
CRITERIOS DE SELECCIÓN
Como ha sido mencionado anteriormente, la variable decisiva a la hora de realizar
avances tecnológicos en el área de la medicina y que éstos sean incorporados exitosamente en los
hospitales es el costo de oportunidad. Los avances tecnológicos que representen una mejora
sustancial y al mismo tiempo un costo asociado bajo serán aquellos que se traduzcan en un
avance real. Con esto en mente, las preguntas que deberían abordarse son:



¿Cuánto más costará la mejora que trato de implementar?
¿Cuánto mejorará la experiencia del usuario al utilizar la alternativa?
¿Cuánto mejorarán los resultados del procedimiento al utilizar la alternativa?
Además, la dificultad técnica de realización siempre es un factor importante al desarrollar
mejoras de tecnología (revisar el concepto de Navaja de Occam[2]). Básicamente, si se tienen
varias alternativas que solucionan un mismo problema, suele ser mejor aquella que logra lo
mismo bajo una menor cantidad de suposiciones. Por ejemplo, en soluciones de software, aquella
que realice más procesamientos para aplicar un algoritmo más complejo suele tener mayores
problemas de latencia.
Basado en lo comentado anteriormente, los criterios de selección escogidos, ordenados del más al
menos importante, fueron los siguientes:
-
Grado de Funcionalidad: Si una alternativa de solución está en la lista, quiere decir que la
alternativa de solución es funcional. Lo que se discute en este criterio no es si la
alternativa es funcional o no, sino en qué grado. Este criterio responde a la pregunta de
“¿Cómo mejora la experiencia de usuario?”. Es el criterio más importante, puesto que es
lo que el usuario (el médico que opera) percibe de la alternativa, por lo tanto el factor más
decisivo a la hora de determinar el nivel de aceptación (y luego adaptación) de la
solución.
-
Costo de implementación de la alternativa: El segundo factor más importante a la hora de
decidir si una alternativa será adoptada es su costo de implementación. Es el criterio más
objetivo de todos, ya que simplemente consiste en evaluar los costos de implementación.
Cabe mencionar que son estrictamente los costos de implementación a los que se hace
referencia, no a los de desarrollo o de investigación (o de validación). Esto es debido a
que es el único costo que influye una vez que la alternativa esté desarrollada.
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Proyecto de Titulación
-
Grado de resolución de los problemas de laparoscopía: En el informe “Estado del Arte”
[3] se dejan claras las limitaciones de la laparoscopía actual. Es por esto que corresponde
evaluar la posibilidad de cada alternativa de solucionar las diferentes limitaciones, aunque
la limitación que se está siendo tratada en este proyecto es la percepción de profundidad.
Esto representa una medida de la escalabilidad de la solución que se está presentando.
Aun así, no se debe descartar que luego de solucionar el problema que actualmente se está
atacando, se realicen nuevas soluciones basadas en mezclas de las alternativas presentadas
actualmente.
-
Dificultad técnica de realización: A la hora de desarrollar un proyecto es importante tener
en cuenta la dificultad de realización del mismo, dado que siempre existen restricciones
de tiempo que cumplir. Es por esto que se debe considerar la dificultad técnica como
factor a la hora de decidir cuál alternativa tomar.
Una vez definidos los criterios, se asigna una ponderación a cada uno para poder determinar
la mejor alternativa.
Criterio de Selección
Grado de Funcionalidad
Costo de Implementación
Grado de Resolución de problemas
Dificultad Técnica
Tabla 1.
Ponderación
35%
25%
20%
20%
Ponderación de cada uno de los criterios de evaluación
La ponderación se basa en la importancia de cada uno, la cual ya fue descrita en la
definición de estos. La más importante fue el grado de funcionalidad, seguida del costo de
implementación, y los dos criterios con menor ponderación fueron el grado de resolución de
problemas y la dificultad técnica.
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Proyecto de Titulación
EVALUACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
Para evaluar cada una de las alternativas se utilizará el siguiente sistema de puntuación:
Sistema de Puntuación
Muy
Deficiente
Deficiente
Aceptable
Bueno
Óptimo
0,1 - 0,2
0,3 - 0,4
0,5 - 0,6
0,7 - 0,8
0,9 - 1
Tabla 2.
Sistema de Puntuación Utilizado para evaluar alternativas
La ponderación se basa en la importancia con respecto al costo de oportunidad de cada
alternativa, la cual ya fue descrita en la definición de estas.
La puntuación de cada alternativa se detalla a continuación.
1. Obtención de Visión Estereoscópica mediante dos cámaras en paralelo:
-
Grado de Funcionalidad: 1.0. De todas las alternativas, la que utiliza dos cámaras en
paralelo es la única visión estereoscópica “real”, lo que entrega la mejor calidad de
experiencia posible en lo que respecta a la percepción de profundidad, y de calidad de
video.
-
Costo de Implementación 0.7: No es la alternativa más barata puesto que es una
implementación de Hardware, pero tampoco la más cara puesto que implica un costo fijo
(la cámara se instala una sola vez y se puede aplicar la visión estereoscópica sin incurrir
en costos adicionales cada vez que se realiza una laparoscopía).
-
Grado de Resolución de problemas: 0.4 Este es el punto débil de esta alternativa, ya que
las otras, al proporcionar una reconstrucción en 3D del escenario, son más escalables en el
sentido de que pueden jugar con la representación para resolver otros problemas, como lo
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Proyecto de Titulación
serían mover el punto de vista de la cámara, inferir anatomías ocluidas según la estructura
observada, entre otros.
-
Dificultad Técnica: 1.0 De todas las alternativas es la más directa, ya que por hardware
se obtiene la entrada deseada. Debido a esto, es improbable que existan fallas debido a
malos procesamientos, tiempos de espera muy altos, etc. Además es en la que se estima
menor tiempo para ser desarrollada.
2. Obtención de imágenes estereoscópicas a través de único flujo de video y representación 3D
del ambiente:
-
Grado de Funcionalidad: 0.5 Es la segunda alternativa con mejor resultado de video,
puesto que se obtiene la representación 3D del ambiente mediante una medición externa,
no en tiempo real. Esto sin embargo, no presenta la misma calidad que el modelo con
alimentación de video directa debido a que el ambiente es dinámico, existen
palpitaciones, contracciones y dilataciones del ambiente en el que se trabaja, por lo que si
se espera que este método genere una buena experiencia al usuario, se debe esperar a que
la tecnología avance más para poder realizar las estimaciones de las deformaciones del
espacio en tiempo real y poder texturizar según eso.
-
Costo de Implementación: 0.3 Utilizar esta alternativa significaría que para cada
laparoscopía es necesario un examen del cual se obtiene el modelo 3D. Esto es un costo
adicional significativo el que se aplica para cada nueva laparoscopía a ser desarrollada, es
decir, un costo variable alto. Esto juega fuertemente en contra de la adaptación de la
solución presentada a un nivel de gran escala.
-
Grado de Resolución de problemas: 1.0 Poseer la representación completa del espacio
en 3D permite representar la visualización de las cámaras desde cualquier punto de vista
que se desee, de hecho se pueden representar vistas que están situadas dentro de los
tejidos mismos (aunque se sigue necesitando la alimentación de video para presentar las
texturas adecuadas), lo que significa que es la solución más escalable para solucionar las
otras limitaciones de la laparoscopía mencionadas en los informes anteriores.
-
Dificultad Técnica: 0.7 Considerando que se posee el modelo 3D del espacio, realizar el
algoritmo de SfS(Shape from Shading) para agregar las texturas al modelo es
relativamente directo, pero la suposición de que se tendrá a mano un modelo 3D de
diversos cuerpos humanos para poder probar el modelo es bastante fuerte, considerando
los recursos de los que se dispone.
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Proyecto de Titulación
3. Obtención de imagines estereoscópicas a partir de un único flujo de video
-
Grado de Funcionalidad: 0.3 Debido a que en este método se infiere la forma del
ambiente en 3D a partir únicamente de las sombras del lugar, ubica a la experiencia de
usuario a lo más en el mismo nivel de funcionalidad que la alternativa anterior, la cual ya
se mencionó que posee fallas por ser un ambiente dinámico, entre otras.
-
Costo de Implementación: 1 Al ser una solución exclusivamente a nivel software, y al
no tener que modificar en nada al procedimiento de laparoscopía actual, esta alternativa
posee el puntaje máximo en este ámbito.
-
Grado de Resolución de problemas: 0.7 Con este método, al igual que la alternativa
anterior, se obtiene una representación 3D del ambiente completo, pero sólo del área que
se está visualizando. Esto implica que se pueden hacer mejoras con respecto a los
problemas que existen, pero no ampliamente como en el caso de la alternativa 2.
-
Dificultad Técnica: 0.3 Este algoritmo es el único que difícilmente se puede realizar en
tiempo real, ya que debe estimar la forma del ambiente en cada muestra de video, además
de realizarlo con algoritmos que no están optimizados para ambientes dinámicos.
Básicamente implementar esta solución en tiempo real es un desafío que implica
desarrollar algoritmos optimizados para esta tarea, lo que en sí es todo un proyecto nuevo.
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Proyecto de Titulación
En la Tabla 3 se evalúa cada una de las alternativas, de acuerdo a la ponderación que tiene cada
criterio.
Criterio de Selección
Grado de Funcionalidad
Costo de Implementación
Grado de Resolución de problemas
Dificultad Técnica
Total Ponderado
Alternativa 1
1.0
0.7
0.4
1.0
80.5 %
Puntuación
Alternativa 2
0.5
0.3
1.0
0.7
59 %
Alternativa 3
0.3
1.0
0.7
0.3
55.5 %
Tabla 3. Tabla de Evaluación de cada alternativa
De la evaluación anterior, se extrae que la mejor alternativa a ser realizada para este proyecto es
la alternativa 1: Obtención de Visión Estereoscópica mediante dos cámaras en paralelo.
CONCLUSIONES
Revisando los criterios aplicados para este proyecto, se extrae que si bien la alternativa
seleccionada no es la más versátil, es la más adecuada para el problema que se está tratando de
solucionar. De todas maneras, si posteriormente se desean implementar soluciones para los otros
problemas de la laparoscopía en la actualidad, se pueden empezar a trabajar sobre algoritmos que
infieran la forma tridimensional del ambiente desde dos ángulos distintos, lo que debería
aminorar ampliamente la dificultad y mejorar la precisión, por lo que la “versatilidad” o la
capacidad de solucionar los otros problemas de la laparoscopía a partir de este no quedan
descartadas.
Además, el proyecto más prometedor en el ámbito de costos fue el que menos puntaje
obtuvo, lo que se debe principalmente a que es el más lejano de implementar con la tecnología (y
la teoría que la soporta) disponible actualmente. En un futuro se plantea la posibilidad que esta
solución quede obsoleta cuando ya no se necesiten dos cámaras para obtener una imagen
estereoscópica fidedigna, pero ese no es el caso actualmente.
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Proyecto de Titulación
REFERENCIAS
[1] Daniel Guerra S. “ Alternativas de Solución de Proyecto de Titulación: Integración de visión
estereoscópica a laparoscopía mediante Oculus Rift”, Departamento de Electrónica, Universidad
Técnica Federico Santa María.
[2] “Occam’s Razor” http://en.wikipedia.org/wiki/Occam%27s_razor
[3] Daniel Guerra S. “Estado del Arte de Proyecto de Titulación: Integración de visión
estereoscópica a laparoscopía mediante Oculus Rift”, Departamento de Electrónica, Universidad
Técnica Federico Santa María.
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