Inventan un «chip guía» para ciegos

Investigadores del MIT han desarrollado un chip de baja potencia para procesar datos de una cámara 3-D que podría ayudar a las personas con discapacidad visual a moverse por sus entornos. El chip consume sólo una milésima de la energía que requiere un procesador de ordenador convencional para ejecutar los mismos algoritmos. Con este nuevo elemento, los investigadores construyeron un prototipo de un sistema de navegación completo para discapacitados visuales. Del tamaño de una caja de binoculares y portado de manera similar alrededor del cuello, el sistema utiliza una cámara experimental 3-D de Texas Instruments. El usuario lleva una interfaz mecánica Braille desarrollada en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL), que transmite información sobre la distancia al obstáculo más cercano en la dirección en que el usuario se mueve.

Los investigadores presentaron el nuevo chip y el sistema de navegación esta semana en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido en San Francisco. "Hubo algunos trabajos anteriores sobre este tipo de sistemas, pero el problema era que consistían en equipos demasiados voluminosos, ya que requieren toneladas de procesamiento diferente", ha señalado Dongsuk Jeon, post-doctorado en los laboratorios de investigación de microelectrónica del MIT (MTL), y primer autor del estudio.

"Queríamos miniaturizar este sistema y nos dimos cuenta que era fundamental hacer un muy pequeño chip que ahorre energía, pero que proporciona suficiente potencia de cálculo", ha añadido. En el trabajo patrocinado por la Fundación Andrea Bocelli, que fue fundada por el reconocido cantante ciego, el equipo desarrolló un algoritmo para la conversión de datos de la cámara 3-D en ayudas útiles a la navegación. La salida de cualquier cámara 3-D se puede convertir en una representación 3-D llamada una "nube de puntos", que muestra las ubicaciones espaciales de los puntos individuales en las superficies de los objetos. Los puntos agrupados por el algoritmo para identificar superficies planas en la escena, a continuación, eran objeto de medida desde el observador sin obstrucciones en múltiples direcciones.

Para el nuevo trabajo, los investigadores modificaron este algoritmo, con el ahorro de energía en mente. La forma estándar para identificar planos en nubes de puntos, por ejemplo, es escoger un punto al azar, luego mirar a sus vecinos inmediatos, y determinar si alguno de ellos se encuentra en el mismo plano. Si uno de ellos coincide, el algoritmo busca a sus vecinos, determinando si cualquiera de ellos se encuentra en el mismo plano, y así sucesivamente se produce una expansión gradual de la superficie.

Esto es computacionalmente eficiente, pero requiere frecuentes peticiones a nivel de la memoria principal de un chip. Debido a que el algoritmo no sabe de antemano en qué dirección habrá movimiento a través de la nube de puntos, no puede cargar previamente de forma fiable los datos que necesitará en su pequeño banco de memoria de trabajo.

Ir a buscar los datos de la memoria principal, sin embargo, supone la pérdida de energía más grande de los chips de hoy, por lo que los investigadores del MIT modificaron el algoritmo estándar. Su algoritmo siempre comienza en la esquina superior izquierda de la nube de puntos y realiza exploraciones a lo largo de la fila superior, comparando cada punto sólo con el vecino en su izquierda.

A continuación, se inicia en el punto más a la izquierda en la siguiente fila hacia abajo, comparando cada punto sólo con el vecino a su izquierda y respecto al que está directamente encima, y repite este proceso hasta que haya examinado todos los puntos. Esto permite que el chip cargue tantas filas como quepan en su memoria de trabajo, sin tener que pasar de nuevo a la memoria principal.

Consumo

Este truco y otros similares reduce drásticamente el consumo de energía del chip. Pero el chip de procesamiento de datos no es el componente del sistema de navegación que consume más energía, sino la cámara 3-D. Así que el chip incluye también un circuito que de forma rápida compara cada nuevo marco de datos capturados por la cámara con el inmediatamente precedente.

Si se producen pequeños cambios a lo largo de cuadros sucesivos, es una buena indicación de que el usuario se encuentra todavía ante un obstáculo; el chip envía una señal a la cámara, lo que puede reducir su velocidad de fotogramas, ahorrando energía.

Aunque el sistema de navegación prototipo es menos molesto que sus predecesores, debería ser posible miniaturizar aún más. En la actualidad, uno de sus mayores componentes es un dispositivo de disipación de calor encima de un segundo chip que convierte la salida de la cámara en una nube de puntos.

Añadir el algoritmo de conversión al chip de procesamiento de datos debería tener un efecto insignificante sobre su consumo de energía, pero reduce significativamente el tamaño de los componentes electrónicos del sistema.